Регистрация / Вход
Прислать материал

Структура и свойства покрытий системы Ti-Cu

Сведения об участнике
ФИО
Кулевич Виталий Павлович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Композитные материалы
Тема
Структура и свойства покрытий системы Ti-Cu
Резюме
Предложен и экспериментально подтвержден механизм контактного плавления в системе Ti-Cu. Исследовано влияние температурно-временных условий процесса контактного плавления на кинетику роста зоны взаимодействия на межслойной границе медно-титанового композита, полученного сваркой взрывом. Установлен фазовый состав покрытия и его относительная износостойкость.
Ключевые слова
композиционные материалы, медь, титан, сварка взрывом, контактное плавление, покрытие, интерметаллиды, износостойкость
Цели и задачи
Целью данной работы является исследование структуры и износостойкости интерметаллидного покрытия системы Cu-Ti, образующегося при контактном плавлении на поверхности медной подложки в сваренном взрывом соединении.
Введение

Увеличение срока службы медных деталей, работающих в условиях комплексного воздействия таких факторов, как износ и температура, всегда являлось актуальной задачей для металлургических отраслей промышленности. Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является применение покрытий на основе интерметаллидных соединений. Для их получения часто применяют комбинированные технологии, состоящие из операций предварительного нанесения на поверхность детали слоя металла, способного образовывать с металлом основы интерметаллидные соединения, и последующего диффузионного отжига полученной композиции по режимам контактного плавления (КП) [1, 2, 3].

Методы и материалы

Материалами для исследования служили образцы сваренной взрывом меди марки М1 с титаном ВТ1-0. Термическую обработку (ТО) образцов проводили в печи SNOL 8.2/1100 при температуре 900-1010 °С. Металлографические исследования выполняли на модульном металлографическом микроскопе Олимпус BХ-61. Фазовый состав зоны взаимодействия (ЗВ) оценивали при сопоставлении данных, полученных с помощью дифрактометра ДРОН-3 и растрового двухлучевого электронного микроскопа системы Versa 3D DualBeam. Измерение микротвердости ЗВ осуществляли на приборе ПМТ-3М с нагрузкой на индентор 50 г. Испытания на износостойкость проводили на экспериментальной установке – аналоге машины Х4-Б. Шероховатость поверхности покрытия определялась на установке Nanotest 600 и приборе Zygo NewView 500.

Описание и обсуждение результатов

Система Ti-Cu (рис.1) относится к системам с сильно вырожденными эвтектиками, где эвтектическая точка на диаграмме состояния смещена в сторону легкоплавкого компонента, поэтому в образовании жидкой фазы в контакте медь-титан определяющую роль должен играть размерный эффект плавления [3].

Рисунок 1 - Фазовая диаграмма системы Ti-Cu [4]

Анализ диаграммы состояния Ti-Cu и экспериментальных данных [4] о структуре и фазовом составе ЗВ, сформированной в твердой и в жидкой фазе на межслойной границе медно-титанового композита при его нагреве в интервале температур 850-950 оС, позволил предложить условия ее формирования при КП.

Процесс КП в системе медь-титан начинается при температуре 900оС и инициируется взаимной диффузией, приводящей к образованию на границе раздела сваренных взрывом металлов пересыщенного твердого раствора на основе меди Cu(Ti), легко переходящего в жидкость.

Сопоставление данных рентгеноструктурного и энергодисперсионного анализов позволило установить следующее. У границы с медью располагается область на основе твердого раствора титана в меди Cu(Ti) ( ̴ 98-93 ат.% Cu и 2-7 ат.% Ti). У поверхности диффузионной зоны, сформировавшейся в результате твердофазной диффузии, граничащей с ЗВ и состоящей из твердого раствора на основе ɑ-титана ɑTi(Cu) + Ti2Cu (до 7 ат.% Cu и 93 ат.% % Ti) и сплошных интерметаллидных прослоек из Ti2Cu ( ̴ 33 ат.% Cu и 67 ат.% Ti), TiCu ( ̴ 50 ат.% Cu и 50 ат.% Ti), Ti3Cu4 ( ̴ 56 Cu и 44% Ti) и Ti2Cu3 (61 ат.% Cu и 39 ат.% Ti), образуются дендриты на основе интерметаллида Cu2Ti ( ̴ 68 ат.% Cu и 32 ат.% Ti), междендритное пространство между которыми заполнено интерметаллидом βCu4Ti ( ̴ 78 ат.% Cu и 22 Ti ат.%).

Прочность соединения медно-титанового композита на отрыв слоев после КП составляет примерно 20–40 МПа. Причиной такой низкой прочности является трещина (рис. 2, а), образующаяся при охлаждении на границе раздела слоев интерметаллидов TiCu и Ti3Cu4, по которой и происходит разрушение.

а б в г

Рисунок 2 - СЭМ изображение микротрещины (а), покрытие сформированное на поверхности меди (ТО 900°С 30 мин) после удаления непрореагировавшего слоя титана (б, в) и его микроструктура (г)

Низкая прочность соединения позволяет механически удалять не прореагировавший слой титана и получать  на поверхности меди безпористое покрытие (рис. 2) твердостью (4-5 ГПа) с шероховатостью Ra – 671±108 нм, основными структурными составляющими которого являются интерметаллиды βTiCu4 и TiCu2.

Его относительную износостойкость в интервале температур 20–400 °С оценивали по формуле:

\(ε = { \Delta Gэ \over \Delta Gи}\)

где \(\Delta\)Gэ - потеря массы эталона (медь в отожжённом состоянии), г; \(\Delta\)Gи – потеря массы образца с покрытием, г.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что относительная износостойкость образцов с покрытиями на основе купридов титана более чем в три раза превышает износостойкость меди.

Используемые источники
1. Bateni M. R. et al. Formation of Ti–Cu intermetallic coatings on copper substrate //Materials and Manufacturing Processes. – 2001. – Т. 16. – №. 2. - С. 219-228.
2. Исследование диффузионного слоя, полученного при термообработке газотермических покрытий на медной основе /А.Г. Радюк [и др.] // Материаловедение. 2007. №7. - С. 22-26.
3. Ахкубеков А. А., Орквасов Т. А., Созаев В. А. Контактное плавление металлов и наноструктур: монография – Москва: Физматлит, 2008. - 150 с.
4. Диффузионные процессы на межслойной границе сваренного взрывом трёхслойного композита системы Cu-Ti / Шморгун В.Г., Слаутин О.В., Евстропов Д.А., Таубе А.Ол. // Известия вузов. По-рошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 4. - C. 36-39.
Information about the project
Surname Name
Kulevich
Project title
The Structure and Properties of the Ti-Cu System Coatings
Summary of the project
The mechanism of contact melting in the Ti-Cu system is proposed and experimentally confirmed . The influence of time-temperature conditions of the contact melting process on growth kinetics of the interaction zone on interlayer border of copper-titanium composite produced by explosion welding is thoroughly studied. The phase composition of the coating and its relative wear resistance is established.
Keywords
composites, copper, titanium, explosive welding, contact melting, a coating, intermetallics, wear resistance