Введение к работе
Актуалшость_работы. Титан благодаря высоким эксплуатационным свойствам в последнее время становится одним из важнейших конструкционных материалов в аэрокосмической технике.
Наиболее эффективным и перспективным способом дальнейшего повышения прочности и особенно жесткости является упрочнение титана высокомодульными волокнами.
Высокие прочностные характеристики композиции определяются как механическими характеристиками компонент, так и состоянием поверхности раздела. Из-за высокой реакционной способности титановой матрицы важнейшей задачей яеляєтся управление процессами химического взаимодействия на поверхностях раздела с целью минимизации разупрочнения армирующих волокон. В данной работе это достигается введением третьей фазы (алюминия), которая в процессе формирования находится в жидком состоянии, а также легированием материала кидкофазной прослойки (ЖФП) небольшими добавками легких редкоземельных металлов (РЗМ). Легирование РЗ металлами, особенно небольшими количествами, эффективно влияет на поверхностные свойства алюминия и его сплавов, структуру и свойства межфазных поверхностей.
В связи с этим установление влияния небольших добавок РЗМ в материал ЖФП на его поверхностные свойства, на течение физико-химических процессов на поверхностях раздела и, как следствие, на конечные эксплуатационные свойство материала является актуальнейшей задачей при создании титановых композитов, а также изделий из них.
Работа выполнена на основании государственной научно-технической программы "Перспективные материалы" по направлениям "Композиционные материалы" и "Исследование природы химической связи и механизма протекают межфазных процессов в системах образованных элементами I-VI групп и F3M на границах с твердым телом, жидкостью и газом, с целью синтеза новых функциональных материалов". Государственный регистрациошшй номер 0192 000 4102.
Ш^ь_работы. Целью работы являлось проведение комплекса физико-химических исследований на мемфазных границах композиции ТІ-А1-Б для оптимизации адгезионного взаимодействия за счет легирования алюминиевых сплавов малыми добавками РЗМ, что позволит разработать технологию изготовления КМ и натурных изделий из них.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать влияние небольших ( до 12 вес.% ) добавок таких РЗ металлов, как Sc, Y, La, Се и мишметалла на поверхностное натяжение алюминиевых сплавов АМгб и Д1Є;
исследовать влияние добавок Sc, Y, La, Се и мишметалла в алюминий А85 и сплавы АМгб и Д16 на смачивание и растекание по титановым сплавам ( в основном по сплаву ВТ6 );
провести анализ режимов растекания;
расчитать движущую силу растекания и энергию адгезии в рассматриваемых системах;
- исследовать влияние добавок РЗМ в алюминиевые сплавы на
структуру и кинетику роста межфазных зон в композитах;
на основании проведенных исследований разработать научные основы технологии формирования композиции титан-алюминий-бор;
для подтверждения выводов физико-химических исследований провести комплексные механические испытания компонент и композиции в целом;
разработать технологию и сформировать натурную деталь компрессора авиационного двигателя.
Нау_чная_новизна. Впервые проведен комплекс научно-исследовательских работ по изучению влияния легирования серийных конструкционных алюминиевых сплавов АМгб и Д16 небольшими добавками Sc, Y, La, Се и цериевого мишметалла на поверхностное натяжение данных сплавов и их растекание по титановым матрицам. Показано, что легирование РЗ металлами позволяет активно влиять на адгезионные характеристики в системе титан-алюминий-борное волокно, наиболее эффективны небольшие , до 2 вес.% добавки. Впервые исследовано влияние вышеназванных РЗМ на скорость роста пограничных фаз, их структуру и механические характеристики. Разработаны принципы оптимального формирования композиционных материалов системы титан- алюминий-волокно методом жидкофазной прослойки с использованием РЗМ.
Практическая_ценность. Разработан новый метод формирования титановых композиционных материалов - метод жидкофазной прослойки, который позволяет значительно уменьшить разупрочнение армирующей фазы и более чем на порядок снизить давление прессования. Это в свою очередь на том же прессовом оборудовании позволяет изготавливать из композиционных материалов на основе титана детали значительно больших размеров.
Установленные закономерности влияния небольших добавок РЗМ позволяют прогнозировать состояние поверхностей раздела в исследуемой
композиции и положены в основу технологии изготовления титановых волокнистых композиционных материалов.
Разработан принципиально новый способ изготовления полуфабрикатов из волокнистых композиционных материалов, отличающийся тем, что намотку волокон и формирование пакета ведут непосредственно на части разъемных прессформ.
Создана программа ЭВМ для расчета формы монослоев изделий сложной кофигурации.
Разработан технологический процесс формирования лопатки компрессора турбореактивного авиационного двигателя из титанового армированного композита методом жидкофазной прослойки включающий приготовление материала кидкофазной прослойки, изготовление намоткой волокнистого полуфабриката, его раскрой, сборку пакета и непосредственно формирование лопатки на установке горячего прессования.
Результаты исследований поверхностных свойств и кинетики межфазного взаимодействия могут также использоваться при пайке титана припоями на основе алюминия.
Нз_зпвдту_выносятся_следующе_положения:
-
Результаты исследования влияния добавок Sc, Y, La, Се и цэ-риевого мишметалла на поверхностное натяжение сплавов алюминия АМгб и Д16. Показано, что Sc и Y несколько повышают, a La, Се и мишметалл значительно снижают поверхностное натяжение данных расплавов. Наибольшее влияние оказывает мишметалл.
-
Экспериментальные данные, показывающие, что растекание алюминиевых расплавов по титану определяется наличием на последнем оксидной пленки. Вводимые в алюминий А85 и сплавы АМгб и Д16 такие РЗМ как Y, La, Се и мишметалл способствуют ликвидации оксида на титане, чем улучшают смачивание и ускоряют процессы растекания. В начале контактного взаимодействия растекание осуществляется в кинетическом режиме, с увеличением концентрации PSM происходит все более быстрый переход в режим транспортного сопротивления.
-
Расчитанные значения работы адгезии и движущей силы растекания, позволявшие выделить оптимальную концентрацию РЗМ в алюминиевых сплавах - 0.5-2 вес.%
-
Результаты исследования структуры, состава и закономерностей фэзообразования в титан-алюминиевых композициях и влияние на механизм фазообразования добавок FSM. Малые добавки Y, La, Се и мишметалла приводят к нарушению сплошности реакционней зоны.
5. Способ изготовления титанового волокнистого композита
- б -
методом ЖФП с использованием сплавов алюминия легированных РЗМ.
^ЧЁ^бащя работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: конференции по формированию поверхности и межфазным взаимодействиям в композитах, Ижевск, 1989 гг.; Межреспубликанской научно-технической конференции по свойствам порошковых композициошшх материалов и покрытий, технологии их получения с применением импульсных нагрузок и обработки давлением, Волгоград, 1989 г.; XVI Всесоюзной научно-технической конференции по порошковой металлургии, Свердловск, 1989 г.; Международной конференции по химии твердого тела, Одесса, 1990 г.; Международной конференции по композитам, Москва, 1990 г.
Публикации- Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 14 работах, включая 3 авторских свидетельства на изобретение.
Стру_кту_ра_и_объем_работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографии. В приложении приведены некоторые первичные экспериментальные данные, программа расчета раскроя монослоев, материалы свидетельствующие о практическом использовании результатов работы.
Работа содержит 238 страниц машинописного текста, включая 62 рисунка, 14 таблиц и библиографию из 167 наименований.