Твердофазное соединение титанового сплава ВТ6 через наноструктурированную прослойку из сплава TiNi

К.т.н. Мухаметрахимов М. Х.

Учреждение Российской академии наук Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, Россия

ТВЕРДОФАЗНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ЧЕРЕЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННУЮ ПРОСЛОЙКУ ИЗ СПЛАВА TiNi

Аннотация

Проблема соединения в твердом состоянии разнородных материалов представляет значительный интерес как с научной, так и практической точки зрения. Исследовали твердофазную свариваемость титанового сплава ВТ6 через наноструктурированную никелевую фольгу из сплава TiNi при температуре 750^оС. Осуществляли сварку листовых заготовок в вакуумной печи СНВЭ-1.3.1/16-ИЗ-УХЛЧ. Результаты исследования показали, что в диффузионной зоне TiNi и ВТ6 не обнаружена цепочка пор, что свидетельствует о качестве сварного шва. При выбранном режиме обработки образуется хрупкая фаза Ti4Ni2Ox, имеющая отличительный от свариваемых сплавов химический состав.

Введение

Соединение титана и его сплавов, либо к самому себе, либо к другим материалам, становится важнейшим технологическим направлением в аэрокосмической и химической промышленности. При этом низкое сопротивление износу титановых сплавов [1] может быть устранено соединением к более износостойким материалам. Диффузионная сварка при соединении разнородных материалов, в частности, проявляющих сверхпластичность, может быть эффективным технологическим процессом [2]. Поэтому использование промежуточного материала, предотвращающего образование особо хрупких интерметаллидных фаз в процессе диффузионной сварки, имеет определяющее значение для качества сварного соединения. В этой связи сплав TiNi может быть рассмотрен как полезный промежуточный материал, одновременно обеспечивающий удовлетворительную коррозионную стойкость. Двойная фазовая диаграмма Ni–Ti показывает, что вид формирующихся интерметаллидов изменяется от Ti₂Ni, до TiNi₃ с повышением содержания никеля [3,4]. Хи с коллегами показали, что интерметаллидные фазы Ni–Ti имеют повышенную пластичность в сравнении с интерметаллидами системы Fe–Ti [5].

Целью работы являлось исследование твердофазной свариваемости титанового сплава ВТ6 через наноструктурированную никелевую фольгу из сплава TiNi при пониженной температуре - 750 ^оС и оценка химического состава в зоне сварного соединения TiNi и ВТ6 соединенных заготовок.

Материал и методики исследования

Исследовали твердофазную свариваемость титанового сплава ВТ6 через наноструктурированную никелевую фольгу из сплава TiNi. Исходные листовые заготовки из титанового сплава ВТ6 были размерами 10х50 мм и толщиной 1,5 мм и в качестве прокладки использована никелевая фольга с такими же размерами, но толщиной 0,1 мм.

Соединение листовых заготовок, собранных в пакет, выполняли в штамповом блоке, включающем силовые плиты и крепежные элементы [6]. Штамповый блок устанавливали в вакуумную печь СНВЭ-1,3.1/16-ИЗ-УХЛЧ.1.

Полученную таким образом сборку стягивали силовыми элементами штампа, а затем устанавливали в вакуумную печь.

Сварку в твердом состоянии осуществляли при температуре 750^оС в течение 60 мин. приложением газообразного аргона (давление 5 МПа) из штуцера через гибкую мембрану на свариваемые образцы. Глубину вакуума в процессе эксперимента поддерживали не хуже 2,0´10^-3 Па.

Обработку листовых заготовок после сварки проводили по стандартной технологии: шлифовка и полировка до алмазной суспензии с размером частиц 1 мкм. Микроструктуру выявляли травлением с помощью раствора 3 мл HNO₃, 2 мл плавиковой и 95 мл воды. Затем проводили исследования на растровом электронном микроскопе JSM 840 с установленной приставкой INCA Project.

Результаты и обсуждения.

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

На рисунке 1. представлена микроструктура сварных соединений титанового сплава ВТ6 через наноструктурированную никелевую фольгу из сплава TiNi.

Рисунок 1 - Микроструктура сварных соединений титанового сплава ВТ6 через наноструктурированную никелевую фольгу из сплава TiNi при температуре 750^оС.

Химический анализ зоны соединений TiNi–ВТ6 был проведен на микроскопе JEOL JSM 840 с приставкой INCA. Как показали экспериментальные исследования (рис. 2 а,б), с приближением к зоне соединения со стороны титанового сплава в материале появляется небольшое содержания никеля, которое постепенно растет, и при достижении линии соединения количество титана и никеля уравнивается.

Как мы видим из экспериментальных данных, использование никелевого сплава TiNi в наноструктурном исходном состоянии приводит к твердофазному соединению материалов при более низкой температуре, однако при этом размер зерна никеля к окончанию эксперимента вырастает до крупнокристаллического.

На рисунке 2 представлена оценка химического состава в зоне сварного соединения TiNi и ВТ6 соединенных заготовок.

Рисунок 2 - Оценка химического состава в зоне сварного соединения TiNi и ВТ6 соединенных заготовок: а) зона соединения TiNi-ВТ6 и б) изменение состава элементов между TiNi и ВТ6

Диффузионное проникновение элементов в зоне соединения материалов увеличивается на расстояние более чем в два раза. Такое явление вполне ожидаемо, так как диффузионная активность материалов повышается с повышением температуры по экспоненциальному закону.

Следует отметить, что необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования, которые позволят, во-первых, объяснить полученные результаты, во-вторых, выявить режимы сварки титанового сплава ВТ6 и наноструктурированого сплава TiNi, которые обеспечат оптимальные механические свойства сплавов.

Выводы

В результате экспериментальных исследований показано, что в зоне соединения TiNi–ВТ6 не обнаружена цепочка пор, что свидетельствует о качестве сварного шва, и обнаружена высокая диффузионная способность Al и Ni.

Установлено, что при выбранном режиме обработки образуется хрупкая фаза Ti4Ni2Ox шириной порядка 7 мкм, имеющая отличительный от свариваемых сплавов химический состав.

Литература:

1. Budinsky R.G., Tribological properties of titanium alloys, Wear 151, 1991, pp. 203 – 217;

2. Ferrante M., V. Pigoretti E. Diffusion bonding of TI-6AL-4V to AISI 316L stainless steel: mechanical resistance and interface microstructure, Journal of materials science, 37, 2002, pp. 2825 – 2833;

3. T.B. Massalaki Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 2, ASM International, Materials Park, Ohio, 1996, 2874;

4. Hinotani S., Ohmori Y., The microstructure of diffusion-bonded Ti/Ni interface, Trans. Japan Inst. Met., 29, № 2, 1988, pp. 116–124;

5. He P., Zhang J., Zhou R., Li X., Diffusion Bonding Technology of a Titanium Alloy to a Stainless Steel Web With an Ni Interlayer // Mat. Charact., 43, 1999, pp. 287–292.

6. Казачков И.В. Бердин В.К. Методика оценки качества диффузионного соединения тонколистовых металлических материалов. Заводская лаборатория, 1989, 55, №7, с. 82-84.