СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОМПОЗИТА Ti-TiB
|
Введение 5
Глава 1 Обзор литературы 7
1.1. Металломатричные композитные материалы с титановой матрицей 7
1.2. Диаграмма фазового равновесия Ti-B. Термодинамика формирования TiB. Структура боридов титана 10
1.3. Методы получения ММК 15
1.4. Микроструктура композита Ti-TiB 18
1.5. Механические свойства композита Ti-TiB 20
Глава 2 Материал и методики исследования 23
2.1 Материалы исследования 23
2.2 Методика приготовления смеси 23
2.3 Искровое плазменное спекание 24
2.4 Подготовка образцов для металлографических исследований 24
2.5 Методика электронно-микроскопических исследований 24
2.6 Определение среднего размера зерна методом секущих линий 25
2.7 Микроструктурные исследования 26
2.8 Ковка 26
2.9 Испытание на растяжение 27
2.10 Определение микротвердости 28
2.11 Методика определения коэффициента деформационного упрочнения 28
2.12 Техника безопасности и охрана труда 29
Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение 30
3.1. Исследование влияния параметров перемешивания на структуру и механические свойства композита Ti/TiB 30
3.2. Исследование влияния температуры искрового плазменного
спекания на эволюцию микроструктуры композита Ti/TiB 33
3.3. Исследование влияния температуры искрового плазменного
спекания на механические свойства композита Ti/TiB 39
3.4. Исследование микроструктуры и механических свойств синтезированного при 1000°С композита Ti/TiB с долей армирующего компонента TiB2 - 10% 41
3.5. Исследование эволюции микроструктуры композита Ti/TiB после осадки при различных температурах 45
3.6. Микроструктура и механические свойства композита Ti/TiB после всесторонней изотермической ковки при повышенных температурах 49
Выводы 52
Список литературы 54
Глава 1 Обзор литературы 7
1.1. Металломатричные композитные материалы с титановой матрицей 7
1.2. Диаграмма фазового равновесия Ti-B. Термодинамика формирования TiB. Структура боридов титана 10
1.3. Методы получения ММК 15
1.4. Микроструктура композита Ti-TiB 18
1.5. Механические свойства композита Ti-TiB 20
Глава 2 Материал и методики исследования 23
2.1 Материалы исследования 23
2.2 Методика приготовления смеси 23
2.3 Искровое плазменное спекание 24
2.4 Подготовка образцов для металлографических исследований 24
2.5 Методика электронно-микроскопических исследований 24
2.6 Определение среднего размера зерна методом секущих линий 25
2.7 Микроструктурные исследования 26
2.8 Ковка 26
2.9 Испытание на растяжение 27
2.10 Определение микротвердости 28
2.11 Методика определения коэффициента деформационного упрочнения 28
2.12 Техника безопасности и охрана труда 29
Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение 30
3.1. Исследование влияния параметров перемешивания на структуру и механические свойства композита Ti/TiB 30
3.2. Исследование влияния температуры искрового плазменного
спекания на эволюцию микроструктуры композита Ti/TiB 33
3.3. Исследование влияния температуры искрового плазменного
спекания на механические свойства композита Ti/TiB 39
3.4. Исследование микроструктуры и механических свойств синтезированного при 1000°С композита Ti/TiB с долей армирующего компонента TiB2 - 10% 41
3.5. Исследование эволюции микроструктуры композита Ti/TiB после осадки при различных температурах 45
3.6. Микроструктура и механические свойства композита Ti/TiB после всесторонней изотермической ковки при повышенных температурах 49
Выводы 52
Список литературы 54
За последние 20 лет, исследования в области наноструктурных материалов совершили резкий скачок вперёд. Было выявлено и доказано, что металлы приобретая ультрамелкозернистую (УМЗ) структуру могут упрочняться в 2-5 раз. В связи с этим в данной области проведено большое количество исследований, направленных на разработку методов получения УМЗ структур в металлах, а также их анализ.
Одним из металлов, на основе которых ведутся исследования, является титан. Титан и его сплавы сочетают в себе ряд свойств, позволяющих рассматривать данные материалы в качестве перспективных для различных областей промышленности. К основным привлекательным свойствам и достоинствам титана и его сплавов можно отнести: малую плотность (4500 кг/м3), способствующую уменьшению массы используемого материала; высокую механическую прочность, стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния; необычайно высокую коррозионную стойкость, обусловленную способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТЮ2, прочно связанные с массой металла; удельную прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей. Титан и его сплавы благодаря сочетанию привлекательных свойств нашли применение в различных отраслях промышленности, таких как авиастроение, судостроение, машиностроение, приборостроение и медицина. В некоторых отраслях, например, в медицине применение легированных сплавов жестко ограничено либо недопустимо. Но потребность в высокопрочных, коррозионностойких материалах остается.
Для получения УМЗ структуры в титане, помимо целого ряда классических методов деформационной обработки, основанных на проведении пластической деформации с большими степенями деформации (интенсивная пластическая деформация), существует технология искрового плазменного спекания (ИПС), в основе которой лежит принцип горячего прессования с применением короткоживущей искровой плазмы. Данный метод синтезирования композиционных материалов из порошков, дает возможность полностью контролировать структурные процессы, протекающие в момент спекания, что позволяет получить наноструктурированный композит. В качестве возможного упрочнителя титановой матрицы, наиболее привлекательным является TiB поскольку, обладает высокой прочность и высоким модулем Юнга, близким коэффициентом термического расширения с титаном. Помимо хороших прочностных свойств моно борид титана является стабильным при повышенных температурах по отношению к титановой матрице.
Так же большой интерес представляют исследования эволюции структуры и механических свойств композита Ti/TiB под влиянием пластической деформации при повышенных температурах. При этом температура деформационной обработки сплава зачастую имеет определяющее влияние на характер формирующейся микроструктуры и механические свойства. В связи с этим данная работа направлена на разработку технологии компактирования металломатричного композита Ti/TiB с оптимальными механическими свойствами и проведением исследований последующей пластической деформации при повышенных температурах с целью модифицирования свойств композита.
Одним из металлов, на основе которых ведутся исследования, является титан. Титан и его сплавы сочетают в себе ряд свойств, позволяющих рассматривать данные материалы в качестве перспективных для различных областей промышленности. К основным привлекательным свойствам и достоинствам титана и его сплавов можно отнести: малую плотность (4500 кг/м3), способствующую уменьшению массы используемого материала; высокую механическую прочность, стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния; необычайно высокую коррозионную стойкость, обусловленную способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТЮ2, прочно связанные с массой металла; удельную прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей. Титан и его сплавы благодаря сочетанию привлекательных свойств нашли применение в различных отраслях промышленности, таких как авиастроение, судостроение, машиностроение, приборостроение и медицина. В некоторых отраслях, например, в медицине применение легированных сплавов жестко ограничено либо недопустимо. Но потребность в высокопрочных, коррозионностойких материалах остается.
Для получения УМЗ структуры в титане, помимо целого ряда классических методов деформационной обработки, основанных на проведении пластической деформации с большими степенями деформации (интенсивная пластическая деформация), существует технология искрового плазменного спекания (ИПС), в основе которой лежит принцип горячего прессования с применением короткоживущей искровой плазмы. Данный метод синтезирования композиционных материалов из порошков, дает возможность полностью контролировать структурные процессы, протекающие в момент спекания, что позволяет получить наноструктурированный композит. В качестве возможного упрочнителя титановой матрицы, наиболее привлекательным является TiB поскольку, обладает высокой прочность и высоким модулем Юнга, близким коэффициентом термического расширения с титаном. Помимо хороших прочностных свойств моно борид титана является стабильным при повышенных температурах по отношению к титановой матрице.
Так же большой интерес представляют исследования эволюции структуры и механических свойств композита Ti/TiB под влиянием пластической деформации при повышенных температурах. При этом температура деформационной обработки сплава зачастую имеет определяющее влияние на характер формирующейся микроструктуры и механические свойства. В связи с этим данная работа направлена на разработку технологии компактирования металломатричного композита Ti/TiB с оптимальными механическими свойствами и проведением исследований последующей пластической деформации при повышенных температурах с целью модифицирования свойств композита.
В данной работе проведено исследование технологии получения металломатричного композита Ti-TiB, обладающего повышенными и в то же время сбалансированными механическими свойствами, а так же возможности последующей модернизации структуры и свойств. По итогам проведенного исследования можно сделать следующие выводы :
1. Характерной особенностью композита Ti-TiB , синтезированного методом ИПС являются волокна TiB, неоднородно распределенные в титановой матрице. Проведя опытные исследования различных режимов синтеза, выяснилось, что наибольший вклад в характерные особенности структуры и механических свойств композита вносит значение температуры синтеза. Синтезированный композит при 850°С имеет большие остаточные напряжения вследствие а^Р фазового перехода в процессе охлаждения при ИПС. В процессе спекания при 850°С в структуре обнаружилась существенная доля непрореагировавшего с матрицей TiB2 (10-12%). Синтез при 1000°С позволил снизить долю TiB2 в структуре до 2%. Пористость в обоих состояниях не превышает 0.5%
2. Наиболее перспективным в дальнейшем исследовании является композит, синтезированный при температуре 1000°С и с долей армирующего компонента TiB2 - 10%. При подготовке порошков к синтезу, наилучшей технологией смешения стал режим перемешивания посредством вибрационной дисковой мельницы в среде этанола в течение одного часа с предварительным охлаждением размольного стакана жидким азотом. Микроструктура синтезированного композита характеризуется тремя структурными составляющими: титановая матрица, волокна моноборида титана, сформировавшегося в ходе реакции Ti+TiB2=2TiB, а также частицы остаточного непрореагировавшего TiB2, объёмная доля которого не привышает 2%. Доля пор в структуре не превышает 0.5%. Количественная оценка показала, что диаметр волокон составляет 63±15 нм. ПЭМ анализ также показывает неоднородное распределение нитевидных кристаллов TiB в титановой матрице. Процентное содержание фаз, полученное с помощью количественного рентгеноструктурного анализа составило: 79.2% Ti, 18.7% TiB и 2% TiB2. Механические испытания композита показали наличие заметной пластичности лишь при температуре 500ОС и выше. При более низких температурах, разрушение произошло в упругой области. Показатель твердости составил 690HV.
3. Пластическая деформация методом осадки в интервале температур 500- 1050°С приводит к переориентации волокон TiB в направлении деформации и значительному уменьшению их длины. Стабильное соотношение сторон усов TiB достигается при деформации в интервале 500-850 и составляет ~10.
4. Эволюция микроструктуры в ходе деформации можно выделить 3 стадии:
1) формирование ячеистой микроструктуры с высокой плотностью дислокаций при осадке 500°С; 2) протекание динамической
рекристаллизации в интервале 700-950°С; 3) формирование полностью
рекристаллизованных структуры при температуре деформации выше 1000°С.
5. При проведение механических испытаний композита синтезированного при температуре 1000°С, была определена температура ХВП ~550°C. С целью повышения пластичности, синтезированный композит был подвергнут всесторонней изотермической деформации (ковке) при температуре 850°C до суммарной степени деформации ~2. Исследования образцов композита подвергавшегося обработке, показали снижение температуры хрупко-вязкого перехода (с ~450°C до ~300°C). Пластичность композита при комнатной температуре повысилась до ~5%.
1. Характерной особенностью композита Ti-TiB , синтезированного методом ИПС являются волокна TiB, неоднородно распределенные в титановой матрице. Проведя опытные исследования различных режимов синтеза, выяснилось, что наибольший вклад в характерные особенности структуры и механических свойств композита вносит значение температуры синтеза. Синтезированный композит при 850°С имеет большие остаточные напряжения вследствие а^Р фазового перехода в процессе охлаждения при ИПС. В процессе спекания при 850°С в структуре обнаружилась существенная доля непрореагировавшего с матрицей TiB2 (10-12%). Синтез при 1000°С позволил снизить долю TiB2 в структуре до 2%. Пористость в обоих состояниях не превышает 0.5%
2. Наиболее перспективным в дальнейшем исследовании является композит, синтезированный при температуре 1000°С и с долей армирующего компонента TiB2 - 10%. При подготовке порошков к синтезу, наилучшей технологией смешения стал режим перемешивания посредством вибрационной дисковой мельницы в среде этанола в течение одного часа с предварительным охлаждением размольного стакана жидким азотом. Микроструктура синтезированного композита характеризуется тремя структурными составляющими: титановая матрица, волокна моноборида титана, сформировавшегося в ходе реакции Ti+TiB2=2TiB, а также частицы остаточного непрореагировавшего TiB2, объёмная доля которого не привышает 2%. Доля пор в структуре не превышает 0.5%. Количественная оценка показала, что диаметр волокон составляет 63±15 нм. ПЭМ анализ также показывает неоднородное распределение нитевидных кристаллов TiB в титановой матрице. Процентное содержание фаз, полученное с помощью количественного рентгеноструктурного анализа составило: 79.2% Ti, 18.7% TiB и 2% TiB2. Механические испытания композита показали наличие заметной пластичности лишь при температуре 500ОС и выше. При более низких температурах, разрушение произошло в упругой области. Показатель твердости составил 690HV.
3. Пластическая деформация методом осадки в интервале температур 500- 1050°С приводит к переориентации волокон TiB в направлении деформации и значительному уменьшению их длины. Стабильное соотношение сторон усов TiB достигается при деформации в интервале 500-850 и составляет ~10.
4. Эволюция микроструктуры в ходе деформации можно выделить 3 стадии:
1) формирование ячеистой микроструктуры с высокой плотностью дислокаций при осадке 500°С; 2) протекание динамической
рекристаллизации в интервале 700-950°С; 3) формирование полностью
рекристаллизованных структуры при температуре деформации выше 1000°С.
5. При проведение механических испытаний композита синтезированного при температуре 1000°С, была определена температура ХВП ~550°C. С целью повышения пластичности, синтезированный композит был подвергнут всесторонней изотермической деформации (ковке) при температуре 850°C до суммарной степени деформации ~2. Исследования образцов композита подвергавшегося обработке, показали снижение температуры хрупко-вязкого перехода (с ~450°C до ~300°C). Пластичность композита при комнатной температуре повысилась до ~5%.
Подобные работы
- ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЪЕМНЫХ КОМПОЗИТОВ И ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ TiCB
Дипломные работы, ВКР, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 4280 р. Год сдачи: 2017 - Исследование СВС порошков на основе TiB
Магистерская диссертация, технология производства продукции. Язык работы: Русский. Цена: 2350 р. Год сдачи: 2017 - Синтез композиционных порошков “карбид титана-связка Р6М5” и их применение
для наплавки и напыления износостойких покрытий
Магистерская диссертация, технология производства продукции. Язык работы: Русский. Цена: 2350 р. Год сдачи: 2017