Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 2, стр. 85-88

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности транспортных средств авиационной и космической техники тесно связано с увеличением удельных характеристик и рабочих температур конструкционных материалов в таких изделиях. Материалы на основе титана остаются весьма привлекательными для использования в элементах конструкций газотурбинных двигателей, например, компрессорных лопаток, а также фюзеляжей и в автомобильной промышленности. Они обладают достоинствами, как-то: низкой плотностью, высокими механическими характеристиками, а также коррозионной стойкостью. Титану и его сплавам традиционно посвящают международные конференции, например [1], и проводят работы по исследованию результатов применения прогрессивных, в том числе аддитивных технологий [2]. Кроме того, титан включают в состав новых высокоэнтропийных сплавов [3]. Однако возможности традиционных титановых сплавов практически исчерпаны [4, 5]. Продвижение в области механических свойств и рабочих температур заключается в разработке новых композитных структур и применении обычно ранее не используемых соединений [6]. Армированные волокнами композиты с матрицей на основе металлических сплавов представляют собой особый и сложный класс материалов, в особенности на основе титана, известного своей химической активностью [4].

В работе представлена пилотная разработка новой композитной слоисто-волокнистой структуры с матрицей на основе титана, содержащей чередующиеся слои интерметаллидов системы титан–алюминий и твердых растворов алюминия в титане, армированной непрерывными монокристаллическими волокнами сапфира, полученными модифицированным методом Степанова (EFG) (EFG – Edge-defined Film-fed Growth) [7]. Такая трехкомпонентная структура потенциально способна существенным образом реализовать синергетический эффект, превосходящий эффект в двухкомпонентных композитах [8]. Волокна отличает высокая прочность, соответствующая мировому уровню, превосходящая прочность волокон, получаемых другими методами, а в нашей стране такие волокна являются уникальными [7, 9–11]. Групповой способ получения волокон приводит к приемлемой для конструкционных применений стоимости их получения, а его модификация, заключающаяся в стабилизации роста волокон, позволяет изготавливать волокна с повышенным качеством поверхности, которая обеспечивает не только рост прочности, но и возрастание их оптических свойств и теплопроводности. Оксид алюминия, имеющий близкий с титаном температурный коэффициент линейного расширения, практически решает проблему остаточных напряжений, обычно возникающих при технологических процедурах. Иерархически организованная слоисто-волокнистая структура, содержащая разного рода неоднородности, включая границы раздела между компонентами, позволяет также достичь посредством выбора составов, геометрии структуры и технологических режимов необходимой трещиностойкости композита, содержащего хрупкие компоненты.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ, СТРУКТУРА И ИСПЫТАНИЯ КОМПОЗИТОВ

Композит изготавливали твердофазным методом [7] путем горячего прессования заготовки, представляющей собой многослойный пакет чередующихся фольг титана, алюминия и расположенных параллельно друг другу волокон сапфира, промежутки между которыми заполняли порошком гидрида титана. В результате нагрева под нагрузкой происходило компактирование заготовки, дегидрирование титана, диффузия элементов и образование твердых растворов алюминия в титане и интерметаллидов в системе титан–алюминий, а также формирование границ раздела между компонентами структуры. Диффузионную сварку выполняли в вакууме не ниже 10^–4 мм рт. ст. с остановкой при температуре ~600°С в течение 1 ч в окончательном режиме: 1250°С, 1 ч, 8.3 МПа. Функция остановки заключалась в обеспечении связывания структуры плавящимся алюминием, образования твердых растворов алюминия в титане и относительно низкотемпературных интерметаллидов Ti–Al. В результате формировалась структура с достаточной сплошностью. На рис. 1а показан участок поперечного сечения полученного композита.

Рис. 1.

Участок поперечного сечения композита: a – волокна сапфира I в матрице II на основе титана; б – схема рентгеновского элементного “точечного” микроанализа (флажки) в зоне одного из волокон вдоль осей X и Y. Направление X – направление прессования перпендикулярно плоскостям фольг.

Состав и структура композитов изучены с использованием растрового электронного микроскопа CamScan MV230 (VEGA TS 5130MM), оснащенного детекторами вторичных и отраженных электронов и энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором. Обнаружено взаимодействие волокна сапфира с титановой матрицей: кольцевые окаймления волокон серого цвета различной ширины, отличных по контрасту, указывают на их различный состав (рис. 1). На диаграмме состояний Ti−Al имеются четыре стабильных интерметаллидных соединения: Ti₃Al, TiAl и TiAl₃, а также Ti₂Al с отношениями атомов Ti/Al 1/3–3. Идентификация набора фаз в диффузионных слоях представляет известную трудность. Результаты элементного микроанализа Ti и Al в области одного из волокон приведены на рис. 1б и 2. Приборная погрешность, равная удвоенному среднеквадратическому отклонению величин измерений в каждой из “точек”, не превышает 1.2% для Al и 1.4% для Ti, что соответствует размерам значков (треугольников), показанных на графиках. Соответственно, погрешности отношений Ti/Al, определяющих химические соединения, оценочно не превышают 2.6%. Собственно, величины этих отношений попадают в указанный выше диапазон 1/3–3. Таким образом, возможно образование всего указанного ряда интерметаллидов, а также твердых растворов алюминия в титане различных концентраций. В настоящей же работе достаточно качественно установить образование этих соединений. Дополнительным подтверждением их существования могут служить данные об образовании таких соединений в сходных с [12] условиях. Вид концентрационных зависимостей (рис. 2) Ti и Al указывает на анизотропию состава матрицы вдоль направлений X и Y, определяемую структурой исходной заготовки композита и направлением приложения нагрузки при диффузионной сварке.

Рис. 2.

Концентрационные зависимости Ti (1) и Al (2) в композите вдоль осей X (а) и Y (б) (рис. 1б).

Полученный композитный материал в виде пластины разрезали на образцы в форме стержней прямоугольного сечения, которые были испытаны на изгиб с целью определения характеристик разрушения. На рис. 3 показаны некоторые результаты испытаний, произвольно выбранных образцов размером ~4 × 3 × 25 мм с направлением приложения нагрузки перпендикулярно плоскостям исходных фольг (вдоль оси X). Вид деформационных кривых (рис. 3а) указывает на их незначительный разброс и нехрупкий характер разрушения образцов. Морфология поверхности разрушения (рис. 3б), представляющая одну из поверхностей макротрещины, также свидетельствует о нехрупком характере разрушения. Наблюдаются дробление волокон, вытягивание волокон из матрицы, расслоение по границам волокно–матрица, развитая топология поверхностей волокон и матрицы. Указанные множественные микроразрушения вносят существенный вклад в увеличение общей эффективной поверхностной энергии разрушения композита.

Рис. 3.

Зависимости прогибов композитных образцов (1, 2) от нагрузок при испытаниях на изгиб (а). Участок поверхности разрушения материала образца (б): I – волокно, II – матрица.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Модифицированным методом Степанова, заключающимся в формообразовании, стабилизации роста волокон и групповом выращивания волокон из расплава оксида алюминия, изготовлены сапфировые монокристаллические армирующие волокна. Метод обеспечивает повышение качества и производительности процесса получения волокон.

Твердофазным методом диффузионной сварки впервые получены образцы однонаправленно армированного непрерывными волокнами монокристаллического сапфира слоисто-волокнистого композита иерархической структуры с матрицей на основе титана.

Методами растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа исследована структура композитов. Установлено образование в технологическом процессе интерметаллидов системы Ti–Al и твердых растворов алюминия в титане, а также анизотропия состава матрицы. Механические испытания композитных образцов, содержащих хрупкие компоненты, на макроскопическом уровне по виду деформационных кривых указывают на нехрупкий характер их разрушения, подтверждаемый микроскопическими наблюдениями поверхностей разрушения.