Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям
На правах рукописи
ФОМЕНКО Оксана Юрьевна ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДИФФУЗИОННОГО СОЕДИНЕНИЯ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 05. 16. 06. Порошковая металлургия и композиционные материалы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск 2012
Работа выполнена на кафедре Материаловедения и технологии обработки материалов ФГАОУ ВПО Сибирский федеральный университет
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Михеев Анатолий Анатольевич
Официальные оппоненты:
ямкин Алексей Иванович, доктор физико-математических наук, профессор;
Сибирский федеральный университет / кафедра Нанофазных материалов и нанотехнологий, заведующий кафедрой Прокопьев Сергей Викторович, кандидат технических наук, доцент; Сибирский государственный аэрокосмический университет им. акад. М.Ф. Решетнева / кафедра Сварка летательных аппаратов, доцент кафедры
Ведущая организация: ОАО Красмаш (г. Красноярск)
Защита состоится л25 мая 2012 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.099.19 при Сибирском федеральном университете по адресу:
660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26 в ауд. УЛК 115.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО Сибирского федерального университета.
Автореферат разослан апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Редькин Виктор Ефимович
Актуальность работы Получение слоистых композиционных материалов (СКМ) для деталей и узлов машин, конструкций из них, на основе металлических материалов, является актуальной проблемой для машиностроения, металлургии, авиационнокосмической, радиотехнической и других отраслей промышленности. Одним из путей решения которой является получение СКМ диффузионным соединением, позволяющим создавать конструкции из материалов со свойствами, недостижимыми другими способами соединения. Основной вклад в формирование и развитие теории и практики диффузионного соединения внесли такие ученые, как Шоршоров М.Х., Гегузин Я.Е., Бальшин М.Ю., Каракозов Э.С., Казаков Н.Ф., Конюшков Г.В. и др.
Большинство СКМ, полученных диффузионным соединением, хорошо изучены, при этом основное внимание уделено прочностным и эксплуатационным свойствам.
Недостаточно исследованы процессы объемного диффузионного взаимодействия и фазообразования в переходной зоне. Практически отсутствуют данные по коэффициентам взаимной диффузии химических элементов при температуре соединения и критерии достаточности для ширины переходной зоны, необходимых для проектирования и создания СКМ с заданными прочностными свойствами. А также отсутствует методика расчета основных параметров технологических режимов, которая позволила бы сократить объем расчетных и экспериментальных работ на стадии подготовки производства СКМ диффузионным соединением.
Поэтому исследования физико-химических процессов на границах раздела в СКМ, микроструктуры и распределения химических элементов в переходной зоне являются актуальной задачей при создании конструкций из разнородных металлов и сплавов и разработке методик расчета технологических режимов.
Целью диссертационной работы является получение и исследование слоистых композиционных материалов с заданными прочностными свойствами на основе диффузионного соединения разнородных металлов и сплавов:
БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08; М1Цсталь 45; ВТ14ЦZrRe; ВТ14ЦТаЦМедь М1Ц12Х18Н10Т.
Основные решаемые задачи:
Ц получение СКМ диффузионным соединением тугоплавких материалов с пластичными материалами и тугоплавких с тугоплавкими и исследование их микроструктуры;
Ц исследование фазообразования и диффузионных процессов на границе раздела соединений металлических материалов;
Ц изучение концентрационного распределения химических элементов в СКМ и определение ширины переходной зоны;
Ц расчет коэффициентов взаимной диффузии в переходных зонах соединений металлических материалов;
Ц изучение механических свойств СКМ;
Ц определение критерия достаточности для ширины переходной диффузионной зоны при проектировании и создании СКМ с заданными прочностными свойствами;
Ц разработка инженерной методики расчета времени изотермической выдержки при получении СКМ диффузионным соединением металлов и сплавов.
Методы исследования Для решения поставленных задач использовались методы оптической и электронной микроскопии; энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа, стандартизованные методы испытаний и исследования механических свойств.
Научная новизна 1. Исследованы процессы объемного диффузионного взаимодействия на межфазных границах СКМ и рассчитаны коэффициенты взаимной диффузии химических элементов CuЦNi, FeЦCu, TaЦTi, TiЦZr по ширине переходных зон СКМ.
2. Впервые установлены зависимости коэффициентов взаимной диффузии от концентрации химического элемента для СКМ: БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08, М1Цсталь 45, ВТ14ЦZrRe, ВТ14ЦТа, включая крайние участки переходной зоны с минимальной концентрацией компонентов.
3. Установлен критерий достаточности для ширины диффузионной переходной зоны при проектировании и создании новых СКМ на основе тугоплавких металлов и сплавов с заданной прочностью соединения.
Практическая значимость 1. Получены СКМ: БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08; М1Цсталь 45; ВТ14ЦZrRe;
ВТ14ЦТаЦМедь М1Ц12Х18Н10Т диффузионным соединением разнородных металлов и сплавов.
2. Получено авторское свидетельство на программу для расчета коэффициентов взаимной диффузии химических элементов по ширине переходной зоны, которая апробирована на СКМ: БрХ08ЦNiPЦБрХ08; М1Цсталь 45; ВТ14Ц ZrRe; ВТ14ЦТа.
3. Разработана методика расчета времени изотермической выдержки при получении СКМ методом диффузионного соединения металлов и сплавов, которая позволяет значительно уменьшить количество необходимых экспериментов при создании новых СКМ.
4. Основные результаты работы используются в учебном процессе СФУ при изучении дисциплин Методы структурного анализа, контроль качества материалов и изделий, Механические и физические свойства материалов и изделий.
Достоверность полученных результатов базируется на основных положениях физики твердого тела, материаловедения, а также обеспечивается использованием современных методов исследований и обработки полученных результатов.
ичный вклад автора Общая научная идея, цель и задачи исследований, методики исследований предложены и сформулированы совместно с научным руководителем. Автором проведены экспериментальные исследования, проанализированы результаты исследований, предложена методика расчета времени изотермической выдержки при получении СКМ диффузионным соединением металлических материалов. При участии автора разработана программа для расчета коэффициентов взаимной диффузии химических элементов.
Апробация работы Результаты работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Молодежь и наука (Красноярск, 2007, 2010), на VI Московской Международной конференции Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (Москва, 2009), на XIII Междуна на родном междисциплинарном симпозиуме УФазовые превращения в твердых растворах и сплавах" OMA-13, (Сочи - п. Лоо, 2010).
Публикации По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 3 статьи в периодических изданиях по списку ВАК, 3 тезисов докладов на Международной и Всероссийских конференциях, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации Диссертация объемом 105 страниц состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 36 рисунков, 17 таблиц, список литературы включает 123 наименований литературных источника.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, поставлены цель и задачи, показана научная новизна и практическая значимость.
В первой главе приведен обзор и анализ научно-технической литературы по СКМ и диффузионному соединению металлов и сплавов. Рассмотрены области применения СКМ, достоинства и недостатки, основные параметры технологического процесса диффузионного соединения. Основной вклад в формирование и развитие теории и практики диффузионного соединения внесли такие ученые, как Шоршоров М.Х., Гегузин Я.Е., Бальшин М.Ю., Каракозов Э.С., Казаков Н. Ф., Конюшков Г. В.
Изучена классификация промежуточных прослоек, применение которых позволяет компенсировать разницу в коэффициентах термического линейного расширения материалов СКМ, исключить образование интерметаллидов, снизить температуру и давление процесса получения диффузионного соединения, особое внимание уделено использованию никель-фосфорных прослоек. Рассмотрены основные стадии образования диффузионного соединения (по Ю. Л.
Красулину, Г. В. Конюшкову, Р. А. Мусину) - формирование физического контакта, активация контактных поверхностей и развитие объемного взаимодействия. Проанализирована кинетическая схема процесса диффузионного соединения, позволяющая систематизировать результаты исследований в этой области, а также проанализированы графические методы Матано и Холла для определения коэффициентов взаимной диффузии.
Во второй главе приведена методика получения СКМ диффузионным соединением на универсальной вакуумной установке мод. СДВУ50. Представлена обобщенная методика изготовления шлифов на комплексе подготовки образцов для исследований методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа, включающем: высокоскоростной линейный прецизионный отрезной станок IsoMet 5000 для резки образцов; установку Beta Grinder-Polishes для изготовления шлифов; установку Precision Etching Coating System для выявления микроструктуры методом ионного травления.
Микроструктуру изучали на оптическом микроскопе NIКON ECLIPS LV 1при увеличении от х100 до х2500, в сканирующих электронных микроскопах (СЭМ) HITAСHI TM1000 и JEOL JSM 7001F при увеличениях от х100 до х50000. Распределение химических элементов в переходной зоне соединений определяли с помощью энергодисперсионного спектрометра фирмы Oxford Instruments, входящего в состав СЭМ JEOL JSM 7001F.
Также в главе представлены методика определения микротвердости царапанием алмазным наконечником (ГОСТ 21318-75); методика испытаний на растяжение (ГОСТ 1497).
В третьей главе приведены характеристика металлических материалов, режимы изготовления образцов и результаты исследования СКМ тугоплавких металлов и сплавов с тугоплавкими и пластичными (таблица 1), полученных диффузионным соединением.
СКМ БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08, М1Цсталь 45, ВТ14ЦZrRe выбраны как модельные, результаты исследования этих композитов используются в расчетах коэффициентов взаимной диффузии химических элементов и продолжительности процесса диффузионного соединения. СКМ БрХ08ЦБрХ08 получен через прослойку Ni-P, способствующую снижению температуры соединения. СКМ ВТ14ЦТаЦМедь М1Ц12 Х18Н10Т применяется в промышленности.
На полученных СКМ на приборе ПМТ-3М определена микротвердость соединяемых материалов и переходной зоны (рисунок 1). Так как ширина переходной зоны меньше или соизмерима с диаметром отпечатка индентора, использовался метод царапания (ГОСТ 21318-75), нагрузка на индентор была выбрана минимальной и составляла для образцов: БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08 - 3 г, ВТ14ЦTa, ВТ14ЦZrRe - 2 г.
Микротвердость переходной зоны СКМ БрХ08Ц(NiP)ЦБрХ08 превышает микротвердость соединяемых материалов, что объясняется наличием в переходных зонах СКМ химических соединений Ni3P, Cu3P, имеющих более высокую микротвердость, чем соединяемые материалы.
Микротвердость переходной зоны больше микротвердости соединяемых материалов в СКМ BT14ЦTа, так как в переходной зоне образуются твердые растворы на основе модификаций -, -Ti и Та.
Таблица 1 - Технологические режимы получения СКМ № СКМ, Режимы диффузионного соединения химический состав темпера- время изо- давление, тура, термической МПа К выдержки, мин Модельные СКМ 1 БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08; 1033 10 (Сu-0,8%Cr)Ц(Ni-P)Ц(Сu-0,8%Cr) 2 М1Цсталь 45; 1123 10 (99,9%Cu) - (99,55%Fe-0,45%С) 3 ВТ14 - ZrRe; 1273 10 (90%Ti-5%Al-2%V-3%Mo) - (97,45%Zr-2,55%Re) СКМ, применяемый в промышленности: ВТ14ЦТaЦМедь М1Ц12Х18Н10Т 4 ВТ14 - Тa; 1373 12 (90%Ti-5%Al-2%V-3%Mo) - (99,9 %Ta) 5 Та - М1; 1123 12 (99,9 %Ta) - (99,9%Cu) 6 М1 - 12Х18Н10Т; 1173 15 (99,9%Cu) - (0,12%C-18%Cr- 10% Ni-1% Ti-58,9%Fe) В СКМ ВТ14ЦZrRe микротвердость переходной зоны меньше микротвердости ВТ14 и равна микротвердости сплава ZrRe, переходная зона состоит из непрерывного ряда твердых растворов -Тi, -Zr.
