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
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:
Лямкин Алексей Иванович, доктор физико-математических наук, профессор;
Сибирский федеральный университет / кафедра «Нанофазных материалов и на нотехнологий», заведующий кафедрой Прокопьев Сергей Викторович, кандидат технических наук, доцент;
Сибир ский государственный аэрокосмический университет им. акад. М.Ф. Решетнева / кафедра «Сварка летательных аппаратов», доцент кафедры
Ведущая организация: ОАО «Красмаш» (г. Красноярск)
Защита состоится «25» мая 2012 года в 10.00 часов на заседании диссертацион ного 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, явля ется актуальной проблемой для машиностроения, металлургии, авиационно космической, радиотехнической и других отраслей промышленности. Одним из путей решения которой является получение СКМ диффузионным соединением, позволяющим создавать конструкции из материалов со свойствами, недости жимыми 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 эксплуатацион ным свойствам.
Недостаточно исследованы процессы объемного диффузионного взаимо действия и фазообразования в переходной зоне. Практически отсутствуют дан ные по коэффициентам взаимной диффузии химических элементов при темпе ратуре 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 тех нологических режимов, которая позволила бы сократить объем расчетных и экспериментальных работ на стадии подготовки производства СКМ диффузи онным соединением.
Поэтому исследования физико-химических процессов на границах разде ла в СКМ, микроструктуры и распределения химических элементов в переход ной зоне являются актуальной задачей при создании конструкций из разнород ных металлов и сплавов и разработке методик расчета технологических режи мов.
Целью диссертационной работы является получение и исследование слоистых композиционных материалов с заданными прочностными свойствами на основе диффузионного соединения разнородных металлов и сплавов:
БрХ08–(Ni-P)–БрХ08;
М1–сталь 45;
ВТ14–ZrRe;
ВТ14–Та–Медь М1–12Х18Н10Т.
Основные решаемые задачи:
– получение СКМ диффузионным соединением тугоплавких материалов с пластичными материалами и тугоплавких с тугоплавкими и исследование их микроструктуры;
– исследование фазообразования и диффузионных процессов на границе раздела соединений металлических материалов;
– изучение концентрационного распределения химических элементов в СКМ и определение ширины переходной зоны;
– расчет коэффициентов взаимной диффузии в переходных зонах соеди нений металлических материалов;
– изучение механических свойств СКМ;
– определение критерия достаточности для ширины переходной диффу зионной зоны при проектировании и создании СКМ с заданными прочностны ми свойствами;
– 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 мик роанализа, стандартизованные методы испытаний и исследования механиче ских свойств.
Научная новизна 1. Исследованы процессы объемного диффузионного взаимодействия на межфазных границах СКМ и рассчитаны коэффициенты взаимной диффузии химических элементов Cu–Ni, Fe–Cu, Ta–Ti, Ti–Zr по ширине переходных зон СКМ.
2. Впервые установлены зависимости коэффициентов взаимной диффу зии от концентрации химического элемента для СКМ: БрХ08–(Ni-P)–БрХ08, М1–сталь 45, ВТ14–ZrRe, ВТ14–Та, включая крайние участки переходной зоны с минимальной концентрацией компонентов.
3. Установлен критерий достаточности для ширины диффузионной пере ходной зоны при проектировании и создании новых СКМ на основе тугоплав ких металлов и сплавов с заданной прочностью соединения.
Практическая значимость 1. Получены СКМ: БрХ08–(Ni-P)–БрХ08;
М1–сталь 45;
ВТ14–ZrRe;
ВТ14–Та–Медь М1–12Х18Н10Т диффузионным соединением разнородных ме таллов и сплавов.
2. Получено авторское свидетельство на программу для расчета коэффи циентов взаимной диффузии химических элементов по ширине переходной зо ны, которая апробирована на СКМ: БрХ08–NiP–БрХ08;
М1–сталь 45;
ВТ14– ZrRe;
ВТ14–Та.
3. Разработана методика расчета времени изотермической выдержки при получении СКМ методом диффузионного соединения металлов и сплавов, ко торая позволяет значительно уменьшить количество необходимых эксперимен тов 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 поло жениях физики твердого тела, материаловедения, а также обеспечивается ис пользованием современных методов исследований и обработки полученных ре зультатов.
Личный вклад автора Общая научная идея, цель и задачи исследований, методики исследова ний предложены и сформулированы совместно с научным руководителем. Ав тором проведены экспериментальные исследования, проанализированы резуль таты исследований, предложена методика расчета времени изотермической вы держки при получении СКМ диффузионным соединением металлических мате риалов. 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 ма териалов и новых металлических сплавов» (Москва, 2009), на XIII Междуна родном междисциплинарном симпозиуме “Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах" OMA-13, (Сочи – п. Лоо, 2010).
Публикации По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 3 статьи в периодиче ских изданиях по списку ВАК, 3 тезисов докладов на Международной и Все российских 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 наименова ний 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 литерату ры 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 вне сли такие ученые, как Шоршоров М.Х., Гегузин Я.Е., Бальшин М.Ю., Карако зов 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, сни зить температуру и давление процесса получения диффузионного соединения, особое внимание уделено использованию никель-фосфорных прослоек. Рас смотрены основные стадии образования диффузионного соединения (по Ю. Л.
Красулину, Г. В. Конюшкову, Р. А. Мусину) – формирование физического кон такта, активация контактных поверхностей и развитие объемного взаимодейст вия. Проанализирована кинетическая схема процесса диффузионного соеди нения, позволяющая систематизировать результаты исследований в этой об ласти, 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. Представ лена обобщенная методика изготовления шлифов на комплексе подготовки об разцов для исследований методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа, включающем: высокоскоростной линей ный 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 при 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 In struments, входящего в состав СЭМ JEOL JSM 7001F.
Также в главе представлены методика определения микротвердости цара панием алмазным наконечником (ГОСТ 21318-75);
методика испытаний на рас тяжение (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 БрХ08–(Ni-P)–БрХ08, М1–сталь 45, ВТ14–ZrRe выбраны как мо дельные, результаты исследования этих композитов используются в расчетах коэффициентов взаимной диффузии химических элементов и продолжительно сти процесса диффузионного соединения. СКМ БрХ08–БрХ08 получен через прослойку Ni-P, способствующую снижению температуры соединения. СКМ ВТ14–Та–Медь М1–12 Х18Н10Т применяется в промышленности.
На полученных СКМ на приборе ПМТ-3М определена микротвердость соединяемых материалов и переходной зоны (рисунок 1). Так как ширина пере ходной зоны меньше или соизмерима с диаметром отпечатка индентора, ис пользовался метод царапания (ГОСТ 21318-75), нагрузка на индентор была вы брана минимальной и составляла для образцов: БрХ08–(Ni-P)–БрХ08 – 3 г, ВТ14–Ta, ВТ14–ZrRe – 2 г.
Микротвердость переходной зоны СКМ БрХ08–(NiP)–БрХ08 превышает микротвердость соединяемых материалов, что объясняется наличием в пере ходных зонах СКМ химических соединений Ni3P, Cu3P, имеющих более высо кую микротвердость, чем соединяемые материалы.
