Структура та механічні властивості багатошарових композитів мідь-тантал, отриманих методом дифузійного зварювання

- розробив та обґрунтував технологічний процес виготовлення шаруватих композитів мідь-тантал методом дифузійного зварювання через прошарок нікелевої фольги [1, 2, 3, 4, 7, 9 ];

- виявив ефект додаткового зміцнення ШКМ мідь-тантал при 20 та 600⁰С[ 3, 8 ];

- дослідив електропровідність ШКМ Cu-Ta та їх складових[ 10 ];

- встановив зниження відносного звуження мідної матриці в складі ШКМ мідь-тантал у порівнянні з вільним станом міді[3, 5, 6 ];

- визначив наявність проміжного типу діаграм розтягування у композитах, що вивчаються, при кімнатній температурі[ 3 ];

- виявив немонотонну залежність релаксаційної стійкості ШКМ мідь-тантал при 600⁰С та виявив причини цього явища[ 11 ].

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дослідження, його наукова новизна і практична цінність, сформульовано мету і завдання дослідження, наведено основні наукові результати, одержані здобувачем, показано їх практичне значення.

У першому розділі «Стан питання та задачі дослідження» міститься аналіз найбільш значущих робіт, присвячених існуючим волокнистим та багатошаровим композитам на основі міді, методам їх отримання, перевагам та недолікам у порівнянні одне з іншим. На основі відомих даних про властивості міді й танталу у вільному стані, їх взаємодії між собою встановлено, що використання цих металів як компонентів шаруватого композита приведе до отримання в композиті оптимального поєднання міцності й пластичності. Відомий волокнистий композит мідь-тантал виготовляється методом просочення, котрий є енергоємним (потрібно розплавлення міді), трудомістким, а отже, - витратним. Тому були розглянуті інші методи виготовлення композитів для вибору серед них оптимального (динамічне гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання).

З метою вивчення механізмів, які приводять до найбільшого ефекту зміцнення в шаруватих композитах на основі міді, розглянуто їх механічні властивості при кімнатній та підвищених температурах, а також динаміку процесу руйнування.

У другому розділі «Методика дослідження» розглянуті методики виготовлення шаруватих композитів мідь-тантал та дослідження структури і механічних властивостей композитів і складових їх матеріалів. При вдосконаленні технології виготовлення ШКМ застосовували фольги та конденсати міді. Останні були отримані методом електронно-променевого випаровування при температурі підкладки 80-90⁰С.

Основною технологією виготовлення багатошарових композитів мідь-тантал у представленій дисертації є дифузійне зварювання шарів фольг Cu і Та через прошарок нікелевої фольги.

Технологічними параметрами цього процесу є: температура - 1000⁰С, тривалість - 1 година, тиск у пристосуванні - близько 40 МПа і вакуум 1,310^-2 Па. Структурно всі композити складалися з трьох шарів міді, чотирьох шарів нікелю і двох шарів танталу (рис. 1).

За цією технологією були отримані сім партій композиційних матеріалів Cu-Та (з шаром фольги Ni між міддю та танталом):

2) 2,8% Та; 4,8 % Ni; 93,2 % Сu.

3) 7% Та; 10 % Ni; 83 % Cu.

4) 11,1 % Та; 22,2 % Ni; 66,7 % Cu.

5) 12,4 % Та; 20,8 % Ni; 66,8 % Cu.

6) 15,8 % Та; 24,4 % Ni; 59,8 % Cu.

7) 25 % Та; 22,7 % Ni; 52,3 % Cu.

Об'ємний вміст компонентів у композитах регулювався товщиною шарів міді. Для виготовлення цих партій композитів використовувалася наклепана мідна фольга металургійного виробництва товщиною 45мкм і чистотою 99,96 %. Для одержання потрібної об'ємної долі складових з неї набиралися пакети, або вона прокочувалася до необхідної товщини. Товщина фольги Та чистотою 99,99 % складала 15 мкм. Нікелева фольга товщиною 10 мкм і чистотою 99,98 % була отримана холодною прокаткою зливків нікелю з проміжними рекристалізаційними відпалами при 900⁰С.

Для дослідження мікроструктури фольги міді, нікелю, танталу, композитів мідь-тантал, визначення середнього розміру зерен, розмірів тріщин у композитах, якості дифузійного зварювання використовувався мікроскоп МИМ-7 та растровий електронний мікроскоп РЭММА-101. Для визначення періоду ґратки шарів нікелю і танталу, що знаходилися в композиті, було проведено їхнє дослідження на установці ДРОН-3. Оцінка вмісту нікелю в шарах танталу й танталу в шарах нікелю здійснювалась за допомогою рентгено-флюоресцентного методу на приладі СПРУТ-4.

Механічні випробування фольги танталу, міді, нікелю і ШКМ мідь-тантал при кімнатній температурі здійснювали в режимі розтягання з відносною швидкістю 310^-4 с^-1 і релаксації напружень на мікромашині оригінальної конструкції (жорсткість 310⁷ Н/м) для випробувань фольги, плівок, а також на універсальній установці ТIRATEST-2200 (жорсткість 810⁹ Н/м).

При підвищених температурах випробування в режимах розтягання і релаксації напружень здійснювали на мікромашині (жорсткість 510⁶ Н/м) при температурі 600⁰С, вакуумі 10^-2 Па. Для випробувань в режимі розтягання і релаксації напружень, відповідно до ГОСТ 1497-84 та ГОСТ 11701-84, використовували плоскі зразки другого типу. Після випробувань досліджуваних матеріалів у режимі розтягання за первинними діаграмами визначали значення _0,05; _0,2; _В та .

Вивчення досліджуваних матеріалів у режимі релаксації напружень при розтяганні проводили таким чином: перша крива знімалася при деформаціях зразка близьких 0,05 %, кількість наступних кривих залежала від пластичності матеріалу. Отримані дані дозволили одержати залежності швидкості релаксації від часу і поточного напруження.

Виміри мікротвердості здійснювали на приладі ПМТ-3 за стандартною методикою при навантаженнях 0,49 Н для фольги Cu та 0,196 Н для фольги Та.

Для вимірювання електричного опору ШКМ Cu-Ta та їх компонентів використовували метод чотирьох-точкового зонду при послідовному розташуванні зразка та еталонного резистора.

У третьому розділі «Дослідження структури та механічних властивостей компонентів ШКМ мідь - тантал у початковому та відпалених станах» розглянуто вплив відпалів на структуру і механічні (у тому числі релаксаційні) властивості складових ШКМ у вільному стані, який для них був нерівноважним. Це дозволяло прогнозувати властивості складових шарів після виготовлення композитів, провести аналіз переваг відповідних складових за такими параметрами як міцність та структурна стабільність, а в подальшому -з урахуванням їх адгезійного зв'язку.

Порівняння структурної стабільності фольги та вакуумних конденсатів Cu, фольги Ni, Та. Дослідження структурної стабільності фольги Cu виявило, що після їхнього відпалу в інтервалі 300ч1000⁰С через протікання процесів первинної і збиральної рекристалізації розмір зерна зазнає істотних змін і після відпалу при 1000⁰С досягає понад 70 мкм. У вакуумних конденсатах Cu (температура підкладки 8090⁰С), які, як передбачалось, будуть мати кращий адгезійний зв'язок із складовими шарами, лише після проведення відпалу при 900⁰С в результаті активного протікання збиральної рекристалізації розмір зерен зростає до 4,5 мкм. Таким чином, вакуумні конденсати Cu мають більш високу структурну стабільність у порівнянні з фольгою Cu, що, імовірно, пов'язано з впливом залишкових газів (O₂, N₂) при отриманні конденсатів. Більш тугоплавка, у порівнянні з фольгою Cu, фольга Ni товщиною 10 мкм після відпалу при 1000⁰С має менший розмір зерна - 42 мкм.

Фользі танталу притаманна у досліджуваному інтервалі температур (до 1300⁰С) набагато вища структурна стабільність. Окрім тугоплавкості, на неї істотно впливає мікроструктура у стані постачання та чистота. Для досліджень були використані як чисті фольги танталу (99,99 % Та), так і такі, що містили ніобій (99,47 % Та, 0,53 % Nb) для поліпшення, як передбачалось, адгезійного зв'язку між шарами ШКМ. Так, мікроструктура фольги танталу чистотою 99,47 % у стані постачання складалася як з нових рекристалізованих, так і старих деформованих зерен. Тільки після відпалу при 1000⁰С відбувається повне заміщення деформаційної структури новими рекристалізованими зернами. Мікроструктура фольги танталу чистотою 99,99 % у стані постачання складалася з практично рівноосних зерен, що говорить про завершення в ній первинної рекристалізації, тому мікроструктура фольги не зазнала помітних змін аж до відпалу при 1300⁰С.

Міцність компонентів ШКМ Cu-Ta. Вибір компонентів залежить від їх механічних властивостей, зокрема - при кімнатній температурі. Так, наклепана мідна фольга та вакуумні конденсати у початковому стані мали високі властивості міцності (_В дорівнювала ~500 МПа та ~300 МПа відповідно), але при цьому ж - низьку пластичність (~0,5 %). У відпаленому при 900⁰С стані механічні властивості обох матеріалів практично вирівнюються (_В ~100 МПа, ~10 %). Отже, з огляду на цю обставину, а також більш складну технологію виготовлення вакуумних конденсатів, фольги Cu в якості матриці ШКМ вже мали перевагу. Нікель, який використовувався як прошарок між Cu і Та через необмежену розчинність у Cu й обмежену - до 3 % у Та, після відпалу при 1000⁰С мав _В ~133 МПа, ~11 %.

Дослідження двох партій танталу, різних за чистотою і структурним станом, після відпалів в інтервалі 400-1300⁰С й вакуумі 10^-2 Па показало помітну відмінність їхніх механічних властивостей. Так, дослідження фольги Та (99,47 %) свідчили, що спостерігається зростання характеристик міцності аж до максимальної температури відпалу 1000⁰С (_В ~1150 МПа), пластичність при цьому знижується до 0,3 %. В свою чергу, у фольги Та (99,99 %) властивості міцності ведуть себе аналогічно тільки до відпалу при 800⁰С (_В ~910 МПа). Після цього (1000⁰С) відбувається різкий спад міцності (_В ~300 МПа), і пластичність падає практично до нуля. Настільки вражаючі відмінності обумовлені тим, що у фользі Та (99,47 %) первинна рекристалізація не завершилася на відміну від більш чистої фольги. Тому розмір зерна в них був у кілька разів більше, ніж у фользі (99,47 %). Це привело до того, що домішки в процесі газонасичення при відпалах у фользі Та (99,47 %) розміщувались рівно-мірніше, та ставали крихкими менше, ніж фольги Та (99,99 %).

Релаксаційні властивості компонентів ШКМ мідь-тантал. Релаксаційні властивості досліджувалися як у зоні пружних, так і розвинутих пластичних деформацій. Релаксація напруження оцінювалася через відносне падіння напруження релаксації _i, а також швидкість релаксації. Дослідженнями релаксаційної стійкості фольги і вакуумних конденсатів Сu було показано, що в цілому фольги міді мають вищу релаксаційну стійкість, ніж вакуумні конденсати, що пояснюється більш крупним зерном у фользі після відпалів при 300 і 600⁰С, яке не дозволяє реалізовуватися механізму зернограничного ковзання. Після відпалів у 900⁰С релаксаційна стійкість цих матеріалів стає більш близькою, що пояснюється укрупненням зерен в останніх через протікання збиральної рекристалізації. На релаксаційну стійкість фольги Та як чистотою 99,99 %, так і 99,47 % помітно впливало газонасичення при відпалах, яке із підвищенням температури збільшується. Внаслідок цього спостерігається підвищення релаксаційної стійкості у порівнянні з вихідним станом. При цьому у фользі Та (99,47 %) через протікання рекристалізації вищезгадана характеристика зростала повільніше, ніж у більш чистій фользі (99,99 % Та). Релаксаційну стійкість фольги Nі вивчали після відпалів при 1000⁰С, по цій властивості вона займає проміжне місце між фольгою, вакуумними конденсатами Cu та фольгою Ta.

Спираючись на результати, отримані в третьому розділі, було встановлено, що в якості основних компонентів композита мідні фольги й фольги танталу (99,99 %) мають певну перевагу перед вакуумними конденсатами міді і фольгою Та (99,47 %).

У четвертому розділі «Дослідження механічних та провідникових властивостей ШКМ мідь - тантал» наведені результати дослідження структури і механічних властивостей ШКМ Cu-Та з різною схемою утворення адгезійного зв'язку складових при температурах 20 і 600⁰С.

Дослідження ШКМ Сu-Tа без шарів Ni. Окрім вибору основних складових шаруватих композитів Cu-Та, проводився також порівнювальний аналіз для різних схем будови і особливостей технології їх одержання. Так, була досліджена можливість дифузійного зварювання міді і танталу без прошарку нікелевої фольги. Для цього були отримані ШКМ Cu-Ta з матрицями із фольги і вакуумного конденсату міді, в яких була однакова об'ємна доля Та - 18 %. Дослідження їх механічних властивостей показали, що композити з матрицею із фольги Cu по _0,05, _0,2, _В відрізняються мало, а по відносному подовженню та адгезії, яку оцінювали по відносній долі розшарування після механічних іспитів, перевищують композити з матрицею з вакуумного конденсату Cu. Тому в подальшому при виготовленні ШКМ Cu-Та (окрім ШКМ з 88 % Та) всі композити виготовляли з матрицями із мідної фольги. Для досягнення задовільної адгезії між міддю та танталом використовували фольги Та (99,47 Та %, 0,53 % Nb) та збільшили термін дифузійного зварювання до двох годин, щоб забезпечити дифузію ніобію в мідь. Аналіз експериментальних залежностей механічних характеристик від об'ємної долі зміцнювача (рис.2) показав відсутність характерного для ШКМ із пластичною матрицею і крихким волокном падіння міцності із точкою мінімуму, що обумовлено тим, що точка V_min знаходиться в області концентрацій, менших 7,5 % танталу.

Для порівняння експериментальних значень _0,05 і відповідних теорій був проведений розрахунок на підставі співвідношення адитивності. При цьому використовувалося припущення, що в силу низького рівня _0,05 фольги Cu в порівнянні з Ta, пластична деформація композитів до 0,05 % обумовлена тільки міддю. Отже, відносну пружну деформацію танталу можна оцінити як:

_пр = _{пр Cu} + _{0,05 Cu} = _{0,05 Cu}/Е_Cu + 510^-4, (1)

де _пр - пружна деформація Та; _{пр Cu} - пружна деформація міді на границі пружності; _{0,05 Cu} - пластична деформація міді на границі пружності (510^-4); _{0,05 Cu} - границя пружності міді після відпалу (1000⁰С); Е_Cu - модуль нормальної пружності міді.

Далі, використовуючи співвідношення адитивності, можна записати :

_0,05розр = _{0,05 Cu} f_Cu + _пр Е_Та f_Та, (2)

де _0,05розр - розрахункова границя пружності композитів; Е_Та - модуль нормальної пружності танталу; f_Cu, f_Та - об'ємний вміст міді і танталу відповідно.

Отримані на підставі цієї формули оцінки _0,05розр показали, що експериментальні значення _0,05 суттєво перевершують розрахункові. Ця розбіжність викликана спільною дією таких факторів: більш високими значеннями _0,05 міді в складі композиту; складним напруженим станом, у якому знаходяться складові композита; структурним станом і наявністю домішок у танталі.

Адгезійний же зв'язок складових шарів, як і в раніше розглянутих композитах, був явно недостатнім, що призвело до необхідності подальшого удосконалювання технології виготовлення композитів мідь-тантал, тобто використання нікелевого прошарку між шарами основних компонентів і застосування фольги танталу чистотою 99,99 % для посилення адгезійного зв'язку.

Дослідження ШКМ мідь-тантал з прошарками нікелю при кімнатній температурі. Ефективність дифузійного зварювання міді і танталу через нікелевий прошарок була підтверджена дослідженнями періодів кристалічних ґраток Nі й Та, які у складі композиту межували один з іншим. Так, період ґратки нікелю в складі композиту змінився на 0,0008? у порівнянні з вихідним станом, а період ґратки танталу в порівнянні з вихідним змінився відповідно на 0,0025?. Це свідчить, що деяка кількість атомів танталу розчинилась у ґратці нікелю, і, в свою чергу, атоми Nі розчинились в Та. Певну відмінність в ефекті можна пояснити як різним рівнем гомологічних температур для нікелю і танталу, так і неоднаковими атомними радіусами цих металів. Дослідження ШКМ Cu-Та, отриманих дифузійним зварюванням через прошарок нікелевої фольги, з об'ємними долями 1; 2,8; 7; 11,1; 15,8 і 25% Та показало, що залежність їх механічних характеристик від об'ємної долі танталу (рис. 3) помітно відрізняється від аналогічних кривих для ШКМ Cu-Ta без шарів нікелю. Спираючись на рис. 3, можна вказати на певну подібність кривих _0,05, _0,2 і _В. Так, починаючи з об'ємної долі в 2,8 % Та спостерігається різке зростання цих характеристик, але з 7 % Та - слабкий темп їхнього підвищення. Для пояснення не монотонності графіків властивостей міцності були визначені мінімальний і критичний обємний вміст зміцнювальних шарів Та, а також значення _0,05розр для всіх ШКМ. Було розраховано, що V_min = 2,9 % Та, а V_кр = 4,2 % Та, отже, характеристики міцності композитів з 1 і 2,8 % Та повинні бути менше, ніж у матриці, однак цього не спостерігається. Оцінка розрахункової межі пружності, яка була проведена за аналогією з безнікелевими композитами, але з урахуванням Nі, показала, що спостерігається її гарний збіг з експериментальними значеннями тільки для композитів з 1 і 2,8 % Та. Для інших же спостерігається 2-3 разове перевищення експериментальних значень над розрахунковими. Проведений аналіз свідчить про те, що це обумовлене кількістю зерен по товщині мідної матриці. Так, у композиті з 1 % Та в ній укладається 16 зерен; для 2,8 % Та - 7 зерен; при 7 % Та - 3 зерна; у композитах з 11,1; 15,8 і 25 % Та одне зерно відповідно. Саме тому в композитах з малими об'ємними долями танталу (1 і 2,8 % Та) ковзання протікає по звичайній для полікристалів схемі, а зміцнення за рахунок здійснення ковзання по несприятливо-орієнтованих площи-нах (модель Явора А.А.) не реалізується. В стільниковій же структурі матриці (ШКМ від 7 до 25 % Та) ковзання, після заблокування звичайно орієнтованих площин, здійснюється саме по моделі Явора А.А. Це приводить до додаткового зміцнення, яке зростає в інтервалі від 2,8 до 7 % Та, а потім є постійною складовою. Потрібно також додати, що, як видно з рис. 3, додаткове зміцнення досягає максимуму у ШКМ з 7 % Та, у яких по товщині мідного шару знаходиться 2-3 зерна, але для них характерна низька пластичність. Тому у перспективних ШКМ для поєднання ефекту зміцнення та пластичності, виходячи з розміру зерна міді після відпалу при 1000⁰С, потрібно в шарах Cu замість фольги з товщиною 45 мкм застосовувати фольги товщиною 300 мкм. Це дасть змогу, наприклад, у ШКМ з 2,8 % Та, підвищити міцність при збереженні притаманній ним пластичності.

Аналіз відносного подовження і звуження досліджуваних композитів показав, що на ці характеристики значний вплив, як і в безнікелевих композитах, здійснює складний напружений стан. Причому наявність шарів нікелю, у якого модуль нормальної пружності, коефіцієнт Пуассона, температурний коефіцієнт лінійного розширення й інші характеристики відмінні від Cu і Tа, ще сильніше віддаляє композит від одноосьової схеми напруженого стану до плоскої. Головну роль у цьому явищі грає саме Ni через найменшій, чим в міді і танталі, коефіцієнт Пуассона та більший в порівнянні з танталом вміст. Отже, знаходячись у складі ШКМ, Cu у поперечному напрямку буде розтягуватися, а Ni - стискуватися. Тому відносне звуження шарів міді складає близько 40 %, що в 2 рази менше, ніж у вільному стані (рис. 3). Дослідження видів діаграм розтягання композитів свідчать про те, що поряд з їхніми класичними видами для ШКМ із крихкими шарами і пластичною матрицею - «пилкоподібним» і лінійним, також є і проміжний тип. Він характеризується наявністю ділянки пластичної деформації при одиничному руйнуванні (рис. 4, крива 2). Існування його пояснюється тим, що при передачі ковзання по несприятливо-орієнтованих площинах мідь у складі ШКМ має більш високу міцність, ніж звичайно у вільному стані. Тому з появою тріщини в танталі мідь руйнується не відразу, а якийсь час несе частину навантаження, наслідком чого є збереження відносного подовження в межах 1 % в композиті з 7 % Та. З підвищенням об'ємної долі Та мідь вже значно менше компенсує навантаження, тому діаграма розтягання має лінійний вигляд.

Дослідження особливостей руйнування композитів на прикладі ШКМ із 1 % Та показало, що тріщини в шарах танталу неоднакові по довжині, розподілу і кількості, причому найбільш розповсюдженими є тріщини довжиною від 10 до 20 мкм. Розташування великих тріщин поблизу зони руйнування дозволяє стверджувати, що воно відбувається по одній з перших тріщин у момент вичерпання ресурсів пластичності міді.

Дослідженнями релаксаційних властивостей було встановлено, що складові композитів у вільному стані характеризуються близькими рівнями спадання напруження та взагалі виявлена загальна слабка тенденція на зниження відношення /₀ (₀ - початкове напруження релаксації) зі зростанням об'ємного вмісту танталу. Окрім того є невеликі локальні мінімуми і максимуми, що не дозволяють судити про перевагу того чи іншого концентраційного інтервалу.

В цілому слід зазначити, що оптимальні механічні властивості (_0,05; _0,2; _В та ) при кімнатній температурі мають композити з об'ємним вмістом від 2,8 до 7 % Та.

Дослідження механічних та релаксаційних властивостей ШКМ Cu-Ta при 600⁰С. Дослідження механічних властивостей при підвищених температурах проводили при 600⁰С у вакуумі. Класичні механічні характеристики наведені на рис. 5. Відзначимо, що ця температура є гомологічно високою для Cu (0,65 Т_пл), Nі (0,5 Т_пл), а для Та вона є порівняно низькою (0,27 Т_пл). Через це створений в процесі випробування на розтягання наклеп в Cu та Nі знімається в результаті рекристалізаційних процесів, а передача напружень здійснюється в основному не ковзанням, а переповзанням. Аналізуючи рис.5, необхідно відзначити, що механічні властивості ШКМ до об'ємної долі 2,8 % Та мало перевищують властивості чистої міді, що пов'язано з тим, що структура мідної матриці в цих ШКМ близька до полікристалічної.

У концентраційному інтервалі від 2,8 до 11,1 % танталу в цілому повторюються тенденції росту механічних характеристик, що характерні для кімнатної температури і пов'язані з реалізацією ініціювання ковзання по несприятливо-орієнтованих площинах і при підвищених температурах (модель Явора А.А.).

У концентраційному інтервалі від 11,1 до 15,8 % танталу спостерігається різке, а потім до 25% танталу більш помірне зростання механічних характеристик, що пояснюється мікроструктурою мідної матриці. По-перше, необхідно відзначити, що ширина дифузійної зони між шарами нікелю і міді, виміряна при дослідженнях мікроструктури композитів, складає 15 мкм. Отже, у композитах з 15,8 і 25 % танталу ширина дифузійної зони порівнянна із шириною шарів міді, а це спричиняє як гальмування росту зерен міді, так і підвищення міцності за рахунок твердорозчинного зміцнення. Крім того, у цих ШКМ, на відміну від всіх інших, у дослідженій системі мідна матриця складається з одного шару фольги. Наслідком цього є додаткове зміцнення при переході від полікристалічної до стільникової структури мідної матриці, бо в цьому випадку в ній гальмується зернограничне ковзання. При подальшому аналізі механічних характеристик були розглянуті діаграми розтягання досліджуваних композитів при 600⁰С за аналогією з кімнатною температурою (рис.4). Діаграми розтягання при 600⁰С мають наступний вигляд (рис. 6). Порівнюючи відповідні діаграми розтягання композитів Cu-Та при кімнатній температурі і при 600⁰С не можна не відзначити їхню подібність і відмінність. Так, подібним є вид діаграм розтягання для композитів з 1 і 2,8 % Та, якість яких не змінилася. Відмінним же є якість діаграм розтягання у композитів з 7 та 11,1 % Та й 15,8 та 25 % Та. Так, у композитів з 7 і 11,1 % Та ця відмінність виявляється в наявності «пилкоподібності» при 600⁰С. У свою чергу, на діаграмах розтягання ШКМ із 15,8 і 25 % Та після випробувань при 600⁰С відзначена не тільки ділянка пружної деформації (як при кімнатній температурі), але й пружно-пластичної. Є також і кількісні відмінності. Як відомо, причиною «пилко- подібного» виду діаграм є формування тріщин у шарах зміцнювача, причому після випробувань ШКМ з 1 % Та при 6000С їхнє число (10) суттєво менше ніж при 200С (380). Подальше порівняння видів діаграм розтягання та мікроструктури дозволяє стверджувати, що якщо руйнування ШКМ Cu-Та при кімнатній температурі, починаючи з 7 % Та, відбувається вже після першої тріщини, то при 6000С перехід до одиничного руйнування (після появи першої тріщини) чиниться з 15,8 % Та (рис. 6).

Цю відмінність можна пояснити двома факторами. По-перше, при підвищених температурах випробувань мідна матриця в момент появи тріщини в шарах танталу в цій зоні (поруч з тріщиною) має підвищену несучу здатність унаслідок локалізації деформації і високої швидкісної чутливості опору високотемпературному деформуванню. Підкреслимо, що “питома вага” цієї зони в шарах міді збільшується з підвищенням об'ємної долі танталу. По-друге, в порівнянні з кімнатною температурою загальна несуча здатність міді при 600⁰С значно зменшилась внаслідок протікання процесів повзучості. Однак зі збільшенням об'ємної долі танталу роль цього фактору знижується, тому що зростає “питома вага” локалізованих зон в міді. Саме тому при високій об'ємній долі танталу (15,8 та 25 %) та низькій для міді, руйнування композиту відбувається відразу після появи першої тріщини в шарах танталу. Наслідком же високої локальної несучої здатності матриці в момент появи першої тріщини є наявність на діаграмах розтягання пружно-пластичної ділянки.

Як і у випробуваннях в режимі розтягання, релаксацію напружень композитів дос-ліджували при 600⁰С (рис.7), причому мідь при 600⁰С має майже в два рази меншу релаксаційну стійкість, ніж тантал. Сама ж залежність /₀ від об'ємної долі танталу має виражену зону мінімуму - від 2,8 до 11,1 % Та. Таким чином, у цьому концентра-ційному інтервалі релаксаційна стійкість досліджуваних ШКМ найкраща. Потім зі збільшен-ням об'ємної долі Та криві піднімаються, досягаючи у своєму максимумі (25 % Та) значень, близьких для чистої міді. Погіршення релаксаційної стійкості композитів відбувається тому, що в композитах з об'ємними долями 15,8 і 25 % танталу глибина дифузійного шару між нікелем і міддю є порівняною з товщиною самого шару міді. Як було відзначено, нікель встигає проникнути за час дифузійного зварювання на глибину близько 15 мкм, викликаючи при цьому в шарі міді, що граничить з ним, не тільки збереження дрібного зерна, але і зміну кольору. В зв'язку з тим, що товщина шарів міді змінюється в композитах з різними об'ємними долями Та, для оцінки впливу дифузійної зони на релаксаційні властивості композитів необхідно знати відношення глибини дифузії до товщини шарів міді. Було встановлено, що якщо у композитах з об'ємними долями 1-11,1 % Та відношення глибини дифузійної зони між міддю і нікелем до ширини самого шару міді знаходиться в інтервалі від 2,3 до 30 %, то для композитів з 15,8 і 25 % Та воно складає 50 і 100 % відповідно. Аналізуючи ці дані та рис.7, можна відзначити, що дифузійна зона значно не впливає на релаксаційну стійкість доти, поки її відношення до загальної товщини одного шару міді не перевищує 30 % (11,1 % Та). Отже, якщо дрібнозерниста будова дифузійної зони між міддю і нікелем підвищила міцність ШКМ Cu-Та з 15,8 і 25 % Та (рис. 5), то в даному випадку навпаки - релаксаційна стійкість погіршилася. Тому на підставі рис. 5 і 7 необхідно відзначити, що оптимальні механічні властивості для роботи при підвищеній температурі є у ШКМ з об'ємними долями від 2,8 до 11,1 % Та.

Дослідження електричного опору ШКМ мідь-тантал. Експериментальна крива питомого електричного опору (рис.8) характеризується близьким до лінійного зростанням. Попередні оцінки композиту по цьому параметру для Cu, Ta і Ni, що з'єднані паралельно, показали, що розрахункові значення в 2-3 рази менше експериментальних. Це, як і у випадку релаксаційних влас-тивостей, обумовлено дифузійною зоною в Cu, яка збагачена нікелем. Відношення адитивності для питомого електроопору композита приймає наступний вигляд:

(3)

де , , , и - питомий електричний опір композиту, міді, танталу, нікелю та дифузійної зони (Cu + Ni) відповідно; , , и - об'ємна доля Cu, Tа, Nі та дифузійної зони (Cu + Ni) відповідно.

Як видно з рис. 8, якщо враховувати дифузійну зону в 15 мкм з питомим електричним опором 25 мкОм*см, відмінність розрахункової оцінки від експерименту не перевищує 20 %. Зважаючи, що у ШКМ Cu-Та з 1 та 2,8 % Та питомий електричний опір є близьким до чистої міді, доцільно використовувати їх в якості електротехнічних матеріалів при кімнатних температурах та невеликих навантаженнях, а ШКМ від 3 до 11% Ta для елементів конструкцій, які несуть як струмове, так і силове навантаження, в умовах високих температур експлуатації.

Виходячи з цього, запропоновано використовувати ШКМ Cu-Ta як матеріал шинопроводів, що було апробовано у ТОВ “Ініос”, та в якості електро- та теплопровідних покриттів формоутворюючих поверхонь прес-форм у ВАТ “Салют” м. Харкова. Зокрема, термін використання прес-форми збільшився в 1,65 рази.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Виявлено, що раніш відомий метод створення композитів на основі міді, армованих танталом, - просочення - є більш складним та не дозволяє регулювати механічні властивості міді як складової. Замість цього запропоновано отримання багатошарових композитів мідь-тантал методом дифузійного зварювання через прошарок фольги нікелю.

2. Встановлені закономірності процесів деформування композитів багатошарової системи мідь-тантал при досліджених температурах (20 та 600⁰С), концентраціях (1 ч 25 % Та) та режимах деформування (розтягання та релаксація напружень) залежно від об'ємної долі Тa. Показано, що зміна механічних властивостей для ШКМ Cu-Ta не відповідає відомій схемі для односпрямованого композита з пластичною матрицею та крихким зміцнювачем.

3. Запропоновані технологічні режими більш простого і менш затратного способу виготовлення шаруватих композитів мідь-тантал з прошарком нікелевої фольги методом дифузійного зварювання(час зварювання, тиск на шари при зварюванні, ступінь вакууму). Проведено комплексне дослідження структури, механічних властивостей при 20 та 600⁰С та електропровідності цих композитів в інтервалі об'ємної долі танталу від 1 до 25 %.

4. Виявлено, що оптимальні механічні властивості (_0,05; _0,2; _В та ) при кімнатній температурі мають композити з об'ємним вмістом танталу від 2,8 до 7 %. Це пов'язано з переходом від полікристалічної структури мідної матриці (7 зерен по товщині кожного шару міді) до стільникової (2-3 зерна та менше) і реалізацією додаткового зміцнення внаслідок ініціювання ковзання в міді по несприятливо-орієнтованим площинам.

5. Показано, що при 20⁰С відносне звуження мідної матриці в композитах в усьому дослідженому інтервалі об'ємної долі Та становить близько 40 %, що в ~ 2 рази менше, ніж у Cu в вільному стані. Це обумовлено знаходженням складових ШКМ при випробуваннях на розтягання не в одноосьовому, а в більш жорсткому напруженому стані двохосьового розтягання.

6. В інтервалі об'ємної долі Та від 7 до 11,1 % встановлений новий проміжний тип діаграми розтягання, який, поряд з традиційним пилкоподібним та лінійним видами, характерними для ШКМ з пластичною матрицею і крихким волокном, реалізується в композитах Cu-Ta як при 20 так і при 600⁰С. Це обумовлено тим, що через здійснення ковзання за несприятливо-орієнтованими площинами мідь у складі ШКМ має міцність вищу, ніж у вільному стані.

7. Виявлено, що при 600⁰С в інтервалі від 11,1 до 15,8 % об'ємної долі танталу підвищені темпи зростання характеристик міцності обумовлені ефектом стримання зернограничного ковзання при переході до стільникової структури в мідній матриці.

8. Встановлено, що при підвищенні температури випробування ШКМ Cu-Ta від 20 до 600⁰С для «пилкоподібного» типу діаграм розтягання характерно зниження пластичності, а для проміжного і лінійного типів - її збільшення, в той час як у більшості ШКМ характер зміни пластичності для традиційного виду діаграм однаковий. Це можна пояснити зниженням несучої здатності міді при невеликому об'ємному вмісті танталу та компенсуванням цього фактору локалізованою деформацією в мідній матриці при збільшенні об'ємного вмісту танталу. Локалізована деформація виникає поблизу тріщини в Та, має підвищену несучу здатність, роль якої зростає із збільшенням об'ємної долі танталу.

9. Вперше встановлений немонотонний характер концентраційної залежності релаксаційної стійкості композитів при підвищених температурах (600⁰С) в інтервалі 1 ч 25 % об'ємної долі Та. Показано, що підвищення релаксаційної стійкості до 11,1 % Та обумовлено зростанням його об'ємної долі, а її зниження при подальшому рості вмісту танталу пов'язано зі збільшенням відносної глибини дифузійної зони між Ni і Cu з низькою релаксаційною стійкістю.

10. Показано, що концентраційна залежність питомого електричного опору ШКМ близька до лінійної та обумовлена зіставленим внеском шарів Cu, Ni, Ta, а також перехідного дифузійного шару. При цьому в якості електротехнічних матеріалів для кімнатних температур можна рекомендувати інтервал до 3 % Та, а для високих температур - від 3 до 11 %.

11. Прогнозується, що для розширення концентраційного інтервалу дії додаткового зміцнення в перспективних шаруватих композитах необхідно використовувати фольги міді товщиною 300 мкм, тобто порівняною з розміром рекристалізаційного зерна міді при температурах виготовлення композитів.

12. Комплекс проведених досліджень свідчить, що оптимальне поєднання характеристик конструкційної міцності як при 20, так і при 600⁰С досягається в композитах з об'ємною долею Та від 2,8 до 11,1 %. Виходячи з цього, запропоновано використовувати ШКМ Cu-Ta як матеріал шинопроводів, що було апробовано у ТОВ “Ініос” та в якості електро- та теплопровідних покриттів формоутворюючих поверхонь прес-форм у ВАТ “Салют” м. Харкова. Зокрема, термін використання прес-форми при цьому збільшився в 1,65 рази.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДІСЕРТАЦІЇ:

1. Terletsky A.S. Effect of recrystallizing anneals on the structure and relaxation properties of copper foils and vacuum condensates / A.S. Terletsky, E.V. Yascheritsyn // Functional Materials. - 2001. - Vol. 8, №3. - Р. 539-543.

2. Лябук С.И. Релаксация напряжений в дисперсно-упрочненных вакуумных пленках Ni / С.И. Лябук, Е.В. Ящерицын, С.Н. Топтунова // Вестник ХГПУ. Сборник трудов. Тематич. выпуск: Новые решения в современных технологиях. - Харьков: ХГПУ.- 2000. - Вып.82. - С. 31-33.

3. Ящерицын Е.В. Механические свойства слоистых композитов Cu-Та с различной толщиной медных слоев / Е.В. Ящерицын // Вісник НТУ ХПІ. Збірник наукових праць. Тематич. випуск: Нові рішення в сучасних технологіях. - Харків: НТУ ХПІ. - 2002. - Т2, №6. - С. 69-73.

4. Ящерицын Е.В. Оптимизация количества упрочняющей фазы в слоистых композитах Cu-Та на основе сопоставления вида кривой разрушения с микроструктурой / Е.В. Ящерицын // Тези доп. наук.-метод. конф. “Техносфера та її безпека”. Харків, 15 жовт. 2003р. - Х., 2003. - С. 33-35.

5. Терлецкий А.С. Прочность и пластичность многослойных композитов Cu-Та / А.С. Терлецкий, Е.В. Ящерицын // XLII Международная конф. “Актуальные проблемы прочности”. Калуга, 26-29 мая 2004г., материалы XLII Междунар. конф. “Актуальные проблемы прочности”. - М. Издательсво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - С.79-80.

6. Терлецкий А.С. Прочность и пластичность многослойных композитов Cu-Та / А.С. Терлецкий, Е.В. Ящерицын // Деформация и разрушение материалов. - Москва: ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН. - 2005. - №8. - С. 45-47.

7. Деклараційний патент України на корисну модель, 7 С22С47/20, В23К20/00. Шаруватий композиційний матеріал. Ящеріцин Є.В., Терлецький О.С. НТУ Харківський політехнічний інститут”, (UA) - №5575; заявл. 12.07.2004; опубл. 15.03.2005 р. Бюл.№3.

8. Ящерицын Е.В. Механические свойства слоистых композитов медь-тантал при 600⁰С, полученных диффузионной сваркой через прослойку никелевой фольги/ Е.В. Ящерицын, А.С. Терлецкий // Вісник НТУ ХПІ. Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Технології в машинобудуванні. - Харків: НТУ ХПІ. - 2005. - №24. - С. 262-269.

9. Ящеріцин Є.В. Обгрунтування вибору матеріалу - зміцнювателя шаруватого композиційного матеріалу мідь-тантал в залежності від температури плавлення та ГДК / Є.В. Ящеріцин, О.С. Терлецький // Тези доповідей конференції “Безпека життєдіяльності”. Харків, 7-8 груд. 2006р., - Х., 2006. - С. 65-66.

10. Ящеріцин Є.В. Електричний опір шаруватого композиційного матеріалу мідь-тантал / Є.В. Ящеріцин, О.С. Терлецький // Тези доп. 8-ї міжвуз. наук.-метод. конф. “Безпека людини в сучасних умовах життєдіяльності”.- Харків, 4-5 груд. 2008 р.,CD-R80, 2008. - 1електрон.опт.диск.- Систем вимоги. Pentium; 80Mb; Windows 98/2000/NT/XT. -Заг. з титул. екрану.

11. Ящеріцин Є.В. Релаксація напружень у шаруватих композитах мідь-тантал при кімнатній температурі і 600 °С / Є.В. Ящеріцин, О.С.Терлецький // Вісник НТУ ХПІ. Збірн. наук. праць. Тем. випуск:Нові рішення в сучасних технологіях. - Харків: НТУ ХПІ. - 2007. - №11. - с. 58-64.

АНОТАЦІЇ

Ящеріцин Є. В. Структура та механічні властивості багатошарових композитів мідь-тантал, отриманих методом дифузійного зварювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. Харківський національний автомобільно-дорожній університет. Харків, 2010.