УДК 621.762 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

д.т.н. ПЕТРОСЯН А.С., к.т.н. ГУКАСЯН В.С.

Государственный инженерный университет Армении, г. Ереван

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЭКСТРУЗИИ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО ТИТАНА И КОМПОЗИЦИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ

Дается анализ композиционных материалов на металлической основе, армированных высокомодульными волокнами. Обосновывается целесообразность компактирования армированных материалов горячей экструзией, при которой деформация волокон положительно влияет на их структуру и свойства.

Ключевые слова: горячее прессование, экструзия, армированный титан, механические свойства, структурный анализ.

I. Введение. Как известно [1,2], процесс горячей экструзии протекает по механизму неравномерного всестороннего сжатия, обеспечивающему металлу высокую пластичность. Степень деформации - один из основных показателей, характеризующих процесс пластического формоизменения при экструзии, оценка которой определяется коэффициентом вытяжки:

, (1)

, (2)

где и - начальная и конечная площади сечения заготовки и изделия; - относительная степень деформации.

Для аналитических расчетов используют логарифмическое выражение степени деформации :

. (3)

P × 10² ,

МПа

На рис. 1 показана зависимость удельного усилия экструзии от коэффициента вытяжки для различных порошков титана. Как и следовало ожидать, с увеличением соответственно возрастают и давления экструзии. Титановые сплавы (кр. 1) требуют больших давлений по сравнению с технически чистым титаном (кр. 2). Чтобы получить беспористую структуру экструдированного изделия, для титана достаточно 4 (=375 МПа; точка “о” на кр. 2), тогда как для легированного титана -6 (=600 МПа; точка “” на кр. 1). Это вполне закономерно, так как пластические свойства чистого титана выше, чем легированного.

Рис.1. Зависимость удельного усилия экструзии от коэффициента вытяжки (1100оC): 1 – легированный порошок титана; 2 - чистый порошок титана

Изменения удельных усилий экструзии от температуры представлены на рис. 2. Анализ полученных данных показывает, что характер функциональной зависимости одинаков. Различие в коэффициентах вытяжек (=4 и 6) не вносит каких-либо изменений. При этом с увеличением температуры давления экструзии снижаются, так как пластические свойства титана и его сплавов соответственно возрастают. По данным рис. 2 видно, что оптимальными температурами экструзии для титана и его сплавов следует считать _ý =1100…1200 ^oC.

Во второй стадии экструзии плотности заготовок приближаются к монолитному ме¬таллу. Следовательно, для расчетов можно использовать базовые соотношения между напряжениями и деформациями. В этом случае усилие деформации при (отсутствии контактного трения) можно вычислить по формуле [3]

, (4)

где - площадь поперечного сечения контейнера (заготовки), если ; - диаметр заготовки до осадки; - диаметр контейнера; - напряжение текучести заготовки из титанового порошка при температуре экструзии; - максимальная логарифмическая деформация.

Тогда работу деформации можно определить из зависимости

, (5)

где - приведенная величина деформации (рис. 3):

, (6)

P × 10² ,

МПа

Рис. 2. Зависимость удельного усилия от температуры (кр. 1 - 6;

кр. 2 - 4): 1 – легированный порошок титана; 2 - чистый порошок титана

- рабочий ход пуансона; - упругая деформация системы <пресс-экструдер>: ; - приведенная жесткость системы <пресс-экструдер>; - ход уплотнения по высоте заготовки к моменту истечения (из матричной воронки):

, (7)

- начальная высота заготовки; и - начальная и максимальная плотности заготовки.

II Постановка задачи. Металлокерамический титан и легированный порошок Тi-Al марки ПТЭC (фракция – 180…+ 250 мкм) рассматриваются как материал, который впервые используется для упрочнения вольфрамовыми волокнами (проволока марки ВА, диаметром 0,06 мм, ). Полученные композиции T-W* и Тi-4Al-W* обладают высокими физико-механическими свойствами (табл.). Высокая удельная прочность ставит эти материалы по своим летным качествам вне какой-либо конструкции. Поэтому в настоящее время предпочтение отдается именно этому направлению, связанному прежде всего с коммерческим бизнесом.

Создание материалов и изделий с беспористой структурой () является основополагающим направлением в области порошковой металлургии. Пористость представляет собой несплошность, т.е структурный дефект, который не только существенно снижает прочностные свойства и износостойкость материала, но и вызывает ускоренное старение и коррозию. Тем не менее объяснить различие механических свойств (особенно по ударной вязкости KCU) только остаточной пористостью не совсем правомерно. Другой и весьма весомой причиной низкого уровня свойств спеченных материалов является недостаточное сращивание, определяемое параметром, получившим название минимальная степень деформации (МСД). Так, для сращивания (схватывания) металлов при комнатной температуре МСД составляет [4]: Fe - 81%, Ni - 90%, Cu – 80%, Al – 57% (при 377°C – 47%). Кроме МСД, важными критериями сращивания являются температура и продолжительность спекания, которые обеспечивают межчастичную металлическую связь, а следовательно, структурную консолидацию порошкового материала в целом.

При горячей экструзии достигaются максимальные степени деформации (),тогда как при статическом и динамическом прессовании они не превышают 15…20% [5].

Нами сформулировано условие получения беспористых (компактных, q=0%) металлокерамических материалов и изделий при экструзии:

,

где P_э – давление при экструзии; k – коэффициент, учитывающий сопротивление материала деформированию, численно равный 2,5...3,5; s_вэ – прочность материала на разрыв при температуре экструзии; m=L_k/D_k, где L_k – длина (высота) заготовки, D_k – диаметр заготовки (контейнера); f - коэффициент трения заготовки о стенки контейнера; J – коэффициент Пуассона материала заготовки.

Для каждого металла и сплава существует свое критическое значение l_êð, при котором обеспечивается 100%-ное компактирование пористой заготовки. При l < l_êð экструдированное изделие будет пористым, при l – беспористым. Для черных и цветных металлов рекомендуется: .

III. Результаты экспериментов и их обсуждение. Полиморфизм титана ( при 1155,5 К) и его способность образовывать твердые растворы и интерметаллические соединения позволяют получать сплавы с различной структурой и свойствами. Алюминий является для титана основным легирующим элементом, относящимся к группе a-стабилизаторов, т.е. повышающим температуру полиморфного - превращения, а следовательно, расширяющим область существования a-фазы.

Таблица

Механические свойства титана и его сплавов, полученных различными способами

Составы	НВ, МПа	, МПа	d, %	y, %	KC, кДж/м^2
1. Пирометаллургия (стандартные)
ВТ1-1	1200...1400	450...550	³25	³50	650
Ti-4%Al	2500	650	13	31	530
Ti-6%Al-4%V	3100	930	17	38	500
2. Порошковая металлургия (горячее прессование, ~ 1150...1200° C)
Ti	1150	405	18	41	450
Ti-4%Al	2010	580	8	25	360
Ti-6%Al-4%V	2710	815	9	14	310
3. Порошковая металлургия (горячaя экструзия, ~1150...1200 °C, l=4)
Ti	1420	550	35	55	670
Ti-4%Al	2580	690	14	36	560
Ti-6%Al-4%V	3160	950	15	35	520
Ti-W* (W*=12,5% объ.)	1850	715	26	30	870
Ti-W* (W*=25,0% объ.)	2140	910	17	24	1140

Примечания: 1) фракции титановых порошков – 200 мкм, Ti-Al и Ti-A l-V легированные порошки опытно-промышленного производства;

2) W* - волокна вольфрама; d=0,06 мм, /d 80

На рис. 3 приведена часть диаграммы состояния Ti-Al сплавов, из которой видно, что Al повышает температуру аллотропического превращения Ti и образует обширную область твердых растворов с -Ti, которая простирается дo 6,0% Al. Сплавы, содержащие 6,0…12,0% Al, располагаются в двухфазной области , где – сверхструктура (Ti₃Al). Влияние Al на свойства Ti показано на рис. 4, из которого видно, что с увеличением содержания Al прочность () сплава возрастает, пластичность (d, KC) падает. Заметное снижение пластических свойств наблюдается для сплавов с 6,0… 8,0% Al, сплавы же с 10,0% Al хрупко разрушаются. Это вызвано образованием -фазы. В работах [5,6] установлено, что в Ti-Al сплавах -фаза начинает выпадать при Al.

Рис. 3. Диаграмма состояния системы Ti-Al	Рис. 4. Влияние Al на механические свойства Ti

С целью установления режимов спекания и температурной области экструзии порошковых титановых сплавов выполнен комплекс дериватoграфических исследований (дериватограф Q-1500D, Венгрия). Эксперименты проводили на составах, охватывающих всевозможные комбинации фазовых взаимодействий, и системе Ti - Al при следующих параметрах: Т — 293... 1423 К, TG = 250 мкВ, DTG = 1 мкВ, DTA = 100 мкВ, V_T = 7,5 град/60 с [6].

Некоторые результаты этих исследований представлены на рис. 5. Дериватограмма Ti + Al (рис. 5) имеет два эндотермических эффекта на кривой DTA: первый - в температурном интервале 871...976 К с экстремумом при 933 К, отвечающим температуре плавления Al; второй - в том же интервале (1088... 1135 К) и с таким же экстремумом (1101 К, ), что и для чистого Ti (дериватограмма не приведена). Между экстремумами (933...1101 К) кривая DTA более пологая, что свидетельствует о интенсивной растворимости жидкого Al в Ti. Такая же растворимость наблюдается и в твердой фазе в интервале температур 708...830 К, где пологость DTA выражена еще резче. Согласно диаграмме состояния Ti - Al (рис. 3), растворимость Al в Ti до 1353 К достигает 11,6%. Растворимость же Ti в Al весьма малая. Так, в интервале 673...873 К растворимость Al в Ti составляет 7,0...7,5%, тогда как Ti в Al - 0,03...0,07% [6]. Максимальное содержание Al в твердом растворе на основе a-Ti при 273 К колеблется в пределах 4,5...4,6%. Как известно, Аl повышает температуру -превращения (рис. 3). Так, с увеличением содержания Al до 10% тeмпература -превращения возрастает от 1155,5 до 1353 К, т.е. на 197,5 К [6|. Сравнивая кривые ДТА Ti и Ti + Al (рис.5), отметим что превращениям отвечает одна и та же температура 1101 К, т.е. Al не повлиял на полиморфное превращение Ti. Это можно объяснить неравновесностью условий диффузионного взаимодействия , а следовательно, локальной неоднородностью формируемого титан-алюминиевого сплава.

Вместе с тем известно [5], что ванадий препятствует образованию -фазы, поэтому в Ti-Al-V сплавах можно повысить содержание Al без опасения охрупчивания. Так, в Ti-Al-V сплавах, содержащих до 3,0%V, -фаза практически отсутствует, в сплавах с 4,0% и 6,0…10,0%V количество -фазы составляет соответственно ~7,0% и 14,0…18,0%.

Как видно, в этих сплавах оптимально реализуются прочность и пластичность, поэтому их относят к весьма перспективным титановым сплавам.

Рис. 5. Дериватограмма смеси порошков (Ti + 3,1% Al): среда - аргон, Р_Н = 2,0254 г, TG = 250 мкВ, DTG= 1 мкВ, DTA = 100 мкВ, V_T = 7,5° С/мин, V_d = 2,5 мм/мин

Поскольку титан и его сплавы подвергались армированию вольфрaмовыми волокнами, то рассмотрим диаграмму состояния системы Ti-W*. Установлено, что в интервале перитектической (~2153 К) и эвтектоидной (~988 K) температур существуют -фаза (до концентрационной кривой ~50…28%W) и (-W)-фаза. Следовательно, при ~2153 К достигается максимальная растворимость (~50%)W в -Ti. С понижением температуры до 988 K растворимость уменьшается до ~28% W. При этой же температуре, т.е. 988 K, - фаза претерпевает эвтектоидный распад (+W). Температура превращения -Ti-Ti снижается с увеличением содержания W от 1155,5 K до 988 K при эвтектоидном составе. Максимальная растворимость W в -Ti составляет ~0,8% при 988 K. Что же касается Ti, то его растворимость в W снижается от ~8,0% - при перитектической (2153 K) до ~5,0% - при эвтектоидной (988 K) температурах.

При закалке из -области сплавов, содержащих до ~20,0% W, -фаза не сохраняется и превращается в неравновесную -фазу, имеющую характерную мартенситную структуру. В сплавах с более 25,0% W при закалке -фаза полностью сохраняется. Кроме того, увеличение содержания W в сплаве понижает температуру мартенситного превращения и уменьшает количество -фазы, которое при закалке, как отмечалось, переходит в -фазу.

Таким образом, система Ti-W* образует ограниченные твердые растворы, в связи с чем в качестве упрочнителя были выбраны волокна W, т.е. композиция Ti-W*. Что же касается системы Ti-Mo, то -Ti с Mo образует непрерывный ряд твердых растворов, подобно Fe-Ni сплавам. Линия солидуса повышается от температуры плавления Ti (2943 K) до температуры плавления Mo (2893 K). В этой связи возникает проблема сохранения целостности волокон Mo в композиции Ti-Mo* при прессовании и спекании, требующим сравнительно высоких температур (1423…1473 K).

В таблице приведены механические свойства титана и его сплавов после отжига (T_от=1073…1123 K, » 2 ч) на мелкое зерно. Отметим, что стандартный сплав ВТ1-1 по химическому составу (Ti≥99,1%) близок к технически чистому титану ВТ1-00 [7]. Как и следовало ожидать, порошковые материалы, полученные горячим прессованием, по своим свойствам заметно уступают базовым (стандартным) материалам, т.е. титану и его сплавам. Это объясняется прежде всего структурной пористостью (4,0%). Безусловно, на формирование свойств определенное влияние оказывает и степень сращивания [4, 5], т.е. установление металлической связи между частицами порошков. Остаточная пористость, хотя и сравнительно небольшая (4,0%), существенно препятствует структурной консолидации компактируемых материалов. Вот почему это особенно отражается на ударной вязкости КС материалов. Как видно из таблицы, ударная вязкость по сравнению с базовыми титаном и его сплавами составляет ~ 62,0…68,0%.

Свойства титана (Ti) и его сплавов (Ti-4%Al и Ti-6%Al-4%V), полученных горячей экструзией, по существу, такие же, как у аналогичных стандартных марок (табл.). Экструзия, совмещающая процессы формования и спекания, отличается сдвиговыми пластическими деформациями, вследствие которых обеспечивается беспористая структура (%) металлокерамических материалов. В результате этого, а также ввиду наличия больших степеней деформаций (=60…90%, ) достигается структурная консолидация (межчастичное сращивание) экструдируемых материалов и изделий [3, 6, 7].

Определенный интерес представляют результаты испытаний металлокерамического титана, армированного волокнами вольфрама (W*), т.е. композиционного материала Ti-W*, полученного экструзией. Как и следовало ожидать, прочность ( ) и вязкость (KC) композита Ti-W* при объемном содержании 12,5 % W* и 25,0%W* значительно возрастают - в ~ 1,3 ~1,7 раза соответственно. Следовательно, армирование позволяет существенным образом повысить прочность и пластичность КМ, что практически невозможно осуществить на исходных материалах, подвергая их различным методам упрочнения, в том числе и механотермической обработке [8].

Лучшие результаты могут быть получены при совершенствовании технологии, включающей выбор и подготовку исходных материалов (матрицы и волокон), оптимизацию процессов экструзии и термической обработки, что подтверждается и структурными исследованиями. Как видно из рис. 6а, продолжительность спекания в течение ~1 ч при 1423 K (в среде аргона марки A) значительно повреждает волокна W*. В результате взаимодействия с Ti (матрицей) образуется прослойка по всей длине волокна толщиной 3…4 мкм, что, естественно, снижает механические свойства армированного титана. Микрорентгеноспектральным анализом выявлена следующая фрагментация фаз: -Ti(+)-Ti-TiW. Прослойки образуются почти на всех волокнах (см. рис. 6б). Уменьшение продолжительности спекания до =0,5 ч заметно снижает толщину прослойки (~1…2 мкм). Кроме того, на этом же микроснимке четко просматривается ориентация волокон W* в направлении экструзии. Именно эта отличительная особенность делает процесс экструзии уникальным для синтеза КМ.

а)	б)

Рис. 6. Структуры армированного титана Ti-W*, содержащего

12,5% об.W *: а – спекание при Т_сп=1423 K и t_сп=1,0 ч,

экструзия при Т_э=1423 K и l=4; б – спекание при

Т_сп=1423 K и t_сп=0,5 ч, экструзия при Т_э=1423K и l= 4 (´ 400)

IV.Выводы:

1. Горячую экструзию титана и его сплавов целесообразно совмещать со спеканием, т.е. после спекания непосредственно осуществлять экструзию. Установлены оптимальные параметры экструзии: температура коэффициент вытяжки , которые обеспечивают получение титановых изделий с беспористой структурой (0%), а следовательно, с максимальным уровнем механических свойств.

2. Результаты испытаний металлокерамического титана, армированного волокнами вольфрама (W*), т.е. композиционного материала <Ti-W*>, полученного экструзией, показывают, что прочность () и вязкость (КС) композита <Ti-W*> при объемном содержании 12,5 и 25,0 % W* значительно возрастают – в 1,3 и 1,7 раза соответственно. Следовательно, армирование позволяет существенно повысить прочность и пластичность КМ, что практически невозможно осуществить на исходных материалах, подвергая их различным методам упрочнения, в том числе и механотермической обработке.

3. Наиболее перспективными являются титановые сплавы, армированные волокнами, в частности на основе Ti-Al, Ti-Al-V, Ti-Al-Mo и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / Под ред. В. Шатта. – М.: Металлургия, 1983. – 519 с.

2. Петросян А.С. Формирование структуры и свойств армированных композиционных материалов // Известия НАН РА и ГИУА. Сер. ТН. – 2001. – Т.54, N2. – C. 189-194.

3. Петросян А.С. Армированные материалы конструкционного назначения // Известия НАН РА и ГИУА. Сер. ТН. – 2002. – Т.55, N1. – С. 30-37.

4. Процессы сращивания в порошковой металлургии / В.Ю. Дорофеев, И.А. Кособоков и др. – Новочеркасск: Редиздат НПИ, 1990. – 88 с.

5. Манукян Н.В. Порошковая металлургия на пороге 3000-летия. – Ереван: Тигран Мец, 2000. – 208 с.

6. Корнилов И.И. Титан. – М.: Наука, 1975. – 375 с.

7. Еременко В.Н. Титан и его сплавы. – Киев: Изд-во АН УССР, 1960. – 500 с.

8. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. - М.: Издательский центр "Академия", 2005. - 192 с.

PETROSYAN H.S., GHUKASYAN V.S., PETROSYAN L.S.

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDIES EXTRUSION PROCESS CERMET TITANIUM AND ITS COMPOSITES

The analysis of metal based composite materials reinforced by high-module fibers is given. The expediency of compacting the reinforced materials by hot extrusion at which the deformation of fibers affects their structure and properties.

Keywords: hot pressing, extrusion, reinforced titan, mechanical properties, structural analysis.

Авторы:

Петросян Асмик Самсоновна – д.т.н., профессор, Государственный инженерный университет Армении (Политехник), кафедра “Металлургии и материаловедения”

Гукасян Вилен Сергеевич – к.т.н., Ереванский Государственный институт строительства и архитектуры, старший научный сотрудник