Титано-алюминиевые композиты получают в промышленных условиях только двумя способами: горячей прокаткой и сваркой взрывом. Эксперименты по сварке трением титановых и алюминиевых сплавов [31] показали, что соединения, равнопрочные основному менее прочному металлу в этом соединении и обладающие высокими пластическими свойствами, могут быть получены при сварке титановых сплавов ВТ5-1 с алюминием АД1. При их сварке со сплавами АМг6 и АЦМ положительных результатов не получено: прочность соединений хотя и составляет 200-300 МПа, но пластические свойства очень низкие. Соединения алюминиевых сплавов с титаном, обладающие достаточными пластическими свойствами, могут быть получены сваркой трением через промежуточный слой АД1. При диффузионной сварке в вакууме свариваемость разнородных металлов, образующих в процессе взаимодействия хрупкие интерметаллиды, определяется кинетикой двух процессов - атомной и реактивной диффузии. Первая способствует образованию соединения, увеличивая кристаллическое соответствие решеток соединяемых металлов за счет искажения их при взаимном проникновении инородных атомов; вторая накладывает ограничения на температурно-временные условия сварки, так как выделение в стыке хрупкого слоя интерметаллидов пагубно сказывается на работоспособности соединения. Однако широкого распространения методы получения титанов алюминиевых соединений сваркой трением и диффузионной сваркой еще не получили.
Прокатка
Авторы работы [31] исследовали технологические закономерности получения листовых биметаллов ВТ1-1-АМг6 и ОТ4-АМг6 прокаткой. Контактную поверхность титана подвергали предварительной обработке по нескольким вариантам: строганию, шлифовке, алитированию, плакированию алюминием с последующей промывкой ацетоном и зачисткой кардной щеткой во всех случаях. Сплав АМг6 применяли либо плакированным техническим алюминием, либо со строганой поверхностью. Пакеты прокатывали вхолодную или с подогревом до 300-500 °С на реверсивном двухвалковом стане 210 и полупромышленном стане 360. Промышленную прокатку пакетов 120x800x1700 мм осуществляли на, толстолистовом стане 4000 Ижорского завода.
Установлено, что получить биметалл Ti-АМг6 при комнатной температуре затруднительно, так как обе его составляющие вследствие недостаточной пластичности разрушаются ранее момента образования прочного соединения. С повышением температуры пластичность металлов возрастает, а необходимая деформация пакета для схватывания снижается. Но с повышением температуры титан начинает окисляться и поглощать газы из окружающей атмосферы. Поверхностный слой его становится хрупким; сплав АМг6 также окисляется и покрывается оксидной пленкой. Поэтому, несмотря на возрастание внутренней энергии атомов с повышением температуры, деформация схватывания остаётся высокой что, очевидно, связано с необходимостью дробления не только оксидной пленки, но и всего хрупкого поверхностного слоя титана. Наивысшая прочность соединения, полученная при 470-500°С и обжатии 68-70% пакета толщиной 10 мм составила 320-340МПа.
Снизить деформационный порог схватывания можно, защищая контактные поверхности от окисления. Так как многие алюминиевые сплавы, в том числе АМг6, выпускаются промышленностью в плакированном состоянии, перспективно нанести защитное покрытие из алюминия и на контактную поверхность титана. Слои алюминия на контактных поверхностях титана и АМг6, прочно соединенные с этими металлами, не только предохраняют поверхности от окисления и газонасыщения, но и в значительной мере облегчают схватывание так как сваривается уже не титан с АМг6, а алюминий с алюминием, деформация схватывания которого при высокой температуре сравнительно невелика.
Опыты показали, что после алитирования титана необходимая для схватывания деформация пакета снизилась до 10-15%. С увеличением обжатия пакета прочность соединения растет до определенного значения, после чего начинает уменьшаться. Снижение прочности после максимального ее значения объясняется возникновением в тонкой алюминиевой прослойке микротрещин вследствие значительной неравномерности деформации слоев композиционного материала (КМ).
Максимальная прочность и соответствующая ей деформация пакета зависят от толщины алюминиевой прослойки. Максимальная прочность соединения на разрыв была получена при прокатке пакете толщиной 17 мм с обжатием 47-50% и составила 210 МПа, что более чем в 2,5 раза превышает условный предел прочности алюминия. Это объясняется контактным упрочнением [32]. Все остальные варианты подготовки контактирующих поверхностей металлов перед прокаткой оказались менее эффективными, так как не обеспечивали их защиты от окисления.
С увеличением толщины пакета или сплава АМг6 за счет уменьшения толщины титана при постоянной общей толщине пакета необходимое для схватывания обжатие пакета увеличивалось [32] независимо от того, покрыты контактные поверхности алюминием или нет (рис. 8).
Рис.8 Влияние исходной толщины пакета Н па прочность соединений
Увеличение времени выдержки пакета в печи перед прокаткой не влияло существенно на прочность соединения титана с АМг6, если их контактные поверхности были покрыты алюминием, и уменьшало прочность соединения, когда такое покрытие отсутствовало. С увеличением ширины пакета прочность соединения сначала повышается, но далее остается постоянной. По ширине и длине пакета прочность соединения распределяется неодинаково - в центре она выше, чем у края пакета. Проверка вдоль длины полосы показала, что вблизи концов ее наблюдается
снижение прочности (рис. 9).
Рис.9 Распределение прочности по длине пакета
Изучение влияния состава титана на прочность соединения показало, что при наличии на контактных поверхностях алюминиевого покрытия независимо от состава титана (ВТ1 или ОТ4) максимальная прочность соединения достигалась практически при одном и том же обжатии пакета. При отсутствии защитного алюминиевого покрытия деформация схватывания при прокатке биметалла BTl-АМг6 составила 43%, а при прокатке ОТ4-АМг6 - 55%.
В результате прокатки образцов с алюминиевым покрытием на контактных поверхностях и с дополнительной алюминиевой прокладкой между ними было выяснено, что при определенных условиях и сравнительно небольшом обжатии пакета возможно получение высококачественного соединения. При этом особенно улучшаются пластические свойства соединения. С увеличением обжатия пакета при постоянной толщине алюминиевой прокладки прочность соединения повышается, а с увеличением толщины прокладки при прочих равных условиях прочность соединения снижается (рис. 10), что объясняется уменьшением влияния подпирающего действия основных металлов при растяжении прокладки (снижение контактного упрочнения).
Рис.10 Зависимость σв от исходной толщины прокладки
.
Сварка взрывом
Получение композиций алюминиевых сплавов с титановыми с большой толщиной как основного, так и плакирующего металла, возможно только такими способами, которые не связаны со значительными диффузионными процессами и глубокой совместной пластической деформацией. Одним из таких способов является сварка взрывом.
Трудности непосредственного соединения разными способами, включая сварку взрывом, титановых и алюминиевых сплавов вынуждают применять при их соединении промежуточный слой их технического алюминия, определяющего прочностные свойства сварных соединений. При введении промежуточного алюминиевого слоя значительно повышается пластичность соединения и смещается начало образование хрупких интерметаллидов в область более высоких температур. Поэтому использование алюминиевых прослоек благоприятно сказывается не только при изготовлении, но и при дальнейшей эксплуатации слоистых композиционных титано-алюминиевых материалов.
При данном виде сварки используют двухслойные и трехслойные композиты.