Для обоснования времени изотермической выдержки получения СКМ сталь 45ЦМ1 были проведены испытания на растяжение на цилиндрических образцах. Соединения получены при постоянных параметрах: температура - 1123 К, давление 5 МПа; время изотермической выдержки варьировалось в диапазоне от 5 до 20 мин. Фрактограммы разрушения образцов и концентрационные кривые распределения химических элементов в переходных зонах сталь 45ЦМприведены на рисунке 2.
Рисунок 1 - Микротвердость соединяемых материалов и переходной зоны СКМ Повышение времени изотермической выдержки приводит к росту общей площади участков схватывания (рисунок 2, а, в, д), а также увеличению ширины переходной зоны (рисунок 2, б, г, е), что сопровождается ростом прочности получаемого СКМ (рисунок 3). Прочность соединения достаточна уже при времени, равном 10 мин, поэтому повышение продолжительности изотермической выдержки до 15Ц20 мин для данного СКМ сталь 45ЦМ1 не целесообразно, т. к.
увеличение выдержки может привести к росту зерна СКМ и переходной зоны.
а б в г д е Рисунок 2 - Фрактограммы разрушения и концентрационные кривые распределения химических элементов в переходной зоне СКМ медь М1Цсталь 45, полученных при времени изотермической выдержки:
а, б - 5 мин; в, г - 10 мин; д, е - 15 мин Рисунок 3 - Зависимость предела прочности и площади физического контакта от времени изотермической выдержки сталь 45 - медь МДля определения ширины переходной зоны на шлифах СКМ методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа (МРСА) была изучена микроструктура и получены характеристические рентгеновские спектры химических элементов в точке, по линии и сетке, при этом длину линии и шаг сканирования выбирали индивидуально для каждого образца СКМ. По данным МРСА были построены концентрационные кривые распределения химических элементов в СКМ, по которым определена ширина переходной зоны.
Формирование переходной зоны М1 - сталь 45 происходит вследствие взаимной диффузии меди и железа, при взаимодействии которых образуются твердые растворы на основе -Fe, -Cu. Ширина переходной зоны М1Цсталь - 4,2 мкм (рисунок 4, а, б).
СКМ ВТ14ЦТаЦМедь М1Ц12Х18Н10Т применяется в промышленности.
При изучении переходных зон этого композита были получены следующие результаты.
В сплаве ВТ14 алюминий стабилизирует -фазу титана, образуя твердый раствор Al с -Ti, повышая жаропрочность. Элементы из группы стабилизаторов, в которую входят Mo и V, упрочняют титан и повышают жаропрочность, образуют - и высокотемпературную -фазы.
М1 Сталь а б Рисунок 4 - СКМ М1Цсталь 45: а - микроструктура;
б - концентрационные кривые распределения химических элементов в переходной зоне Микроструктура соединяемых материалов и переходной зоны диффузионного соединения ВТ14ЦTa приведена на рисунке 5, а, следует отметить уменьшение размера зерна в переходной зоне.
Ti Та Переходная зона а б Рисунок 5 - Соединение ВТ14ЦTa: а - микроструктура переходной зоны;
б - концентрационные кривые распределения химических элементов в переходной зоне Концентрационные кривые распределения элементов в переходной зоне, построенные по результатам МРСА приведены на рисунке 5, б. Формирование соединения ВТ14ЦTa происходит вследствие диффузии всех имеющихся в соединяемых материалах химических элементов, однако, главная роль в этом принадлежит танталу и титану. Тантал по свойствам близок к титану и при взаимодействии между ними образуются твердые растворы на основе модификаций -, -Ti и Та, наличие и распределение фаз зависит от концентрации Та в переходной зоне. Ширина переходной зоны составляет 2 мкм (таблица 3).
Соединение TaЦМ1 было осуществлено без промежуточной прослойки.
Из диаграммы состояния CuЦTa следует, что эти химические элементы практически не взаимодействуют друг с другом, формирование соединения в данном случае протекает в два этапа: это - активация поверхностей и последующее образование металлических связей, третьей стадии - объемного взаимодействия в этом случае не будет. То есть, процесс диффузионного соединения на второй стадии считается завершенным. В данном случае, при соединении пластичного металла (Cu) с твердым (Ta) упрочнение мягкого металла в контактной зоне приводит к локализации разрушения вне стыка и достижению равнопрочности, чему способствует повышенное давление - 14 МПа.
Небольшое по ширине диффузионное соединение - около 1 мкм (рисунок 6) - формируется, в большей мере, за счет образования атомами металлических связей на активированных поверхностях соединяемых металлов и в меньшей - незначительной взаимной диффузией компонентов.
Ширина переходной зоны, равная 1 мкм, не гарантирует получение прочного СКМ. Поэтому для повышения прочности и надежности СКМ ВТ14ЦТаЦ Медь М1Ц12Х18Н10Т предлагается заменить тантал на другой химический элемент, который взаимодействует с титаном и медью с образованием твердых растворов.
Та Ма б Рисунок 6 - Соединение TaЦМ1: а - микроструктура переходной зоны;
б - концентрационные кривые распределения химических элементов в переходной зоне Такие металлы, как Ni, Ag, Au, Al используются в качестве промежуточных слоев при создании СКМ с требуемыми свойствами. Однако при анализе диаграмм состояния было выявлено, что Ni, Ag, Au, Al взаимодействуют с медью и титаном с образованием интерметаллидов и химических соединений:
система Ni-Ti - Ti2Ni, TiNi, TiNi3; система Ag-Ti - твердых растворов на основе Ag, -i, -i и двух соединений AgTi, Ag2Ti; система Ti-Au - Ti3Au, TiAu, TiAu2 и TiAu4; система Al-Ti - Ti3Al, Ti2Al, i16 и TiAl2.
Наиболее подходящим для соединения ВТ14ЦМедь М1 является ванадий, при взаимодействии которого с Ti и Cu образуются твердые растворы на основе -Ti, -Ti, V, -Cu, интерметаллидов в данных системах не обнаружено. Поэтому для формирования достаточной по ширине и прочности переходной зоны рекомендуется заменить в соединении ВТ14ЦТаЦМедь М1 тантал на ванадий.
Микроструктура диффузионного соединения М1Ц12Х18Н10Т и концентрационные кривые распределения химических элементов в переходной зоне приведены на рисунке 7. Установлено, что в диффузионном массообмене через границу раздела участвуют основные химические элементы: медь, железо, хром. Ширина переходной зоны составляет 2,5 мкм.
Химические элементы, вносящие основной вклад в формирование переходных зон СКМ, ее ширина приведены в таблице 3.
12Х18Н10Т Ма б Рисунок 7 - Микроструктура соединения М1Ц12Х18Н10Т и концентрационные кривые распределения химических элементов в переходной зоне Таблица 3. Ширина переходной зоны, полученных СКМ № СКМ, Длина линии ска- Шаг Химические эле- Ширина диффузионное нирования хими- скани- менты, форми- переходной соединение ческого состава, рования, рующие переход- зоны, мкм мкм ную зону мкм 1 БрХ08Ц(Ni-Р) 6,0 0,2 Cu / Ni 4,40,2 (Ni-P)ЦБрХ08 6,0 0,2 Ni / Cu 4,40,3 М1Цсталь 45 7,0 0,2 Cu / Fe 4,20,4 ВТ14ЦZrRe 120,0 1 Ti / Zr 36,03,ВТ14ЦТаЦМедь М1Ц12Х18Н10Т 5 ВТ14ЦТа 3,5 0,1 Ti / Ta 2,10,6 М1ЦТа 4,2 0,15 Cu / Ta 10,7 М1Ц12Х18Н10Т 4,1 0,1 Cu / Fe 2,50,Выявлено, что в СКМ БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08; М1Цсталь 45; ВТ14ЦZrRe;
ВТ14ЦТа; М1Ц12Х18Н10Т - компоненты (по массе), вносящие основной вклад в формирование ПЗ, взаимодействуют в твердом состоянии с образованием твердых растворов и химических соединений; в соединении ТаЦМ1, компоненты которого практически не проявляют взаимную диффузию, формирование соединения заканчивается второй стадией - активацией поверхностей, образованием металлических связей и незначительной диффузией по границам зерен.
Поэтому для формирования достаточной по ширине и прочности переходной зоны рекомендуется заменить в соединении ВТ14ЦТаЦМедь М1 тантал на ванадий.
Установлено, что размер переходных зон для полученных СКМ варьируется в диапазоне - от 1 до 39 мкм, что объясняется интенсивностью взаимной диффузии компонентов.
В четвертой главе рассчитано время изотермической выдержки получения СКМ БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08, ВТ14ЦZrRe, ВТ14ЦТа и разработана методика расчета времени изотермической выдержки при диффузионном соединении металлов и сплавов.
Основные параметры технологического процесса диффузионного соединения - температура, время и давление - определяются природой соединяемых материалов и требованиями, предъявляемыми к получаемому соединению по механическим и эксплуатационным свойствам. Продолжительность изотермической выдержки диффузионного соединения рассчитывается по формуле:
xt ~ (1) 4u2D, где х - расстояние, на которое диффундирует атом от границы Матано, м;
~ D - коэффициент взаимной диффузии, м2/с; u - интеграл ошибок Гаусса.
Для расчета необходимы данные по ширине переходной зоны, коэффициентам взаимной диффузии и интегралу ошибок Гаусса.
Для определения коэффициента взаимной диффузии была разработана программа, написанная на языке Delphi. В основу положен графический метод Матано и формула для расчета коэффициентов взаимной диффузии (2):
C ~ 1 dx D(С) (xM x)dC, 2t dC (2) Cгде х - расстояние, на которое диффундирует атом от границы Матано, м;
хм - координата плоскости Матано; С - концентрация компонента, масс. %; t - время изотермической выдержки, сек.
Коэффициенты взаимной диффузии рассчитаны в разработанной программе для СКМ: БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08, М1Цсталь 45, ВТ14ЦZrRe, ВТ14ЦТа (таблица 4), зависимость их от концентрации приведена на рисунке 8. Максимальный коэффициент диффузии на графиках соответствует плоскости Матано.
Разработанная программа позволяет рассчитать коэффициенты взаимной диффузии не только средней части концентрационной кривой распределения химических элементов, но и у краев, при малых концентрациях, вследствие набора большого количества спектров характеристического рентгеновского излучения при малом шаге сканирования химического состава переходной зоны.
С использованием экспериментальных данных было рассчитано время изотермической выдержки для СКМ БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08, ВТ14ЦТа, ВТ14Ц ZrRe (таблица 4). Для СКМ БрХ08ЦNiPЦБрХ08 расчетное время (11 минут) незначительно отличается от экспериментального (10 минут), данные практически сопоставимы. В диффузионных соединениях ВТ14ЦZrRe, ВТ14ЦТа расчетное время отличается от экспериментального в 2,5Ц3 раза, в этом случае расчетное время является минимальной продолжительностью изотермической выдержки при получении СКМ.
а б в г Рисунок 8 - Зависимость коэффициентов взаимной диффузии от концентрации химического элемента в СКМ: а - БрХ08ЦNiPЦБрХ08; б - М1Цсталь 45;
в - ВТ14ЦZrRe ; г - ВТ14ЦТа Также время изотермической выдержки при диффузионном соединении было рассчитано по экспериментальным данным, приведенным в работах других авторов. Для СКМ 12Х18Н10ТЦ49К2Ф время было рассчитано с использо~ D ванием, определенного для основных (по массе и глубине диффузии в переходную зону) элементов - Cr, Fe, Co, Ni, в результате чего время варьировалось от 9 до 22 минут.
Таблица 4 - Расчетное время изотермической выдержки для СКМ, полученных диффузионным соединением № СКМ Диф- Коэффи- Ширина Экспери- Расчетное фунди- циент пере- менталь- время изорую- взаимной ходной ное время термичещий диффу- зоны, изотерми- ской выэле- зии, м2/с мкм ческой держки, мент выдержки, мин мин 1 БрХ08Ц Cu / Ni 4,42E-16 4,4 10 (Ni-Р)ЦБрХ2 ВТ14ЦZrRe Ti / Zr 8,82E-14 36,0 12 3 ВТ14ЦТа Ta / Ti 2,4E-16 2,0 12 ~ D При использовании для Fe и Ni - время изотермической выдержки составило 22 минуты, что практически соответствует экспериментальному - ~ D минутам. При рассмотрении диффузии Cr и Co - 9 и 13 минут соответственно, его можно принять за минимальное для получения ширины переходной зоны 8 мкм и 10 мкм (таблица 5).
Расчетное и экспериментальное время изотермической выдержки сопоставимы. Расчетное время следует принять за минимальное, достаточное для формирования переходной зоны такой ширины, которая обеспечивает требуемую прочность СКМ.
Таблица 5 - Расчетное время изотермической выдержки для СКМ по литературным данным № СКМ Диф- Коэффи- Ширина Экспери- Расчетное фунди- циент пере- менталь- время изорующий взаимной ходной ное время термичеэлемент диффу- зоны, изотерми- ской вы зии, м2/с мкм ческой держки, выдержки, мин мин 1 12Х18Н10ТЦ Cr 2,91E-15 8 20 49К2Ф Fe 7,52Е-16 10 20 Co 2,07Е-15 10 20 Ni 1,43Е-15 11 20 2 49К2ФЦМ1 Cu 3,03E-16 3 20 3 АЦ5К5ЦВТ6с Al 3,2Е-15 6 15 Несмотря на значительное количество работ в области получения СКМ диффузионным соединением, отсутствует обобщенная методика расчета параметров технологических режимов. Экспериментальный подбор этих параметров на образцах из требуемых материалов в условиях реального производства - трудоемкая и длительная операция, состоящая из большого количества экспериментов. Одной из задач данной работы была разработка методики расчета изотермической выдержки получения СКМ. На производстве инженер на основе известных физико-механических и химических свойств материалов, структуры, по предложенной в данной главе методике может рассчитать время изотермической выдержки.
Используя диаграммы состояния, следует выявить тип взаимодействия компонентов, входящих в состав соединяемых материалов, и фазы, образующиеся в переходной зоне при получении СКМ диффузионным соединением.
Если компоненты образуют ряд твердых растворов, то возможно создание СКМ без промежуточных прослоек. В том случае, если компоненты соединяемых материалов образуют химические соединения или интерметаллиды следует применить барьерную прослойку, компоненты которой образуют твердые растворы с компонентами соединяемых материалов.
Практика создания СКМ показала, что ширина ПЗ соизмерима со средним размером зерна dср, если он составляет от 3 до 15 мкм. Для СКМ, полученных диффузионным соединением металлов и сплавов с крупнозернистой структурой, ширина ПЗ принимается 7Ц10 мкм.
При диффузионном соединении металлических материалов в случаях, когда переходная зона равна или больше величины зерна металла, имеющего в данном соединении меньшее значение dср, получается СКМ с равнопрочным соединением слоев. Для инженерных расчетов времени изотермической выдержки, достаточного для получения соединения требуемой прочности, следует принять х = 1/2 dср. С учетом принятых допущений инженерная методика расчета времени изотермической выдержки состоит из следующих этапов:
1. Изучение диаграмм состояния с целью выявления характера диффузионного взаимодействия в СКМ.
Ц ряд твердых растворов - возможно создание СКМ без промежуточных прослоек;
Ц химические соединения или интерметаллиды - применение барьерной прослойки, образующей твердые растворы с каждым из соединяемых материалов.
2. Измерение среднего размера зерна.
Средний размер зерна материала, как правило, указывается в сертификате, если же нет, его необходимо определить микроскопическими методами в соответствии с ГОСТ 5639-82.
3. Определение коэффициента взаимной диффузии.
Коэффициент взаимной диффузии справочная величина. В случае если коэффициенты получены при температуре, отличающейся от температуры ~ D диффузионного соединения, определяется его экспоненциальной зависимостью от температуры.
