Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением

Представлен электронно-лучевой способ получения многослойных фольг на основе интерметаллидообразующих компонентов, рассмотрены результаты применения указанных фольг в качестве промежуточных прослоек при диффузионной сварке алюминидов титана....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2012
Main Authors:	Устинов, А.И., Фальченко, Ю.В., Мельниченко, Т.В., Харченко, Г.К., Петрушинец, Л.В., Шишкин, Е.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Series:	Современная электрометаллургия
Subjects:	Электронно-лучевые процессы
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96527
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением / А.И. Устинов, Ю.В. Фальченко, Т.В. Мельниченко, Г.К. Харченко, Л.В. Петрушинец, Е.А. Шишкин // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 30-37. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96527
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-965272025-02-09T23:43:32Z Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением Multilayer TI/ Al foils: methods of producing, properties and application in pressure welding Устинов, А.И. Фальченко, Ю.В. Мельниченко, Т.В. Харченко, Г.К. Петрушинец, Л.В. Шишкин, Е.А. Электронно-лучевые процессы Представлен электронно-лучевой способ получения многослойных фольг на основе интерметаллидообразующих компонентов, рассмотрены результаты применения указанных фольг в качестве промежуточных прослоек при диффузионной сварке алюминидов титана. An electron beam method is presented for producing multi-layer foils on the base of intermetallide-forming base. Results of application of mentioned foils as intermediate interlayers in diffusion welding of titanium aluminides are considered. 2012 Article Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением / А.И. Устинов, Ю.В. Фальченко, Т.В. Мельниченко, Г.К. Харченко, Л.В. Петрушинец, Е.А. Шишкин // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 30-37. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96527 669.187.826 ru Современная электрометаллургия 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	Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы
spellingShingle	Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы Устинов, А.И. Фальченко, Ю.В. Мельниченко, Т.В. Харченко, Г.К. Петрушинец, Л.В. Шишкин, Е.А. Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением Современная электрометаллургия
description	Представлен электронно-лучевой способ получения многослойных фольг на основе интерметаллидообразующих компонентов, рассмотрены результаты применения указанных фольг в качестве промежуточных прослоек при диффузионной сварке алюминидов титана.
format	Article
author	Устинов, А.И. Фальченко, Ю.В. Мельниченко, Т.В. Харченко, Г.К. Петрушинец, Л.В. Шишкин, Е.А.
author_facet	Устинов, А.И. Фальченко, Ю.В. Мельниченко, Т.В. Харченко, Г.К. Петрушинец, Л.В. Шишкин, Е.А.
author_sort	Устинов, А.И.
title	Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением
title_short	Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением
title_full	Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением
title_fullStr	Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением
title_full_unstemmed	Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением
title_sort	многослойные фольги ti/al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Электронно-лучевые процессы
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96527
citation_txt	Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением / А.И. Устинов, Ю.В. Фальченко, Т.В. Мельниченко, Г.К. Харченко, Л.В. Петрушинец, Е.А. Шишкин // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 30-37. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT ustinovai mnogosloinyefolʹgitialsposobypolučeniâsvoistvaiprimenenieprisvarkedavleniem AT falʹčenkoûv mnogosloinyefolʹgitialsposobypolučeniâsvoistvaiprimenenieprisvarkedavleniem AT melʹničenkotv mnogosloinyefolʹgitialsposobypolučeniâsvoistvaiprimenenieprisvarkedavleniem AT harčenkogk mnogosloinyefolʹgitialsposobypolučeniâsvoistvaiprimenenieprisvarkedavleniem AT petrušineclv mnogosloinyefolʹgitialsposobypolučeniâsvoistvaiprimenenieprisvarkedavleniem AT šiškinea mnogosloinyefolʹgitialsposobypolučeniâsvoistvaiprimenenieprisvarkedavleniem AT ustinovai multilayertialfoilsmethodsofproducingpropertiesandapplicationinpressurewelding AT falʹčenkoûv multilayertialfoilsmethodsofproducingpropertiesandapplicationinpressurewelding AT melʹničenkotv multilayertialfoilsmethodsofproducingpropertiesandapplicationinpressurewelding AT harčenkogk multilayertialfoilsmethodsofproducingpropertiesandapplicationinpressurewelding AT petrušineclv multilayertialfoilsmethodsofproducingpropertiesandapplicationinpressurewelding AT šiškinea multilayertialfoilsmethodsofproducingpropertiesandapplicationinpressurewelding
first_indexed	2025-12-01T21:36:47Z
last_indexed	2025-12-01T21:36:47Z
_version_	1850343450867662848
fulltext	УДК 669.187.826 МНОГОСЛОЙНИЕ ФОЛЬГИ Ti/Al: СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ ДАВЛЕНИЕМ А. И. Устинов, Ю. В. Фальченко, Т. В. Мельниченко, Г. К. Харченко, Л. В. Петрушинец, Е. А. Шишкин Представлен электронно-лучевой способ получения многослойных фольг на основе интерметаллидообразующих компонентов, рассмотрены результаты применения указанных фольг в качестве промежуточных прослоек при диффузионной сварке алюминидов титана. An electron beam method is presented for producing multi-layer foils on the base of intermetallide-forming base. Results of application of mentioned foils as intermediate interlayers in diffusion welding of titanium aluminides are considered. Ключевые слова : многослойная фольга; диффузионная сварка; микроструктура; интерметаллидный сплав γ-TiAl Получение неразъемных соединений композитов, интерметаллидов и разнородных материалов путем их расплавления в зоне соединения, как правило, сопровождается существенной деградацией их свойств. Применение способа диффузионной свар- ки давлением (СД) в твердом состоянии позволяет избежать такого изменения структуры трудносва- риваемых материалов в зоне соединения. Однако практическое применение этого способа осложняет- ся необходимостью разогрева металла зоны соеди- нения до повышенных температур (выше 0,7 Tпл, где Tпл – температура плавления свариваемого ма- териала), приложения значительного давления, обеспечивающего пластическую деформацию сва- риваемого материала, и длительной выдержки зоны соединения при этих условиях [1]. Поскольку ма- териалы на основе интерметаллидов и композитов являются труднодеформируемыми, то даже при нагреве их до высоких значений температуры при- менение способа СД сопряжено с определенными трудностями [2]. Значительного «смягчения» условий образова- ния соединений труднодеформируемых материалов способом СД (снижение температуры нагрева и уровня приложенного давления, а также времени выдержки) достигают при введении между свари- ваемыми поверхностями промежуточных прослоек на основе пластичных металлов [3—6]. Предполагается, что в процессе сварки в резуль- тате нагрева и приложенного давления эти прослой- ки испытывают пластическое течение, которое вы- зывает деформацию приповерхностных слоев сва- риваемых материалов. Такая пластическая дефор- мация прослойки обеспечивает, с одной стороны, установление физического контакта между свари- ваемыми поверхностями, а с другой, – приводит к увеличению плотности дефектов в приповерхнос- тных слоях, что способствует ускорению диффу- зионных процессов в зоне соединения. Таким обра- зом, в зоне соединения развиваются процессы, обес- печивающие взаимное прорастание зерен между свариваемыми поверхностями при более низких значениях температуры и приложенных давлений, по сравнению с СД этих же материалов без проме- жуточной прослойки. Вместе с тем применение при СД пластичных прослоек приводит к формированию в металле зоны соединения химической неоднородности, вследс- твие чего прочностные и эксплуатационные свойс- тва соединения ухудшаются [7]. Снижение степени химической неоднородности в зоне соединения пу- тем уменьшения толщины пластичных прослоек требует значительного повышения сварочного дав- ления [8]. Уменьшения химической неоднородности в ме- талле зоны соединения при СД можно достичь, нап- ример путем применения прослоек, состоящих из слоев на основе компонентов, входящих в состав свариваемого материала. Так, в случае сварки ин- терметаллидов промежуточная прослойка должна была бы состоять из слоев на основе компонент, формирующих интерметаллид, например из слоев алюминия и титана. При этом в процессе сварки такая ламинатная структура промежуточной прос- © А. И. УСТИНОВ, Ю. В. ФАЛЬЧЕНКО, Т. В. МЕЛЬНИЧЕНКО, Г. К. ХАРЧЕНКО, Л. В. ПЕТРУШИНЕЦ, Е. А. ШИШКИН, 2012 30 лойки должна трансформироваться в структуру ин- терметаллида, например TiAl. Реализация такого подхода с помощью ламинатных структур значи- тельно осложняется большой толщиной слоев ком- понент и наличием между ними границ раздела. Эти недостатки могут быть устранены при исполь- зовании многослойных фольг (МФ), полученных последовательным осаждением компонент. Путем варьирования толщины слоев компонент и харак- теристик их микроструктуры можно определить путь и кинетику реакции синтеза интерметаллида в фольге при ее нагревании, что позволит сформи- ровать в фольге структуру, подобную таковой сва- риваемого материала. В работе на примере системы Ti—Al обобщены результаты по разработке способа получения МФ на основе интерметаллидообразующих компонент, рассмотрена возможность их применения в качестве промежуточной прослойки при СД алюминидов ти- тана. Способы получения МФ Ti/Al и их исследования. Многослойные фольги Ti/Al, состоящие из чере- дующихся слоев титана и алюминия, получены в установке, конструкция которой описана в работе [9]. Принципиальная схема осаждения фольг при- ведена на рис. 1. Для осуществления послойного осаждения титана и алюминия вакуумную камеру разделяли вертикально расположенным сплошным экраном на две равные части, в каждой из которых установлены медные водоохлаждаемые тигли. В один из них помещали слиток титана, а в другой – слиток алюминия. С помощью испарительных элек- тронно-лучевых пушек на поверхности слитков соз- давали расплавленную ванну, откуда производили испарение элементов, интенсивность которого регу- лировали с помощью тока электронного луча. Вра- щение подложки, закрепленной на вертикальном валу, и наличие разделительного экрана позволяли последовательно осаждать слои из чистых элемен- тов на подложку, температуру которой поддерживали с помощью нагревательных электронно-лучевых пушек. После завершения процесса послойного осажде- ния компонент для отделения фольги от подложки на ее поверхность перед началом процесса осаждали тонкий слой NaCl. Соотношение толщин слоев компонент МФ оп- ределяется соотношением интенсивностей испаре- ния слитков, а их суммарная толщина (период че- редования слоев) – скоростью вращения подлож- ки. Общую толщину фольги при конкретной интен- сивности испарения компонент задавали длитель- ностью процесса осаждения. Для определения структуры и химического соста- ва фольги после осаждения и термической обработки использовали методы электронной микроскопии, дифракции рентгеновских лучей, дифференциально- го термического анализа (ДТА). Образцы для метал- лографических исследований готовили по стандарт- ной методике с использованием шлифовально-по- Рис. 1. Схема процесса электронно-лучевого осаждения много- слойных фольг 1 – нагревательные электронно-лучевые пушки; 2 – подложка; 3 – испарительные электронно-лучевые пушки; 4 – тигли для испарения со слитками; 5 – разделительный непроницаемый экран Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение микроструктуры поперечного сечения образцов фольги Ti/Al с периодом чередования слоев 800 (а) и 50 (б) нм. Светлые слои соответствуют титану, темные – алюминию 31 лировального станка Abramin фирмы «Struers». С целью выявления структуры фольги использовали способ селективного химического травления. Структуру и химический состав фольги анали- зировали с помощью сканирующего микроскопа CamScan-4, оснащенного энергодисперсионной сис- темой локального анализа Energy 200, и просвечи- вающего электронного микроскопа Hitachi H-800 при ускоряющем напряжении 200 кВ. Рентгендиф- ракционные измерения проводили в стандартной ге- ометрии Q-2Q на дифрактометре ДРОН-4 в излу- чении CuKα. Измерения для ДТА выполняли на установке ВДТА-8 [9]. Структура МФ Ti/Al. Путем варьирования ско- рости электронно-лучевого испарения компонента слитка и скорости вращения подложки получали толстые (до 200 мкм) МФ на основе интерметал- лидообразующих компонент при различном их со- отношении. При этом период чередования слоев можно было изменять от 10 до 1000 нм. На рис. 2 представлена микроструктура металла поперечного сечения образцов фольги Ti/Al с суб- микронным (более 100 нм) и наноразмерным (менее 100 нм) периодами чередования слоев. Фольги сос- тоят из непрерывных слоев титана и алюминия и отличаются столбчатой структурой, характерной для вакуумных конденсатов, осаждение которых производят при температуре подложки < 0,5 Tпл. На рентгенодифракционных картинах от образ- цов фольг присутствуют только линии, относящи- еся к α-Ti и алюминию (рис. 3), т. е. процесс осаж- дения компонент за счет диффузионных процессов не сопровождается их перемешиванием не только в паровой фазе, но и в твердом состоянии. Между слоями нет перемешивания, о чем свидетельствуют четко выраженные границы слоев и отсутствие от- ражений от интерметаллидных фаз на электроног- рамме фольги (рис. 4, а, б). Анализ структуры границ слоев, полученных способом просвечивающей электронной микро- скопии высокого разрешения, показал, что на гра- ницах слоев отсутствуют признаки выделения ка- ких-либо фаз, а сопряжение зерен является коге- рентным (рис. 4, в). Таким образом, условия осаж- дения МФ предотвращают диффузию титана и алю- миния на границе между слоями, что создает бла- гоприятные условия для диффузии компонент при повышении температуры фольги. Реакционные свойства МФ Ti/Al. При повышении температуры МФ, состоящей из интерметаллидо- образующих компонент, в ней активизируются про- цессы диффузии с образованием интерметаллид- ных фаз, что, как правило, сопровождается интен- сивным тепловыделением. На рис. 5 представлены термограммы, получен- ные при медленном нагреве со скоростью 50°С/мин образцов фольги Ti/Al (химический состав, близ- кий к таковому интерметаллида TiAl), которые от- личаются периодом чередования слоев. Из кривых ДТА видно, что при нагреве фольг в них происходит каскад фазовых превращений. Температурный ин- тервал и интенсивность их протекания существенно зависят от периода чередования слоев – при его уменьшении интервал фазовых превращений сме- щается в область более низких температур, резко возрастает интенсивность протекания первой стадии фазовых превращений. Рентгенодифракционный анализ образцов фольги, нагретых до разных температур в интерва- ле 250…700 °С, подробно описан нами в работе [9]. Проведенные исследования позволили сделать вы- вод о том, что при нагреве образцов МФ Ti/Al, имеющей химический состав, близкий к эквиатомному в интервале значений температуры 350…650 °С, пос- ледовательность фазовых превращений реализуется в ней по схеме Al + Ti → Al3Ti → Al5Ti2 → Al2Ti → AlTi. Рис. 3. Рентгендифракционная картина от образца фольги Ti/Al после осаждения (излучение CuKα) Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение микроструктуры поперечного сечения (а), электронограмма (б) и электрон- но-микроскопичекое изображение высокого разрешения (в) фольги Al/Ti после осаждения 32 Кроме того, при нагреве до температуры около 550 °С в фольге формируется интерметаллид AlTi3, кото- рый при дальнейшем нагреве фольги трансформи- руется в интерметалиды с меньшим содержанием алюминия. Формирование фазы AlTi3 наряду с тер- модинамически обоснованной последовательностью Al3Ti → Al5Ti2 → Al2Ti → AlTi свидетельствует о ре- ализации двух каналов фазовых превращений, обус- ловленных двумя диффузионными процессами – объемной диффузией атомов титана в алюминий и зер- нограничной диффузией атомов алюминия в титан. Следует отметить, что на всех стадиях фазовых превращений в МФ Ti/Al сохраняется слоистая структура (рис.6). Из анализа микроструктур по- перечного сечения МФ Ti/Al видно, что на началь- ных этапах нагрева в результате диффузионных процессов и перераспределения компонент вызван- ные этим фазовые превращения приводят к изме- нению структуры слоев – толщины слоев – и про- исходит их фрагментация (рис. 6, б, в). При повы- шении температуры нагрева образцов до 550 °С тол- щина слоев титана уменьшается и формируется ком- позит, представляющий собой смесь интерметал- лидных фаз, обогащенных титаном и алюминием (рис. 6, г). Низкие значения температуры протекания фа- зовых превращений, происходящих в фольге Ti/Al при ее нагреве, и их многостадийность обусловлены в значительной степени структурой вакуумных кон- денсатов, осажденных при температурах ниже 0,3 Tпл. Такие условия осаждения способствуют фор- мированию значительной концентрации дефектов вакансионного типа как в объеме, так и на границах зерен. С одной стороны, указанные дефекты вызы- вают диффузионную подвижность компонент и формирование интерметаллидных соединений при относительно низких температурах нагрева фольги, с другой, – приводят к образованию пор (рис. 7). Быстрый нагрев МФ способствует прохожде- нию в ней реакции самораспространяющегося вы- сокотемпературного синтеза (СВС). На рис. 8 по- казана микроструктура рельефа поверхности фоль- ги Ti/Al после прохождения в ней реакции СВС. Очевидно, что такая структура поверхности фольги будет приводить к установлению физического кон- такта со свариваемыми поверхностями. На основе анализа фазовых и структурных прев- ращений, протекающих в МФ при ее нагреве, а также с учетом особенностей формирующейся при этом микроструктуры фольги на различных стади- ях фазовых превращений и интенсивного выделе- Рис. 5. Кривые ДТА, полученные при нагреве со скоростью 50 °С/мин МФ Ti/Al эквиатомного состава с периодом чере- дования слоев 700 (а), 500 (б), 300 (в) и 70 (г) нм Рис. 6. Микроструктура поперечного сечения образцов фольги с периодом чередования слоев 800 нм в исходном состоянии (а), после нагрева до 350 (б), 450 (в) и 550 (г) °С, а также выдержки при этих температурах в течение 5 мин 33 ния при этом тепла, можно предположить, что ис- пользование этих фольг в качестве промежуточных прослоек активизирует диффузионные процессы в зоне соединения. Примеры применения МФ при СД алюминидов ти- тана. Сварку интерметаллидов Ti—Al проводили в вакуумной камере установки У-394М, снабженной системами статического нагружения образцов и электронно-лучевого нагрева (рис. 9). Поверхности образцов перед сваркой шлифовали на алмазном круге, а затем обезжиривали. Подготовленные об- разцы размерами 10 10 4 мм с промежуточной прослойкой помещали в вакуумную камеру. Равно- мерный нагрев обеспечивали путем применения электронно-лучевого нагревателя кольцевой формы, установленного на уровне стыка. Параметры про- цесса сварки варьировали в следующих пределах: T = 900…1200 °С, t = 5…25 мин, P = 10…70 МПа. Вакуум в рабочей камере поддерживали на уровне 1,33⋅10—3 МПа. В качестве материала для диффузионной сварки в вакууме выбран сплав Ti—48 ат. % Al с добавками ниобия и марганца, имеющий двухфазное состояние α2 + γ (α2-Ti3Al и γ-TiAl, далее γ-TiAl), и характе- ризующихся высокой жаростойкостью. Соединения интерметаллидного сплава γ-TiAl без использова- ния промежуточной фольги получены на следую- щем режиме: T = 1200 °С, давление P = 70 МПа с выдержкой в течение t = 20 мин. Результаты металлографического исследования зоны соединения показаны на рис. 10. В зоне сое- динения четко выявляется граница раздела. С по- мощью анализа структуры зоны соединения в ре- жиме фазового контраста обнаружено формирова- ние в области стыка прослойки интерметаллида, состав которой по данным локального химического анализа близок к таковому интерметаллида Ti3Al. Формирование межзеренной границы в виде хруп- кой интерметаллидной прослойки снижает проч- ность сварного соединения, что влечет деградацию его эксплуатационных свойств [10]. В качестве промежуточной прослойки при диф- фузионной сварке образцов интерметаллидного спла- ва γ-TiAl использовали МФ состава Ti-52 aт. % Al толщиной 20 мкм и периодом чередования слоев (Ti/Al) 50 нм (рис. 2, б). Выбор МФ в качестве промежуточной прослойки основан на результатах исследования фазовых превращений при ее нагре- ве, согласно которым в процессе диффузионной сварки образцов алюминида титана структура МФ Ti/Al трансформируется в структуру, подобную та- ковой свариваемого материала. Оптимизация технологических параметров про- цесса диффузионной сварки через многослойную прослойку подробно описана в работе [11]. Мик- роструктура сварного соединения, полученного при Рис. 7. Электронно-микроскопическое изображение поперечного сечения МФ Ti/Al после нагрева до 600 °С в вакууме Рис. 8. Микроструктура рельефа поверхности фольги Ti/Al после прохождения реакции СВС Рис. 9. Схема установки диффузионной сварки в вакууме: 1 – вакуумная камера; 2 – прижимной шток; 3 – свариваемые образцы; 4 – электронно-лучевой нагреватель; 5 – фольга Ti/Al Рис. 10. Микроструктура металла зоны соединения образцов интерметаллида TiAl, полученной при диффузионной сварке (без промежуточной прослойки) в вакууме 34 оптимальных параметрах диффузионной сварки (T = 1200 °С, t = 20 мин, P = 10 МПа) представлена на рис. 11. В зоне соединения (в месте расположе- ния прослойки) зафиксирован слабый контраст, свидетельствующий об отличии химического соста- ва металла этой области от соседних, соответству- ющих свариваемому интерметаллидному сплаву (рис. 11, а). Из сопоставления химических составов металла зоны соединения (49,4Al, 49,8Ti, 0,8Mn ат. %) и свариваемого алюминида титана видно, что зона соединения обеднена атомами ниобия. Соглас- но металлографическому и локальному химическо- му анализам частицы ниобия скапливаются на гра- нице прослойка/интерметаллид. Присутствие мар- ганца в прослойке свидетельствует о протекании диффузионных процессов в зоне соединения при про- хождении реакции твердофазного синтеза, иницииро- ванной в МФ при сварке. При этом металл зоны со- единения однороден по структуре (рис. 11, б) и сос- тоит из равноосных зерен размером до 10 мкм, в которых различима ламельная структура, харак- терная для исходного интерметаллида. Таким образом, из анализа микроструктуры по- лученных соединений следует, что многослойная прослойка в процессе диффузионной сварки спо- собствует формированию в стыке зерен интерметал- лида, которые прорастают в свариваемый материал. Отсутствие пор и трещин в области соединения, а также равнопрочность различных участков сварно- го шва (рис. 12) свидетельствуют о высоком качес- тве сварного соединения. Гомогенизирующий отжиг сварного соединения при температуре 1200 °С, 2 ч в вакууме повышает его однородность по составу и структуре (рис. 11, в), однако обеднение по ниобию металла зоны стыка сохраняется, что, очевидно, можно устранить при использовании МФ, содержащей ниобий. Зафик- сированные изменения микроструктуры металла в зоне соединения свидетельствуют о высокой диф- фузионной подвижности компонентов и могут быть обусловлены процессами тепловыделения, сопро- вождающими твердофазные реакции, иницииро- ванные в МФ. В связи с этим изучали