Микротвердость переходной зоны больше микротвердости соединяемых материалов в СКМ BT14–Tа, 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 БрХ08–(Ni-P)–БрХ08;
1 1033 10 (Сu-0,8%Cr)–(Ni-P)–(Сu-0,8%Cr) М1–сталь 45;
2 1123 10 (99,9%Cu) – (99,55%Fe-0,45%С) ВТ14 – ZrRe;
3 1273 10 (90%Ti-5%Al-2%V-3%Mo) – (97,45%Zr-2,55%Re) СКМ, применяемый в промышленности: ВТ14–Тa–Медь М1–12Х18Н10Т ВТ14 – Тa;
4 1373 12 (90%Ti-5%Al-2%V-3%Mo) – (99,9 %Ta) Та – М1;
5 1123 12 (99,9 %Ta) – (99,9%Cu) М1 – 12Х18Н10Т;
6 1173 15 (99,9%Cu) – (0,12%C-18%Cr 10% Ni-1% Ti-58,9%Fe) В СКМ ВТ14–ZrRe микротвердость переходной зоны меньше микротвер дости ВТ14 и равна микротвердости сплава ZrRe, переходная зона состоит из непрерывного ряда твердых растворов -Тi, -Zr.
Для обоснования времени изотермической выдержки получения СКМ сталь 45–М1 были проведены испытания на растяжение на цилиндрических об разцах. 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 кри вые распределения химических элементов в переходных зонах сталь 45–М приведены 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 шири ны переходной зоны (рисунок 2, б, г, е), что сопровождается ростом прочности получаемого СКМ (рисунок 3). Прочность соединения достаточна уже при вре мени, равном 10 мин, поэтому повышение продолжительности изотермической выдержки до 15–20 мин для данного СКМ сталь 45–М1 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 рас пределения химических элементов в переходной зоне СКМ медь М1–сталь 45, по лученных 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 М Для определения ширины переходной зоны на шлифах СКМ методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанали за (МРСА) была изучена микроструктура и получены характеристические рент геновские спектры химических элементов в точке, по линии и сетке, при этом длину линии и шаг сканирования выбирали индивидуально для каждого образ ца СКМ. По данным МРСА были построены концентрационные кривые рас пределения химических элементов в СКМ, по которым определена ширина пе реходной 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 М1–сталь – 4,2 мкм (рисунок 4, а, б).
СКМ ВТ14–Та–Медь М1–12Х18Н10Т применяется в промышленности.
При изучении переходных зон этого композита были получены следующие ре зультаты.
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 жа ропрочность, образуют - и высокотемпературную -фазы.
М1 Сталь а б Рисунок 4 – СКМ М1–сталь 45: а – микроструктура;
б – концентрационные кривые распределения химических элементов в переходной зоне Микроструктура соединяемых материалов и переходной зоны диффузи онного соединения ВТ14–Ta приведена на рисунке 5, а, следует отметить уменьшение размера зерна в переходной зоне.
Та Ti Переходная зона а б Рисунок 5 – Соединение ВТ14–Ta: 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 ВТ14–Ta происходит вследствие диффузии всех имеющихся в со единяемых 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 модифи каций -, -Ti и Та, наличие и распределение фаз зависит от концентрации Та в переходной зоне. Ширина переходной зоны составляет 2 мкм (таблица 3).
Соединение Ta–М1 было осуществлено без промежуточной прослойки.
Из диаграммы состояния Cu–Ta следует, что эти химические элементы практи чески не взаимодействуют друг с другом, формирование соединения в данном случае протекает в два этапа: это – активация поверхностей и последующее об разование 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) – фор мируется, в большей мере, за счет образования атомами металлических связей на активированных поверхностях соединяемых металлов и в меньшей – незначи тельной взаимной диффузией компонентов.
Ширина переходной зоны, равная 1 мкм, не гарантирует получение проч ного СКМ. Поэтому для повышения прочности и надежности СКМ ВТ14–Та– Медь М1–12Х18Н10Т предлагается заменить тантал на другой химический элемент, который взаимодействует с титаном и медью с образованием твердых растворов.
Та М а б Рисунок 6 – Соединение Ta–М1: а – микроструктура переходной зоны;
б – концентрационные кривые распределения химических элементов в переходной зоне Такие металлы, как Ni, Ag, Au, Al используются в качестве промежуточ ных слоев при создании СКМ с требуемыми свойствами. Однако при анализе диаграмм состояния было выявлено, что Ni, Ag, Au, Al взаимодействуют с ме дью 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 ВТ14–Медь 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. Поэто му для формирования достаточной по ширине и прочности переходной зоны рекомендуется заменить в соединении ВТ14–Та–Медь М1 тантал на ванадий.
Микроструктура диффузионного соединения М1–12Х18Н10Т и концен трационные 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 пере ходных зон СКМ, ее ширина приведены в таблице 3.
М 12Х18Н10Т а б Рисунок 7 – Микроструктура соединения М1–12Х18Н10Т 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 БрХ08–(Ni-Р) 4,4±0, 1 6,0 0,2 Cu / Ni 4,4±0, 2 (Ni-P)–БрХ08 6,0 0,2 Ni / Cu М1–сталь 45 4,2±0, 3 7,0 0,2 Cu / Fe ВТ14–ZrRe 36,0±3, 4 120,0 1 Ti / Zr ВТ14–Та–Медь М1–12Х18Н10Т ВТ14–Та 2,1±0, 5 3,5 0,1 Ti / Ta М1–Та 1±0, 6 4,2 0,15 Cu / Ta М1–12Х18Н10Т 2,5±0, 7 4,1 0,1 Cu / Fe Выявлено, что в СКМ БрХ08–(Ni-P)–БрХ08;
М1–сталь 45;
ВТ14–ZrRe;
ВТ14–Та;
М1–12Х18Н10Т – компоненты (по массе), вносящие основной вклад в формирование ПЗ, взаимодействуют в твердом состоянии с образованием твердых растворов и химических соединений;
в соединении Та–М1, компонен ты которого практически не проявляют взаимную диффузию, формирование соединения заканчивается второй стадией – активацией поверхностей, образо ванием металлических связей и незначительной диффузией по границам зерен.
Поэтому для формирования достаточной по ширине и прочности переходной зоны рекомендуется заменить в соединении ВТ14–Та–Медь М1 тантал на вана дий.
Установлено, что размер переходных зон для полученных СКМ варьиру ется в диапазоне – от 1 до 39 мкм, что объясняется интенсивностью взаимной диффузии компонентов.
В четвертой главе рассчитано время изотермической выдержки получе ния СКМ БрХ08–(Ni-P)–БрХ08, ВТ14–ZrRe, ВТ14–Та и разработана методика расчета времени изотермической выдержки при диффузионном соединении ме таллов и сплавов.
Основные параметры технологического процесса диффузионного соеди нения – температура, время и давление – определяются природой соединяемых материалов и требованиями, предъявляемыми к получаемому соединению по механическим и эксплуатационным свойствам. Продолжительность изотерми ческой выдержки диффузионного соединения рассчитывается по формуле:
x t ~ (1) 4u 2 D, 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, коэффици ентам 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 C (2) где 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 про грамме для СКМ: БрХ08–(Ni-P)–БрХ08, М1–сталь 45, ВТ14–ZrRe, ВТ14–Та (таблица 4), зависимость их от концентрации приведена на рисунке 8. Макси мальный 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 на бора большого количества спектров характеристического рентгеновского излу чения при малом шаге сканирования химического состава переходной зоны.
С использованием экспериментальных данных было рассчитано время изотермической выдержки для СКМ БрХ08–(Ni-P)–БрХ08, ВТ14–Та, ВТ14– ZrRe (таблица 4). Для СКМ БрХ08–NiP–БрХ08 расчетное время (11 минут) не значительно отличается от экспериментального (10 минут), данные практиче ски сопоставимы. В диффузионных соединениях ВТ14–ZrRe, ВТ14–Та расчет ное время отличается от экспериментального в 2,5–3 раза, в этом случае рас четное время является минимальной продолжительностью изотермической вы держки при получении СКМ.
а б в г Рисунок 8 – Зависимость коэффициентов взаимной диффузии от концентрации химического элемента в СКМ: а – БрХ08–NiP–БрХ08;
б – М1–сталь 45;
в – ВТ14–ZrRe ;
г – ВТ14–Та Также время изотермической выдержки при диффузионном соединении было рассчитано по экспериментальным данным, приведенным в работах дру гих авторов. Для СКМ 12Х18Н10Т–49К2Ф время было рассчитано с использо ~ ванием D, определенного для основных (по массе и глубине диффузии в пере ходную 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 изо рую- взаимной ходной ное время термиче щий диффу- зоны, изотерми- ской вы зии, м2/с эле- мкм ческой держки, мент выдержки, мин мин БрХ08– 1 Cu / Ni 4,42E-16 4,4 10 (Ni-Р)–БрХ ВТ14–ZrRe 2 Ti / Zr 8,82E-14 36,0 12 ВТ14–Та 3 Ta / Ti 2,4E-16 2,0 12 ~ При использовании D для Fe и Ni – время изотермической выдержки со ставило 22 минуты, что практически соответствует экспериментальному – ~ минутам. При рассмотрении D диффузии Cr и Co – 9 и 13 минут соответст венно, его можно принять за минимальное для получения ширины переходной зоны 8 мкм и 10 мкм (таблица 5).
Расчетное и экспериментальное время изотермической выдержки сопос тавимы. Расчетное время следует принять за минимальное, достаточное для формирования переходной зоны такой ширины, которая обеспечивает требуе мую прочность СКМ.
Таблица 5 – Расчетное время изотермической выдержки для СКМ по литературным данным № СКМ Диф- Коэффи- Ширина Экспери- Расчетное фунди- циент пере- менталь- время изо рующий взаимной ходной ное время термиче элемент диффу- зоны, изотерми- ской вы зии, м2/с мкм ческой держки, выдержки, мин мин 12Х18Н10Т– 1 Cr 2,91E-15 8 20 49К2Ф Fe 7,52Е-16 10 20 2,07Е- Co 10 20 1,43Е- Ni 11 20 49К2Ф–М 2 Cu 3,03E-16 3 20 АЦ5К5–ВТ6с 3,2Е- 3 Al 6 15 Несмотря на значительное количество работ в области получения СКМ диффузионным соединением, отсутствует обобщенная методика расчета пара метров технологических режимов. Экспериментальный подбор этих парамет ров на образцах из требуемых материалов в условиях реального производства – трудоемкая и длительная операция, состоящая из большого количества экспе риментов. Одной из задач данной работы была разработка методики расчета изотермической выдержки получения СКМ. На производстве инженер на осно ве известных физико-механических и химических свойств материалов, струк туры, по предложенной в данной главе методике может рассчитать время изо термической выдержки.
Используя диаграммы состояния, следует выявить тип взаимодействия компонентов, входящих в состав соединяемых материалов, и фазы, образую щиеся 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 ма териалов образуют химические соединения или интерметаллиды следует при менить барьерную прослойку, компоненты которой образуют твердые растворы с компонентами соединяемых материалов.
Практика создания СКМ показала, что ширина ПЗ соизмерима со сред ним размером зерна dср, если он составляет от 3 до 15 мкм. Для СКМ, получен ных диффузионным соединением металлов и сплавов с крупнозернистой струк турой, ширина ПЗ принимается 7–10 мкм.
При диффузионном соединении металлических материалов в случаях, ко гда 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 вы держки, достаточного для получения соединения требуемой прочности, следует принять х = 1/2 dср. С учетом принятых допущений инженерная методика рас чета времени изотермической выдержки состоит из следующих этапов:
1. Изучение диаграмм состояния с целью выявления характера диффузи онного взаимодействия в СКМ.
– ряд твердых растворов – возможно создание СКМ без промежуточных прослоек;
– химические соединения или интерметаллиды – применение барьерной прослойки, образующей твердые растворы с каждым из соединяемых материа лов.
2. Измерение среднего размера зерна.
Средний размер зерна материала, как правило, указывается в сертифика те, 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 определяется его экспоненциальной зависимо диффузионного соединения, стью от температуры.
4. Расчет времени изотермической выдержки диффузионного соединения с учетом данных, полученных в соответствии с п.п. 1–3, производится по фор муле:
d СР t ~ 16 Du 2 (3) Предложенная инженерная методика расчета изотермической выдержки получения СКМ позволяет значительно сократить количество необходимых экспериментов для определения оптимального времени процесса диффузионно го соединения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Получены диффузионным соединением слоистые композиционные ма териалы (СКМ) БрХ08–(Ni-P)–БрХ08;
М1–сталь 45;
ВТ14–ZrRe;
ВТ14–Та–М1– 12Х18Н10Т. Исследована их микроструктура, механические свойства и опреде лена ширина переходной зоны СКМ. Установлено, что ширина переходной зо ны в полученных СКМ варьируется от 1 до 39 мкм.
2. Разработана компьютерная программа для расчета коэффициентов вза имной диффузии химических элементов по ширине переходной зоны СКМ, по лученных диффузионным соединением. Программа апробирована на СКМ БрХ08–(Ni-P)–БрХ08, М1–сталь 45, ВТ14–ZrRe, ВТ14–Та.
3. Установлены зависимости рассчитанных коэффициентов взаимной диффузии пар химических элементов Cu–Ni, Fe–Cu, Ta–Ti, Ti–Zr от концентра ции по ширине переходной зоны, включая крайние участки с минимальной концентрацией.
4. Определен критерий достаточности для ширины переходной диффузи онной зоны при проектировании и создании СКМ с заданными прочностными свойствами 5. Разработана инженерная методика расчета времени изотермической вы держки 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 соедине ний бронзы БрХ08 и меди М1 / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, Д. С.
Райпольд // «Сварочное производство», № 9, 2010, С. 18–21.
2. Михеев, А. А. Исследование микроструктуры и распределения элемен тов в диффузионно-сварных соединениях тантала с медью и титановым спла вом ВТ14 / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, Д. С. Райпольд // Известия РАН. Серия физическая, 2011, том 75, № 8, С. 1157–1159.
3. Михеев, А. А. Исследование физико-химических процессов на межфаз ных границах диффузионных соединений титановых сплавов с медью, танта лом и цирконием / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, М. Ю. Кучин ский, Д. С. Райпольд, О. Н. Ледяева // Journal of Siberian Federal University, том 2 № 4, 2011 – С. 172–182.
Статьи, опубликованные в других изданиях:
4. Зеер, Г. М. Применение сканирующей электронной микроскопии в ре шении актуальных проблем материаловедения / Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, О.
Н. Ледяева // Journal of Siberian Federal University, том 2 № 4, 2009 – С. 287–293.
5. Михеев, А. А. Графические методы Матано и Холла для расчета коэф фициентов 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. 55–59.
Публикации в материалах научно-технических конференций:
6. Михеев, А. А. Расчет температуры и времени изотермической выдержки диффузионной сварки разнородных материалов через промежуточные про слойки / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко // Молодежь и наука: начало XXI века: материалы III Всероссийской научно-технической конференции сту дентов, аспирантов и молодых ученых: в 4 ч. Ч. № 3 – Красноярск: СФУ, 2007.
– С. 27–28.
7. Михеев, А. А. Инженерная методика расчета продолжительности про цесса диффузионной сварки / А. А. Михеев, Г. М. Зеер, О. Ю. Фоменко, Д. С. Рай польд, Ю. П. Королева // Труды материалов VI Московской Международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из компо зиционных материалов и новых металлических сплавов», Москва – 2009 г. (в 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 Все российской научно-технической конференции студентов, аспирантов и моло дых ученых: в 11 ч. Ч. 3 // НОЦ МУ ФГОУ ВПО «СФУ». – Красноярск, 2010. – С. 159–161.
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.