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

Запропонований новий і менш затратний спосіб виготовлення багатошарових композитів мідь-тантал та розроблені технологічні параметри їх дифузійного зварювання через прошарок нікелевої фольги (час зварювання, тиск на шари при зварюванні, ступінь вакууму)та досліджено їх структуру, механічні та струмопровідні властивості в інтервалі концентрацій від 1 до 25 % обємної долі Ta при 20 та 600⁰С.

Встановлено, що оптимальні механічні властивості при кімнатній температурі мають композити з обємним вмістом Та від 2,8 до 7 %, в яких передача деформацій у шарах Cu здійснюється ковзанням по несприятливо-орієнтованим площинам, що викликає додаткове зміцнення.

В композитах від 7 до 11,1 % Та встановлено проміжний тип діаграм розтягання, який не відповідає двом видам традиційних діаграм для шаруватих композитів з пластичною матрицею і крихким волокном. Виявлено, що при підвищених температурах в інтервалі від 11,1 до 15,8 % об'ємної долі Та підвищені темпи росту характеристик міцності обумовлені ефектом пригнічення зернограничного ковзання при переході до стільникової структури в мідній матриці.

Вперше встановлений немонотонний характер концентраційної залежності релаксаційної стійкості композитів Сu-Ta при підвищених температурах в інтервалі 0 ч 25 % об'ємної долі Та.

Дослідження свідчать, що оптимальне поєднання механічних властивостей при кімнатній і підвищених температурах мають ШКМ з обємним вмістом від 2,8 до 11,1 % Та.

Ключові слова: шаруваті композиційні матеріали, дифузійне зварювання, характеристики міцності, концентраційна залежність, релаксаційна стійкість.

Ящерицын Е.В. Структура и механические свойства многослойных композитов медь-тантал, полученных методом диффузионной сварки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет. Харьков, 2010.

Предложен новый и менее затратный способ изготовления слоистых композиционных материалов (СКМ) Cu-Та и разработаны технологические параметры их диффузионной сварки через прослойку никелевой фольги (время сварки, давление на слои при сварке, степень вакуума).

Проведено комплексное исследование структуры, механических и токопроводящих свойств этих композитов в интервале от 1 до 25 % объемных долей тантала при 20 и 600⁰С.

Установлено, что оптимальные механические свойства при комнатной температуре имеют СКМ с объемным содержанием Та от 2,8 до 7 %. Это связано со структурой матрицы, в которой при переходе от поликристаллической структуры (7 зерен по толщине каждого слоя Cu) к почти сотовой (2-3 зерна) реализуется дополнительное упрочнение. Причем его прирост, обусловленный инициированием скольжения по неблагоприятно-ориентированным плоскостям в слоях Cu, составляет по сравнению с расчетными оценками прочности 100 %.

Показано, что при испытаниях на растяжение относительное сужение медной матрицы в СКМ во всем исследованном интервале объемных долей Та составляет около 40 %, в то время эта же характеристика для меди в свободном состоянии составляет 80 %. Это объясняется нахождением композита при растяжении не в одноосном, а в более жестком напряженном состоянии двухосного растяжения из-за различия значений коэффициента Пуассона, модуля нормальной упругости, температурного коэффициента линейного расширения.

В интервале объемных долей тантала от 7 до 11,1 % установлен промежуточный тип диаграммы растяжения, не соответствующий традиционным видам диаграмм для композитов с пластичной матрицей и хрупким волокном. Его реализация в данной системе композитов обусловлена более высокой прочностью меди в составе композита, которая объясняется микроструктурой медной матрицы, где развитие деформации осуществляется скольжением по неблагоприятно-ориентированным плоскостям. При повышенных температурах в интервале от 11,1 до 15,8 % Та повышенные темпы роста прочностных характеристик обусловлены эффектом подавления зернограничного скольжения при переходе к сотовой структуре в медной матрице.

Установлено, что для пилообразного, а для промежуточного и для линейного типа диаграмм (при увеличении объемной доли Та) в условиях повышенных температур характерно понижение и увеличение пластичности соответственно.

Впервые установлен немонотонный характер концентрационной зависимости релаксационной стойкости исследуемых композитов при повышенных температурах в интервале 0ч25 % объемных долей Та. Так, рост релаксационной стойкости до 11,1% Та обусловлен доминированием увеличения его объемной доли, а дальнейшее снижение сопротивления релаксации связано с подавлением первого фактора возрастанием относительной глубины диффузионной зоны между Ni и Cu с низкой релаксационной стойкостью. Причем, если в СКМ с небольшими объемными долями тантала относительная ширина диффузионной зоны составляет несколько процентов от толщины слоя матрицы, то в композите с максимальной исследованной объемной долей (25 % Та) она занимает практически весь слой меди. Проведенные исследования позволяют утверждать, что оптимальным сочетанием характеристик конструкционной прочности и пластичности как при комнатной, так и повышенных температурах обладают композиты с объёмным содержанием тантала от 2,8 до 11,1 %. Для расширения контрационного интервала действия дополнительного упрочнения в перспективных слоистых композитах необходимо использовать фольги меди толщиной 300 мкм, что сравнимо с размерами зерна Cu при температуре изготовления композитов.

Показано, что концентрационная зависимость удельного электросопротивления СКМ близка к линейной и обусловлена сопоставимым вкладом слоев Cu, Ni и Ta, а также переходного диффузионного слоя. В качестве проводниковых материалов для комнатных температур можно рекомендовать интервал объемных долей Та до 3%, а для высоких температур- от 3 до 11%.

Ключевые слова: слоистые композиты, диффузионная сварка, характеристики прочности, концентрационная зависимость, релаксационная стойкость.

Yascheritsin E. V. The structure and mechanical properties of multi-layer copper-tantalum composites obtained by the diffusive-welding method. - Manuscript.

Thesis on receiving Candidate degree of engineering sciences on the specialty 05.02.01 - the material science. Kharkov National Automobile and Highway University. Kharkov, 2010.

The new and more cheap method of preparing multilayer Cu-Ta composites is suggested and technological regime (welding time, pressure on layer by welding, vacuum degree) diffusive welding method through the Ni-foil layer is elaborated. Complex research of the structure, mechanical and conductical properties of these composites in the concentration range from 1 to 25 % of volume Ta parts carried out by 20 and 600⁰С.

It has been found that 2,8 ч 7 % tantalum composites have optimal mechanical properties at room temperature. This is due to the fact, that deformation transmission of these composites is made by sliding on the unfavorable-oriented planes that results in additional strengthening.

On the 7-11,1 % tantalum range the intermediate stretching diagrams type that does not correspond to two traditional diagram types for multilayer composites with plastic matrix and fragile fibre has been found. It is determined that at the high temperatures in the 11,1- 15,8 % tantalum rang the increased rates of strengthening characteristics growth are due to the decreasing effect of grain-boundary sliding in the transition to the cellular structure in the copper matrix.

Unmonotonous behavior in concentration dependence of relaxation firmness of the composites understudy at the increased temperature in the 0-25 % tantalum range has been first set.

The researches made show that 2,8 - 11,1 % tantalum composite have optimal combinations of construction-durability characteristics at room temperature as well as the increased ones.

Key words: multilayer compositions, diffusive welding, strength characteristics, concentration dependence, relaxation firmness.

Размещено на Allbest.ru