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.