close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование теплопроводности биметалла алюминий-магний..pdf

код для вставкиСкачать
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
31
УДК 621.791:621.771
Ю. П. Трыков, д-р техн. наук, Д. В. Проничев, канд. техн. наук,
О. В. Слаутин, канд. техн. наук, В. Н. Арисова, канд. техн. наук,
Д. С. Самарский, инженер, Е. А. Кобликова, студент
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ БИМЕТАЛЛА АЛЮМИНИЙ-МАГНИЙ*
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: mv@vstu.ru)
Исследовано влияние различных структурных факторов, возникающих при сварке взрывом и последующей термической обработке, на теплопроводность биметалла АД1+МА2-1. Расчетным путем получены
значения коэффициентов теплопроводности диффузионных интерметаллидных прослоек в различных состояниях.
Ключевые слова: слоистые композиты, интерметаллиды, теплопроводность, диффузия, сварка взрывом.
Influence of the various structure factor arising at an explosion welding and the subsequent heat treatment, on
heat conductivity of composite aluminium AD1+ magnesium MA2-1 is investigated. Settlement values of coefficients of thermal conductivity diffusion intermetallic layers in various conditions are gained.
Keywords: layered composites, intermetallide, heat conductivity, diffusion, explosion welding.
Алюминий, магний и их сплавы применяются при создании летательных аппаратов, наземных транспортных средств, элементов топливных систем двигателей благодаря высокой
удельной прочности и стойкости к воздействию
атмосферы, топлива и агрессивных сред. Создание композиционных материалов на основе
этих металлов позволяет получить новые свойства и повысить существующие, расширяя их
области применения. *
В данной работе исследуется влияние сварки взрывом (СВ), возникающей при этом
структурной неоднородности и интерметаллидных диффузионных прослоек на теплопроводность слоистого композиционного материала АД1+МА2-1.
При нагреве слоистых композиционных материалов диффузионное взаимодействие происходит в твердой фазе с образованием непрерывных интерметаллидных прослоек, закономерности формирования которых зависят от
сочетания металлов, температурно-временных
условий термической обработки и режима
сварки взрывом [1].
Исследуемый материал был получен сваркой взрывом на режимах, обеспечивающих качественное соединение слоев без непроваров и
оплавов, с образованием безволнового профиля
границы раздела (скорость соударения υс1 = 550,
скорость точки контакта υк = 2500 м/с) .
При сварке взрывом многослойных композитов, связанной со значительной пластической
*
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ (08-08-00056 и 10-08-00437-а) и проекта
2.1.2/573 целевой программы Рособразования «Развитие
научного потенциала высшей школы».
деформацией в околошовных зонах (ОШЗ) свариваемых металлов, картина изменения микротвердости значительно усложняется. Это связано с влиянием остаточных напряжений, возникающих из-за различия модулей упругости и
пределов текучести магния и алюминия. Максимальное упрочнение магния и алюминия наблюдается в ОШЗ. В частности, твердость
алюминия составляет около 500 МПа, а сплава
МА2-1 превышает 1500 МПа. При удалении от
ОШЗ, средняя микротвердость в алюминии не
превышает 400 МПа, сохраняя высокие (до 450–
480 МПа) значения на расстоянии от 50 до
200 мкм от ОШЗ. В магниевом сплаве на расстоянии от 50 до 200 мкм от ОШЗ микротвердость находится на уровне 120 – 1250 МПа
и 900 – 1000 МПа на удалении от ОШЗ более
200 мкм (рис. 1, а).
Для формирования диффузионной прослойки образцы биметалла алюминий-магний были
подвергнуты диффузионному отжигу при температуре 400 оС со временем выдержки от 1 до
50 часов, что позволило изменять долю интремталлидов в широких пределах от 0,01 до 0,04.
Поскольку градиент реактивной диффузии
в паре алюминий-магний направлен в сторону
алюминия, рост интерметаллидной прослойки
проходил за счет уменьшения доли последнего
(табл. 1). Зависимость доли и толщины интерметаллидной прослойки от времени отжига
приведена на рис. 2.
В соответствии с диаграммой состояния алюминий-магний в системе образуются следующие фазы β(Al3Mg2), γ(Al12Mgl7), ζ(Al52Mg48),
ε(Al30Mg23). Фазы β и γ плавятся конгруэнтно
при температурах 453 и 460 °С соответственно.
32
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
а
б
в
г
Рис. 1. Распределение микротвердости в КМ алюминий-магний:
а – после сварки взрывом, б–г – после отжига при 400 оС в течение 3, 10 и 50 часов соответственно
2
1
Рис. 2. Зависимость толщины (1) и доли (2) диффузионной
прослойки в биметалле алюминий-магний от времени отжига при температуре 400 оС
Фазы ε и ζ образуются по перитектическим реакциям при температурах 450 и 452 °С соответственно. В системе существуют три эвтектических равновесия: Ж ↔Mg+ γ при температуре
438 °С, Ж ↔(А1) + β при 450 °С, Ж ↔ε + β при
448 °С, а также два эвтектоидных равновесия
ε↔ β + ζ при –428 °Cи ζ ↔β + γ при 410 °С.
Растворимость Mg в А1 исследована во многих
работах и достигает максимума 17,4 % (по массе) при температуре 450 оС, при температуре
диффузионного отжига (400 оС) она несколько
ниже – 13,5 % [2].
При термообработке (ТО) (400 °С, 3 ч) градиент твердости составляющих композиционных материалов (КМ) увеличивается вследствие образования диффузионных зон и формирования напряжений первого и второго рода изза различия в коэффициентах линейного расширения металлов. С увеличением времени ТО
микротвердость в поперечном сечении образцов снижается при одновременном ее увеличении в ОШЗ алюминиевых слоев, что свидетельствует о преимущественной диффузии магния в
алюминий и формировании в нем диффузионной прослойки (рис. 1, б).
Так, микротвердость алюминия по всему
сечению находится на уровне 400–420 МПа, а
магниевого сплава – 600–700 МПа соответственно. Однако твердость ОШЗ у магниевого сплава остается высокой – на уровне 850–900 МПа.
Микротвердость диффузионной зоны от магниевого сплава к алюминию повышается от
2100 до 2200 МПа, что свидетельствует о возможной диффузии алюминия на всю глубину
магниевого слоя.
После 10-часовой выдержки твердость основных слоев осталась неизменной, ширина
диффузионной прослойки достигла 156 мкм.
33
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
δ ДП
,
(2)
δ СКМ δ АД 1 δ МА 2 −1
−
−
λСКМ λ АД 1 λМА 2 −1
где δСКМ – толщина СКМ; δАД1, δМА2-1 – толщины
соответственно, АД1 и МА2-1; δДП – толщина
диффузионной прослойки; λСКМ – коэффициент
теплопроводности КМ; λАД1, λМА2-1 – значения
коэффициентов теплопроводности стали алюминия АД1 и магния МА2-1.
Рассчитанное по (1) значение коэффициента
теплопроводности для исследуемого биметалла
прослоек составило 143 Вт/(м·К) (рис. 3). Экспериментальное определение теплопроводности интерметаллидной композиции алюминиймагний проводилось на измерителе КИТ-02ц с
точностью 3–5 %. Установлено, что после
сварки взрывом теплопроводность материала
ниже расчетной на 28 % (102 Вт/(м·К), что согласуется с данными для других материалов,
полученных сваркой взрывом [4–7]. Падение
теплопроводности объясняется высоким уровнем структурной неоднородности, возникающей в зоне максимального упрочнения при
сварке взрывом, что подтверждается распределением микротвердости (рис. 1, а).
Дальнейшее увеличение времени ТО до
50 ч сопровождается ростом твердости диффузионной зоны, максимальное значение которой 3 ГПа. При этом твердость алюминия и
магниевого сплава практически не изменяется,
включая ОШЗ магниевого сплава (до 900 МПа)
(рис. 1, г).
Таким образом, в результате исследования
микроструктуры и микромеханических свойств
диффузионной прослойки установлено, что она
обладает высокой твердостью (от 2 до 3 ГПа),
оказывающей влияние на физико-механические
и служебные свойства исследуемой магниевоалюминиевой композиции.
Рентгеноструктурные исследования диффузионных прослоек, образующихся между алюминием и магнием в твердой фазе после 16 часов при 400 оС [3] показали, что основой прослойки является фаза Mg2Al3, обладающая
неметаллическими свойствами, также зафиксировано наличие фаз Mg3Al2 и Al12Mg17.
Исследования слоистых систем, в которых
чередуются слои основных металлов с диффузионными интерметаллидными прослойками,
показало [4], что теплофизические свойства
прослоек сильно отличаются от свойств металлов, что объясняется частичной или полной потерей химическими соединениями металлических свойств. Также было показано, что если
рассматривать биметалл с диффузионными прослойками как трехслойный композит, то возможно вычислить коэффициент теплопроводности по правилу аддитивности (1)
δ + δ + ... + δ n ,
(1)
λСКМ = 1 2
δ1 δ 2
δn
+ + ... +
λ1 λ2
λn
где δ1, δ2, … δn – толщины слоев; λ1, λ2,… λn – коэффициенты теплопроводности слоев.
Это позволяет расчетным путем определить
коэффициент теплопроводности интерметаллидной прослойки (2)
λ ДП =
Рис. 3. Теплопроводность композиционного материала
алюминий-магний:
1 – АД-1; 2 – МА2-1; 3 – значение, рассчитанное по (1); 4 – КМ после
СВ; 5–10 – КМ после отжига при 400 оС 1,2,6,10,20,50 часов; 11–15 –
диффузионная прослойка (ДП) после отжига 1,2,6,10,20,50 часов
Таблица
Теплопроводность биметалла алюминий-магний и его составляющих
Толщина слоя, мм
Коэффициент теплопроводности
Продолжительность
отжига, ч
Al
Mg
ДП
1
3,045
2,4
3
3,020
6
2,969
10
СКМ
ДП*
0,055
94
–
2,4
0,080
89
4,0
2,4
0,131
85
5,0
2,944
2,4
0,156
83
5,6
20
2,902
2,4
0,198
82
6,8
50
2,880
2,4
0,220
72
5,7
* – расчетные значения, определенные из выражения (2)
Al
230
Mg
96
34
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Диффузионный отжиг при температуре 400 оС
вызвал появление и рост диффузионной интерметаллидной прослойки с увеличением ее доли
в 4 раза, при этом происходило последовательное снижение теплопроводности композита с
94 Вт/(м·К) при толщине прослойки 0,055 мм
до 72 Вт/(м·К) при 0,22 мм (рис. 3). Таким образом, термическая обработка дает возможность понизить теплопроводность композита на
30 % по сравнению с состоянием после сварки
взрывом.
Экспериментальные данные позволили провести по (2) расчет коэффициента теплопроводности диффузионной прослойки (рис. 3). Полученные экспериментальные и расчетные значения сведены в таблицу. Видно, что теплопроводность диффузионной прослойки находится
в пределах 4,0–6,8 Вт/ (м·К), т. е. в 17 раз меньше, чем у магния и в 43 раза меньше, чем у
алюминия.
Выводы
1. Теплопроводность СИК алюминий-магний зависит от уровня структурной неоднородности на границе соединения металлов. Возникновение зоны максимального упрочнения
(ЗМУ) при сварке взрывом приводит к снижению коэффициента теплопроводности на 28 %
по сравнению с расчётным по правилу аддитивности.
2. Отжиг при температуре 400 оС приводит
к активации диффузионных процессов на границе раздела магния и алюминия и росту диффузионной прослойки. Диффузия происходит
из магния в алюминий, при этом снижается доля алюминия в композиции, а доля диффузионной прослойки растет в 4 раза с увеличением
времени выдержи до 50 часов.
3. Теплопроводность интерметаллидной прослойки находится на уровне 4,0–6,8 Вт/(м·К) –
в 17–43 раза меньше, чем у компонентов. Таким образом, можно предполагать, что химические соединения алюминия и магния обладают
свойствами неметаллов и основная часть тепла
передается в них не свободными электронами,
а волнами упругих колебаний атомов в узлах
кристаллической решетки (фононами).
4. Рост доли интерметаллидной фазы позволит значительно повысить теплоизоляционный
эффект, добиться этого увеличением времени
выдержки не представляется возможным, оптимальным представляется увеличение числа
слоев композиционного материала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Трыков, Ю. П. Диффузия в слоистых композитах /
Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, В. Н. Арисова; ВолгГТУ. –
Волгоград, 2006. – 403 c.
2. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под общ. ред. Н. П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996–2000. – 514 с.
3. Арисова, В. Н. Комплексная технология получения
магниево-алюминиевого композита / В. Н. Арисова, Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, Д. С. Самарский, В. Г. Шморгун // Известия ВолгГТУ, 2007. –С. 9–15.
4. Трыков, Ю. П. Теплофизические свойства сваренного взрывом стале-алюминиевого композиционного материала / Ю. П. Трыков, Д. В. Проничев, Л. М. Гуревич //
Материаловадение, 2007. – № 2. – С. 31–35.
5. Трыков, Ю. П. Теплопроводность медно-алюминиевого композита / Ю. П. Трыков, Д. В. Проничев, Л. М. Гуревич, О. В. Слаутин, А. В. Волчков // Технология материалов, 2007. – № 7. – С. 31–35.
6. Проничев, Д. В. Исследование теплопроводности
слоистых металлических композитов / Д. В. Проничев,
Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, О. В. Слаутин // Известия
ВолгГТУ, 2007. – С. 33–36.
7. Гуревич, Л. М. Свойства интерметаллидных прослоек
в слоистых титан-алюминиевых композитах / Л. М. Гуревич, Ю. П. Трыков, Д. В. Проничев, В. Н. Арисова, О. С. Киселев, А. Ю. Кондратьев, С. В. Панков // Известия ВолгГТУ,
2009. – С. 35–39.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
22
Размер файла
429 Кб
Теги
алюминия, биметалла, pdf, теплопроводность, магния, исследование
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа