Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой
Исследованы сварные соединения γ-TiAl (Ti–48 ат. % Al) со сплавом ВТ8, полученные методом диффузионной сварки в вакууме с применением нанослойных прослоек системы Ti–Al. Анализ прочностных свойств соединения проводили методом микроиндентирования на приборе «Микрон-гамма», а также путем механически...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101379 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой / В.Ф. Горбань, Г.К. Харченко, Ю.В. Фальченко, Л.В. Петрушинец // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 11-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859621920658423808 |
|---|---|
| author | Горбань, В.Ф. Харченко, Г.К. Фальченко, Ю.В. Петрушинец, Л.В. |
| author_facet | Горбань, В.Ф. Харченко, Г.К. Фальченко, Ю.В. Петрушинец, Л.В. |
| citation_txt | Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой / В.Ф. Горбань, Г.К. Харченко, Ю.В. Фальченко, Л.В. Петрушинец // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 11-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Исследованы сварные соединения γ-TiAl (Ti–48 ат. % Al) со сплавом ВТ8, полученные методом диффузионной
сварки в вакууме с применением нанослойных прослоек системы Ti–Al. Анализ прочностных свойств соединения
проводили методом микроиндентирования на приборе «Микрон-гамма», а также путем механических испытаний
на срез. Установлено, что после диффузионной сварки в вакууме исходная нанослойная прослойка преобразуется
в интерметаллид, находящийся в состоянии, близком к нанокристаллическому.
Welded joints between γ-TiAl (Ti — 48 at. % Al) and alloy VT8 produced by diffusion bonding in vacuum through
nanolayered intelayers of the Ti-Al systems were investigated. Analysis of strength properties of the joints was carried
out by the microindentation method using the «Micron-Gamma» device, as well as by mechanical shear tests. After
diffusion bonding in vacuum, the initial nanolayered interlayer was found to transform into intermetallic that is in the
state close to the nanocrystalline one.
|
| first_indexed | 2025-11-29T04:49:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.04:669.018
ИССЛЕДОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИДА ТИТАНА
С ТИТАНОВЫМ СПЛАВОМ ВТ8,
ПОЛУЧЕННЫХ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКОЙ
В. Ф. ГОРБАНЬ, д-р техн. наук (Ин-т проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины),
Г. К. ХАРЧЕНКО, д-р техн. наук, Ю. В. ФАЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, Л. В. ПЕТРУШИНЕЦ, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Исследованы сварные соединения γ-TiAl (Ti–48 ат. % Al) со сплавом ВТ8, полученные методом диффузионной
сварки в вакууме с применением нанослойных прослоек системы Ti–Al. Анализ прочностных свойств соединения
проводили методом микроиндентирования на приборе «Микрон-гамма», а также путем механических испытаний
на срез. Установлено, что после диффузионной сварки в вакууме исходная нанослойная прослойка преобразуется
в интерметаллид, находящийся в состоянии, близком к нанокристаллическому.
К л ю ч е в ы е с л о в а : диффузионная сварка, алюминид
титана, зона соединения, нанослойная прослойка, микроин-
дентирование, твердость
В последние годы активно идет разработка новых
жаропрочных материалов на основе интерметал-
лидов, в том числе алюминидов титана. Эти спла-
вы имеют более высокие температуру плавления,
модуль упругости и более низкую плотность, чем
суперсплавы на основе титана, железа и никеля.
Благодаря высокому содержанию алюминия они
не нуждаются в защите от окисления на воздухе
и в продуктах сгорания топлива [1], что позволяет
эффективно применять данные сплавы в качестве
материалов для деталей газотурбинных двига-
телей, обшивки летательных аппаратов, деталей
силового набора изделий авиакосмической тех-
ники, а также в различных отраслях промыш-
ленности [2].
Целью работы являлось исследование сплава
алюминида титана (Ti–47Al–1,5Cr–2Nb), который
имеет двухфазное строение (α2 + γ), где α2-Ti3Al
и γ-TiAl, и сплава ВТ8 (6,5Al–3,3Mo–0,35Si). Диф-
фузионную сварку в вакууме (ДСВ) выполняли
на установке У-394 с применением нанослойных
прослоек Al/Ti (Ti–52Al) по методике, описанной
в работе [3], на оптимальном режиме: температура
сварки 1200 °С, время сварки 20 мин, давление
10 МПа. В качестве источника нагрева образцов
использовали электронно-лучевой нагреватель.
Использование нанослойных прослоек (НП)
при ДСВ позволяет получить в зоне соединения
состав и структуру, близкие основному металлу,
вследствие протекания экзотермической реакции
самораспространяющегося высокотемпературно-
го синтеза. Но непосредственное осаждение про-
слоек на свариваемые поверхности не всегда тех-
нологически осуществимо, поэтому более перс-
пективным является использование отдельных
НП в виде фольги.
В ИЭС им. Е. О. Патона разработан способ по-
лучения подобных материалов посредством совмес-
тного электронно-лучевого испарения элементов из
двух источников в вакуумной камере [4].
На рис. 1 представлена типичная микрострук-
тура поперечного сечения образца фольги в ис-
ходном состоянии. Из рисунка видно, что фольга
состоит из непрерывных относительно ровных
слоев. Светлые полосы соответствуют слоям ти-
тана, темные — алюминия.
Согласно работе [4] при нагреве НП Al/Ti в
них происходят процессы, которые приводят к
формированию структуры, состоящей из смеси
интерметаллидов TiAl и Ti3Al. Таким образом,
© В. Ф. Горбань, Г. К. Харченко, Ю. В. Фальченко, Л. В. Петрушинец, 2009
Рис. 1. Типичная микроструктура поперечного сечения образ-
ца фольги Al/Ti в исходном состоянии [4]
12/2009 11
можно сделать вывод, что использование при ДСВ
данного вида НП γ-TiAl с титановым сплавом ВТ8
позволит получить в зоне соединения структуру,
подобную основному металлу.
Анализ микроструктуры биметаллического
сварного соединения алюминида титана с титано-
вым сплавом ВТ8 был проведен на микроскопах
JSM-840 и «Neophot-32». В зоне соединения де-
фекты в виде пор и трещин отсутствуют. На бывшей
границе контакта НП с алюминидом титана обра-
зуются общие зерна (рис. 2).
Определение механических свойств соедине-
ния проводили с помощью микроиндентирования,
позволяющего исследовать труднодеформируе-
мые сплавы без разрушения. Данный метод в со-
ответствии со стандартом ISO 14577-1–2002(E)
позволяет определять такие характеристики ма-
териалов, как твердость НIT, модуль Юнга EIT,
ползучесть CIT и упругость ηIT, а также иденти-
фицировать его структурное состояние по соот-
ношению твердости к эффективному модулю уп-
ругости. Значения указанных величин получают не-
посредственно с кривых автоматической записи ки-
нетической диаграммы нагрузка–глубина внедре-
ния индентора P–h (рис. 3).
В основе данного метода лежит фундаменталь-
ное уравнение индентирования [5], которое ус-
танавливает связь между показателями диаграм-
мы индентирования и характеристиками дефор-
мации и напряжения материала (тарировочная за-
висимость индентирования):
НIT/Е* = K(hs/hс), (1)
где E* — эффективный модуль упругости; K —
константа формы индентора; hs, hс — контактная
и внеконтактная глубина внедрения индектора.
Величина hc является глубиной внедрения ин-
дентора, на протяжении которой осуществляется
контакт между индентором и материалом после
полного максимального нагружения Pmax. В этой
части отпечатка происходят упругопластическая
деформация (возможное разрушение материала),
а также упругая деформация индентора. Часть
глубины внедрения индентора, на протяжении ко-
торой контакт с материалом отсутствует в резуль-
тате образованного в материале углубления вок-
руг индентора, обозначена hs. В этой части от-
печатка имеет место полная упругая деформация
материала.
Одной из важных характеристик материала яв-
ляется соотношение его твердости к модулю нор-
мальной упругости H/E. Известно, что величина
H/E характеризует способность материала оказы-
вать сопротивление изменению размеров и формы
в процессе деформирования, она отображает
сформированное на основании стандартных ме-
ханических испытаний материалов представление
о соотношении их упругости [6].
Рис. 2. Микроструктура ( 400) соединения TiAl + НП + BT8
Рис. 3. Кинетическая диаграмма P–h (а) и схема взаимодейс-
твия индентора с материалом (б) [5] (hf — остаточная глубина
внедрения после извлечения индентора; hmax — максималь-
ная глубина внедрения при Pmax)
12 12/2009
Величина H/E* — нормированная твердость,
по значению которой можно определить струк-
турное состояние материала [6]. Для крупнокрис-
таллических материалов данное соотношение не
превышает 0,03. Мелкокристаллические (до 2…5
мкм) материалы имеют соотношение, достигающее
0,05. Для металлов в нанокристаллическом состо-
янии это соотношение составляет 0,06…0,10. При
его значении более 0,12 материалы находятся в
аморфном и аморфно-кристаллическом состо-
янии.
Микроиндентирование проводили на установ-
ке «Микрон-гамма» при комнатной температуре
алмазной пирамидой Берковича с автоматически
выполняемой нагрузкой (P = 2 Н) и разгрузкой
на протяжении 30 с, а также записью диаграмм
нагрузки, выдержки и разгрузки в координатах
P–h. Нагрузку и разгрузку осуществляли путем
электромагнитного влияния на индентор. Точность
определения нагрузки P составляла 1⋅10–3 Н, а глу-
бина внедрения h индентора — ±2,5 нм. Значения
характеристик P, hmax, hf , hc, H, E*, E определяли
и фиксировали автоматически с использованием
соответствующих формул согласно стандарту ISO
14577-1–2002(E).
Результаты индентирования различных зон
сварного соединения приведены в таблице.
Для соединяемых материалов характерна
структура зерна размером на уровне десятка мик-
рометров и прочность в упругой зоне около
1100…1500 МПа. Соотношение H/E* для матери-
ала НП в исходном состоянии (таблица) достигает
0,0710, что соответствует наноструктурным ма-
териалам (рис. 4). Несмотря на высокие значения
твердости (НIT = 4,2 ГПа) данный материал от-
личается значительной пластичностью CIT =
= 1,4 %, т. е. для него характерны высокие по-
казатели релаксации напряжений по сравнению
с соединяемыми материалами, что улучшает кон-
такт между ними.
Воздействия температуры сварки и высокого
давления привели к значительным изменениям в
переходном слое. Повысились его твердость и мо-
дуль упругости до значений, характерных для
сплава на основе TiAl. Таким образом, установ-
лено, что после ДСВ исходная НП преобразуется
в TiAl, который находится в состоянии, близком
к нанокристаллическому (см. таблицу).
Авторы работы [7] утверждают, что при умень-
шении размера структурных элементов до нано-
размера живучесть материала резко возрастает. В
работах [8, 9] указывается также на то, что ма-
териалы, находящиеся в нанокристаллическом
состоянии, характеризуются повышенными меха-
ническими свойствами: увеличивается предел
прочности, микротвердость, модуль Юнга. Авто-
ры отмечают отсутствие в нанометровых крис-
талликах дислокаций, а также наличие большого
объема межкристаллитной фазы с атомным бес-
порядком, что приводит к росту предела проч-
ности в 2,0…2,5 раза.
Из изложенного выше можно сделать вывод,
что благодаря нанокристаллическому состоянию
показатели механических свойств зоны соедине-
ния ВТ8 с TiAl находятся на высоком уровне.
Рис. 4. Соотношение между величинами H/E* и hs/hс в мате-
риалах с разным структурным состоянием
Механические характеристики зон сварного соединения, полученные по данным автоматического индентирования
Исследуемый участок HIT, ГПа EIT, ГПа СIT, % ηIT, % H/E* εупр, % σупр, МПа
Сплав ВТ8 3,85 101 1,07 31,8 0,0399 0,124 1181
Интерметаллид TiAl 4,90 120 1,00 32,0 0,0434 0,135 1503
Зона сварки 6,40 120 0,70 35,8 0,0565 0,176 1964
Исходная нанослойная фольга Ti/Al 4,20 60 1,40 48,2 0,0710 2,192 1218
Пр и м е ч а н и е . εупр, σупр — соответственно упругая деформация и напряжение материала под индентором.
Рис. 5. Схема захватов для механических испытаний на срез
сварных образцов: 1 — зажимные губки; 2 — сварные образ-
цы; 3 — ограничительная труба
12/2009 13
Для оценки механических свойств сварных сое-
динений ВТ8 с TiAl проводили испытания на срез.
Образцы разрезали на электроэрозионной установке
и доводили до размера 95 54 мм на алмазном круге,
после чего разрывали с помощью специальных зах-
ватов (рис. 5).
Разрушение образцов происходило при прочнос-
ти на срез σср = 6000…6500 МПа, которая соот-
ветствует прочности основного металла. Излом
имел вязкохрупкий характер (рис. 6). Анализ хи-
мического состава поверхности излома не выявил
наличие ниобия. Из чего можно предположить, что
разрушение произошло со стороны сплава ВТ8.
Таким образом, исследование зоны соединения
методом микроиндентирования позволило опре-
делить, что в ходе термодеформационного цикла
сварки НП преобразуется в интерметаллид с нор-
мированной твердостью H/E* = 0,0565, характер-
ной для нанокристаллических материалов. Ис-
пользование НП Ti/Al при ДСВ позволяет полу-
чать сварные соединения TiAl + НП + ВТ8,
имеющие прочность на срез на уровне прочности
основного металла.
1. Поварова К. Б., Банных О. А. Принципы создания конс-
трукционных сплавов на основе интерметаллидов. Ч. 1 //
Материаловедение. — 1999. — № 2. — С. 27–33.
2. Бочвар Г. А., Саленков В. С. Исследование сплава на основе
алюминида титана с орторомбической структурой // Техно-
логия легких сплавов. — 2004. — № 4. — С. 44–46.
3. Получение неразъемных соединений сплавов на основе
γ-TiAl с использованием нанослойной прослойки Ti/Al
способом диффузионной сварки в вакууме / А. И. Усти-
нов, Ю. В. Фальченко, А. Я. Ищенко и др. // Автомат.
сварка. — 2009. — № 1. — С. 17–21.
4. Твердофазные реакции при нагреве многослойных фольг
Al/Ti, полученных методом электронно-лучевого осаж-
дения / А. И. Устинов, Л. А. Олиховская, Т. В. Мельни-
ченко и др. // Спец. электрометаллургия. — 2008. —
№ 2. — С. 21–28.
5. Уравнение индентирования / С. А. Фирстов, В. Ф. Гор-
бань, Э. П. Печковский, Н. А. Мамека // Доп. НАН Ук-
раїни. — 2007. — № 12. — С. 100–106.
6. Связь прочностных характеристик материалов с показа-
телями автоматического индентирования / С. А. Фирс-
тов, В. Ф. Горбань, Э. П. Печковский, Н. А. Мамека //
Материаловедение. — 2007. — № 11. — С. 26–31.
7. Мельников С. В., Пантелеев И. А. Приповерхностные
слои структурных элементов нанокомпозитов как важ-
ный структурный уровень деформации // Мат. моде-
лирование систем и процессов. — 2003. — № 11. —
С. 67–75.
8. Золотухин И. В. Нанокристаллические металлические
материалы // Соросов. образоват. журн. — 1998. — № 1.
— С. 103–106.
9. Степанов Е. И., Григорьев М. В., Кирко В. И. Влияние
добавок ультрадисперсного Аl2О3 на физико-механи-
ческие свойства корундовой керамики // J. of Siberian
Federal university. Eng. & Techn. — 2008. — № 1. —
Р. 162–167.
Welded joints between γ-TiAl (Ti — 48 at. % Al) and alloy VT8 produced by diffusion bonding in vacuum through
nanolayered intelayers of the Ti-Al systems were investigated. Analysis of strength properties of the joints was carried
out by the microindentation method using the «Micron-Gamma» device, as well as by mechanical shear tests. After
diffusion bonding in vacuum, the initial nanolayered interlayer was found to transform into intermetallic that is in the
state close to the nanocrystalline one.
Поступила в редакцию 23.04.2009
Рис. 6. Фрактографическая картина излома сварного соедине-
ния ВТ8+TiAl
14 12/2009
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101379 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T04:49:48Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Горбань, В.Ф. Харченко, Г.К. Фальченко, Ю.В. Петрушинец, Л.В. 2016-06-03T08:51:16Z 2016-06-03T08:51:16Z 2009 Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой / В.Ф. Горбань, Г.К. Харченко, Ю.В. Фальченко, Л.В. Петрушинец // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 11-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101379 621.791.04:669.018 Исследованы сварные соединения γ-TiAl (Ti–48 ат. % Al) со сплавом ВТ8, полученные методом диффузионной сварки в вакууме с применением нанослойных прослоек системы Ti–Al. Анализ прочностных свойств соединения проводили методом микроиндентирования на приборе «Микрон-гамма», а также путем механических испытаний на срез. Установлено, что после диффузионной сварки в вакууме исходная нанослойная прослойка преобразуется в интерметаллид, находящийся в состоянии, близком к нанокристаллическому. Welded joints between γ-TiAl (Ti — 48 at. % Al) and alloy VT8 produced by diffusion bonding in vacuum through nanolayered intelayers of the Ti-Al systems were investigated. Analysis of strength properties of the joints was carried out by the microindentation method using the «Micron-Gamma» device, as well as by mechanical shear tests. After diffusion bonding in vacuum, the initial nanolayered interlayer was found to transform into intermetallic that is in the state close to the nanocrystalline one. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой Investigation of joints of titanium aluminide with titanium alloy VTV, made by diffusion bonding Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой Горбань, В.Ф. Харченко, Г.К. Фальченко, Ю.В. Петрушинец, Л.В. Научно-технический раздел |
| title | Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой |
| title_alt | Investigation of joints of titanium aluminide with titanium alloy VTV, made by diffusion bonding |
| title_full | Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой |
| title_fullStr | Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой |
| title_full_unstemmed | Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой |
| title_short | Исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом ВТ8, полученных диффузионной сваркой |
| title_sort | исследование соединений алюминида титана с титановым сплавом вт8, полученных диффузионной сваркой |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101379 |
| work_keys_str_mv | AT gorbanʹvf issledovaniesoedineniialûminidatitanastitanovymsplavomvt8polučennyhdiffuzionnoisvarkoi AT harčenkogk issledovaniesoedineniialûminidatitanastitanovymsplavomvt8polučennyhdiffuzionnoisvarkoi AT falʹčenkoûv issledovaniesoedineniialûminidatitanastitanovymsplavomvt8polučennyhdiffuzionnoisvarkoi AT petrušineclv issledovaniesoedineniialûminidatitanastitanovymsplavomvt8polučennyhdiffuzionnoisvarkoi AT gorbanʹvf investigationofjointsoftitaniumaluminidewithtitaniumalloyvtvmadebydiffusionbonding AT harčenkogk investigationofjointsoftitaniumaluminidewithtitaniumalloyvtvmadebydiffusionbonding AT falʹčenkoûv investigationofjointsoftitaniumaluminidewithtitaniumalloyvtvmadebydiffusionbonding AT petrušineclv investigationofjointsoftitaniumaluminidewithtitaniumalloyvtvmadebydiffusionbonding |