4. Расчет времени изотермической выдержки диффузионного соединения с учетом данных, полученных в соответствии с п.п. 1Ц3, производится по формуле:
dСР t ~ 16Du (3) Предложенная инженерная методика расчета изотермической выдержки получения СКМ позволяет значительно сократить количество необходимых экспериментов для определения оптимального времени процесса диффузионного соединения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Получены диффузионным соединением слоистые композиционные материалы (СКМ) БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08; М1Цсталь 45; ВТ14ЦZrRe; ВТ14ЦТаЦМ1Ц 12Х18Н10Т. Исследована их микроструктура, механические свойства и определена ширина переходной зоны СКМ. Установлено, что ширина переходной зоны в полученных СКМ варьируется от 1 до 39 мкм.
2. Разработана компьютерная программа для расчета коэффициентов взаимной диффузии химических элементов по ширине переходной зоны СКМ, полученных диффузионным соединением. Программа апробирована на СКМ БрХ08Ц(Ni-P)ЦБрХ08, М1Цсталь 45, ВТ14ЦZrRe, ВТ14ЦТа.
3. Установлены зависимости рассчитанных коэффициентов взаимной диффузии пар химических элементов CuЦNi, FeЦCu, TaЦTi, TiЦZr от концентрации по ширине переходной зоны, включая крайние участки с минимальной концентрацией.
4. Определен критерий достаточности для ширины переходной диффузионной зоны при проектировании и создании СКМ с заданными прочностными свойствами 5. Разработана инженерная методика расчета времени изотермической выдержки при получении СКМ диффузионным соединением металлов и сплавов.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:
1. Михеев, А. А. Исследование переходной зоны диффузионных соединений бронзы БрХ08 и меди М1 / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, Д. С.
Райпольд // Сварочное производство, № 9, 2010, С. 18Ц21.
2. Михеев, А. А. Исследование микроструктуры и распределения элементов в диффузионно-сварных соединениях тантала с медью и титановым сплавом ВТ14 / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, Д. С. Райпольд // Известия РАН. Серия физическая, 2011, том 75, № 8, С. 1157Ц1159.
3. Михеев, А. А. Исследование физико-химических процессов на межфазных границах диффузионных соединений титановых сплавов с медью, танталом и цирконием / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, М. Ю. Кучинский, Д. С. Райпольд, О. Н. Ледяева // Journal of Siberian Federal University, том 2 № 4, 2011 - С. 172Ц182.
Статьи, опубликованные в других изданиях:
4. Зеер, Г. М. Применение сканирующей электронной микроскопии в ре4.
шении актуальных проблем материаловедения / Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, О.
Н. Ледяева // Journal of Siberian Federal University, том 2 № 4, 2009 - С. 287Ц293.
5. Михеев, А. А. Графические методы Матано и Холла для расчета коэффициентов взаимной диффузии в композиционных соединениях / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, Ю. П. Королева, Д. С. Райпольд // Вестник АВ КГТУ. Вып. 17, 2008. - С. 55Ц59.
Публикации в материалах научно-технических конференций:
6. Михеев, А. А. Расчет температуры и времени изотермической выдержки диффузионной сварки разнородных материалов через промежуточные прослойки / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко // Молодежь и наука: начало XXI века: материалы III Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 4 ч. Ч. № 3 - Красноярск: СФУ, 2007.
Ц С. 27Ц28.
7. Михеев, А. А. Инженерная методика расчета продолжительности процесса диффузионной сварки / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, Д. С. Райпольд, Ю. П. Королева // Труды материалов VI Московской Международной конференции Теория и практика технологии производства изделий из компоТеория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов, Москва - 2009 г. (в зиционных материалов и новых металлических сплавов, Москва - 2009 г. (в печати).
печати).
8. Михеев, А. А. Исследование микроструктуры и элементного состава диффузионного соединения меди М1 через прослойку никель-фосфор / А. А.
Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко / Молодежь и наука: сб. материалов VI Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 11 ч. Ч. 3 // НОЦ МУ ФГОУ ВПО СФУ. - Красноярск, 2010. - С. 159Ц161.
свидетельство:
9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009611647 Программа для расчета коэффициентов взаимной диффузии в композиционных соединениях по методам Матано и Холла / Михеев А. А., Зеер Г. М., Фоменко О. Ю., Райпольд Д. С., Зеленкова Е. Г., Королева Ю. П.
27.03.2009 г.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям