Структурные особенности границ соединения никеля и алюминия в
композиционных материалах, полученных методом сварки взрывом
Т. С. Огнева, Д. Д. Пахомов
Новосибирский государственный технический университет
Аннотация
В данной работе рассматриваются слоистые композиционные
материалы, состоящие из чередующихся слоев никеля и алюминия, которые были сформированы с использованием технологии сварки взрывом. Методами оптической металлографии,
растровой и просвечивающей электронной микроскопии были
изучены особенности строения границ соединения никелевых и
алюминиевых пластин. Методом микрорентгеноспектрального
анализа оценена концентрация элементов в зонах перемешивания, с помощью анализа картин дифракции электронов изучен
фазовый состав неоднородных участков на границах соединения.
Ключевые слова: сварка взрывом, слоистый композиционный
материал, никель, алюминий
I ВВЕДЕНИЕ
С
ЛОИСТЫЕ композиционные материалы, состоящие из
разнородных металлов, характеризуются высоким комплексом механических и эксплуатационных свойств, что
делает их перспективными для применения в таких отраслях
промышленности, как авиа- и ракетостроение, химическая
промышленность и энергетика. Широко распространенными
технологическими процессами, позволяющими получать
слоистые композиты, являются сварка прокаткой, диффузионная сварка, сварка трением.
Экспериментально показано, что эффективным методом
соединения заготовок из однородных и разнородных материалов является сварка взрывом [1 – 5]. Особенность сварки
взрывом заключается в формировании кумулятивной струи
на границе соударения пластин, которая удаляет из зоны
соединения поверхностные загрязнения и оксиды, что способствует качественному соединению пластин. Другими
преимуществами сварки взрывом являются кратковременность процесса, а также отсутствие необходимости использования дорогостоящего оборудования.
На сегодняшний день изучено влияние энерговложения на
структуру границы раздела никеля и алюминия в композитах, сформированных методом сварки взрывом [3], а также
установлено влияние состава взрывчатого вещества на морфологию границ соединения [4]. Следует отметить, что литературные данные по строению границ соединения никеля
и алюминия в сваренных взрывом образцах, носят отрывочный характер, и многие аспекты этого вопроса до сих пор
подробно не изучены.
Таким образом, целью данной работы является формирование многослойных композиционных материалов на основе
никеля и алюминия при помощи технологии сварки взрывом.
II ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Слоистый материал «Al–Ni» был изготовлен из трех пластин алюминия A5 и четырех пластин никеля марки НП2.
Размер заготовок составлял 100х50х0,5 мм и 100х50х1 мм
соответственно. Сварка взрывом многослойных пакетов
осуществлялась по схеме с параллельным расположением
пластин. В качестве взрывчатого вещества использовался
аммонит 6ЖВ.
Металлографические исследования были проведены на
микроскопе Carl Zeiss Axio Observer Z1m. Образцы составляли шлифы, приготовленные по стандартной методике,
включающей операции механического шлифования и полирования. Структура анализируемых материалов выявлялась
химическим методом с использованием азотной кислоты.
Особенности тонкого строения материалов изучались с применением методов растровой и просвечивающей электронной микроскопии. Для проведения исследований применялись приборы Carl Zeiss EVO 50 XVP и FEI Tecnai G2 20
TWIN. Для оценки твердости материалов использовался
прибор Wolpert Group 402MVD. Нагрузка на алмазный индентор составляла 0,98 Н.
III РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В результате сварки взрывом был сформирован слоистый
композиционный материал, не содержащий макродефектов
как на границах соединения, так и в металлических слоях.
Структура полученного композита, состоящего из чередующихся слоев никеля и алюминия, представлена на рис. 1.
Методом оптической металлографии было установлено,
что на границах соединения никеля и алюминия в результате
действия высоких температур и высоких степеней деформации при высокоскоростном соударении пластин происходит
формирование неоднородных зон перемешивания. При этом
в случае, когда пластина никеля метается на пластину алюминия, ширина отмеченной зоны структурных преобразований меньше по сравнению с обратным случаем, когда пластина алюминия метается на пластину никеля (Рис. 1).
Толщина зон перемешивания в полученных композитах
колеблется в диапазоне 18…70 мкм. При этом их толщина
уменьшается по мере продвижения от верхних границ соединения к нижним. Данная закономерность обусловлена
тем, что скорость в точке контакта уменьшается при увеличении количества мечущихся друг на друга пластин.
1
ничных деформированных слоев никеля и алюминия составляет 1900 МПа и 500 МПа. Резкое увеличение микротвердости в зонах перемешивания также свидетельствует о формировании интерметаллидных фаз, обладающих высокой твердостью.
Рис. 1. Структура границ соединения в композитах «никель – алюминий»,
полученных методом сварки взрывом
Зоны перемешивания состоят из мелкодисперсных включений (Рис. 2). Размер крупных включений может достигать
20 мкм. Большинство мелкодисперсных включений размером от 300 нм до 1 мкм обладают дендритной морфологией,
что свидетельствует о высокой скорости охлаждения расплава (Рис. 3).
Рис. 3. Дендритная структура мелкодисперсных включений
Рис. 2. Структура зоны перемешивания
Методом микрорентгеноспектрального анализа было
установлено, что распределение никеля и алюминия в зонах
перемешивания крайне неоднородно, содержание никеля и
алюминия изменяется от 6 до 20 и от 94 до 80 ат. % соответственно.
Для некоторых участков границ соединения характерно
вихревое перемешивание материала (Рис. 4). В вихревых
зонах наблюдается более широкий диапазон концентраций
элементов, содержание никеля в этих областях находится в
диапазоне 7…70 ат. %, содержание алюминия колеблется от
30 до 93 ат. %.
Методом анализа картин дифракции, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии, было
установлено, что зоны перемешивания содержат интерметаллидные фазы NiAl3, NiAl, Ni2Al9 и декагональную фазу,
содержащую около 39 % никеля и 61 % алюминия. Более
подробные исследования, выполненные методом просвечивающей электронной микроскопии, приведены в статье [5].
Микротвердость в зонах перемешивания находится в диапазоне 3500…7000 МПа. При этом микротвердость пригра-
Рис. 4. Структура зоны перемешивания с вихревой зоной
IV ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведенных исследований были сделаны
следующие выводы:
1. Сварка взрывом является эффективным способом создания слоистых композиционных материалов на основе
никеля и алюминия, не содержащих макродефектов.
2. На границах соединения никеля и алюминия в результате сварки взрывом происходит формирование зон перемешивания, состоящих из мелкодисперсных включений.
3. Химический состав мелкодисперсных включений
крайне неоднороден и колеблется в широком диапазоне
концентраций никеля (от 7 до 70 ат. %) и алюминия (от 30
2
до 93 ат. %). Зона перемешивания содержит алюминиды
никеля различного фазового состава.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Crossland B. Explosive welding of metals and its application.
– Oxford : University Press, 1982. – 242 p.
[2] Bataev I. A., Hokamoto K., Keno H., Bataev A. A.,
Balagansky I. A., Vinogradov A. V. Metallic Glass Formation at the Interface of Explosively Welded Nb and Stainless Steel // Met. Mater. Int., Vol. 21, No. 4 (2015), pp. 713 –
718.
[3] V. G. Shmorgun, A. I. Bogdanov, V. N. Arisova Yu. P. Trykov Growth kinetics of the diffusion zone at the interface of
the explosion-welded nickel–aluminium composite // Welding International, 2016.V. 30. No. 8. pp. 625-629.
[4] Bataev I.A., Ogneva T.S., Bataev A.A., Mali, V.I., Esikov
M.A., Lazurenko D.V., Guo Y., Jorge Junior, A.M. Explosively welded multilayer Ni-Al composites // Materials and
Design, 2015.V. 88. pp. 1082-1087.
[5] M. Gerland, H. N. Presles, J. P. Guin, D. Bertheau Explosive
cladding of a thin Ni-film to an aluminium alloy // Mater. Sci.
Eng. A, 2000. V. 280.pp. 311–319.
3
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв