росту площади и относительной протяженно

15
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
2. Включения оплавленного металла на межслойной границе состоят из интерметаллидов
NiAl3, Ni2Al3. С увеличением W2 содержание в оплавленном металле более твердой фазы Ni2Al3
увеличивается.
3. Полученные данные могут быть использованы в практических целях как при назначении
оптимальных режимов сварки взрывом алюминия с никелем, так и при создании слоистых
интерметаллидных композитов системы Al-Ni.
Рис. 5. Распределение микротвердости в поперечном
сечении биметалла АД1+НП1:
1 – исходные отожженные металлы; 2, 3, 4 – после сварки
при W2 = 1,21, 1,96 и 2,24 МДж/м2, соответственно
Выводы
1. При сварке взрывом алюминия с никелем
формирование структурно-механической микронеоднородности определяется энергией, затраченной на пластическую деформацию поверхностных слоев металла. При W2, не превышающей 1 МДж/м2, граница соединения АД1 +
+ НП1 свободна от оплавленного металла и имеет безволновой профиль. Увеличение W2 приводит к нестабильному волнообразованию,
росту площади и относительной протяженности оплавленного металла переменного состава.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рябов, В. Р. Сварка алюминия и его сплавов с другими
металлами / В. Р. Рябов–Киев : Наукова думка, 1983. – 264 с.
2. Самсонов, Г. В. Тугоплавкие соединения / Г. В. Самсонов, И. М. Винницкий. – М.: Металлургия, 1976. – 560 с.
3. Седых, В. С. Расчет условий оплавления и количества оплавленного металла при сварке взрывом / В. С. Седых, А. П. Соннов // Сварка взрывом и свойства сварных
соединений : науч. тр. ВПИ, вып. № 1. – 1974. – С. 25-34.
4. Иванько, А. А. Твердость: справочник / А. А. Иванько; под ред. Г. В. Самсонова ; Ин-т проблем материаловедения. – Киев : Наукова думка, 1968. – 127 с.
5. Синельникова, В. С. Алюминиды / В. С. Синельникова, В. А. Подергин, В. Н. Речкин. – Киев : Наукова думка, 1965. – 243 с.
6. Чуларис, А. А. Исследование переходной зоны
взаимодействия никеля с алюминием в условиях пайки /
А. А. Чуларис, Г. В. Чумаченко, П. И. Селезнев // Вестник
ДГТУ. – 2006. – Т. 6. –№ 2 (29). – С. 103–109.
УДК 621.791:621.771
В. Г. Шморгун – д-р техн. наук, Ю. П. Трыков – д-р техн. наук, О. В. Слаутин – канд. техн. наук,
А. И. Богданов – аспирант, А. Е. Битюцких – студент
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО И СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КИНЕТИКУ РОСТА
ДИФФУЗИОННОЙ ПРОСЛОЙКИ В НИКЕЛЬ-АЛЮМИНИЕВОМ КОМПОЗИТЕ*
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: mv@vstu.ru)
Исследовано влияние растягивающей и сжимающей нагрузки, приложенной по нормали к границе соединения биметалла никель-алюминий, на кинетику роста диффузионных прослоек. Получены уравнения,
описывающие их рост в зависимости от характера прилагаемой нагрузки.
Ключевые слова: никель-алюминиевый композит, сварка взрывом, диффузия, растяжение, сжатие, интерметаллидные слои.
Influence of stretching and compressing load, applied in accordance with a normal line to the connection
boundary of nickel-aluminium bimetal, on kinetics of growth of diffusion layers is investigated. The equations describing their growth depending on character of applied load are received.
Keywords: nickel-aluminium composite, explosion welding, diffusion, stretching, compressing, intermetallics
layers.
*
Одним из эффективных способов получения качественного соединения никеля с алюминием является сварка взрывом (СВ). В ряде
случаев сваренные взрывом заготовки подвер*
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (08-08-00056) и проекта 2.1.2/573 целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала
высшей школы».
гаются технологическим переделам, связанным
с их обработкой давлением, а изделия из этого
биметалла, находящиеся под статической нагрузкой различного знака и интенсивности, –
технологическим или эксплуатационным нагревам. Учитывая, что задача прогнозирования
диффузионного взаимодействия между никелем и алюминием, способного за счет образо-
16
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
а
б
Рис. 1. Приспособление для нагрева никель-алюминиевого композита под нагрузкой (а – растяжения, б – сжатия):
1 – никелевый слой; 2 – алюминиевый слой; 3 – диффузионная прослойка; 4 – приложенная нагрузка; 5 – захват; 6 – опора; 7 – фиксатор
вания интерметаллидной фазы после высокотемпературных нагревов привести к охрупчиванию сварного соединения, весьма актуальна,
целью данной работы явилось получение расчетных зависимостей, описывающих кинетику
роста интерметаллидной прослойки с учетом
знака прилагаемой нагрузки.
Материалы и методы исследования
Сварку взрывом алюминия АД1 и никеля
НП1 с толщиной плакирующего и основного
слоев 5 и 2,5 мм, соответственно, осуществляли
по параллельной схеме. Расчет оптимальных
параметров СВ производился на ПЭВМ по программе «Welding». Металлографические исследования осуществляли на модульном моторизованном оптическом микроскопе «Olympus
BX61» с фиксацией микроструктур цифровой
камерой DP-12 при увеличениях ×200–×1000.
Параметры структуры биметалла измеряли при
обработке цифровых изображений пакетом
программ «AnalySIS» фирмы Soft Imaging System Gmbh. Влияние нагрузки, приложенной при
растяжении и сжатии композита по нормали к
зоне соединения, на диффузионные процессы,
протекающие на границе раздела слоев при нагреве, исследовали с помощью помещаемой в
печь специально изготовленной оснастки (рис.
1). Термообработку осуществляли в печи SNOL
8,2/1100 при 550–630 °С в течение 1–10 ч под
нагрузкой 0,01 МПа. Результаты исследования
обрабатывались методами математической статистики с использованием специальных пакетов прикладных программ (DataFit фирмы
«Oakdale Engineering»). Среднеквадратичное
отклонение составило S = 0,05; достоверность
аппроксимации R2 = 0,8–0,9.
Результаты и их обсуждение
Исследования показали, что рост интерметаллидной прослойки на межслойной границе
никель-алюминиевого композита начинается
с образования локальных участков, которые с повышением температуры и времени нагревов
увеличиваются в размерах и срастаются в одну
сплошную прослойку, а температурно-временная зависимость периода до образования интерметаллидов (NiAl, Ni2Al3, Ni3Al) [1] следует
экспоненциальному закону, характерному для
взаимной концентрационной диффузии, и удовлетворительно описывается известным уравнением диффузии [2]:
⎛ E
τ Л = τ0 ехр ⎜ з
⎝ RT
⎞
⎟,
⎠
(1)
где τ0 –постоянная величина (с); ЕЗ – энергия
активации процесса образования новой фазы
(Дж/моль); R – газовая постоянная (Дж/град·моль),
Т – абсолютная температура (К).
Установлено, что латентный период образования интерметаллидной прослойки в полученных сваркой взрывом соединениях никельалюминий практически не зависит от знака
приложенной по нормали к границе соединения
нагрузки
⎛ 118060 ⎞
(2)
τ Л = 0,786 ⋅ 1010 ехр ⎜
⎟,
⎝ RT ⎠
интенсивность роста прослойки определяется, в
основном, температурой нагрева (рис. 2–4), а
зависимость ее толщины h от времени выдержки τ подчиняется параболическому закону
h2 = K (τ – τл),
(3)
17
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
где τл – длительность латентного (инкубационного) периода образования интерметаллидной
прослойки (с); К – коэффициент, характеризующий скорость ее роста, совпадающий по размерности и пропорциональный коэффициенту
диффузии (мкм2/с) [2]:
⎛ Ep ⎞
h22 − h12
= K 0 exp ⎜ −
(4)
⎟,
τ 2 −τ1
⎝ RT ⎠
где Ко – постоянная величина (мкм/с); Ер –
энергия активации процесса роста новой фазы
(Дж/моль).
K=
Рис. 2. Кинетика роста диффузионной прослойки в никель-алюминиевом композите при температуре 550 °С:
1 – без нагрузки; 2 – сжатие; 3 – растяжение
Рис. 3. Кинетика роста диффузионной прослойки в никель-алюминиевом композите при температуре 600 °С:
1 – без нагрузки; 2 – сжатие; 3 – растяжение
18
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 4. Кинетика роста диффузионной прослойки в никель-алюминиевом композите при температуре 630 °С:
1 – без нагрузки; 2 – сжатие; 3 – растяжение
На рис. 5 приведены результаты металлографического исследования зоны соединения
сваренных взрывом композиционных образцов,
анализ которых позволил установить, что на
межслойной границе после отжига формируются два типа сплошной интерметаллидной прослойки: узкая «светлая» со стороны алюминия
и более широкая «серая» со стороны никеля.
Приложение нагрузки приводит к росту толщины прослойки как первого, так и второго типа.
На рис. 6 для исследованной композиции
приведены графики lgK = f(1/RT), построенные
по экспериментальным данным. Линейный характер полученных зависимостей свидетельствует об удовлетворительном совпадении происходящих процессов с основным законом реактивной диффузии.
Значения энергии активации процесса роста
интерметаллидов, вычисленные по опытным
данным и представленная в таблице, имели
наибольшую величину после сварки взрывом.
а
При приложении растягивающей и сжимающей
нагрузки происходит понижение Ер, а, соответственно, и увеличение скорости роста интерметаллидной прослойки.
По нашему мнению, увеличение скорости
роста толщины прослойки под действием нагрузки связано с возникновением в кристаллической решетке металлов напряжений, приводящих с повышением температуры к переориентации текстуры в направлении, параллельном
приложенной нагрузке, и, как результат, к росту дислокационных несовершенств, способствующих ускорению диффузионных процессов.
Независимо от реализованной величины упругой или пластической деформации у границы
раздела металлов, величина энергии активации,
рассчитанная для инкубационного периода,
превышает энергию активации, характеризующую рост интерметаллидного слоя (таблица 1),
что соответствует выводам С. Д. Герцрикена и
И. А. Дехтяра [3].
б
б
Рис. 5. Микроструктуры зоны соединения образцов никель-алюминиевого композита после отжига при температуре 630 °С
в течение 10 ч без нагрузки (а), с приложением сжимающей (б) и растягивающей (в) нагрузки (×200)
19
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 6. Логарифмическая зависимость коэффициента скорости роста диффузионной прослойки
на границе соединения никеля с алюминием от величины 1/RT:
1 –без нагрузки; 2 – сжатие; 3 – растяжение
Влияние характера нагрузки, прилагаемой при отжиге к биметаллу
никель НП1 + алюминий АД1, на скорость роста диффузионной прослойки
Условия отжига
биметалла
Энергия активации Ер,
Дж / моль
Без нагрузки
84384
Сжатие
82920
Растяжение
81784
Выводы
1. Приложение по нормали к границе раздела слоев сваренного взрывом биметалла никель-алюминий сжимающей или растягивающей нагрузки интенсифицирует рост диффузионной прослойки, что обусловлено понижением энергии активации ее роста за счет
структурных изменений, вызванных упругой и
пластической деформацией.
2. Латентный период образования интерметаллидной прослойки в полученных сваркой
взрывом соединениях никель-алюминий практически не зависит от знака приложенной по
нормали к границе соединения нагрузки.
3. Полученные цифровые значения параметров диффузии могут быть использованы в
практических целях, как для определения мак-
Предэкспоненциальный
множитель, К0
Уравнение скорости роста К,
мкм2/с
⎛ −84384 ⎞
K = 3,08 × 104 exp ⎜
⎟
⎝ RT ⎠
3,08×104
⎛ −82920 ⎞
K = 3,08 × 104 exp ⎜
⎟
⎝ RT ⎠
⎛ −81784 ⎞
K = 3,08 × 104 exp ⎜
⎟
⎝ RT ⎠
симальной длительности безопасных нагревов
биметалла никель-алюминий, так и для определения рабочего ресурса работающих при повышенных температурах никель-алюминиевых
деталей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шморгун, В. Г. Кинетика диффузионных процессов
в никель-алюминиевой композиции / В. Г. Шморгун,
Ю. П. Трыков, О. В. Слаутин, В. В. Метелкин, А. И. Богданов // Известия вузов. Порошковая металлургия и
функциональные покрытия. – 2008. – № 4. – С. 24–28.
2. Лариков, Л. Н. Диффузионные процессы в твердой
фазе при сварке / Л. Н. Лариков, В. Р. Рябов, В. М. Фальченко. – М.: Машиностроение, 1975. – 192 с.
3. Герцрикен, С. Д. Диффузия в металлах и сплавах в
твердой фазе / С. Д. Герцрикен, И. А. Дехтяр. – М.: Физматгиз, 1960. – 564 с.