Высокотемпературная прочность материалов TiBa2 — Fe, полученных методом СВС-компактирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 о

национальная академия наук 2 о map 1934 кыргызской республики

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

На правах рукописи

БАИМАН ИЛЬЯ ФИЛИППОВИЧ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ TiB2 — Fe, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СВС-КОМ ПАКТИ РОВАНИЯ

01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Бишкек — 1993

Работа выполнена в Институте физики АН Киргизской Республики.

Научны!? руководитель:

доктор технических наук, член г- корреспондент АН Кыргызской Республики Андриевский P.A.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Тузов Л.В.,

¡кандидат технических наук ; Алехин Е.Г.

Ведущая организация:

Институт Структурной Макрокинетики АН России

Защита состоится 1994г. в час на за-

седании специализированного совета Д 01.93.12 при Институте физики Национальной Академии наук Кыргызской Республики по адресу: 720071, г.Бишкек, пр-т Чуй 265а, Институт физики.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке HAH Кыргызской Республики.

Автореферат разослан "/6 Ъ^гЛ/иЪй&Ъ г. Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук /f) LL Г.А. Десятков

Актуальность теш. Композиционные тугоплавкие материалы на основе боридов титана обладают уникальными свойствами, и находят широкое применение в таких отраслях промышленности, как металлургия, машиностроение, ракетная техника, ядерная энергетика и т.п. Одним из перспективных мэтодов получения таких материалов является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). К основным преимуществам метода CDG относятся малые энергозатраты, высокая производительность, возможность получения крупногабаритных и градиентных материалов.

Создание методом СВС новых материалов требует всеото-ропнего исследования их физико-механических свойств, изучения факторов, влияющих на прочность в условиях высоких температур и силового воздействия. Актуальной задачей также является изучение возможности направленного влияния на структуру и свойства СВС-материалов. Указанные направления исследований были предусмотрены в рамках постановления ГКНТ за N309 от ?Л .08.87 г. по комплексной программе в области СВС, а также программой СЭВ "Порошковая металлургия" за N4.3.1.11.1 на 1986-1990 гг.

Цель работы. Получение и комплексные исследования структуры и физико-механических свойств композиционных СВС-материалов на примере систем Ti-В и Ti-B-Fe . Изучение прочностных характеристик сплавов в широком интервале температур во взаимосвязи с м кроструктурными исследованиями. Исследования закономерностей деформирования и разрушения изучаемых К.01/Л03ИЦИЙ.

Научипя новизна. Показано влияние исходных параметров (дисперсность, морфология, плотность порошков) на структуру и Физико-механические свойства СВС-материалов.

Впервые в широком интервале температур полутени и исследованы характеристики прочности продуктов СВС. Экспериментально установлено влияние температуры на микроструктуру, прочностные свойства и характер разрушения СВС-материалов. Дана оценка немонотонному поведению температурной зависимости прочности для сплавов TiB2~Fe .

Определена температурная зависимость коэффициента вязкости ползучести композиции TlBg~Fe. Обнаружено проявление

аффекта горячелсмкости вблизи температуры звтъктщси.

Практическая ценность. Получен сплав 1ЧВ2-Ре, обладающий высокими физико-механическими характеристиками, на что имеется соответствующий акт испытаний в условиях производства. Исследованы температурные режимы использования данных материалов. Полученная температурная зависимость коэффициента вязкости позволяет рассчитать условия горячего обработки тармореагирующих порошковых смесей.

На зщциту выносятся:

1) Закономерности структурообразоьания и уплотнения продуктов термосинтеза в системах Т1-В и Т1-В-Ре.

2) Температурная зависимость прочности и характеристики разрушения композиции Т1В2~Ре.

3) Результаты исследования температурной зависимости коэффициента вязкости ползучести; расчеты условий горячей обработки сплавов после высокотемпературного синтеза.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на IX Республиканской конференции молодых ученых АН Киргизской ССР (Фрунзе-1987); VI Всесоюзной школе-семинаре "Теория и практика СВС-процесдов" (Черноголовка,1988); XI Всесоюзной конференции "Конйтрукции и технология получения изделий из неметаллических материалов" (Обнинск,1988); XVI Всесоюзной конференции "Порошковая металлургия" (Свердловск,1989); V Всесоюзном научном семинаре оды получения,

физико-химические свойства и применение боридов и материалов на их основе" (Черкассы, 1989); Совещании кординациошюго совета стран-членов СЭВ "Порошковая металлургия" (Кошице,ЧССР,1989); I Мевдународной конференции "Композиционные металлы." (Москва,1990); I Международном симпозиуме "Самор&спростраьлвдийся высокотемпературный синтез" (Алма-Ата,1991).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 14 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, приложения и перечня литературы. Она содержит 100 страниц, включая список литературы (106 наименований), 24 рисунка и 12 таблиц.

Основное содержание работы.

ВО-Введении обосновывается актуальность теш диссертации, изложена цель, научная и практическая ценность работа, а также положения,втюскте на защиту.

■В первой главе приводятся сведения о боридах тугоплавких соединений, их структуре и свойствах. Показано, что сплав Т1В2-Ре ' является квазибинарной системой эвтектического типа с температурой плавления М340°С. Данный композит в спеченном состоянии имеет достаточно* высокие механические свойства (о =1000 МПа, 92 НЕМ). Одним из

И

методов получения таких материалов может быть самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Приводятся данные по получению СВС-боридов и их некоторые характеристики. Дан обзор работ, проведенных в ИСМ РАН (А.Г.Мержанов, И.П.Боровинская, А.С.Штейнберг и сотр.). Следующая часть посвящено результатам исследования высокотемпературных зависимостей прочности и ползучести, температуре хрупко-вязкого перехода, механизма разрушений. В конце главы обоснована постановка задачи.

Во второй главе кратко рассмотрены методики и установки для получения и исследования свойств сплавов Т1Вг-Ре. Представлена схема созданной в Институте физики АН Республики Кыргызстан установки СВС-комлактирования. В качестве нагружающего устройства использовался пресс типа МС-2000 (усилие 200 тс). Особенностью н^ших опытов по СВС-компактированига было использование обогревающей смеси ("шубы"), состоящей из порошков тчтана и углерода. Исходный брикет-смесь порошков титана и с.глава железо-бор помещался в легкосгораемый контейнер (в "шубу"), который находился в пресс-форме. Процесс горения инициировался пропусканием тока от источника питания через молибденовую спираль; реагирование смеси происходило в атмосфере аргона. После прохождения волны горения осуществлялась горячая обработка продуктов синтеза. Температурный резким в установке для СВС-компактироввнил фиксировался с помощью вольфрам-решговых термопар, показания которых отображались на шлейфовом осциллографе.

Исследования кратковременных прочности на изгиб и на сжатие и ползучести при высоких температурах проводились на

установке 1246 .УТ--М-1 в вакууме 1,33-10"^ Па. Применительно к исследуемым хрупким материалам были разработаны специальные приспособления из сплава БМ- ] для испытаний небольших образцов (2x2x25 мм на изгиб, 2x2x5 мм ни скатие).

Микроструктура и характеры разрушений сплавов исследовались на растровом и просвечивающем электронных микроскопах с применением рентгеновского микроанализа. Кроме того, изучались химический состав, плотность, твердость композитов; проводился рентгенофазовый анализ. Количествешше и качественные оценки результатов проводились по известным методикам.

Третья глава посвящена выявленным закономерностям структурообразования и уплотнения порошковых термореагирую-щих смесей в системах Т1--В и Т1-В-Ре. Изучены условия сохранения продуктами термосинтеза формы и размеров исходного титанового порошка. Этот результат интересен как с точки зрения кинетики структурообразования, так и получения сферических порошков тугоплавких соединений.

В работе определны условия .формирования различных морфологических типов кристаллов диборида титана. Рядом исследователей ранее было показано, что зерна Т1Вг могут быть как ограненными, так "и округлыми. Они утверждали, что округлая форма кристаллов Т1В2 является неравновесной и может наблюдаться только в момент зяродышеобразоварйя (при закалке фронта горения), а также в конечном прр-д^кте в очень малых количествах. Нами показаны возможности получения образцов, полностью состоящих из округлых кристаллитов, и определены интервалы скоростей реагирования, при которых образуются зерна той или иной морфологии. Если скорость выше 0,5-0,8 см/с, то кристаллы ограненные, если низке - округлые.

Получены результаты по уплотнению порошковых смесей в результате СБС без приложения внешнего давления. При горении системы Т1~В плотность продуктов реагирования растет с увеличением размера одного из компонентов, что отличается от уплотнения при спекании традиционными методами "ороиковой металлургии. Это связано с процессами плавления и растекания предшествующих реагированию.

Плотность в системе Т1-оплав ¡келоэо-бор изменяется «не-

монотонно. Для образцов с походной дисперсностью сплава же лезо-бор менее 60 мкм наблюдается достаточно высокое уплат-негае.(60-100%, зависит от размера частиц титана), которое предопределяется легкостью протекания ди|фузш бора в титан при высокой плотности межчастичнпх контактов. Увеличение

размеров частиц железо:бор до 60-100 мкм приводит к уменьшению плотности контактов, что затрудняет процесс диффузии и уплотнения ("--ЗОЖ). Дальнейший рост дисперсности боросодеркч-щего компонента приводит к тому, что реагирование не происходит без предварительного оплавления и растекания компонентов; уплотнение при этом ^<80%. Хотя в результате приложения

Таблица I. Влияние зернистости исходных компонентов па свойства горпчепрессованных композиций ТШ^е.

Размер частиц, мкм Плотность, г/см3 Пористость, - % О изг МПа ННА Содержание в сплаве, об.%

Т1 Форро-бор до горя чего прессования (после реагиро вания) после-горячего проссо вания из анализа шлифов расчетная 12,5 9,4 10,5 Ге Маг нит-ной фазы.

0-60 60-<00 3-60 60-100 100-160 3,74 2,6 2.85 4,0 2,35 2,95 5,05 4,9 5,0 13,2 17 9,7 830 500 1130 89 90 87 39 30 35 15 11 18 15 11 17

0-60 60-100 100 160 4,95 4,9 4,9 11,8 10,3 4,3 9,9 10,8 12.5 960 620 1000 89 90 90 36 32 35

0-60 4,4 5.1 4,1 11,7 Тгоо 85 41 25

100-160 60-100 2,5 5,0 к, 5'1 5,6 850 У2 26 13

100-160 2,95 4,95 " 5,8 ¡3 830 88 37 14

давления разница в плотностях практически нивелируется, процессы уплотнения при синтпзе сильно влиякл на однородность сплавов, размеры и форму гомпонентов, чго ггтределяет их Фи-якко-метпничоски^ свойств*! (табл.1).

В главе четвертой приведены результаты исследований высокотемпературных свойств .и закономерностей разрушения сплавов Т1Вг-Ге. На рис.1 показано влияние температуры на прочность при изгибе (ои) и сжатии (аса;), модуль упругости (В) и твердость (Ну) изучаемых композиций. Для сравнения приведены данные для стандартного твердого сплава ВК15 и спеченного сплава Т1В£-(Ре-Мо) (все сплавы имеют ~25 об Л связки). Как видно из рисунка , температурное изменение прочности является немонотонным. Дополнительный отжиг композиций (Т-1000°С, £=5 час) не привел к изменению показателей прочности и характера кривых а=/(Т). Температурные зависимости Е и имеют монотонный характер.

Рис.1. Температурные зависимости прочности осж (2), аи модуля упругости (8), твердости (9) для

сплава Т1В?-Ре; ВК15: (I), аи (3), Н„(10); Т1В-(Ре-Мо): о (7).

По абсолютному уровню прочности при комнатной темпера туре исследованные композиции TIB^-Fe уступают сплаву BKI5, что неудивительно, имея ввиду различно в модулях упругости (320 ГПа для Т1Вг-27обЛРе и 5G0 ГПа для DKI5). Следует отметить и то, что при 500-600°С показатели а и о компози-

1 и еж

ции TiBg-Fe становятся сравнимыми с результатами для BKI5. Сравнимыми являются и характеристики твердости этих материалов; примерно идентично для них отношение показателей прочности на сжатие и изгиб (а /ст =1,5-2).

сж и

Анализ диаграмм деформаций показал, что остаточная ггдастическая деформация наблюдается при 700°С для испытаний на изгиб и при 600°с для испытаний на сжатие (при 600°С - на изгиб, и 500°С - на сжатие - разрушение образцов происходило в упругой области деформаций). Таким образом, величина Тх для испытаний композиции Т1В?-Ре на изгиб составляет около 700°С, а для испытаний на сжатие около 600°С; такое различие, как и отмеченное выше соотношение асж/аи, для хрупких материалов связано с влиянием вида напряженного состояния и распространения трещин. Исследование характера разрушения . сплавов.TiB2-Fe после испытаний на изгиб при различных тем'* пературах показало, что при комнатной температуре излом носит смешанный характер: интер- и транскристаллитный (последний проявляется на крупных зернах). Характер разрушения образцов при 500"С практически не меняется, но использование больших увеличений позволяет выявить.следы пластического течения связующей фазы (преимущественно по межфазной границе). Изучение поверхностей изломов при 600°С свидетельствует о смене механизма разрушения, который совпадает с максимумом прочности на кривой a=f(T). Для исследуемых образцов характер разрушения при 600*0 можно классифицировать как квазивязкий отрыв по мекфазной границе. Дальнейшее повышение температуры испытаний (700°С) обнаруживает интеркристаллитннй характер разрушения посредством размягчения связующей фазы; прочность при этом падает, а пластичность растет. Испытания при 900 и 1000°С сопровождаются дальнейшим снижением прочности и повышением остаточного удлинения, излом приобретает ямочный (ячеистый) характер.

Температурный рост прочности (?0-б00"С) материалов

ТШ2~Ре, очевидно, связан с повнш'шнейся ролью микроиластич ности. Дальнейшее снижение прочности с ростом температуры обязано термическому разупрочнение), особенно применительно к связующей фазе.

В исследованном интервале температур испытаний элек-тронномикроскснический фрактографический анализ не выявил особых изменений в характере изломов диборидной фазы, все особенности разрушения обусловлены эволюцией поведения связующей фазн и мемфазшх границ.

В пятой главе исследованы возможности горячего прессования термореагирущих смесей б системе Т1-В-Ре. Вопросам СВО.-компактирования посвящено большое количество работ. Использование г наших опытах обогревающей смоси, с одной стороны, и композиции Т1-В-Ге, температура эвтектики которой составляет 1340"С, с другой стороны, создает предпосылки для более продолжительной деформации материала в состоянии пластичности или даже текучести. Для уточнения температурного режима ндаих опытов било проведено измерение распределения температур в образце и обогревающей смеси (без приложения давления) с использованием шлейфового осциллографа и воль-фрам-рениовнх термопар. Было установлено,. что в интервале температур до 1000°С прессуемый образец может находиться до 2 минут.

Все изложенное свидетельствует о возможности описания горячего прессования термороогирунцих смесей в приближении вязкого течеки,.. По известным формулам были рассчитаны условия горячей обработки синтезированиях материалов. Для'уточнения рассчеишх данных предстояло опытным путем определить температурную зависимость коэффициента вязкости сплава Т1Вг~Ре в экспериментах на краткешремогтую ползучесть.

В работе представлены зависимости деформации при сжатии от приложенного напряжения и времени ползучести. Поскольку данные зависимости оказались линейны, то в изученных температурных интервалах для определения коэффициента вязкости

можно использовать обычное соотношение для ньютоновского те. 1

чекия: где в - скорость дМорчмнии; ст - приложенное

напряжение; 7) - коэфвмтгспт вяяк'хтгв.

Температурная зашшгкють логидодои кчофущивнта вяз косга представлено ня рис.2. обращает ».иимшш« ':от факт, что график как бы разделен на три области. Шоком ку научаемая композиция ярлянтся эвтоктическо!) с •геми<?р«1'уроЛ плавления 1340*С, то можно нродаюлокить различное поведение сплава до появления жидкой фазы, н районе плавления эвтектики и при наличии жидкой фазы. В областях Т-1200-1300" С и ТИ500-1800*0 наблюдаются линойнш зависимости Ш т)(1/Т). Различные углы наклона связаны с изменением энергии активации ползучести при отсутствии и наличии клдкой фазы. Эти значения раыш: для интервала 1200-1300"С - 0---252 кДж/моль, «ля интервала 1500-1800"С - Ц=^93,2 кДж/моль.

Интересным является тот факт, что энергия активации установившейся ползучести чистого железа равна 292 кДж/моль.

я^гз

>5

22

4

5 6

1/Т*Ю400

Рис.2. Температурная зависимость коэффициента вязкости ползучести сплава Т1В?-Ре.

Столь существенное снижение значений 0 для нашего материала, по-видимому, связано с его структурными особенностями. А именно: наличие второй фазы, снижающее адгезионную прочность границ; мелкозернистая структура ( 1-3 мкм), позволяющая более свободно проскальзывать зернам относительно друг друга; наличие эвтектической точки, чго .делает возможным присутствие аморфных прослоек при Т=1200-1300°С и »сидкой фазы при Т^1400°С.

Интересно поведение сплава в районе плавления эвтектики. При температурах 1350-1400°С наблюдается хрупкое разрушение материала (в связи с чем имеем высокое значение е). Объяснением этого эффекта может служить явление горячелом-кости, которое заключается в локальном плавлении, затекании жидкости в межграничные поры и расклинивании их по механизму жидко-металлической хрупкости. При дальнейшем повышении температуры количество жидкой фазы, на которой "захлопываются" образующиеся трещины, растет. Фрактографические исследования показали наличие хрупкого интеркристаллитного разрушения.

Изучая температурную зависимость коэффициента вязкости сплава Т1В2-Ре можно видеть, что значения коэффициента вязкости в интервале Т=1200~1800°С имеют порядок 109-1011 Па-с. Использование приближения вязкого течения позволяет рассчитать времена и нагрузки прессования материала при различных температурах до любой заданной пористости. В районе плавления эвтектики необходимо либо снижать нагрузку, либо уменьшать время нахождения сплава вблизи данной точки.

Шестая глава посвящена обсуздению научных и практичес-. них результатов работы.

Выводы.

1. Исследование влияния размера и структуры порошков в системе Т1-В-Ге на морфологию зерен Т1Вг показало, что при скоростях горения более 0,8см/с образуются ограненные зерна, а округлые наблюдаются при скорости менее 0,5-0,8см/с. Использование сферических порошков Т1 позволило уменьшить скорость реагирования в данной системе.

2. Изучение влияния зернистости исходных компонентов на структуру и механические свойства композиций Т1Вр~Ре показало, что механические свойства находятся в сильной зависи-

мости от распределения и размеров структурных составляющих сплавов. Метод СВС позьоляет получать композиции с зерном

0.1.5мкм и механическими свойствами - сг =500-1200МПа, 85-92HRA.

3. Экспериментальные данные по горячему прессованию сплавов TiB2-Fe совпадает с оценками остаточной пористости в рамках диффузионно-вязкого приближения, что позволяет прогнозировать процессы уплотнения при СВС-компактировании.

4. До температур ~500-600°С композиция TIB2~Fe находится в области макроунругих деформаций. Температура перехода из хрупкого состояния в пластичное (Т ) равна ~700°С для условий изгиба и ~600°С для сжатия. Свыше ПОО'С свойства сплавов подчиняются законам вязкого течения.

5. Немонотонное поведение температурной зависимости прочности связано с повышающейся ролью микропластичности при температурах близких к началу хрупко-вязкого перехода (Тх^600-700°С). Это подтверждается наличием следов пластического разрушения на фрактограммах.

6. С использованием методов электронной микроскопии по. казано,' что при повышении температуры смешанный характер

4 разрушения сплавов TiB2-Fe меняется на преимущественно ин теркристаллитный; в двухфазной структуре основные изменения претерпевает связующая компонента.

7. Исследование кратковременной ползучести (3 мин., I200-1800*С, 0=3-15 МПа) показало, что в этих условиях имеет место диффузионная ползучесть, скорость которой меняется скачкообразно при эвтектической температуре, что связывается с проявлением горячеломкости. Значения коэффициентов вязкости меняются от 33 до 1,7 ГНа, а энергий активации - от 252 до 93,2 кДж/моль соответственно.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Байман И.Ф. Влияние размера частиц на формирование структуры и закономерности уплотнения сплавов системы титан-бор.// Матер. IX Межреспубл. науч.-тех. конф. молодых ученых. Фрунзе, Илим, 1988, с.69.

2. Байман И.Ф., Пак А.Т., Андриевский P.A. Особенности формирования структуры и фионко-механических свойств

СПС-продуктов системы титан-бор-жолезо.// Информац. отчет о работе VI Всесоюзной школы-семинара "Теория и практика СВС-процессов". Черноголовка, 1989, с.20.

3. Андриевский Р.А., Пак АЛ'., Асанов Б.У., Байман И.Ф. Структура и физико-механические свойства высокоплотных боридных композиционных материалов. // Тез. докл. XVI Всес.конф. "Порошковая металлургия". Свердловск, 1989,т.3. с. 16.

4. Andrievski R.A., Bajman I.P., Рак A.Т. Microstructure Evolution during Multiphase Thermoactlve Mixtures Sintering.// Int. conf. on sintering of multiphase metal and ceramic systems. India, Institute for the Science of Slnterlr~. 1989. p.3.

5. Андриевский P.А., Пак А.Т., Байман И.Ф. Некоторые особенности формирования структуры и изменения плотности в термо-реэгирующих порошковых смесях титана с бором. // Порошковая металлургия. 1989, N9, с.1-3.

6. Андриевский Р.А., Байман И.Ф., Пак А.Т. Структура и физико-механические свойства боридных композиционных материалов. // Сб. статей "Бориды% Киев, ИПМ АН Украины. 1990, с.119-125.

Т. Андриевский Р.А., Байман И.Ф., Асанов Б.У. Температурная зависимость физяко-механических свойств композиции Tl-B2-Fe. // Доклада Академии Наук СССР, 1990, т.314, N5, с.1130-1132.

8. Андриевский i.А., Пак А.Т., Байман И.Ф. Исследование сплавов T1B2-Fe. СО. статей "Структура и свойства моно- и поликристаллических материалов". Фрунзе, Илим, 1990. с.69-71.

9. Anlrlevskl R.A., Рак А.Т., Asanov B.U., Bajmanl.F. et al. Structure and physical-mechanical properties of high-density borlde materials. // World Conf. on Powder Metallurgy. London, Institute of Metalls. 1990, v.3. p.163-165.

10. Андриевский P.А., Асанов Б.У., Байман И.Ф. Композиционные материалы на основе диборида титана. // Тез. докл. 1 Межд. конф. "Композиционные материалы". М., 1990. с.75.

11.^Andrievski R.A., Bajman l.F. Physical-mechanical properties of borlde composites obtained with the use of SHS compacting method. // 1-at, Int. Symposium on SHS. Alma-Ata,

Alerton Press. 1991. p.159.

12. Андриевский f*.A., Байман И.Ф., Падерно В.П., Дьяченко Л.И. Электронномикроскопические исследования особенностей разрушения сплавов T1B2-Fe. // Порошковая металлургия,1992, NT, с.83-86.

13. Andrievskl R.A., Bajman I.P. Physlcal-meohanical properties of boride composites obtained with the use of SHS compacting method. // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Syntesla. V.1, N.2, 1992.

T4. Andrievskl R.A., Bajman I.P. Sort-time creep investigation of T1B2-Pe composite. // Journal of Materials Science Letters, 1992, N.11, p.1661-1662.

Подписано к печати 22.12.93. Формат 60x84'/,6. Объем 1 п. л. Тираж 100. Заказ 1512.

720001, Бишкек, ул. Пушкина, 144, tun. АН Кыргызской Республики