Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом

Исследована структура переходной зоны соединения металлов, не имеющих взаимной растворимости. Определено, что у соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом, поверхность раздела не является гладкой, а содержит выступы размером примерно 5…10 мкм. Переходная зона соединения состоит из хаотически расп...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Гринберг, Б.А., Елкина, О.А., Антонова, О.В., Иноземцев, А.В., Иванов, М.А., Рыбин, В.В., Кожевников, В.Е.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102777
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:	Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом / Б.А. Гринберг, О.А. Елкина, О.В. Антонова, А.В. Иноземцев, М.А. Иванов, В.В. Рыбин, В.Е. Кожевников // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 24-30. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102777
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1027772025-02-09T17:37:13Z Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом Nanostructuring of the transition zone in the explosion welded Cu–Ta joint Гринберг, Б.А. Елкина, О.А. Антонова, О.В. Иноземцев, А.В. Иванов, М.А. Рыбин, В.В. Кожевников, В.Е. Научно-технический раздел Исследована структура переходной зоны соединения металлов, не имеющих взаимной растворимости. Определено, что у соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом, поверхность раздела не является гладкой, а содержит выступы размером примерно 5…10 мкм. Переходная зона соединения состоит из хаотически распределенных областей меди и тантала, не испытавших расплавления, и зон локального расплавления меди, содержащей нано- частицы тантала размером 30…50 нм. Два процесса — образование выступов на поверхности раздела и зон локального расплавления — определяют перемешивание материалов, не имеющих взаимной растворимости. Structure of transition zone of a joint of metals without mutual solubility was studied. It is determined that the surface of explosion-welded Cu–Ta joint is not smooth, but contains protrusions of the size of approximately 5...10 μm. Transition zone of the joint consists of chaotically distributed unmolten regions of copper and tantalum containing tantalum nanoparticles of 30...50 nm size. Two processes — formation of protrusions on the interface and local melting zones — determine mixing of materials, not having mutual solubility. 2011 Article Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом / Б.А. Гринберг, О.А. Елкина, О.В. Антонова, А.В. Иноземцев, М.А. Иванов, В.В. Рыбин, В.Е. Кожевников // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 24-30. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102777 669-419.4:621.791.13. ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Гринберг, Б.А. Елкина, О.А. Антонова, О.В. Иноземцев, А.В. Иванов, М.А. Рыбин, В.В. Кожевников, В.Е. Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом Автоматическая сварка
description	Исследована структура переходной зоны соединения металлов, не имеющих взаимной растворимости. Определено, что у соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом, поверхность раздела не является гладкой, а содержит выступы размером примерно 5…10 мкм. Переходная зона соединения состоит из хаотически распределенных областей меди и тантала, не испытавших расплавления, и зон локального расплавления меди, содержащей нано- частицы тантала размером 30…50 нм. Два процесса — образование выступов на поверхности раздела и зон локального расплавления — определяют перемешивание материалов, не имеющих взаимной растворимости.
format	Article
author	Гринберг, Б.А. Елкина, О.А. Антонова, О.В. Иноземцев, А.В. Иванов, М.А. Рыбин, В.В. Кожевников, В.Е.
author_facet	Гринберг, Б.А. Елкина, О.А. Антонова, О.В. Иноземцев, А.В. Иванов, М.А. Рыбин, В.В. Кожевников, В.Е.
author_sort	Гринберг, Б.А.
title	Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом
title_short	Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом
title_full	Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом
title_fullStr	Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом
title_full_unstemmed	Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом
title_sort	особенности формирования структуры переходной зоны соединения cu–ta, полученного сваркой взрывом
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102777
citation_txt	Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом / Б.А. Гринберг, О.А. Елкина, О.В. Антонова, А.В. Иноземцев, М.А. Иванов, В.В. Рыбин, В.Е. Кожевников // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 24-30. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT grinbergba osobennostiformirovaniâstrukturyperehodnojzonysoedineniâcutapolučennogosvarkojvzryvom AT elkinaoa osobennostiformirovaniâstrukturyperehodnojzonysoedineniâcutapolučennogosvarkojvzryvom AT antonovaov osobennostiformirovaniâstrukturyperehodnojzonysoedineniâcutapolučennogosvarkojvzryvom AT inozemcevav osobennostiformirovaniâstrukturyperehodnojzonysoedineniâcutapolučennogosvarkojvzryvom AT ivanovma osobennostiformirovaniâstrukturyperehodnojzonysoedineniâcutapolučennogosvarkojvzryvom AT rybinvv osobennostiformirovaniâstrukturyperehodnojzonysoedineniâcutapolučennogosvarkojvzryvom AT koževnikovve osobennostiformirovaniâstrukturyperehodnojzonysoedineniâcutapolučennogosvarkojvzryvom AT grinbergba nanostructuringofthetransitionzoneintheexplosionweldedcutajoint AT elkinaoa nanostructuringofthetransitionzoneintheexplosionweldedcutajoint AT antonovaov nanostructuringofthetransitionzoneintheexplosionweldedcutajoint AT inozemcevav nanostructuringofthetransitionzoneintheexplosionweldedcutajoint AT ivanovma nanostructuringofthetransitionzoneintheexplosionweldedcutajoint AT rybinvv nanostructuringofthetransitionzoneintheexplosionweldedcutajoint AT koževnikovve nanostructuringofthetransitionzoneintheexplosionweldedcutajoint
first_indexed	2025-11-28T19:30:40Z
last_indexed	2025-11-28T19:30:40Z
_version_	1850063718404063232
fulltext	УДК 669-419.4:621.791.13 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ СОЕДИНЕНИЯ Cu–Ta, ПОЛУЧЕННОГО СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ Б. А. ГРИНБЕРГ, д-р физ.-мат. наук, О. А. ЕЛКИНА, инж., О. В. АНТОНОВА, канд. физ.-мат. наук, А. В. ИНОЗЕМЦЕВ, инж. (Ин-т физики металлов УрО РАН, г. Екатеринбург, РФ), М. А. ИВАНОВ, д-р физ.-мат. наук (Ин-т металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, г. Киев), чл.-кор. РАН В. В. РЫБИН (СЗО Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова, г. Санкт-Петербург, РФ), В. Е. КОЖЕВНИКОВ, канд. техн. наук (ОАО «Уральский завод хим. машиностроения», г. Екатеринбург, РФ) Исследована структура переходной зоны соединения металлов, не имеющих взаимной растворимости. Определено, что у соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом, поверхность раздела не является гладкой, а содержит выступы размером примерно 5…10 мкм. Переходная зона соединения состоит из хаотически распределенных областей меди и тантала, не испытавших расплавления, и зон локального расплавления меди, содержащей нано- частицы тантала размером 30…50 нм. Два процесса — образование выступов на поверхности раздела и зон локального расплавления — определяют перемешивание материалов, не имеющих взаимной растворимости. К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка взрывом, ограниченная раст- воримость, формирование соединения, переходная зона, ло- кальное расплавление, наночастицы При многообразии используемых материалов и режимов сварки важной является проблема пе- ремешивания в переходной зоне вблизи границы раздела в сварных соединениях, полученных свар- кой взрывом. Именно структура переходной зоны определяет возможность сцепления двух матери- алов. Для различных пар свариваемых материалов перемешивание представляет собой сложный про- цесс, особенно для пары металл–интерметаллид, а также для металлов, не имеющих взаимной рас- творимости. Трудности сварки металлов с интерметалли- дами обусловлены тем, что, во-первых, последние являются высокотемпературными химическими соединениями с прочными межатомными связя- ми, а, во-вторых, характеризуются повышенной хрупкостью. Тем не менее посредством сварки взрывом удалось получить соединение титана с орторомбическим алюминидом титана [1–9]. Для металлов, не имеющих взаимной раство- римости, проблема перемешивания также достаточ- но актуальна. Чтобы выяснить, насколько важным фактором является наличие взаимной растворимос- ти исходных материалов, для сварки взрывом выб- рана пара металлов медь–тантал, которые в обыч- ных условиях не имеют взаимной растворимости, причем в жидком состоянии образуют несмеши- вающиеся взвеси. Принцип их образования попы- таемся исследовать в настоящей работе. В качестве исходных материалов взяты тантал марки ТВЧ и медь М1. Сварку выполняли в ОАО «Уральский завод хим. машиностроения» (г. Ека- теринбург, РФ) по разным схемам и на различных режимах, после чего выбрали соединения для дальнейших исследований. Использовали парал- лельное расположение пластин. Толщина пласти- ны тантала составляла 1 мм, а меди — 4 мм, зазор между пластинами — 1 мм. Медную пластину метали на танталовую, которая лежала на подк- ладной пластине из титана и стали толщиной (4,5 + 20) мм. Скорость детонации составляла 2680 м/с. Пластины соударялись под углом 5,22° со скоростью 234 м/с. Выбор параметров режима сварки соответствовал нижней границе сварива- емости. Такой режим сварки, традиционно ис- пользуемый ОАО «Химмаш», является наиболее экономичным из-за меньшего заряда и соответ- ственно меньших затрат на взрывчатые вещества. При этом уменьшается воздействие ударной вол- ны на окружающие объекты. Металлографический анализ проводили мето- дом оптической микроскопии (ОМ) на оптичес- ком микроскопе «Epiquant», снабженном вычис- лительным комплексом SIAMS. Микроструктуру сварных соединений исследовали методом тран- сэмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) на просвечивающих электронных микроскопах «JEM 200CX» и «СМ-30 Super Twin», методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на сканирующих электронных микроскопах «Qu- anta 200 3D» и «Quanta 600» с максимальным разрешением около 2 нм, а также с помощью ион- ной пушки Fashione 1010 ION MILL. На микроструктурах поперечного сечения пе- реходной зоны соединения Cu–Ta отчетливо вид- но, что граница раздела является неоднородной © Б. А. Гринберг, О. А. Елкина, О. В. Антонова, А. В. Иноземцев, М. А. Иванов, В. В. Рыбин, В. Е. Кожевников, 2011 24 7/2011 (рис. 1, а) и имеет толщину примерно 5…10 мкм (рис. 1, б, в). Как оказалось, у исследуемого со- единения граница раздела не является волнооб- разной, а поверхность раздела гофрированной, что хорошо видно на микроструктуре продольного се- чения границы раздела в соединении Cu–Ta (рис. 2). Вместо параллельных полос, характер- ных для гофрированной поверхности границы раз- дела, микроструктура состоит из пятен трех цве- тов — белого, черного и серого. Это свидетель- ствует о том, что переходная зона включает ха- отически распределенные области трех типов. В Рис. 1. Микроструктуры поперечного сечения границы раздела в соединении Cu–Ta, полученные методом ОМ (а, б) и СЭМ (в) Рис. 2. Микроструктура продольного сечения границы раздела в соединении Cu–Ta, полученная методом СЭМ (бе- лые пятна — тантал; черные — медь; серые — смесь тантала с медью) Рис. 3. Микроструктуры продольного сечения переходной зоны соединения Cu–Ta, полученные методом СЭМ (медь полностью вытравлена) 7/2011 25 продольном сечении границы раздела Cu–Ta (см. рис. 2) эти области имеют примерно одинаковые размеры (30…50 мкм). Они также видны и на микроструктуре поперечного сечения границы раздела (см. рис. 1, в). В соединении Cu–Ta поверхность раздела со- единения титана с алюминидом не является глад- кой, а содержит выступы, которые хорошо видны на рис. 1 при разных увеличениях. Можно по- лагать, что именно эти выступы определяют фор- му границы раздела (см. рис. 1, а) в поперечном сечении границы соединения Cu–Ta и наличию областей трех цветов в продольном сечении (см. рис. 2). Размеры выступов (см. рис. 1, в) состав- ляют примерно 5…10 мкм. Ранее [5] выступы бы- ли обнаружены в переходной зоне соединения ти- тан–орторомбический алюминид титана; глубина их проникновения из одного материала в другой составляла десятки микрометров. Данные о химическом составе областей трех цветов, образующих переходную зону, получены с помощью СЭМ по многочисленным замерам. Определено, что белому цвету соответствует зона тантала, а черному — меди. Особое внимание было обращено на область, имеющую серый цвет и называемую далее серой зоной. Для выяснения ее структуры чрезвычайно важным является рис. 3, на котором с разным увеличением пока- зано продольное сечение переходной зоны после того, как медь полностью вытравлена. На повер- хности тантала видны его частицы, имеющие пре- имущественно нанометрические размеры (рис. 3, б). В тех случаях, когда медь не вытравлена, при увеличении 5000 обнаружено, что концентрация обоих металлов в серой зоне примерно одинакова. Однако при большем увеличении (12000) стано- вится ясно, что структура серой зоны неоднород- ная и концентрация обоих металлов различная — на одних участках больше меди, а на других — тантала. При этом внутренняя структура серой зоны не будет видна до тех пор, пока не исполь- зовано более высокое разрешение. При увели- чении 25000 серая зона начинает структуриро- ваться (рис. 4, а). Рядом с ней видны белая зона тантала и черная зона меди. На микроструктуре, полученной с большим увеличением (рис. 4, б), Рис. 4. Микроструктуры продольного сечения соединения Cu–Ta, полученные методом СЭМ с разным увеличением Рис. 5. Микроструктура серой зоны соединения Cu–Ta, полу- ченная методом ТЭМ: а — светлопольное изображение; б — микродифракционная картина 26 7/2011 еще более отчетливо заметна микрогетерогенная структура серой зоны. Такой тип структуры сви- детельствует о том, что именно серая зона явля- ется зоной перемешивания. Внутри серой зоны, чередующиеся микрообъемы белого и черного цвета неодинаковы; вытянутыми являются только черные области (медь). Исследование соединения Cu–Ta методом ТЭМ затруднено. Для таких разнородных мате- риалов подбор реактивов при изготовлении фольг достаточно сложен, поскольку под действием ре- активов, подходящих для тантала, может быть полностью вытравлена медь. В связи с этим в настоящей работе фольги изготовлены с исполь- зованием ионной пушки. Микроструктура серой зоны, полученная с по- мощью метода ТЭМ, дает представление об упо- мянутых выше микрообъемах. Заметим, что на этих изображениях тантал имеет темный оттенок. На светлопольном изображении (см. рис. 5, а) за- метно множество темных частиц, имеющих фор- му, близкую к сферической, размеры которых сос- тавляют примерно 30…50 нм. На рис. 5, б от- четливо видна система колец, состоящих из от- дельных рефлексов, расшифровка которых пока- зала, что они принадлежат танталу. Сильные то- чечные рефлексы являются отражением от меди. Можно полагать, что именно наночастицы тан- тала остаются на его поверхности после того, как медь вытравлена (см. рис. 3). На рис. 6, а, б при- ведено светлопольное изображение серой зоны с разным увеличением. Здесь, как и на рис. 5, вид- ны темные частицы. На рис. 6, в, г представлены темнопольные изображения зоны соединения, что и на рис. 6, б, соответственно в рефлексе <111> Cu и в рефлексе <110> Ta. На обоих темнополь- ных изображениях видны частицы тантала. Элек- тронограммы указывают на значительную разо- риентацию как частиц тантала, так и меди, а кроме того, на присутствие отдельных аморфных прос- лоек, имеющих характерную микродифракцию, состоящую из двух диффузных колец. На рис. 7 видны также частицы оксидов меди. Расчет межплоскостных расстояний показал, что они достаточно точно совпадают со значениями, полученными для Cu2O. Возможная причина об- разования оксидов меди состоит в следующем. При соударении пластин в сварочном зазоре впе- реди точки контакта образуется ударно-сжатый газ, насыщенный мелкодисперсными частицами меди. На основании данных работы [10] можно полагать, что в результате их горения возникают оксиды меди. Поверхностный слой тантала, учас- твующий в образовании соединения, имеет боль- шую теплопроводность по сравнению с медью и прогревается до значительно меньшей темпера- туры, чем медь. Возможно, с этим связано от- сутствие оксидов тантала. Кроме серой зоны, переходная зона содержит упоминаемые выше зоны меди и тантала (см. рис. 2). Как показал анализ, выполненный методом ТЭМ, все эти зоны не испытывают расплавления и имеют типичную для интенсивной пластической деформации структуру: для обоих материалов ха- рактерно наличие полосовой структуры и рекрис- таллизованных областей. В этих областях размер Рис. 6. Микроструктуры серой зоны соединения Cu–Ta, полученные методом ТЭМ (а–г — см. в тексте) 7/2011 27 зерен составляет около 100…300 нм, что на нес- колько порядков меньше исходных размеров (при- мерно 100 мкм). Имеет место также высокая плотность дислокаций и двойников. Существуют различные представления о ме- ханизмах свариваемости [11]. Согласно одним из них для процесса формирования сварного соеди- нения необходимы только атомно-чистые и атом- но-гладкие поверхности, причем благодаря высо- кому давлению процесс происходит в твердой фа- зе и исключает расплавление. Согласно другим представлениям, хорошей свариваемости содейс- твует образование сплошного субмикронного слоя, который чрезвычайно быстро застывает после рас- плавления. В работе [11] содержатся описания мно- гочисленных моделей перемешивания, некоторые из них обсуждаются также в работе [5]. Полагаем, что перемешивание на атомном уровне не реализуется в материалах, не имеющих взаимной растворимости, иначе они могли бы об- разовывать истинные растворы. Именно поэтому далее развивается представление о коллоидных системах в областях локального расплавления, что подтверждено результатами структурного иссле- дования, полученными в настоящей работе. Кроме того, представление о том, что для свариваемости необходимы только атомно-гладкие поверхности не согласуется с наличием выступов на поверх- ности границы раздела (см. рис. 1, 2). Появление их вблизи границы раздела в сравнении с естес- твенной шероховатостью исходных образцов до- казывает, что выступы возникают именно в про- цессе сварки. В результате с каждой стороны вблизи границы раздела можно найти области, заполненные любым из свариваемых материалов, что свидетельствует об их взаимопроникновении. По сути дела, выступы играют роль «гвоздей», обеспечивающих сцепление поверхностей. Это тем более справедливо, если учитывать высокую микротвердость тантала (примерно 3000 МПа), которая в 3 раза выше, чем у меди. Выступы обра- зуются в результате сильного внешнего воздейс- твия ряда факторов: большой пластической де- формации (включая давление, сдвиговые компо- ненты, поворотные моменты напряжений, неод- нородность деформации и т. д.), трения поверх- ностей, влияния кумулятивной струи и др. Характерной особенностью развитой пласти- ческой деформации является то, что она всегда происходит вспышками [12]. Предлагаем следу- ющий сценарий формирования серых зон как об- ластей локального расплавления, возникающих в местах, где внешнее воздействие проявляется на- иболее сильно. Сплошной расплавленный слой, о котором говорилось выше, здесь отсутствует. Приведем округленные значения температуры, поскольку известны различные ее значения, ко- торые отличаются из-за состава и способов по- лучения материалов. При нормальном давлении температура кипения тантала Tb Ta = 5700 К, тем- пература его плавления Tm Ta = 3300 K, а темпе- ратура кипения меди Tb Cu = 2800 К, температура ее плавления Tm Cu = 1400 K. При высоком дав- лении характерные значения температуры увели- чиваются, но можно полагать, что их последо- вательность сохраняется: Tb Ta > Tm Ta > Tb Cu > Tm Cu. Предположим, что при сварке взрывом в от- дельных местах достигается температура несколь- ко выше Tm Ta, вследствие чего тантал расплавля- ется [13]. При указанной температуре происходит кипение меди (так называемое кипение с вынуж- денной циркуляцией) и образуется пар, в котором раздроблены капли тантала, имеющие сферичес- кую форму, что минимизирует их поверхностную энергию. Пар может содержать также небольшое количество капель меди. При переходе к темпе- ратуре ниже Tm Ta капли тантала мгновенно зас- тывают и далее уже не меняются. Ниже Tb Cu уже не образуются ни пар, ни капли меди, а форми- руется ее единый расплав. Из-за кратковремен- ности процесса сварки эти переходы происходят за время, составляющее около микросекунды. При Рис. 7. Полученные методом ТЭМ светлопольное изображе- ние оксидов меди в соединении Cu–Ta (а) и микродифрак- ционная картина (б) [8] 28 7/2011 переходе через Tm Cu расплав меди кристаллизуется при остаточной температуре. В расплаве меди могли бы образовываться вих- ри, подобные тем, что имеют место во многих соединениях. В исследованном нами ранее сое- динении титан–орторомбический алюминид тита- на присутствуют локальные зоны со слоистой структурой в виде концентрических колец, по форме повторяющих контур полости, внутри ко- торой произошло расплавление. Размер вихревых зон составляет примерно 50…100 мкм. Оптичес- кие микрофотографии вихревых зон приведены в работах [5, 6, 8]. Однако на оптических мик- рофотографиях соединения Cu–Ta вихри не вид- ны. На микрофотографиях, полученных с по- мощью метода СЭМ при большом увеличении (рис. 8), вихри видны, но они не похожи на упо- мянутые выше вихри ни по форме, ни по размеру (около 0,5 мкм), и, кроме того, появляются очень редко. Вопрос об их происхождении пока остается неизученным. Основное предположение, положенное в ос- нову нашего сценария, — это возможность рас- плавления тантала. Такая возможность действи- тельно реализуется во многих соединениях ту- гоплавких металлов, например в Mo–Fe, Mo–Cu, Nb–Ti, Nb–Zr [14]. Обратим внимание на следу- ющий факт [14]: при сварке ниобия с титановыми сплавами в нем образуются вихри, которые яв- ляются свидетельством его расплавления. Существенно, что в исследуемом случае серая зона представляет собой дисперсную систему, на различных этапах формирования которой диспер- сионная среда и дисперсная фаза меняются (об этом уже излагалось выше). В любом случае дис- персная фаза является мелкораздробленным ве- ществом (Ta) с линейными размерами, меньшими 100 нм, а дисперсионная среда — однородным веществом (Cu), в котором распределена диспер- сная фаза. Дисперсные системы с такими харак- терными размерами обычно называют коллоид- ными [14]. Они занимают промежуточное поло- жение между истинными растворами, с одной сто- роны, и грубодисперсными системами (эмульси- ями и суспензиями), с другой. Таким образом, серая зона — это застывшая коллоидная система, состоящая из двух несмешивающихся фаз. Тем не менее существует альтернативный ва- риант сценария — дробление тантала в твердом состоянии на частицы, что реализуется при сварке взрывом орторомбического алюминида титана с титаном. На рис. 7 представлен фрагментирован- ный слой, состоящий из частиц орторомбического алюминида, а на рис. 8 — проникновение этих частиц внутрь зоны локального расплавления ти- тана. При сравнении двух соединений отчетливо видна разница между частицами алюминида и тантала. Так, частицы алюминида в отличие от тантала не шарообразной, а неправильной формы. Кроме того, они имеют микронные и субмикрон- ные размеры, что превосходит на порядок размер частиц тантала, которые являются фактически на- ночастицами. Именно сферическая форма частиц тантала и их малые размеры позволяют отдать предпочтение первому варианту сценария. Таким образом, выбор сценария сводится к вы- бору между двумя вариантами образования час- тиц тантала — из расплавленной либо из твердой фазы. При объяснении того, почему затруднено дроб- ление тантала в твердом состоянии следует учи- тывать, что хрупкость материалов способствует их измельчению при сильном внешнем воздейс- твии. Тантал является пластичным материалом, способным деформироваться до высокой степени деформации (примерно на 45 %, растяжение при комнатной температуре). В связи с этим трудно ожидать механического измельчения тантала до наночастиц, если учесть, что даже более хрупкий орторомбический алюминид не превращается в нанопорошок при сварке взрывом. Кроме того, нами проведен имитационный эксперимент. Плас- тины тантала и орторомбического алюминида ти- тана (сплав ВТИ-1) подвергали ковке. Опуская детали эксперимента, отметим, что использовали пневматический молот М-413 c энергией удара 5300 Дж и обе пластины помещали в одну обо- лочку из титановой фольги. При раскрытии обо- лочки обнаружено, что пластина тантала расплю- щилась, а алюминида раскрошилась. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что переходная зона соединения состоит из областей меди и тантала, не испытавших рас- плавления, и зон локального расплавления меди, содержащих наночастицы тантала в виде застыв- ших капель. Рис. 8. Изображение вихрей в соединении Cu–Ta, полученное с помощью метода СЭМ 7/2011 29 Локальные зоны, в которых внешнее воздейс- твие является наиболее сильным, требуют особого внимания, поскольку именно они определяют прочность соединения. Расплавление является од- ним из эффективных процессов, приводящих к диссипации кинетической энергии метаемой плас- тины. Зоны локального расплавления представ- ляют собой «вставки» внутри переходной зоны, имеющие другую по сравнению с окружением структуру. Можно предположить, что полученная структура зон не только не приводит к их хруп- кости, но и способствует упрочнению всего сое- динения. Была измерена микротвердость в различ- ных точках переходной зоны и установлено, что микротвердость меди и тантала возросла незначи- тельно по сравнению с исходными значениями. Однако микротвердость серой зоны составляет более 4000 МПа, что примерно на 1000 МПа пре- вышает микротвердость тантала. Наблюдаемый эф- фект является следствием дисперсионного отвер- девания меди за счет наночастиц тантала. Процесс образования выступов на поверхности раздела и зон локального расплавления опреде- ляют перемешивание материалов, не имеющих взаимной растворимости. Для взаимопроникнове- ния одного материала в другой посредством об- разования выступов взаимная растворимость не требуется. В зонах локального расплавления вза- имопроникновение материалов обеспечивается за счет дробления на капли и их интенсивного пе- ремешивания благодаря циркуляции расплава, что предотвращает расслоение коллоидной системы на составляющие за время, необходимое для зас- тывания тугоплавкой жидкости. Электронно-микроскопические исследования были проведены в Центре коллективного пользо- вания электронной микроскопии УрО РАН (г. Ека- теринбург, РФ). Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-02-00354) по междисципли- нарному проекту УрО РАН № 09-М-12–2002 и Государственной целевой программе Украины № 1.1.1.3-4/10-Д «Нанотехнологии и наномате- риалы». 1. Greenberg B. A., Rybin V. V., Antonova O. V. Microstructure of bimetallic joint of titanium and orthorhombic titanium aluminide (explosion welding) // Severe plastic deformation: toward bulk production of nanostructured materials. — New York: Nova Sci. publ. Inc., 2005. — P. 533–544. 2. Биметаллическое соединение орторомбического алюми- нида титана с титановым сплавом (диффузионная свар- ка, сварка взрывом) / В. В. Рыбин, В. А. Семенов, И. И. Сидоров и др. // Вопр. материаловедения. — 2009. — 59, № 3. — С. 17–31. 3. Образование вихрей при сварке взрывом (титан–орто- ромбический алюминид титана) / В. В. Рыбин, Б. А. Гринберг, О. В. Антонова и др. // Физ. металлов и метал- ловедение. — 2009. — 108, № 4. — С. 371–384. 4. Nanostructure of vortex during explosive welding / B. A. Grinberg, V. V. Rybin, M. A. Ivanov, A. M. Patselov // Proc. of the 4th NANOSMAT 2009, Rome, 2009. — P. 220. 5. Структура переходной зоны при сварке взрывом (ти- тан–орторомбический алюминид титана) / В. В. Рыбин, Б. А. Гринберг, М. А. Иванов и др. // Сварка и диагнос- тика. — 2010. — № 3. — С. 26–31. 6. Процессы расплавления, вихреобразования и фрагмен- тации при сварке взрывом / Б. А. Гринберг, М. А. Ива- нов, В. В. Рыбин и др. // Там же. — 2010. — № 6. — С. 34–38. 7. Структура зоны соединения титана с орторомбическим алюминидом титана при сварке взрывом. Ч. I: Границы раздела разных типов / В. В. Рыбин, Б. А. Гринберг, М. А. Иванов и др. // Деформация и разрушение матери- алов. — 2010. — № 11. — С. 27–33. 8. Структура зоны соединения титана с орторомбическим алюминидом титана при сварке взрывом. Ч. II: Зоны ло- кального расплавления / Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, В. В. Рыбин и др. // Там же. — № 12. — С. 27–35. 9. Nanostructure of vortex during explosion welding / V. V. Rybin, B. A. Greenberg, M. A. Ivanov et al. // J. of Nanosci- ence and Nanotechnology. — 2011. — 11. (In press). 10. Особенности сварки стали с титаном в защитной атмосфе- ре / О. Л. Первухина, Л. Б. Первухин, А. А. Бердыченко и др. // Автомат. сварка. — 2009. — № 11. — С. 22–26. 11. Лысак В. И., Кузьмин С. В. Сварка взрывом. — М.: Ма- шиностроение-1, 2005. — 543 с. 12. Владимиров В. И., Романов А. Е. Дисклинации в крис- таллах. — Л.: Наука, 1986. — 224 с. 13. Дерибас А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом. — Новосибирск: Наука, 1980. — 220 с. 14. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии. — М.: Изд. центр «Академия», 2009. — 240 с. Structure of transition zone of a joint of metals without mutual solubility was studied. It is determined that the surface of explosion-welded Cu–Ta joint is not smooth, but contains protrusions of the size of approximately 5...10 μm. Transition zone of the joint consists of chaotically distributed unmolten regions of copper and tantalum containing tantalum nanoparticles of 30...50 nm size. Two processes — formation of protrusions on the interface and local melting zones — determine mixing of materials, not having mutual solubility. Поступила в редакцию 10.01.2011, в окончательном варианте 28.02.2011 30 7/2011

Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu–Ta, полученного сваркой взрывом

Репозитарії

Схожі ресурси