PS 4 2016 WWW HR.pdf 16 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 4/2016 Ocena mikrotwardości oraz własności wytrzymałościowych  trimetalu AA2519-AA1050-TI6AL4V   po różnych obróbkach cieplnych Evaluation of microhardness and strength properties of trimetalic composite AA2519-AA1050-TI6AL4V after various heat treatments Mgr inż. Michał Najwer; dr hab. inż. Piotr Niesłony – Politechnika Opolska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: michal1656@gazeta.pl Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań trimetalu AA2519- AA1050-Ti6Al4V połączonego metodą zgrzewania wybucho- wego. Określono charakterystykę gięcia blach z trimetalu w stanie surowym, po wyżarzaniu w temperaturze 530 °C przez 120 minut, oraz po wyżarzaniu z dodatkowym starzeniem w 165 °C przez 600 minut. Dla otrzymanych w taki sposób pró- bek przeprowadzono próby gięcia zgodnie z ASTM E-290-14 oraz analizę zmian mikrotwardości w złączu platerowanym. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że za- stosowane obróbki cieplne zwiększają, w różnym stopniu, wytrzymałość trimetalu oraz twardość poszczególnych jego warstw. Największy wzrost wytrzymałości jak i mikrotwardo- ści uzyskano po wyżarzaniu z dodatkowym starzeniem. Słowa  kluczowe: zgrzewanie wybuchowe; próba gięcia; Ti6Al4V; AA2519 Abstract The article presents results of tests of the trimetalic joint AA2519-AA1050-Ti6Al4V performed by explosive we- lding. Shown characteristics of bending of trimetal in a raw state, after annealing at 530 °C for 120 minutes and anne- aling with additionally aging at 165 °C for 600 minutes. For the obtained specimens were performed bending tests acc. to ASTM E-290-14 and analysis of microhardness changes in the joint. Performed studies shown that the applied heat treatments increases, in varying degrees, strength and mi- crohardness of each layer of trimetal. The largest increase of strength and microhardness was obtained after anne- aling with additional aging. Keywords: explosive welding; bend test; Ti6Al4V; AA2519 Wstęp Zgrzewanie wybuchowe jest metodą pozwalającą na łą- czenie materiałów o zróżnicowanych właściwościach fizy- kochemicznych takich jak gęstość, temperatura topnienia, aktywność chemiczna, dla których inne metody spajania nie znajdują zastosowania [1,2]. Wysokoenergetyczny pro- ces łączenia wprowadza do struktury nowego, wielowar- stwowego materiału niekorzystne naprężenia i umocnienie, co negatywnie wpływa na właściwości użytkowe i ogranicza możliwości jego dalszego kształtowania metodami przerób- ki plastycznej, czy obróbki ubytkowej [3]. W celu poprawienia własności wytrzymałościowych oraz skrawalności zaleca się wykonanie obróbek cieplnych. W przypadku połączenia trimetalu: stop aluminium 2519 + aluminium1050 + stop tytanu Ti6Al4V, istotnym jest dobór parametrów obróbki cieplnej, takich jak temperatura wyżarzania oraz prędkość chłodzenia. Ze względu na specyfikę platerów wymagane jest, aby temperatura obróbki cieplnej takich wielowarstwo- wych konglomeratów była niższa niż temperatura przejścia w stan ciekły warstwy o najniższej temperaturze topnienia. Michał Najwer, Piotr Niesłony Analizowany w tym artykule trimetal ma znaleźć swoje zastosowanie jako materiał na wysokowytrzymałe a jedno- cześnie lekkie osłony w przemyśle lotniczym, wojskowym, bądź w aeronautyce. Proces technologiczny ich wytwarzania wymaga dopasowania formatów blach do szkieletu konstruk- cji. W tym celu najczęściej stosuje się przeróbkę plastyczną, głównie tłoczenie, oraz wiercenie otworów pod śruby, czy nity. Głównym problemem technologicznym jest słaba plastycz- ność stopu aluminium 2519 [4], przez co mogą występować problemy z formowaniem tego typu trimetalu. Ponadto mała wytrzymałość tego stopu, w porównaniu ze stopem tyta- nu Ti6Al4V, dodatkowo negatywnie wpływa na wypadkową wytrzymałość plateru. Z tego też powodu zaproponowano zastosowanie obróbek cieplnych, które mają wpłynąć na po- prawę wytrzymałościowych charakterystyk trimetalu. Techniki badawcze Materiał do badań W ramach realizowanych badań wytworzono metodą wysokoenergetyczną