А.В. Башурин, Е.Ю. Мастихин, Д.В. Пономарев, В.Н. Гадалов. Получение титан-алюминиевых композитных панелей.
Известны конструкции и способы изготовления пустотелых ребристых и сотовых панелей способом диффузионной сварки [1,2,3]. Основные трудности при изготовлении панели заключаются в том, что тонкостенные ребра наполнителя теряют устойчивость при сжатии и искривляются. Перспективным направлением является применение разнородных материалов, например титановых и алюминиевых сплавов, при этом коробчатый профиль из титанового сплава помещается между ребрами и листами обшивки из алюминиевого сплава. Значительно более прочный титановый профиль выполняет роль сдерживающей оснастки и является несущим конструктивным элементом. В процессе приложения сжимающего усилия при температуре сварки ребра алюминиевого сплава в зоне контакта деформируются и образуется монолитное соединение ребра с листами обшивки, одновременно происходит взаимодействие титана с алюминием с образованием диффузионно-сварного соединения [2]. Кроме того, алюминиевая обшивка имеет по сравнению с титаном более высокий коэффициент температурного расширения и при охлаждении обтягивает титановый профиль, что повышает прочность сцепления титана с алюминием.
Целью данной работы является исследование контактной зоны при термомеханическом взаимодействии титана с алюминием и технологии изготовления биметаллических пустотелых панелей способом диффузионной сварки.
Исследования проводились на образцах из двухфазного +-титанового сплава ВТ6с (5,3 … 6,8 % Al; 3,5 … 5 % V), однофазных — сплава ВТ5-1 (4,3 … 6,0 % Al; 2,0 … 3,0 % Sn) и — сплава ВТ15 (2,3 … 3,6 % Al, 6,8 … 8,0 % Mo, 9,5 … 11,0 % Cr) и алюминиевых сплавов АЦ5К5 (до 5% Zn, до 5% Si), АМц (система Al – Mn) диаметром 5 мм, а также пластинах из алюминиевых сплавов и титанового профиля из ВТ6с толщиной 1,5 мм. Поверхность профиля обрабатывалась грубой наждачной бумагой для получения шероховатости порядка Rz 40 … 80 мкм. . Сварка проводилась в вакуумной камере при остаточном давлении порядка 0,133 Па (10-3 мм рт. ст.). Температура сварки соответствовала режиму повышенной пластичности алюминиевого сплава (Т=550С). Варьировалось время выдержки при температуре сварки. Усилие сжатия (удельное давление) составляло 6 … 7 МПа.
Проводился микроструктурный анализ и химический микродисперсионный анализ переходной зоны сваренных образцов на растровом электронном микроскопе РЭМ-106, позволивший количественно изучить распределение титана, алюминия и кислорода в переходной зоне.
Наличие плотной оксидной пленки на поверхности алюминия является основным препятствием для образования физического контакта между соединяемыми материалами. Основной механизм удаления оксидной пленки из стыка, по нашему мнению, заключается в раздроблении (фрагментировании) пленки в процессе деформации алюминия и условиях предотвращения поступления кислорода в зону стыка при температуре сварки с последующей диффузией кислорода в пограничные участки титана, его растворением в титане и, возможно, образованием ряда оксидов титана [3].
В начальный момент после приложения давления происходит вдавливание микровыступов титанового образца в алюминий, сопровождающееся разрушением оксидной пленки, контактированием ювенильных поверхностей металлов и активацией соеди-няемых поверхностей. Следует отметить, что значительная пластическая деформация необходима лишь на начальной стадии процесса сварки. После образования физического контакта по всей поверхности давление может быть снижено, с целью уменьшения общей деформации и предотвращения коробления детали.
С увеличением времени выдержки на микроструктурах наблюдается образование прослойки. Исходя из анализа диаграммы состояния Ti – Al [4] прослойка должна состоять преимущественно из интерметаллида TiAl3. Однако, по данным работы [4] при температуре 540 … 550 о С для образования указанного интерметаллида требуется значительное время (до 60 минут и более), поэтому утверждать, что прослойка состоит преимущественно из TiAl3 нет оснований.
При времени выдержки 30 минут на микроструктурах непосредственно от границы раздела титановый сплав – прослойка наблюдается узкая светлая полоска (рис. 1в), наличие которой в двухфазном сплаве можно объяснить повышением содержания кислорода в этой зоне (альфированный слой, так как кислород является — стабилизатором). При грубой обработке поверхности титана и большом увеличении также наблюдается полоска, которая представляет собой зерна глобулярной формы.
Аналогичная светлая полоса также видна при сварке со сплавом ВТ5-1. Однако, со стороны сплава ВТ15 образования подобного участка не наблюдается, что, вероятно, связано с наличием значительного количества — стабилизаторов в сплаве (до 18 … 19 %).
Кинетику образования прослойки можно представить следующим образом: контактирование ювенильных поверхностей титана и алюминия происходит в первую очередь на участках вдавливания микровыступов титана в алюминий, что приводит к их химическому взаимодействию и образованию новой фазы глобулярной формы. В процессе выдержки образовавшиеся частицы имеют тенденцию увеличиваться в размере вдоль границы соединения, образуя сплошную прослойку, толщина которой возрастает при дальнейшей выдержке.
Распределение химических элементов в контактной зоне после выдержки при температуре 540 … 550 оС и времени 60 минут, определенное методом химического микродисперсионного.
Анализ графика концентраций показывает наличие участка в контактной зоне практически постоянного химического состава (прослойки). В соответствии с диаграммой состояния Ti – Al соотношение концентраций Ti и Al в соединении TiAl3 составляет и %, в то время как в исследуемой прослойке 13 … 14% и 77 … 78% соответственно. Таким образом, прослойка имеет сложный химический состав, предположительно механическую смесь интерметаллида TiAl3, у-фазы (твердый раствор на основе TiAl + Al) и химических соединений титана и алюминия с другими элементами. В прослойке практически не обнаружено кислорода, а по границам прослойки наблюдается незначительное его количество в алюминии и существенное со стороны титана. Данные исследования подтверждают ранее высказанное предположение, что кислород из плоскости первоначального контактирования диффундирует в основной металл, преимущественно в титан, с образованием α-твердого раствора (растворимость до 14%) и ряда оксидов типа TiO, Ti2O и т.д.
Прослойка в зоне контакта титан – алюминий является хрупкой составляющей, поэтому в идеальном варианте нужно стремиться к получению соединения без прослойки по плоскости первоначального контактирования. Однако, в этом случае наблюдается серьезное противоречие. С одной стороны необходимо обеспечить физический контакт между титаном и алюминием, основным препятствием к чему является наличие тугоплавкой оксидной пленки. С другой стороны, как только начинается взаимная диффузия, их взаимодействие сначала приводит к образованию твердого раствора Al в Ti, если алюминий диффундирует в титан (растворимость до 26%) или, что более вероятно, химическое соединение TiAl3. Анализ микроструктур также показывает, что относительно равномерная по толщине на всей соединяемой поверхности тонкая прослойка образуется на образцах, в которых титановый сплав имеет более шероховатую поверхность. Ранее проведенные механические испытания на отрыв и на срез [2], показали, что прочность соединений с предварительной обработкой поверхности по 3-му – 4-му классам чистоты значительно выше, чем на полированных образцах.
Работоспособность панели в значительной степени зависит от прочности таврового соединения ребра с листами обшивки. В процессе сварке в тавр ребристых конструкций из алюминиевых сплавов, при достижении температуры повышенной пластичности сплава, приложении необходимого сжимающего усилия и специальной формующей оснастки, возможно получение качественного соединения с образованием галтели в зоне перехода соединяемых деталей за счет существенной деформации металла ребра. Металлографический анализ показывает полное отсутствие по границе первоначального контактирования сварных дефектов, таких как видимые включения оксидной пленки и непровары. Уменьшение температуры сварки, или недостаточная пластическая деформация не позволяют получить соединение без непроваров и подрезов, причем снижение температуры не компенсируется увеличением других параметров процесса сварки.
Металлургические процессы в соединении соответствуют общепринятой теории: в результате пластической деформации сплавов в зоне соединения происходит раздробление оксидных пленок, контактирование ювенильных активированных поверхностей и схватывание в отдельных точках. С дальнейшей деформацией площадь контактирующих участков растет и образуются замкнутые полости с заключенными в них фрагментами оксидной пленки. При этом прекращается доступ кислорода из окружающей вакуумной среды, и определяющим фактором удаления оксидов из зоны соединения становится растворение кислорода в основном металле. На этой стадии температура нагрева играет определяющую роль. В результате, при соответствующей комбинации температуры (540 … 560 оС), сжимающего усилия, вызывающего необходимую локальную пластическую деформацию и максимально допустимого времени выдержки, ограниченного условиями роста толщины прослойки, образуется монолитное соединение ребра с обшивкой.
Сварка модельных образцов панели размером 30 × 34 × 16 мм проводилась в специальном приспособлении, ограничивающем перемещение по ширине. Нагрев от нагревательных плит, расположенных сверху и снизу панели. Коробчатые профили из сплава ВТ6с, верхняя и нижняя пластины из сплава АМц, ребра из сплава АЦ5К5.
Конструктивной особенностью пустотелой биметаллической панели является то, что между титановыми профилями и алюминиевыми элементами имеет место нахлесточное соединение по большой поверхности, поэтому создать достаточную пластическую деформацию для разрушения оксидной пленки за счет деформирования алюминиевого сплава практически невозможно. Известно, что при диффузионной сварке пакета из тонколистовых заготовок уже в первую минуту происходит схватывание листов, и в поперечном относительно нагрузки направлении они деформируются как одно целое. Это обстоятельство является одним из основных препятствий для разрушения оксидной пленки алюминия, поэтому наличие выступов шероховатости на титановом образце является необходимым условием получения качественного соединения.
В процессе нагружения конструкции основными на границе титан – алюминий являются касательные напряжения по значительной поверхности, кроме того, в следствии натяга, вызванного разностью коэффициентов линейного расширения сплавов, прочность связи между соединяемыми деталями значительно возрастает. Основными рабочими являются нормальные напряжения в зоне сварки ребра с листом обшивки, поэтому наличие непровара в этой зоне не допускается, и обязательным требованием является формирование галтели на участке перехода соединяемых деталей.
По результатам металлографических исследований и химического микродисперсионного анализа установлен механизм взаимодействия алюминия с титаном, включающий процессы разрушения оксида алюминия и образования прослойки на границе титан – алюминий. Показано, что определяющим фактором является микропластическая деформация алюминиевого сплава и необходимо сочетание двух условий: образования физиче-ского контакта свариваемых поверхностей и ограничения роста толщины прослойки по плоскости первоначального контактирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- Бондарь, А.В. Диффузионная сварка титана и его сплавов / А.В. Бондарь, В.В. Пешков, Л.С. Киреева [и др.] Воронеж: Изд. ВГУ, 1998. 256 с.
- Диффузионная сварка пустотелых биметаллических панелей / А.В. Башурин, Е.Ю. Мастихин, В.И. Колмыков // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. № 1. С. 13-15.
- Исследование переходной зоны титан-алюминий при диффузионной сварке / Д.В. Пономарев, С.Г. Емельянов, А.В. Башурин и др. // Технология металлов. 2008. № 9. С. 12-15.
- Металлургия и технология сварки титана и его сплавов / С.М. Гуревич, В.Н. Зам-ков, В.Е. Блащук [и др.] Киев: Наук. думка, 1986. 240 с.
А.В. Башурин, Е.Ю. Мастихин, Д.В. Пономарев, В.Н. Гадалов. Получение титан-алюминиевых композитных панелей.
