Влияние РЗ металлов на межфазное взаимодействие в титан-алюминий-борных композициях тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ХИМИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

На правах рукописи

ЗВЕРЕВ ОЛЕГ МИХАИЛОВИЧ

ВЛИЯНИЕ РЗ МЕТАЛЛОВ НА МЕЖФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕИСТВИЕ В ТИТАН-АЛЮМИНШ-БОРНЫХ КОМПОЗИЦИЯХ

02.00.01 - неорганическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1994 г.

Работа выполнена в лаборатории физической химии композициош материалов Института химии твердого тела Уральского отделения FAI

Научный руководитель: доктор химических наук,

СУХМАН А.Л.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

ЛВДАГОВСКШ A.B.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

Ведущая организация: Челябинский государственный политех!

Защита состоится " " 199^ года в ^ час

на заседании специализированного совета Д-002.04.01 в Инстит^ химии твердого тела Уральского отделения РАН по адресу: 62021 г. Екатеринбург, ГСП-145, ул. Первомайская, 91, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральскс отделения РАН.

К0Н0НЕНК0 В.И.

кандидат химических наук ЧЕНЦОВ В.П.

ческий институт.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

Штин А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_работы. Титан благодаря высоким эксплуатационным свойствам в последнее время становится одним из важнейших конструкционных материалов в аэрокосмической технике.

Наиболее эффективным и перспективным способом дальнейшего повышения прочности и особенно жесткости является упрочнение титана бысокомодульными волокнами.

Высокие прочностные характеристики композиции определяются как механическими характеристиками компонент, так и состоянием поверхности раздела. Из-за высокой реакционной способности титановой матрицы важнейшей задачей является управление процессами химического взаимодействия на поверхностях раздела с целью минимизации разупрочнения армирующих волокон. В данной работе это достигается введением третьей фазы (алюминия), которая в процессе формирования находится в жидком состоянии, а также легированием материала жидкофазной прослойки (ЖФП) небольшими добавками легких редкоземельных металлов (РЗМ). Легирование РЗ металлами, особенно небольшими количествами, эффективно влияет на поверхностные свойства алюминия и его сплавов, структуру и свойства межфазных поверхностей.

В связи с этим установление влияния небольших добавок РЗМ в материал ЖФП на его поверхностные свойства, на течение физико-химических процессов на поверхностях раздела и, как следствие, на конечные эксплуатационные свойство материала является актуальнейшей задачей при создании титановых композитов, а также изделий из них.

Работа выполнена на основании государственной научно-технической программы "Перспективные материалы" по направлениям "Композиционные материалы" и "Исследование природы химической связи и механизма протекают межфазных процессов в системах образованных элементами I-VI групп и F3M на границах с твердым телом, жидкостью и газом, с целью синтеза новых функциональных материалов". Государственный регистрационный номер 0192 ООО 4102.

Ш^ь_работы. Целью работы являлось проведение комплекса физико-химических исследований на межфазных границах композиции Ti-Al-Б для оптимизации адгезионного взаимодействия за счет легирования алюминиевых сплавов малыми добавками РЗМ, что позволит разработать технологию изготовления КМ и натурных изделий из них.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние небольших ( до 12 вес.Ж ) добавок таких РЗ металлов, как Бс, У, Ьа, Се и мишметалла на поверхностное натяжение алюминиевых сплавов АМгб и Д16;

- исследовать влияние добавок Бс, У, Ьа, Се и мишметалла в алюминий А85 и сплавы АМгб и Д16 на смачивание и растекание по титановым сплавам ( в основном по сплаву ВТ6 );

- провести анализ режимов растекания;

- расчитать движущую силу растекания и энергию адгезии в рассматриваемых системах;

- исследовать влияние добавок РЗМ в алюминиевые сплавы на структуру и кинетику роста межфазных зон в композитах;

- на основании проведенных исследований разработать научные основы технологии формирования композиции титан-алюминий-бор;

- для подтверждения выводов физико-химических исследований провести комплексные механические испытания компонент и композиции в целом;

- разработать технологию и сформировать натурную деталь компрессора авиационного двигателя.

Научная_новизна. Впервые проведен комплекс научно-исследовательских работ по изучению влияния легирования серийных конструкционных алюминиевых сплавов АМгб и Д16 небольшими добавками Бс, У, Ьа, Се и цериевого мишметалла на поверхностное натяжение данных сплавов и их растекание по титановым матрицам. Показано, что легирование РЗ металлами позволяет активно влиять на адгезионные характеристики в системе титан-алюминий-борное волокно, наиболее эффективны небольшие , до 2 вес.% добавки. Впервые исследовано влияние вышеназванных РЗМ на скорость роста пограничных фаз, их структуру и механические характеристики. Разработаны принципы оптимального формирования композиционных материалов системы титан- алюминий-волокно методом жидкофазной прослойки с использованием РЗМ.