влияние других реактив- ных МФ – Ni/Ti (Ti—44 ат. % Ni) и Ni/Al (Al—46 ат. % Ni) – на структуру металла сварных швов сплавов на основе γ-TiAl, полученных способом диффузион- ной сварки в вакууме [12]. Результаты металлографического анализа зоны соединения представлены на рис. 13. Использова- ние МФ Ni/Ti и Ni/Al значительно активизирует диффузионные процессы в стыке. Однако в обоих случаях в процессе сварки в области соединения формируется переходная зона переменной толщи- ны, неоднородная по структуре и составу, состоя- щая из нескольких фаз, что приводит к значитель- ному разбросу значений микротвердости металла разных участков соединения (рис. 12). Дополнительный отжиг 1200 °С металла частич- но устраняет неоднородность химического состава, структуры и механических свойств сварных соеди- нений (рис. 12, 13). Однако присутствие в стыке интерметаллида (Ti,Ni)Al обусловливает высокую микротвердость отдельных участков соединения, полученного с использование фольги Ni/Al. С другой стороны, формирование в области фольги композит- ной структуры, фазовые составляющие которой ха- рактеризуются высоким значением микротвердости, может быть использовано при сварке аналогичных композиционных материалов на основе титана. Таким образом, реализация в зоне соединения интенсивных диффузионных процессов позволяет Рис. 11. Микроструктура зоны соединения образцов интерметаллида TiAl при диффузионной сварке в вакууме при давлении P = 10 МПа с использованием МФ Ti/Al; стрелки показывают место соединения Рис. 12. Характер изменения микротвердости в зоне соединения сплава Ti—48Al—2Nb—2Mn (ат. %) при сварке с использованием МФ Ni/Ti, Ni/Al и Ti/Al в исходном состоянии (а) и после отжига 1200 °С, 2 ч (б): 1 – Ni/Al; 2 – Ni/Ti; 3 – Ti/Al 35 получать качественные сварные соединения, а так- же использовать такой подход для изготовления на основе интерметаллидных сплавов γ-TiAl конструк- ционных элементов различных типов. На рис. 14 представлены конструкции таврового, нахлесточного и коробчатого типа, полученных за один технологический цикл сварки с использованием МФ Ti/Al в качестве промежуточной прослойки. Представленные результаты свидетельствуют о высокой эффективности многослойных структур на основе интерметаллидообразующих компонентов в качестве промежуточных прослоек при СД. При использовании таких фольг обнаружены не только смягчение условий СД для получения неразъемных соединений, но и новые возможности по локальному легированию зоны соединения путем введения фольг с модифицированным составом. Высокая ре- акционная способность таких фольг обеспечивает повышенную скорость диффузионных процессов без дополнительного увеличения температуры и времени выдержки зоны соединения. Разработанные нами подходы в использовании МФ при диффузионной сварке в вакууме интерме- таллидного сплава γ-TiAl применимы также при свар- ке и других трудносвариваемых материалов, в част- ности композиционных материалов на алюминиевой основе. Нами разработаны, например, технологии по- лучения МФ Al/Ni и их использования при сварке Рис. 13. Микроструктура зоны соединения γ-TiAl, полученного при использовании МФ Ni/Ti и Ni/Al после сварки (а, в) и отжига (б, г) при 1200 °С, 2 ч; режим фазового контраста Рис. 14. Общий вид сварных сборок Т-образной формы (а), внахлест (б) и коробкового типа (в), полученных из сплава γ-TiAl через нанослойную фольгу Ti/Al 36 композиционных материалов АМг5 + 27 % Al2O3 [13, 14]. Применение при сварке МФ Al/Cu спо- собствует ускорению диффузионных процессов, хи- мической активации свариваемых поверхностей и мелкодисперсному упрочнению металла зоны сое- динения вследствие реакции СВС интерметаллида- ми. Результаты механических испытаний на растя- жение и срез свидетельствуют об улучшении проч- ностных характеристик сварных соединений. Выводы 1. Предложен высокоскоростной способ получения толстых (до 200 мкм) МФ на основе интерметал- лидообразующих компонент путем их послойного электронно-лучевого осаждения, позволяющий варьировать период чередования слоев в диапазоне от 10 до 1000 нм. 2. Показано, что МФ на основе интерметаллидо- образующих компонент, полученные способом пос- ледовательного электронно-лучевого осаждения слоев, характеризуются высокой реакционной спо- собностью, которая связывается со значительной степенью совершенства межфазных границ и нали- чием в структуре вакуумных конденсатов. 3. Установлено, что применение нанослойных фольг системы Al/Ti в качестве промежуточных прослоек при диффузионной сварке в вакууме поз- воляет получить соединения с равномерным расп- ределением в стыке легирующих элементов, входя- щих в состав сплава, и микроструктурой взаимно про- никающих зерен подобно свариваемому материалу при более низких параметрах сварки. Это позволяет использовать разработанные технологические прие- мы для соединения трудносвариваемых материалов. 4. Показано, что применение МФ на основе ин- терметаллидообразующих компонент, отличаю- щихся по химическому составу от свариваемого ма- териала, позволяет модифицировать структуру и химический состав металла зоны соединения. 1. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. – М.: Машиностроение, 1976. – 312 с. 2. Lee C. S., Li H., Chandel R. S. Stimulation model for the vacuum-free diffusion bonding of aluminium metal-matrix composite // J. of Materials Processing Technology. – 1999. – N 89, 90. – P. 344—349. 3. Duvall D. S., Owczarski W. A., Paulonis D. F. Methods for diffusion welding the superalloy Udimet 700 // Wel- ding J. – 1972. – 51, № 2. – P. 41—49. 4. Диффузионная сварка титана с керамикой через алюми- ниевую прокладку / В. С. Несмих, Ю. Б. Малевский, Т. Н. Кушнарева и др. // Автомат. сварка. – 1987. – № 5. – С. 69—72. 5. Метелкин И. И., Доронина А. А. Влияние контактных напряжений на свариваемость металлических дисков с ке- рамикой // Свароч. про-во. – 1976. – № 5. – С. 15—17. 6. Soldadura por difusion de peliculas de oro electrodeposita- des sobre aluminio / F. A. Calvo, A. J. Criado, J. M. Gomes de Salar et al. // Rev. soldatura. – 1987. – 17, № 2. – P. 71—77. 7. Nami H., Halvae A., Adgi H. Transient liquid phase diffu- sion bonded of Al/Mg2Si metal matrix composite // J. Materials Processing Technology. – 2010. – № 210. – P. 1282—1289. 8. Мусин Р. А., Анциферов В. Н.. Квасницкий В. Ф. Диф- фузионная сварка жаропрочных сплавов. – М.: Метал- лургия, 1979. – 207 с. 9. Твердофазные реакции при нагреве многослойных фольг Al/Ti, полученных способом электронно-лучевого осаж- дения / А. И. Устинов, Л. А. Олиховская, Т. В. Мельни- ченко и др. // Современ. электрометаллургия. – 2008. – № 2. – С. 19—26. 10. Каракозов Э. С., Гостомельский В. С., Терновский А. П. Характер разрушения соединений, полученных диффу- зионной сваркой // Автомат. сварка. – 1982. – № 1. – С. 7—10. 11. Получение неразъемных соединений сплавов на основе γ- TiAl с использованием многослойной наноструктурной фольги Ti/Al способом диффузионной сварки в вакууме / А. И. Устинов, Ю. В. Фальченко, А. Я. Ищенко и др. // Там же. – 2009. – № 1. – С. 17—21. 12. Диффузионная сварка в вакууме сплава на основе γ-TiAl с использованием нанослойных прослоек / Г. К. Харчен- ко, А. И. Устинов, Ю. В. Фальченко и др. // Там же. – 2011. – № 3. – С. 7—11. 13. Диффузионная сварка микродисперсного композита АМг5 + Al2O3 с применением нанослойной фольги Ni/Al / А. Я. Ищен- ко, Ю. В. Фальченко, А. И. Устинов и др. // Там же. – 2007. – № 7. – С. 5—9. 14. Патон Б. Е., Ищенко А. Я., Устинов А. И. Применение нанотехнологии неразъемного соединения перспективных легких металлических материалов для аэрокосмической техники // Там же. – 2008. – № 12. – С. 5—12. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Ин-т металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, Киев Поступила 30.01.2012 37

Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением

Institution

Similar Items