trójwarstwowy plater składający się przeglad Welding Technology Review 17PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 4/2016 z materiału podstawowego będącego blachą ze stopu tyta- nu Ti6Al4V o grubości 5 mm, z międzywarstwy technologicz- nej z aluminium AA1050 o grubości 1 mm oraz materiału nakładanego ze stopu aluminium AA2519 o grubości 5 mm. Własności mechaniczne poszczególnych warstw zosta- ły przedstawione w tabeli I. Materiały zostały połączone w jednym akcie strzałowym, a przeprowadzone ultradźwię- kowe badanie ciągłości złącza wykazało 95% połączenia zgrzewanych blach. Z wykonanego elementu wycięto próbki o wymiarach 210 x 24 x 11 mm, które poddano zaplanowa- nym obróbkom cieplnym. Parametry obróbek cieplnych wraz z oznaczeniami próbek zostały przedstawione w tabeli II. Technologiczna próba gięcia Technologiczną próbę gięcia prowadzono na maszynie wytrzymałościowej zgodnie z ASTM E-290-14 [5], przy użyciu specjalnego trzpienia o wymiarach jak na rysunku 1a. Sche- mat stanowiska do próby gięcia wraz z zdjęciem stanowiska rzeczywistego został przedstawiony na rysunku 1. Badania prowadzono z sześcioma powtórzeniami, przy założeniu roz- ciągania warstwy tytanowej. Miało to na celu zasymulowanie formowania takich platerów np. metodą tłoczenia. Materiał Rm, MPa Rp0,2, MPa A, % AA2519 430 355 15 AA1050 125 85 12 AA1050 860 758 10 Tablica I. Własności mechaniczne łączonych materiałów Table I. Mechanical properties of joined materials Próbka Nagrzewanie Wyżarzanie Chłodzenie Temp., °C Czas, min RM Bez obróbki cieplnej HT1 Wsad materiału do pieca nagrzanego do temperatury 530 °C 530 120 Woda HT2 Woda* * dodatkowe starzenie w temperaturze 165°C przez 600 minut. Tablica II. Własności mechaniczne łączonych materiałów Table II. Mechanical properties of joined materials   a)   b) Rys. 1. Technologiczna próba gięcia: a) schemat stanowiska wraz z charakterystycznymi wymiarami technologicznymi [5], b) zdjęcie rzeczywistego stanowiska podczas próby gięcia Fig.  1. Bend test: a) scheme of test-position with characteristic dimensions [5], b) picture of test-position during bend test Wyniki eksperymentu Podczas technologicznych prób gięcia z ściskaną war- stwą ze stopu aluminium mierzono, w trybie „in-process”, siłę gięcia oraz przemieszczenie penetratora. Na tej podstawie możliwe było wyliczenie aktualnego kąta wygięcia próbki. Przykładowy wykres przebiegu tak zdefiniowanej próby gięcia dla próbek z trimetalu w stanie surowym (RM) przedstawiono na rysunku 2. Powtarzalność uzyskanych wyników pomiaru jest bardzo dobra, co można zaobserwować na wykresie ana- lizując wybrane punkty pomiarowe. Sam proces gięcia moż- na podzielić na trzy strefy. W strefie A, po ustabilizowaniu się układu, wyraźnie zaobserwowano monotoniczny, jednostajny wzrost siły gięcia w funkcji kąta wygięcia próbki. Strefa B cha- rakteryzuje się pewnymi fluktuacjami siły gięcia, co może być związane z przewężeniem warstwy rozciąganego materiału oraz rozpoczęciem procesu przeginania próbki i jej wtłacza- niem ślizgowym w oprzyrządowanie testowe. Ostatnia strefa C jednoznacznie związana jest z wyginaniem próbki wtłacza- nej ślizgowo pomiędzy szczęki oprzyrządowania. Wyraźnie widoczny efekt strefy poślizgu przedstawiono na rysunku 3. Rys. 2. Zmiana siły gięcia w funkcji kąta zgięcia badanych elemen- tów dla próbek bez obróbki cieplnej RM Fig. 2. Change of bend force as a function of bend angle for speci- mens without heat treatment RM Rys. 3. Efekt strefy poślizgu zaobserwowany na zewnętrznej wygi- nanej warstwie trimetalu (stop tytanu) Fig. 3. The effect of sliding area observed on the external, bended layer of trimetal (titanium alloy) 18 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 4/2016 Wpływ obróbki cieplnej na wytrzymałość badanych blach z trimetalu przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Wpływ obróbki cieplnej na zmiany siły gięcia w funkcji kąta zgięcia badanych próbek Fig.  4. Influence of heat treatment on change of bend force as a function of bend angle for all specimens Próbki RM (rys. 4) wykazywały najmniejszą podatnością na zginanie. Znaczący wzrost wytrzymałości obserwowano dla próbek HT1 oraz HT2. Dla średniego kąta zgięcia 60° przyrost siły wynosił odpowiednio 4,5kN (26%) i 8kN (47%). Obróbka cieplna wpłynęła również na skrócenie strefy A oce- nianych przebiegów (obszaru o monotonicznym wzroście siły gięcia). Zgodnie z oczekiwaniami wzrost wytrzymałości koreluje z skróceniem tego obszaru, co w analizowanym przypadku jest wyraźnie widoczne dla próbki HT2 (rysunek 4 – punkt I), gdzie koniec strefy A uzyskano dla około 78° kąta gięcia w przeciwieństwie dla próbek RM i HT1 (rysu- nek 4 – punkt II), dla których parametr ten jest mniej wraż- liwy, a wartość końca obszaru A plasowała się przy około 90° kąta gięcia. Skrócenie obszaru A pociągnęło za sobą odpowiednie przemieszczenie końca strefy B, co przedsta- wiono na rysunku 4 za pomocą znaczników strzałkowych. Dodatkowo, w celu oceny wytrzymałości na zginanie w sta- bilnym obszarze gięcia, wyliczono poszczególne gradienty przyrostu siły w funkcji kata zgięcia. Najmniejszym gradien- tem równym 100 N/stopień charakteryzowały się próbki RM. Rys. 5. Wpływ obróbki cieplnej na zmiany mikrotwardości w bada- nych próbkach Fig. 5. Influence of heat treatment on change of microhardness for all specimens Zastosowanie parametrów obróbki cieplnej, jak dla próbki HT1, spowodowało wzrost gradientu do wartości 130 N/sto- pień, a najwyższe wartości 133 N/stopień uzyskano dla HT2. Ma to istotne znaczenie przy projektowaniu technologii kształtowania i obróbki takich materiałów. Wiedza ta pozwa- la na zaprojektowanie w odpowiedniej kolejności etapów kształtowania takich platerów, aby obrabiać plastycznie bla- chy w podatne na kształtowanie (próbka RM) a procesy ob- róbki cieplnej (głównie jak dla próbek HT2) prowadzić przed obróbką skrawaniem. Potwierdzeniem uzyskanych informacji o wytrzymało- ści na zginanie blach po różnej obróbce cieplnej jest rysu- nek 5, gdzie przedstawiono rozkład mikrotwardości HV0.1 w przekroju poprzecznym dla poszczególnych typów próbek. Wyraźnie zaobserwowano, że dla próbki HT2 mikrotwardość zarówno w warstwie stopu tytanu jak i aluminium wzrosła w odniesieniu do próbek RM. Starzenie spowodowało dosyć istotny wzrost twardości dla Ti6Al4V, co jest ciekawym efek- tem możliwym do wykorzystania przy konstruowaniu lekkich i wysokowytrzymałych jak i twardych elementów maszyn. Literatura [1] Walczak W.: Zgrzewanie wybuchowe metali i jego zastosowanie. Wydaw- nictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa 1989. [2] Dyja H., Maranda A., Trąbiński R.: Zastosowanie technologii wybucho- wych w inżynierii materiałowej. Politechnika Częstochowska – Wydaw- nictwo. Częstochowa 2001. [3] Pocica A., Bański R., Waindok P., Szulc Z., Gałka A.: Wpływ czasu obróbki ciepl- nej na własności bimetalu tytan-stal, XVI Międzynarodowa Konferencja ,,Spa- wanie w energetyce”. Opole-Jarnołtówek 23-25 kwietnia 2008, Opole 2008. [4] Dobrzański L.: Metalowe materiały inżynierskie. Wydawnictwo Naukowo- Techniczne. Warszawa 2004 [5] ASTM E-290-14 Standard Test Methods for Bend Testing of Material for Ductility. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych można zdefiniować następujące spostrzeżenia: – zaproponowane warunki obróbki cieplnej wpływają w znaczący sposób na wytrzymałość na zginanie i twardość poszcze- gólnych warstw badanego trimetalu; – najwyższą wytrzymałość na zginanie jak i odpowiednią twardość uzyskano dla obróbki cieplnej HT2 skojarzonej ze starzeniem; – możliwe jest wykorzystanie posiadanej wiedzy w celu odpowiedniego zaprojektowanie kolejności etapów kształtowania takich platerów, co pozwala na zarówno kształtowanie plastyczne tych blach jak i uzyskanie żądanej, podwyższonej wytrzymałości i twardości bez narażania się na zniszczenia mogące być skutkiem odkształceń związanych z prowadzo- nymi procesami wytwórczymi. Badania.zostały.przeprowadzone.w.ramach.Programu.Badań.Stosowanych.NCBiR.dla.projektu.numer.PBS2/A5/35/2016.. zatytułowanego:.„Nowe.zaawansowane.materiały.warstwowe.Al-Ti.o.podwyższonej.odporności.balistycznej.. na.konstrukcje.lotnicze.i.kosmiczne”,.realizacja.2013-2016 .