К.т.н. Мухаметрахимов М.Х.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук, Россия

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТОВ ИЗ ЛИСТОВОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6

Введение

В настоящее время для упрочнения титановой матрицы используют в основном волокна бора, карбида кремния и бериллия. Однако в России производство борных волокон за последние десять лет резко сократилось, а серийный выпуск волокон из карбида кремния организовать не удалось. Бериллиевые волокна обладают высокой токсичностью, что существенно осложняет и делает экологически опасным процесс изготовления композиционного материала. Поэтому возникла актуальная необходимость в создании структурных титановых композитов.

К композиционным материалам также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми другими специальными свойствами.

Развитие современной техники требует применения новых материалов с повышенным уровнем механических свойств. При этом в авиакосмической промышленности и судостроении используются главным образом конструкционные материалы с высокими характеристиками удельной прочности и жесткости. Удельные механические характеристики титановых сплавов существенно превосходят аналогичные характеристики сталей и алюминиевых сплавов.

Одним из путей решения задачи является создание нового конструкционного материала с регламентированным структурным состоянием. Повышенные прочностные свойства имеют титановые сплавы с нанокристаллической (НК) структурой [1,2]. Путем определенного сочетания слоев, заметно отличающихся по исходной структуре и свойствам, можно снизить риск разрушения материала и тем самым повысить его конструкционную прочность по сравнению с монолитным материалом. Перспективным методом получения композитных материалов является сварка давлением в условиях низкотемпературной сверхпластичности.

Материал и методика исследований

Для изготовления слоистых композитных материалов использовали листовые заготовки толщиной 1,5 мм из двухфазного титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) с исходной МК структурой со средним размером зерен 3 мкм и в качестве упрочняющего элемента взяли ВТ6, ВТ8 и никелевый сплав TiNi с НК структурами со средним размером зерен 0,1 - 0,2 мкм, соответственно. МК структура была получена промышленной прокаткой, а НК структура – изотермической прокаткой объемной заготовки, предварительно подвергнутой всесторонней ковке.

Для исследований был изготовлен слоистый композитный материал трех типов: 1 - состоял из листовых заготовок ВТ6 с МК и НК структурой, 2 - состоял из листовых заготовок ВТ6 с МК структурой и ВТ8 с НК структурой и 3 – состоял из листовых заготовок ВТ6 с МК структурой и TiNi с НК структурой.

Сварку давлением листовых заготовок осуществляли в электрической печи СНВЭ-1.3.1/16-ИЗ-УХЛЧ в вакууме 2х10^-3 Па при температуре 750 ºС.

На рис. 1. показана схема получения слоистого композитного материала с различными структурами.

Рисунок 1 – Схема получения слоистого композитного материала с различными структурами

Металлографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе JXA-6400. Механические испытания на растяжение проводили на универсальном динамометре "INSTRON-1185" при комнатной температуре и скорости деформирования 1 мм/мин.

Результаты исследования

В результате соединения получается слоистый композит, в котором содержатся две зоны раздела металлов – между титановым сплавом ВТ6 с МК и НК структурами (зона МК–НК), а также между НК и МК структурами (зона НК–МК).

На рис. 2 представлены микроструктуры зон твердофазного соединения (ТФС) слоистого композитного материала 1 и 2.

а)	б)
Рисунок 2 - Микроструктуры зон ТФС ВТ6 после сварки давлением с применением упрочняющего элемента с НК структурами а) ВТ6, б) ВТ8

В зонах ТФС композитных материалов 1 и 2 обнаружено незначительное количество пор, расположенных преимущественно на границах α + α-зерен. Средний размер зерен в слоях с исходной НК структурой вырос до 1,4 мкм. (рис. 2 а,б)

На рисунке 3 представлена микроструктура сварных соединений титанового сплава ВТ6 с применением упрочняющего элемента из TiNi.

Рисунок 3 - Микроструктуры зон ТФС ВТ6 после сварки давлением с применением TiNi с НК структурой

В зоне соединения TiNi–ВТ6 поры не обнаружены, что свидетельствует о качестве сварного шва, но обнаружена хрупкая фаза Ti₄Ni₂O_x шириной 5 мкм.

В таблице приведены механические свойства слоистого композитного материала в различных структурных состояниях.

Таблица. Механические свойства на срез сварных образцов вырезанных из слоистого композитного материала.

Упрочняющий элемент с НК структурой	Прочность на срез τср., МПа
ВТ6	573,3
ВТ8	545,5
TiNi	224,5

Таким образом, показана технологическая осуществимость получения слоистого композиционного материала на основе титанового сплава ВТ6 при температуре 750^оС.

Литература:

1. Мулюков Р.Р. // Развитие принципов получения и исследование объемных наноструктурных материалов в ИПСМ РАН. Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 7–8. С. 38–53.

2. Nazarov A.A. and Mulyukov R.R. Nanostructured Materials. In: Handbook of Nanoscience, Engineering, and Technology, Ed. Goddard W., Brenner D., Lyshevsk S., Iafrate G., CRC Press, 2002.