Практическая_ценность. Разработан новый метод формирования титановых композиционных материалов - метод жидкофазной прослойки, который позволяет значительно уменьшить разупрочнение армирующей фазы и более чем на порядок снизить давление прессования. Это в свою очередь на том же прессовом оборудовании позволяет изготавливать из композиционных материалов на основе титана детали значительно больших размеров.

Установленные закономерности влияния небольших добавок РЗМ позволяют прогнозировать состояние поверхностей раздела в исследуемой

композиции и положены в основу технологии изготовления титановых волокнистых композиционных материалов.

Разработан принципиально новый способ изготовления полуфабрикатов из волокнистых композиционных материалов, отличающийся тем, что намотку волокон и формирование пакета ведут непосредственно на части разъемных прессформ.

Создана программа ЭВМ для расчета формы монослоев изделий сложной кофигуращш.

Разработан технологический процесс формирования ■ лопатки компрессора турбореактивного авиационного двигателя из титанового армированного композита методом жидкофазной прослойки включающий приготовление материала жидкофазной прослойки, изготовление намоткой волокнистого полуфабриката, его раскрой, сборку пакета и непосредственно формирование лопатки на установке горячего прессования.

Результаты исследований поверхностных свойств и кинетики межфазного взаимодействия могут также использоваться при пайке титана припоями на основе алюминия.

Нэ^шдат£^ыносятся_сле

1. Результаты исследования влияния добавок Бс, У, Ьа, Се и цэ-риевого мишметалла на поверхностное натяжение сплавов алюминия АМгб и Д16. Показано, что Бс и У несколько повышают, а Ьа, Се и мишметалл значительно снижают поверхностное натяжение данных расплавов. Наибольшее влияние оказывает мишметалл.

2. Экспериментальные данные, показывающие, что растекание алюминиевых расплавов по титану определяется наличием на последнем оксидной пленки. Вводимые в алюминий А85 и сплавы АМгб и Д16 такие РЗМ как У, Ьа, Се и мишметалл способствуют ликвидации оксида на титане, чем улучшают смачивание и ускоряют процессы растекания. В начале контактного взаимодействия растекание осуществляется в кинетическом режиме, с увеличением концентрации РЗМ происходит все более быстрый переход в режим транспортного сопротивления.

3. Расчитанные значения работы адгезии и движущей силы растекания, позволявшие выделить оптимальную концентрацию РЗМ в алюминиевых сплавах - 0.5-2 вес.%

4. Результаты исследования структуры, состава и закономерностей фэзообразования в титан-алюминиевых композициях и влияние на механизм фазообразования добавок РЗМ. Малые добавки У, Ьа, Се и мишметалла приводят к нарушению сплошности реакционной зоны.

5. Способ изготовления титанового волокнистого композита

- б -

методом ЖФП с использованием сплавов алюминия легированных РЗМ.

^про^эция-работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: конференции по формированию поверхности и межфазным взаимодействиям в композитах, Ижевск, 1989 гг.; Межреспубликанской научно-технической конференции по свойствам порошковых композиционных материалов и покрытий, технологии их получения с применением импульсных нагрузок и обработки давлением, Волгоград, 1989 г.; XVI Всесоюзной научно-технической конференции по порошковой металлургии, Свердловск, 1989 г.; Международной конференции по химии твердого тела, Одесса, 1990 г.; Международной конференции по композитам, Москва, 1990 г.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 14 работах, включая 3 авторских свидетельства на изобретение.

Структура_и_объем_работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографии. В приложении приведены некоторые первичные экспериментальные данные, программа расчета раскроя монослоев, материалы свидетельствующие о практическом использовании результатов работы.

Работа содержит 238 страниц машинописного текста, включая 62 рисунка, 14 таблиц и библиографию из 167 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

§2_§§§В§нии обосновывается научная и практическая актуальность проведения исследований поверхностных явлений в титановых композиционных материалах: определение поверхностного натяжения серийных алюминиевых сплавов, смачивание и контактное взаимодействие данных расплавов с титановыми матрицами и влияние на вышеназванные процессы небольших добавок РЗ металлов в сплавы алюминия. Сформулированы основные задачи, которы должны быть решены в диссертации и осноные положения выносимые на защиту.

§_П§рвой_главе рассматриваются структура и свойства титановых композиционных материалов армированных высокомодулышми волокнами, технологические приемы и методы их получения. Показпно, что композиции на основе титана являются перспективными при использовании их в аэрокосмической технике и двигателестроении.

Анализ литературных данных показывает, что основная проблема при создании титановой композиции - высокая реакционная способность

матрицы по отношению к армирующей фазе, что приводит к разупрочнению волокна и композита в целом.

Для предотвращения химического взаимодействия волокна и матрицы нами был применен метод жидкофазной прослойки ( ЗКФП ). Идея метода состоит б использовании третьей фазы, которая во время формирования находится в жидком состоянии и разделяет волокно и титановую матрицу, о при охлаждении затвердевает и служит для механической связи ингредиентов. Жидкофазная прослойка не должна уменьшать прочностные характеристики волокон, поэтому в ее качестве были использованы сплавы алюминия, так как в композициях ялюминий-высокомодулыгые волокна проблема химической совместимости практически решена.

Но в композиции титан-алюминий-бор появляется новая поверхность раздела титан-алюминий. Межфазным взаимодействием на данной поверхности можно управлять как с помощью изменения температурно-времен-ных параметров формирования, так и с помощью легирования алюминия. Небольшие добавки редкоземельных металлов могут значительно влиять на поверхностные свойства алюминия, его контактное взаимодействие и адгезионные, характеристики с титановой подложкой. Одноко будет ли это справедливо для высокопрочных серийных сплавов алюминия?

Другая проблема - на поверхности Т1-А1 нельзя допустить избыточного ( выше критического ) образования интерметаллида. Поэтому к РЗ металлам большой интерес как к модифицирующим добавкам.

На основании литобзора сформулированы цели и задачи исследования. В качестве обекта исследования выбраны волокнистые композиционные материалы с титановой матрицей, а в качестве их ингредиентов фольговые титановые сплавы, волокна бора, алюминий А85 и алюминиевые сплавы АМгб и Д16 с небольшими ( до 12 вес.55 ) добавками легких РЗ металлов Бс, У, Ьа, Се и цориевого мишметалла.

Поставлена задача разработать технологию формирования титановых волокнистых композиционных материалов ( ВКМ ) методом жидкофазной прослойки. Для этого необходимо определить влияние легирования используемых алюминиевых сплавов легкими РЗМ на поверхностное натяжение и растекание данных сплавов по титановой матрице. Используя полученные экспериментальные данные расчитать движущую силу растекания, энергию адгезии и на основании этого выделить наиболее эффективные РЗМ и их предпочтительные концентрации в алюминиевых сплавах. Структурные исследования должны подтвердить данный выбор, по возможности объяснить поверхностные исследования, а также определить температурно-временные пределы формирования композиционных

материалов. Завершающим этапом проведенных исследований должны стать механические испытания образцов и изготовление из разработанного материала натурных деталей.

?торая_глава посвящена изучению влияния легирования РЗ металлами на поверхностные свойства технических сплавов алюминия, их растекания по титановым сплавам и определению адгезионных свойств.

В начале главы даны характеристики исходных материалов, приведены методики проведения экспериментов. В качестве основы жидкофазной прослойки использовался алюминий А85 и сплавы АМгб и Д16, в качестве легирующих добавок - Бс, У, Ьа, Се и цериевый мишметалл. С целью избавления исходных РЗМ и мишметалла от летучих примесей их подвергали трехкратному вакуумному переплаву с последующей механической очисткой. Сплавы алюминия для исследований готовились стандартной электропечи марки СНВЭ-1.3,1/16 ИЗ.

При определении поверхностного натяжения в настоящей работе было отдано предпочтение методу "большой" капли, в связи с простотой его осуществления, надежностью герметизации рабочего пространства печи и возможностью получать при каждой температуре в одном опыте одновременно значения плотности и поверхностного натяжения. Для сплавов алюминия использовали подложки из химически чистой окиси алюминия. Температурные пределы определения плотности и поверхностного натяжения для всех сплавов изучаемых систем составили от 690 до 1020°С. Концентрация РЗМ в сплавах алюминия изменялась от 0.5 до 12 вес.%.

Исследование растекания проводилось на подложках ВТ6, ВТ1-0 и ВТ6 методом "лежащей" капли с раздельным нагревом подложки и расплава, последний при температуре эксперимента, с целью очистки от окислов, выдавливался из графитового тигля через капилляр диаметром 0.5 мм.

Политермы плотности и поверхностного натяжения всех изучаемых сплавов линейны, температурные коэффициенты отрицательны. В связи с тем, что в последующем наибольшая температура формирования композита не превышала 680°С, то экспериментальные результаты по плотности и поверхностному натяжению были экстраполированы на данную температуру.

Увеличение количества РЗМ в сплавах АМгб и Д16 ведет к росту плотности расплавов. Наиболее сильно увеличивает плотность церий -двенадцатипроцентная добавка в сплав АМгв на 13.7 в сплав Д16 на

18.5 %. Далее по уменьшению влияния двенадцатипроцентной добавки на плотность исследуемые РЗМ выстраиваются в ряд: Мм, Ьа, У, Бс. Собственная плотность РЗМ подчиняется той же закономерности.

Графики зависимости поверхностного натяжения сплавов АМгб и Д16 от концентрации РЗМ при температуре 680°С представлены на рис.1 и 2. Скандий и иттрий очень незначительно повышают поверхностное натяжение расплавов, а лантан и церий снижают его, причем церий в большей мере, чем лантан. Основу мишметалла составляют Се и Ьа, поэтому степень влияния добавок мишметалла на плотность расплавов оказалась средней между степенями влияния Се и Ьа. Что касается поверхностного натяжения, то влияние на его величину добавок мишметалла значительно превосходит влияние добавок Се и Ьа, что говорит о том, что их комбинированное действие более существенно, чем действие каждого металла в отдельности.

С увеличением концентрации поверхностноактивных Ьа, Се и Мм поверхностное натяжение снижается, но наиболее эффективны первые добавки до 2-3 вес.%.

Процесс смачивания является по сути моделью того, что происходит в реальном композите при его формировании, поэтому условия экспериментов (скорость нагрева до температуры эксперимента, степень вакуума) были максимально приближены к условиям формирования композита. Время основной части экспериментов было ограни-

Рис.1. Зависимость поверхностного натяжения а сплава АМгб от концентрации РЗМ. Т = 680°С.

820

а,— ■ м

800 790 780

Рис.2. Зависимость поверхностного натяжения о сплава Д16 от концентрации РЗМ. Т = 680°С.

о.

880 мН

м

860

850 840

ЧУ

--—_Ьа

-----Се

I I 1 ——----ми ( 1 1

ю С,вес.56 14

100 9.град. 80

Рис.3. Кинетическая то зависимость краевого 60 угла 6 сплавов сис- 50 темы Д16+У на ВТ6. до зо

чено 15 минутами, т.к. в дальнейшем контактный угол практически не менялся. Мы считаем эти углы квазиравновесными. Типичный график кинетической зависимости краевого угла 9 от концентрации РЗМ показан на рис.3.

Общим и главным для всех систем является то, что иттрий, лантан, церий и цериевый мишметалл при введении в материал КФП увеличивают■скорость его растекания по титановым подложкам.-

Эвтектическая добавка скандия (0.6 вес.%) ухудшает смачивание, поэтому более подробное изучение сжлим гллавы алюминия + Бс не проводилось.

На рис.4 (а,б,в) показаны зависимости величин контактных углов через 15 мин. после начала эксперимента, от концентрации РЗМ. Через 15 мин. углы практически не изменяются, поэтому можно считать их квазиравновесными. Если сравнить исходные сплавы алюминия, то наименьший квазиравновесный угол смачивания 0 наблюдается у технического алюминия. Легирование алюминия магнием (сплав АМгб) или медью и магнием (сплав Д16) приводит к повышению контактных углов и у сплава Д16 угол 6 всего на 2° меньше прямого.

Легирование алюминия и его сплавов такими РЗМ, как Y, Ьа, Се и Мм приводит к значительному снижению контактного угла (рис.4). Наиболее эффективны добавки до 2 вес.Ж, наибольшее влияние оказывает мишметалл. Причем необходимо отметить, что эффективность первых добавок у иттрия проявляется менее ярко, чем у остальных РЗМ.

В общем случае на растекающуюся каплю действют силы сосредоточенные внутри объема (сила вязкости, сила инерции) и силы у периметра растекания. В зависимости от того , какими силами определяется процесс, различают динамический, вязкий и инерционный режимы. Попелем С.И. и Павловым В.В. было предложено уравнение для

Рис.4. Зависимости величины контактных углов 9 сплавов от концентрации РЗМ при 680°Счерез 15 мин.:а - А85+РЗМ; б- АМг6+РЗМ;в - Д16+РЗМ

8 10 С,вес.56 14

определения доли кинетического сопротивления растеканию

Соз 9 - Соз 9

Нкин + нтр

соз е - соз е

где, во - квазиравновесный угол, 9 - действительный угол в данный момент времени, 8) - вычисленный для равновесных условий. Изменение во времени доли кинетического сопротивления для системы Д16+Мм показано на рис.5. Чем выше процентное содержание РЗМ, тем быстрее и более резко происходит переход из кинетического режима

сопротивления в транспортный.

Контактные системы твердое тело - жидкость принято делить на равновесные, т.е. такие, где химические потенциалы компонентов б твердой и жидкой фазах (цт и цж) равны, и неравновесные системы, где это равенство не имеет место. Рассматриваемые нами системы титан - алюминий+РЗМ являются неравновесными. После создания контактной поверхности в данных системах происходят химические превращения ведущие к выравниванию химических потенциалов. Для сил действующих на краю капли справедливо следующее соотношение:

х, - - - „-Coa 9 - Р. - F = F„„ , (1 !

т-г т-ж ж-г i V дв.

где Fv - сила вязкости, Fj^ - сила инерции, F^ - движущая сила растекания. Считая, что силы сопротивления (вязкости и инерции) пренебрежимо малы, и допуская, что уравнение Юнга справедливо для медленного растекания выражение (1) можно записать через экспериментально определяемые величины:

Т№.= °ж-г-(С03 еР " 003 ед>' (2)

где вр - квазиравновесный краевой угол смачивания, 9Д - динамический (в данный момент времени). Эта формула справедлива только для кинетического режима, признаком которого принимается сферичность капли. По формуле (2) для всех исследуемых систем была расчитана движущая сила растекания. Типичные графики концентрационной зависимости движущей силы растекания при различных временах контакта при 680°С показаны на рис.6.

Когда движущая сила растекания стремится к нулю и силы F1 и Fv малы из (1) получаем уравнение Юнга для равновесных условий:

о - о - о •Coa в 0. (3)

т-г т-ж ж-г 4 '

Т.е., когда контактный угол практически не меняется, мы вправе расчитать работу адгезии по формуле:

500 иН

Рис.6. Зависимость дви- Рд.5^ жущей силы растекания от концентрации Ьа в сплавах с основой АМгб при различных временах контакта при 680°С

"а = °ж-г(1 + 003 9)

10 С,вес.5Ь 14 (4)

Графики зависимости работы адгезии, вычисленной по формуле (4), от концентрации РЗМ в сплавах алюминия после 16 минут контакта фаз представлены на рис.7.

1700

А' И

1500

1 400

1600

я мН

Рис.7. Зависимость 1 400

величины работы 1300

адгезии сплавов

с основами А85 (а). 1200

АМгб (б) и Д16 (в) 1100

от концентрации 1700

в них РЗМ. ш мН

1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

Ъа

Р/^ (\85*РЗН I ■ 1 1 1 1

се

ДПгб+РЗП

-I__I_I-

ю С,вес.» 14

Наиболее эффективно влияют на изменение величины работы адгезии добавки РЗМ до 2 вес.Наибольшее вличние оказывает мишузталл.

На основании экспериментов и расчетов представленных во второй главе можно сделать вывод, что легирование алюминия и его сплавов АМгб и Д1в такими ГЗМ, как V, 1а, Се и мишметалл, положительно сказывается на адгезионных характеристиках данных сплавов по отношению к титановым подложкам. м.жю выбрать предпочтительную степень легирования материала жидкофазной прослойки - от 0.5 до 2 вес.8. Наибольшее влияние адгезионные свойства оказывает мишметалл.

Третья глава посвящена изучению структуры и состава композиционных материалов систем титан - алюминий-! РРИ - борное волокно методами оптической и растровой электронной микроскопии, микро-рентгеноепектрзльного анализа. Данные исследования должны были объяснить х^д процессов растекания и подтвердить выбор оптимального легирования для материала ЖФП.

Схематическое изображение структуры поперечного сечечия композиции системы титан-алюминий-бор показано на рис.8. В данной композиции можно выделить три границы раздела: поверхность алюминий -волокно (а); поверхность касания волокна титановой матрицы (титан -волокно) (б) и поверхность титан - алюминий (в). Данные поверхности были исследованы методами микрорентгеноспектрального анализа. Кривые распределения относительных интенсивностей излучений алюминия и титана на указанных поверхностях показаны на рис.9 (а, б, в). Взаимодействие волокна с алюминием не обнаруживается (отсутствует видимая горизонтальная площадка соотве.ствуюшая какому-либо соединению, например А1В ), что подтверждается результатами растровой электронной микроскопии. Это не означает полного отсутствия химического взаимодействия армирующей фазы с жидкофазной прослойкой, но говорит о его незначительности. Эти выводы подтверждаются прочностными испытаниями исходных и извлеченных волокон, которые показали, что при щадящей технологии (минимальное давление) волокна

Рис.8. Схема структуры композиции титан - ЖФП -- волокно.

Т1

а1

В

сохраняют до 91 % исходной прочности.

Образец, подвергнутый микрорентгеноспектральному анализу, формировался при давлении 35.5 МПа, это привело к. значительной деформации фольги. Толщина реакционной зоны неравномерна - она тоньше на границе касания волокна с титановой матрицей и составляет порядка 8 мкм. На кривых распределения интенсивности излучения титана и алюминия видны ярко выраженные горизонтальные площадки (рис.Э.(б)), волокно отделено от титана интерметаллидной прослойкой, и судя по процентному соотношению элементов это Т3 Л1 . На границе Т1-А1 (линия (3 на рис.8)где фольга деформирована, на кривых интенсивностей имеются "максимумы" и "минимумы"(рис.9.(в)). Причем максимум! на кривой интенсивности излучения титана соответствуют минимумам на кривой интенсивности алюминия. Это говорит о неоднородности межфазной зоны и наличии в ней нескольких типов химических соединений системы Т1-А1.

Для того чтобы избежать влияния давления на процесс фазообразо-вания, были изготовлены модельные образцы при почти нулевом давлении прессования. На -них методами растровой электронной микроскопии

определилось влияние легирования на межфазное взаимодействие в системе титан-алюминий.

Легирование материала титановой матрицы не оказывает заметного влияния на взаимодействие в системе титан-алюминий - толщины и структуры реакционных зон у сплавов ВТ 1-0, ВТ6, ВТ 15 и ВТ23 практически не отличаются. Это же можно сказать и о добавках в алюминий магния (сплав АМгб) и меди и магния (сплав Д16).

Добавки от 0.2 до 0.6 вес.% Бс такжэ не влияют на структуру поверхностей раздела и интенсивность химического взаимодействия.

Иное влияние остальных РЗМ. Первые небольшие (0.5 вес.Х) добавки У, Ьа, Се и мишметалла коренным образом изменяют структуру переходных зон. Если у чистых исходных сплавов алюминия мы имели зоны плотные у титановой матрицы, с последующим некоторым разрыхлением в сторону жидкофазной прослойки, а с увеличением времени взаимодействия данная зона росла, оставаясь плотной и монолитной, то введение вышеназванных РЗМ приводит к нарушению сплошности реакционных зон. Видимо, благодаря повышенной концентрации РЗМ (которые с титаном химических соединений не образуют) в поверхностном слое расплава, образование иитерметЕЛлида в этом случае происходит уже не на граница титановая матриц.'; - расплав, а в самом расплаве, вблизи с титановой матрицей. Причем интерметаллид образуется не сплошным, а в виде отдельных дисперсных включений. Увеличение концентрации У, Ьа, Се и Мм приводит к интенсификации процессов фазообразования.

Проведенные структурные исследования позволяют утверждать, что причиной ускорения процессов растекания при легировании сплавов алюминия РЗ металлами является изменение механизма фазообразования. Кроме того этому способствуйт и высокое сродство РЗМ к кислороду, образующему на титане оксидную пленку.

Материалы третьей главы подтверждают оптимальный выбор РЗМ и их концентрации в алюминиевых сплавах.

Четвертая_глава посвящена непосредственно отработке технологии изготовления композитов и их комплексным механическим испытаниям.

В начале главы дается сравнительный анализ существующих способов решения проблемы совместимости. Показано,что легирование титановой матрицы ограничено номенкулатурой технических Фольгоеых сплавов, барьерные покрытия на волокнах бора не эффективны для снижения его химического взаимодействия с матрицей. Низкотемпературный и высокоскоростной методы требуют высоких давлений прессования.

Таблица 1

Материал ЖФП АМгб АМГ6+2ЙУ АМГ6-»2ИЛ АМгб+2%Се АМгб.

Прочн., МПа 760 798 822 825 331

Использование карбидокремниевых волокон не позволяет снизить удельный Бес композиции. Поэтому в данной работе с целью минимизации разупрочнения волокна использовался метод кидкофазной прослойки, который также позволяет значительно снизить давление прессования.

Предложен способ формирования полуфабрикатов фольговых волокнистых композитов. Суть изобретения заключается в том, что укладка волокон осуществляется не на промежуточные оправки, а непосредственно на пре ¿-формы, расположенные но периметру приемного барабана.

Методом ЖФП изготовлены образцы композита. Определение механических характеристик материала проводилось по стандартным методикам. Механические испытания алюминиевых сплавов показали, что только небольшие (до 2 вес.%) добавки РЗМ положительно сказываются на прочности материала ЖФП. Дальнейшее увеличение концентрации РЗМ в сплавах с основой АМгб и Д16 приводит к падению их прочности.

В таблице 1 приведены значения прочности на растяжение композиций сформированных по одинаковым режимам, но с добавками 2 вес.% различных РЗМ в сплав ЛМгб и с исходным сплавом АМгб. Содержание материала ЖФП составляло везде примерно 4 об.%.

Можно однозначно сказать, что введение РЗМ в материал ЖФП приводит к заметному повышению прочности на растяжение вдоль волокон композиционного материала титан-алюминий-бор. Причем, Ьа, Се и Мм оказывают большее влияние. Лучшим по своему действию оказался миш-металл, но разница прочностных характеристик у систем с Ьа, Се и Мм невелика, поэтому с большой достоверностью можно утверждать только то, что цериевый мишметалл не хуке. Однако учитывая то, что мишме-талл, состоящий в основном из церия и лантана, значительно дешевле тех же церия и лантана, делает композиционные материалы с ЖФП легированной мишметаллом более перспективными.

Основное преимущество титановых композитов перед алюминиевыми -меньшая степень анизотропии механических свойств. Для проверки того, сохраняется ли данное преимущество с введением в композит алюминиевой прослойки, были проведены прочностные испытания при

Рис.10.Зависимость предела прочности материалов от направления приложения нагрузки: 1. ВКА-1 (50 об Л В); 2. ВТ15 - 8 об.% имгб42 вес.») - В/Б1С; 3. ВТ1-0 - 4 обЛ(Шг6+2 ввс.% Мм) - ВГЛС; 4. ВТ1-0 - 8 об Л (АМгб+2 вес.% Мм) - В/Б1С; 5. ВТ1-0 - 4 об.% АМгв - В/Б1С; 6. ВТ1-0 - 8 об.« АМгб - В/Б1С. *

различных углах нагрукения относительно оси армирования (рис.10).

Композиты полученные методом ЖФП, уступая в продольных прочностных характеристиках, значительно превосходят боралюминиевые б поперечной прочности.

Чем меньше объемная доля жидкофазной прослойки, тем выше прочностные характеристики композита, причем если в продольном направлении это различие незначительно, то с увеличением угла оно возрастает и в поперечном направлении максимально. Это справедливо как для композитов с мишметаллом, так и с чистым АМгб. Кроме того, мишметалл в композите оказывает более сильное положительное влияние также на внеосевую прочность.

Одно из преимуществ метода жидкофазной прослойки заключается и в том, что он позволяет использовать в качестве матриц малопластичные, но высокопрочные титановы сплавы (график 2 на рис.10), что дает возможность получить значительно большую прочность материала.

Титановые композиты изготовленные традиционным горячим прессованием, при всех своих недостатках по сравнению с алюминиевыми, имеют более высокую жаропрочность. Это в первую очередь связано со свойствами материала основы, поэтому вводя в композит алюминиевую прослойку мы рисковали лишиться данного преимущества. На графиках

Рис.9.Зависимость предала прочности композиционных материалов и титановых сплавов от температуры испытания: 1. ВТ1-0 - 4 об.% (АМгб+2 вес.%Мм) - B/S1C; 2. ВТ1-0 - 4 об.55(АМгб+2 вес.% Се) -B/S1C; 3. ВТ1-0 - 4 об.% АМгб - B/SiC; 4. ВТ1-0 - 8 об Л АМгб -B/S1C; 5. ВТ1-0 - 14 об.% АМгб - B/SiC; 6. Титановый сплав ВТ1-0; 7. Титановый сплав ВТ6.

рис.11 приведены данные испытаний различных композиций на продольную прочность при температурах до 500°С в сравнении с БТ1-0 и ВТ6.

Композиционные материалы значительно превосходят по прочности и жаропрочности исходный матричный сплав ВТ1-0. Чем меньше в материале алюминиевого сплава, тем выше прочность композита (сравните графики 3, 4, и 5). Значительно повышается и жаропрочность композитов, система с 4 вес.й АМгб практически не меняет своей прочности до 30Q°C, в то время как ВТ1-0 - 14 об.5 АМгб - B/SiC только до 200°С. Введение редкоземельных металлов в материал ЖФП еще более повышает жаропрочность композиционного материала (графики !, 2) и приближает ее к жаропрочности сплава ВТ6. Если сравнить с матричным сплавом ВТ1-0, то композиты с 4 об.% сплава ЛМгб+2 вес.% F3M при 500°с имеют продольную прочность равную прочности матрицы ггри комнатной температуре.

Таким образом, установлено, что исследуемые композиты значительно превосходят по прочности (720-1100 МПа) и жесткости (170-190 Ша) матричные титановые сплавы. Введение РЗМ заметно повышает прочность (с 720 до 830 МПа, матрица ВТ1-0) и жаропрочность »■а миозита.

одна из перспективных областей применения титановых композитов

- изготовление лопаток компрессора авиационного двигателя, данная деталь имеет сложную форму, поэтому изготовить ее намоткой непосредственно на пресформы невозможно, необходимо набирать полуфабрикат из предварительно раскроенных монослоев. Для раскроя пера на монослои была разработана специальная программа ЭВМ. Из раскроешшх монослоев и алюминиевых фольг набирался пакет полуфабриката и помещался в прессформу. После чего производился режим формирования. Эффективность использования армированных лопаток подтверздона усталостными испытаниями изделий.

Сформулируем основные результаты работы.

1. Инактизнне Бс и У незначительно повышают, а поверхностноак-тивные Ъа, Се и мишметалл значительно снижают поверхностное натяжение алюминиевых сплавов АМгб и Д16, причем наиболее эффективно добавки до 2-3 вес Л.

2. Легирование всеми исследуемыми РЗМ, кроме скандия, увеличивает скорость растекания алюминия и его сплавов по титановым подложкам, что позволяет получить более низкие квазиравновесные углы смачивания.

3. Введение РЗМ в сплавы алюминий значительно увеличивают движущую силу растекания (наиболее эффективны добавки 0.5-1 весЛ) и повышают величину работы адгезии (наиболее эффективны добавки до 2 вес.%).

4. Небольшие (до 2 вес.%) концентрации У, Ьа, Се и Мм коренным образом изменяют структуру поверхностей раздела титан-алюминий. Пограничная зона перестает быть плотной и представляет из себя отдельные мелкодисперсные включения в алюминиевой прослойке.

5. Оптимальная концентрация РЗМ е материале ЖФП - от 0.5 до 2 вес.%. Наиболее эффективен мишметалл.

6. Сформированные по разработанным технологиям композиционные материалы превосходят по прочностным характеристикам матричный материал, особенно по удельным.

7. Добавки РЗМ повышают не только прочность материала, но и его жаропрочность.

8. Разработанная технология позволяет изготавливать композиты при более низких давлениях прессования.

9. По разработанной технологии изготовлена лопатка компрессора авиационного двигателя.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Сухман А.Л., Людаговский A.B., Зверев О.М. Влияние легирования редкоземельными металлами алюминия на его растекание по титану // Конф. по формированию поверхности и межфазным взаимодействиям в композитах, Ижевск, 1989 г.: Тез. оригин. докл.- Ижевск.- Оизико-техн. инст-т УрО АН СССР.- 1989.- С.42.

2. Людаговский A.B., Сухман А.Л., Зверев О.М*. Структура и свойства поверхностей раздела композиции титан-алюминий-бор // Конф. по формированию поверхности и межфазным взаимодействиям в композитах, Ижевск, 1989 г.: Тез. оригин. докл.- Ижевск.- Физико-технический институт УрО АН СССР.- 1989.- С.43.

3. Анциферов В.Н., Зверев О.М., Людаговский A.B., Сухман А.Л. Особенности механического поведения армированных композитов титан-бор, титан-алюминий-бор // Межресп. науч.-техн. кочф. по свойствам порошковых композиционных материалов и покрытий, технологии их получения с применением импульсных нагрузок и обработки давлением, Волгоград, 1989 г.: Тез. оригин. докл.- Волгоград -Политехнический институт.- 1939.- С.88-89.

4. Анциферов В.Н., Людаговский A.B., Горшков А.Л., Зверев О.М. Особенности формирования титановых металлокомпозитов // Тез. науч. сообщ. XVI Всесоюзн. науч.-техн. конф. по порошковой металлургии (Свердловск, 17-19 мая 1989 г.).- Свердловск.- УПИ.- 1989.- Ч.З.-С.24

5. Зверев О.М, Людаговский A.B., Сухман А.Л., Горшков Л.А. Поверхностное взаимодействие в композиционных материалах системы титан-алюминий-бор // Тез. науч. сообщ. XVI Всоюзн. науч.-техн. конф. по порошковой металлургии ( Свердловск, 17-19 мая 1989 г. ).-Свердловск.- УПИ.- 1989.- Ч.З.- С732-33.

6. Зверев О.М., Людаговский A.B., Сухман А.Л., Торокин В.В., Галактионов В.Н. Влияние РЗМ на межфазное взаимодействие в композитах с титановой прослойкой // Тез. науч. сообщ. Международ, конф. по химии твердого тела ( Одесса, 1G-20 окт. 1990 г. ).- Свердловск. - ИХТТ УрО АН СССР.- 1990.- 4.1.- С.98.

7. Людаговский A.B., Сухман А.Л., Зверев О.М., Торокин В.В., Галактионов В.Н. Межфазное взаимодействие в армированных композитах на основе многокомпонентных матриц титана // Тез. науч. сообщ. Международ, конф. по химии твердого тела ( Одесса, 16-20 окт. 1990 Г. ). Свердловск.- ИХТТ УрО АН СССР.- 1990.- Ч.1.- С.163.

8. Людаговский A.B. Сухман А.Л., Зверев О.М., Торокин В.В.,

Галактионов B.K. Межфазное взаимодействие в армированных композитах с многокомпонентными матрицами на основе титана // Тез. науч. собщ. Международ, конф. по композитам ( Москва 14-16 ноября 1990 г. ).-М.- АН СССР.- 1990.-Ч.1.- С.112-113.

9. Зверев О.М., Людаговский A.B., Сухман А.Л., Торокин В.В., Галактионов В.Н. Влияние редкоземельных металлов (РЗМ) на межфазное взаимодействие в композитах с титановой прослойкой // Тез. науч. сообщ. Международ, конф. по композитам ( Москва, 14-16 ноября 1990 г. ).- М.- АН СССР.- 1930. ■ Ч.1.- С.113-114.

10. Людаговский A.B., Сухман А.Л., Зверев О.М., Торокин В.В., Галактионов В.Н. К вопросу использования технических мишметаллов в технологии получения титановых композитов // Тез. науч. собщ. Международ. конф. по композитам ( Москва 14-16 ноября 1990 г. ).-- М.-АН СССР.- 1990.-Ч.1.- С.88-89.

11. A.c. 1Б85363 СССР, МКИ С22С 1/09. Способ изготовления полуфабрикатов из волокнистых композиционных материалов./ A.B. Людаговский, О.М.Зверев, И.М.Зайцев и др. (СССР) - 4 с.

1?.. A.C.. 1646309 (СССР), С22С 1/09. Композиционный материал на основа титпнобой матрицы, армированной волокнами бора / Сухман А.Л., Людаговский A.B., Зверев О.М., Горшков Л.А. (СССР) - 4 с.

13. A.c. 16543Б9, МКИ С22С 1/09. Способ изготовления композиционного материала на основе титана, армированного борными волокнами •/ Анциферов В.Н., Вакутин А.П., Зверев О.М., Людаговский A.B., и др. (СССР). - 4 с.

14. Анциферов В.Н., Галактионов В.Н., Зверев О.М., Людаговский А.В, Сухман А.Л. Структура и свойства композиционного материала титан-алюминий-бор // Современные проблемы физического материаловедения.- Киев.- ИПМ АН .УССР.- 1990.- С.44-49.

Сдано в печать 23.12.93.

Формат 60x84/16. Объем 1,5 ¡т.л.

Тираж 75. Еакоэ Т324.

Ротапринт Пермского государственного технического универс итета