Исследование теплои электропроводности СИК титан-сталь

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Ю. П. Трыков, д-р техн. наук, Д. В. Проничев, канд. техн. наук,
Л. М. Гуревич, канд. техн. наук, О. В. Слаутин, канд. техн. наук,
В. Г. Шморгун, д-р техн. наук, В. Н. Арисова, канд. техн. наук,
Д. Ю. Донцов, инженер, Е. Б. Михайлов, студент
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ СИК ТИТАН-СТАЛЬ* Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: mv@vstu. ru)
Исследовано влияние диффузионных интерметаллидных прослоек на тепло- и электропроводность ти-тано-стального композита, полученного сваркой взрывом с последующим диффузионным отжигом. Вычислены значения коэффициентов теплопроводности интерметаллидных прослоек.
Ключевые слова: слоистые композиты, теплопроводность, диффузия, сварка взрывом.
Influence of diffusion intermetallic layers on heat and electric conductivity of the titan-steel composite gained by an explosion welding with subsequent difussion annealing is investigated. Values of coefficients of thermal conductivity intermetallic layers are calculated.
Keywords: layered composites, heat conductivity, diffusion, explosion welding
При разработке и создании нового класса объемное соотношение основных и образую-
конструкционных материалов (КМ) — слоистых щихся в результате диффузии интерметаллид-
интерметаллидных композитов (СИК) — особый ных слоев [4, 5]. Оптимизация заключительной
интерес представляет система Ti-Fe [1−3]. Тех- операции комплексной технологии процесса
нология получения СИК предусматривает ВТО сводится в основном к выбору темпера-
сварку взрывом (СВ) многослойных пакетов и турно-временных условий нагрева, обеспечи-
их последующую прокатку на толщину, обес- вающих за счет диффузии между титаном и
печивающую после завершающей высокотем- сталью формирование на межслойных границах
пературной термообработки (ВТО) заданное сплошных интерметаллидных прослоек задан-------------------------------------------------- ной толщины твердостью 6−8 ГПа. Такие проРабота выполнена при финансовой поддержке гран- слойки обладают свойствами, резко отличаю-
тов РФФИ (08−08−56 и 10−08−437-а) и проекта
2.1. 2/573 целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы».
щимися от свойств основных свойств основных металлов, поэтому целью работы являлось ис-
следование влияния режимов термической обработки на формирование диффузионных прослоек и влияние последних на тепло- и электрофизические свойства СИК титан-сталь.
Исследования проводили на биметалле титан ВТ1−0 + сталь 20 толщиной 4,5 и 8 мм, соответственно, полученном сваркой взрывом с последующей прокаткой при температуре 700 оС. Сварку взрывом проводили по параллельной схеме на оптимальном режиме (скорость сварки 2900−2950 м/с, скорость соударения 650−670 м/с), обеспечивающем стабильно качественное соединение безопасных видов структурной неоднородности в виде оплавов, непроваров и кристаллизационных дефектов (рис. 1, а). В целях изменения структурно-механической неоднородности сверенный взрывом и прокатанный биметалл подвергли отжигу при температуре 750−1000 оС в вакуумной печи с выдержками
0,25−10 часов.
Исследование теплопроводности проводили на приборе «Теплофон» КИТ-02ц с точностью 2−3%. Расчетные значения теплопроводности определялись по правилу аддитивности:
81 +62 +… + 5Я
Л _
^СКМ
А,! Л 2
(!)
где 81, 82, … 81 — толщины слоев композита-1, ^2, ¦¦¦ - коэффициенты теплопроводности
соответствующих слоев.
Измерение электрической проводимости выполнялось на токовихревом измерителе Вихрь А М.
Металлографические исследования выполняли на модульном моторизированном оптическом микроскопе 01ушршВХ-61 с использованием программы Лпа1у818. Испытание на микротвердость по методу невосстановленного отпечатка проводили на приборе ПМТ-3М вдавливанием алмазного индентора в форме четырехгранной пирамиды с квадратным основанием под нагрузкой 0,5Н.
С помощью рентгеноструктурного анализа после послойного стравливания титана и стали изучали фазовый состав и характеристики тонкой структуры КМ после сварки взрывом и термической обработки. Травление стали осуществляли в 10%-м растворе НК03 и С2Н50Н, титана — в реактиве состава 11,2% НБ- 33,3% НК03- 55,5% С2Н50Н. Рентгеновские съемки проводили на дифрактометре ДРОН-3 в излучении медного анода с никелевым фильтром (для исключения р-линий). Для проведения фазового анализа запись дифрактограммы проводилась в интервале углов 2© = 20−130°. Для определения характеристик тонкой структуры записывались отражения (002) и (004) титана и стали
При С В вследствие интенсивной пластической деформации вблизи границы раздела титана со сталью образовалась зона максимального упрочнения (ЗМУ). Кратковременный нагрев под прокатку и последующая пластическая деформация при температурах несколько выше порога рекристаллизации не привели к появлению интерметаллидов, но практически выровняли твердость по сечению титана и стали до 2,7 и 2,5 Гпа соответственно (рис. 2, линия 1). По-видимому, повышенной плотностью дислокаций после полугорячей прокатки объясняются различия в экспериментально определенном значении теплопроводности слоистые металлические композиты (СМК) после СВ и рассчитанном по правилу аддитивности для известного соотношения объемов слоев без учета влияния упрочнения: 24 и 27 Вт/(м К) соответственно.
Подтверждением такого предположения является рост теплопроводности композита до 26 Вт/(м К) (табл. 1) после отжига при 750 оС в течение 0,25 часа, приведшего к перераспределению напряжений 11-го рода, частичной аннигиляции дислокаций в приграничной зоне и, как следствие, снижению твердости до 1,9 и 1,8 ГПа соответственно (рис. 2, линия 2).
Рис. 1. Микроструктура зоны соединения СКМ состава ВТ1−0 + 08кп + ВТ1−0 после ТО при: а — 950 °C, 1ч (х100) — б — 1000 °C, 1ч (х100) — в — 1000 °C, 10ч (х100)
Таблица 1
Теплопроводность композита титан ВТ1−0+сталь 20 и его составляющих
Режимы отжига Толщина слоя, мкм Теплопроводность, Вт/(м К)
ВТ1−0 Сталь 20 Диффузионные прослойки ВТ1−0 Сталь 20 СКМ Диффузионные прослойки
750 оС, 0,25 ч 5430 4350 — 26 —
950 оС, 4 часа 5250 4550 180 16 53 22,5 9,5
1000 оС, 10 часов 500 4220 290 20 5
Н, ГПа
Н, мкм
И2 = 1,29 -101 —
185 871
ЯТ
т- 10,3ехр
36 161
ЯТ
Расстояние от границы соединения, мкм
Рис. 2. Распределение микротвердости в поперечном сечении биметалла ВТ 1−0 + сталь 20:
1 — после СВ- 2 — после отжига 750 °C, 0,25 ч- 3 — 950 °C, 4 ч-
4 — 1000 °C, 10 ч
Отжиг исследуемого биметалла при температурах 950 и 1000 оС с выдержкой до 10 часов позволил изменять толщину интерметал-лидной зоны в диапазоне от 27 до 290 мка (рис. 3) — при этом ее твердость после отжига при температуре 950 оС достигала 4,7 Гпа, а при 1000 оС -10 ГПа (рис. 3, линии 3 и 4).
Кинетика роста интерметаллидной прослойки описывается уравнением:
(2)
где И — толщина прослойки, мкм- т — время отжига, с- Т — температура отжига, К- Я = 8,31 Дж/моль -универсальная газовая постоянная.
Анализ микроструктуры слоистых композитов (СКМ) показал, что после термообработки при 950 °C в течение 1 ч на границе соединения титана со сталью образуется диффузионная прослойка со структурой, резко отличающейся от структуры исходных металлов (рис. 1, а). При нагреве до 1000 °C в течение 1ч основные
т, ч
Рис. 3. Зависимость толщины диффузионной прослойки в биметалле сталь 20 + ВТ 1−0 от времени отжига:
1 — 950 оС, 2 — 1000 оС
превращения происходят в слое титана (рис. 1, б). Диффузионная прослойка имеет сложную структуру и состоит из нескольких слоев. Микротвердость титановых слоев составила 2,1−3,0 ГПа, стального — 1,3−2,0 ГПа, а диффузионных прослоек — 4,0−4,5 ГПа.
Увеличение времени нагрева до 10 ч при температуре 1000 °C привело к образованию в титановых слоях сплошной диффузионной прослойки твердостью 5,8−7,9 ГПа. Максимальная микротвердость наблюдалась в околошовных зонах (ОШЗ) вблизи границы раздела металлов. Характерной особенностью структуры ОШЗ со стороны титана является формирование диффузионной прослойки геометрически неоднородной формы с периодически повторяющимися с шагом 220−240 мкм клиновидными интерме-таллидными зонами («стоками диффузии») тол-
щиной 10−20 мкм, ориентированными по нормали к границе титано-стального соединения (рис. 1, в).
В табл. 2 приведены обобщенные данные фазового анализа по сечению диффузионных прослоек между ВТ1−0 и 08кп после термической обработки (ТО) при различных режимах, из которой видно, что фазовый состав меняется по мере приближения к границе раздела: уменьшается доля фазы титана и одновременно с этим растет количество фазы Бе2Ті, а в зоне соединения появляются фазы БеТі и ТіС.
Таблица 2
Фазовый состав диффузионной прослойки по толщине при различных режимах термообработки
Расстояние от границы раздела, мм Режим термической термообработки После сварки взрывом
950 °C, 1 ч 1000 °C, 1 ч 1000 °C, 10 ч
0,9 Ті Ті Ті Ті
0,8 & gt->- Ті+Бе2Ті Ті+Бе2Ті & gt->-
0,7 & gt->- & gt->- & gt->- & gt->-
0,6 Ті+Бе2Ті & gt->- & gt->- & gt->-
0,5 & gt->- & gt->- & gt->- & gt->-
0,4 & gt->- & gt->- & gt->- & gt->-
0,3 & gt->- & gt->- & gt->- & gt->-
0,2 & gt->- & gt->- & gt->- & gt->-
0,1 Ті+Бе2Ті Ее2Ті+Ті+БеТі Ее2Ті+Ті+БеТі & gt->-
0,0 — Ее2Ті+БеТі+ +ТіС+Бе Ее2Ті+БеТі+ +ТіС+Бе & gt->-
от свойств основных металлов, что обусловило целесообразность расчета ее теплопроводности по формуле
ДП = 8 8^Д 8, (3)
Г’ТГК/Г П '--'-Г1-т^ттт оп
Фазовый анализ образцов после термообработки при 1000 °C в течение 10час показал по всему сечению прослойки наличие приблизительно в равном соотношении двух фаз Бе2Т1 и БеТ1,.
Образование после отжига при 950 оС в течение 4 ч интерметаллидной прослойки толщиной 100 мкм, объемная доля которой не превышала 1%, вызвало снижение теплопроводности до 22,5 Вт/(м К). Рост доли прослойки до 2,5% после отжига при 1000 оС 10 часов привел к снижению теплопроводности на 25−26% по сравнению с расчетной до 20 Вт/(м К) (табл. 1). Анализ исследованной после высокотемпературных нагревов титано-стальной композиции позволяет рассматривать ее в качестве трехслойной структурно и механически неоднородной системы, включающей помимо титана ВТ 1−0 и стали 20 промежуточную диффузионную интерметаллидную прослойку с резко отличающимися физико-механическими свойствами
^ СКМ ^Вт1−0 ^ Сталь 20
где: 8дП — толщина диффузионной прослойки- 8сКМ — толщина СКМ- 8сталь 20, 8вТ1−0 — толщины стали 20 и титана ВТ 1−0 без учета толщины ЗМУ или диффузионной прослойки-СКМ, ^Сталь 20,Вц-0 — экспериментальные значения коэффициентов теплопроводности СКМ, стали 20 и титана ВТ1−0 соответственно.
Расчетное значение теплопроводности образовавшихся при 950 и 1000 оС интерметал-лидных прослоек составило 9,5 и 5 Вт/(мК), соответственно (табл. 1).
Таким образом, расширить диапазон изменения свойств материала можно при использовании многослойных титано-стальных СМК с большим числом границ раздела, увеличив объемную долю интерметаллидных прослоек.
Поскольку тепло- и электропроводность металлов связаны определенной зависимостью, то было сделано предположение, что электрофизические свойства интерметаллидных прослоек так же значительно отличаются от свойств основных слоев — титана и стали. Чтобы проверить это предположение были проведены исследования электропроводности биметалла титан-сталь в состоянии после отжига в течение 10 часов при 1000 оС. Измерения проводились со стороны титана с последовательным приближением к границе соединения за счет послойного удаления слоя ВТ 1−0, таким образом, интерметаллидная прослойка последовательно вовлекалась в зону действия высокочастотного магнитного поля.
Рис. 4. Изменение величины удельной электрической проводимости в титановом слое в зависимости от расстояния от границы раздела в титано-стальном КМ после СВ (1) и ТО (1000 °С, 10 часов) (2, 3), где измерения проводились в направлении:
1, 2 — к границе и 3 — от границы раздела
Результаты измерения (рис. 4) показали, что влияние ЗМУ на электропроводность композита начинает сказываться на удалении 0,45 мм от границы соединения, по мере приближения к которой происходит последовательное снижение удельной проводимости с 1,9 до 0,6 МСм/м. Присутствие интерметаллидной прослойки вызывает такое же снижение проводимости, однако начинается оно на удалении 1,2 мм от границы соединения. Таким образом, структурная неоднородность, вызывающая значительное падение теплопроводности СИК титан-сталь аналогичным образом влияет и на удельную электропроводность.
Выводы
1. При высокотемпературной обработке СКМ системы титан-железо на границах соединения образуется диффузионная прослойка, фазовый состав которой изменяется в зависимости от режимов термообработки.
2. Основную долю в диффузионной прослойке составляет фаза Бе2Т1, а в тонких слоях, прилегающих к границе раздела металлов, обнаружены в небольшом количестве фазы ТЮ и БеТ1.
3. Изменение при термической обработке эффективной тепло и электропроводности слоистых композиционных материалов, полученных сваркой взрывом с последующей прокат-
кой, связано с их структурно-механической неоднородностью (повышенной плотностью дислокаций, появлением диффузионных интерметаллидных прослоек) и может быть рассчитано по закону аддитивности.
4. Диффузионные интерметаллидные прослойки в титано-стальном композите обладают коэффициентом теплопроводности в 2,7 и 8,0 раз меньшим, чем титан ВТ 1−0 и сталь 20 соответственно.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Казак, Н. Н. Влияние нагрева на прочность биметалла титан-сталь / Н. Н. Казак, В. С. Седых, Ю. П. Трыков // Материалы научной конференции. — Волгоград: ВПИ, 1965. — Т. 1. — С. 7−11.
2. Трыков, Ю. П. Композиционные переходники / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, Д. В. Проничев- ВолгГТУ. — Волгоград, 2007. — 329 с.
3. Гульбин, В. Н. Создание жаропрочного композиционного материала системы титан-железо / В. Н. Гульбин, Ю. П. Трыков, А. П. Ярошенко, А. И. Еловенко // Вопросы атомной науки и техники. — М.: Минатомэнергопром, 1991. — С. 12−14.
4. Корнилов, И. И. Металлиды — материалы с уникальными свойствами / И. И. Корнилов // Вестник А Н СССР. -1970. — № 12. — С. 30−33.
5. Трыков, Ю. П. Диффузия в слоистых композитах / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, В. Н. Арисова- ВолгГТУ. -Волгоград, 2006. — 403 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой