Tensile behaviour of laminated titanium-intermetallic composite synthesised using titanium and copper foils

• Autorzy: Konieczny M.

Warianty tytułu

PL

Zachowanie się podczas rozciągania kompozytu warstwowego tytan-fazy międzymetaliczne wytworzonego z folii tytanowej i miedzianej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ti-intermetallic laminated composites have been fabricated via reaction synthesis in vacuum using 0.15, 0.20 and 0.25 mm thick foils of titanium and 0.05 mm thick foil of copper with controlled temperature and pressure. Effects of treating time at 900°C were studied by interrupting the reaction progressing after 0.5 and 5 hours. Microstructural investigations by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDX) showed that after 0.5 hour of heat treatment at 900°C intermetallic compounds: Ti2Cu, TiCu, Ti3Cu4, Ti2Cu3, TiCu4 were formed. The intermetallics layer consisted of thin layers of Ti2Cu, thick layers of TiCu and the reaction zone consisting of TiCu4 particles in Ti3Cu4+Ti2Cu3 matrix. Since titanium could diffuse through the Ti2Cu and TiCu layers to the reaction zone, it leaded to the growth of TiCu at the expense of other phases. As a result, after 5 hours of treating the intermetallic layer was transformed almost wholly into TiCu, but with a thick Ti2Cu interphase layer. The mechanical properties and fracture behaviour of the fabricated composites were examined through tensile test. The results showed that treating time at 900°C was a main factor determining properties because it led to an increase in volume fraction of the intermetallics. Unfortunately, long heat treatment caused a degradation of the intermetallic layers by oxidation because implemented vacuum was not high enough. After 0.5 hour of treating at 900°C the oxides on interlayer had no significant influence on the strength of the layers. EDX results showed that after long heat treatment the oxides were captured in the growing intermetallic layers to form inclusions or voids. This resulted in the formation of weak points in the intermetallic layers, from which cracks would have initiated easily, leading to premature failure of the layers during loading. Investigations indicated that the yield strength of all fabricated composites increased with increasing of the treating time. On the other hand, after 0.5 hours of treating the composites had higher ultimate tensile strength and higher strain at fracture. The results also showed that the composites exhibit a good cohesion between titanium layers and layers of intermetallic phases during tensile test.

PL

Używając folii tytanowych o grubościach: 0,15, 0,20 i 0,25 mm oraz folii miedzianej o grubości 0,05 mm, wytworzono na drodze reakcji syntezy kompozyt warstwowy tytan-fazy międzymetaliczne. Kontrolując temperaturę procesu oraz nacisk, doprowadzono do całkowitego przereagowania warstw miedzi, które z częścią tytanu utworzyły fazy międzymetaliczne. Zbadano wpływ czasu wygrzewania kompozytu w temperaturze 900°C na jego strukturę i własności. Reakcje syntezy faz przerywano po 0,5 i 5 godzinach. Badania z użyciem mikroskopu skaningowego i mikroanalizatora rentgenowskiego wykazały, że w kompozycie wygrzewanym przez 0,5 godziny występowały fazy: Ti2Cu, TiCu, Ti3Cu4, Ti2Cu3,TiCu4. Warstwy faz międzymetalicznych składały się z cienkich warstw fazy Ti2Cu, grubych warstw fazy TiCu i obszarów zawierających cząstki fazy TiCu4 w osnowie z mieszaniny faz Ti3Cu4+Ti2Cu3. Ponieważ tytan mógł dyfundować przez warstwy faz Ti2Cu oraz TiCu, powodowało to wzrost ilości fazy TiCu kosztem pozostałych faz. Po 5 godzinach wygrzewania warstwy faz międzymetalicznych składały się prawie wyłącznie z fazy TiCu i cienkich warstw fazy Ti2Cu. Przeprowadzono próby rozciągania uzyskanych kompozytów i stwierdzono, że głównym czynnikiem wpływającym na własności mechaniczne był czas ich wygrzewania w temperaturze 900°C. Wzrastał wówczas udział objętościowy faz międzymetalicznych oraz następowała degradacja warstw spowodowana ich utlenianiem. Badania z użyciem mikroanalizatora rentgenowskiego wykazały, że po 30 minutach wygrzewania tlenki występowały na granicy między tytanem i warstwami faz międzymetalicznych. Natomiast po 5 godzinach wygrzewania tlenki dostawały się do wnętrza warstw faz międzymetalicznych, powodując powstawanie inkluzji, które mogły być łatwymi zarodkami pęknięć. Dlatego kompozyty po 30 minutach wygrzewania charakteryzowały się większą wytrzymałością na rozciąganie oraz większym wydłużeniem. Z wyników prób rozciągania wynika także, że granica plastyczności wszystkich badanych kompozytów, niezależnie od grubości użytych do ich wytworzenia folii, wzrastała wraz ze wzrostem czasu wygrzewania w temperaturze 900°C. Badania wykazały również, że w trakcie próby rozciągania kompozyty wykazywały dobrą kohezję pomiędzy warstwami tytanu i faz międzymetalicznych.

Słowa kluczowe

EN

laminated composite; intermetallics; mechanical properties; deformation

PL

kompozyt warstwowy; faza międzymetaliczna; właściwości wytrzymałościowe; deformacja

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 9, nr 2
• Strony: 117--121
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Konieczny M.

• Politechnika Świętokrzyska, Katedra Metaloznawstwa i Technologii Materiałowych, al. 1000-lecia PP. 7, 25-314 Kielce,

Bibliografia

• [1] Xu L., Cui Y.Y., Hao Y.L., Yang R., Growth of intermetallic layer in multi-laminated Ti/Al diffusion couples, Mater. Sci. Eng. A 2006, 435-436, 638-647.
• [2] Tixier-Boni S., Van Swygenhoven H., Hardness enhancement of sputtered Ni3Al/Ni multilayers, Thin Solid Films 1999, 342, 188-193.
• [3] Gachon J.C., Rogachev A.S., Grigoryan H.E., Illarionova E.V., Kuntz J.J., Kovalev D.Y., Nosyrev A.N., Sachkova N.V., Tsygankov P.A., On the mechanism of heterogeneous reaction and phase formation in Ti/Al multilayer nanofilms, Acta Mater. 2005, 53, 1225-1231.
• [4] Alman D.E., Hawk J.A., Petty A.V., Rawers J.C., Processing intermetallic composites by self-propagating high temperature synthesis, JOM 1994, 46, 31-35.
• [5] Zhu P., Li J.C.M., Liu C.T., Combustion reaction in multi-layered nickel and aluminium foils, Mater. Sci. Eng. A 1997, 239-240, 532-539.
• [6] Peng L.M., Wang J.H., Li H., Zhao J.H., He L.H., Synthesis and microstructural characterization of Ti-Al3Ti metal-intermetallic laminate (MIL) composites, Scripta Mater. 2005, 52, 243-248.
• [7] Konieczny M., Laminar copper-intermetallics composite - generation and properties, Kompozyty (Composites) 2006, 6, 52-55.
• [8] Konieczny M., Structural changes during formation of laminated titanium-intermetallic composite, Kompozyty (Composites) 2008, 8, 168-171.
• [9] Konieczny M., Processing and microstructural characterisation of laminated Ti-intermetallic composites synthesised using Ti and Cu foils, Mater. Lett. 2008, 62, 2600-2602.
• [10] Cao H., Lofvander J.P.A., Evans A.G., Rowe R.G., Skelly D.W., Mechanical properties of an in situ synthesized Nb/Nb3Al layered composite, Mater. Sci. Eng. A 1994, 185, 87-95.
• [11] Bloyer D.R., Venkateswara Rao K.T., Ritchie R.O., Laminated Nb/Nb3Al composites: effect of layer thickness on fatigue and fracture behaviour, Mater. Sci. Eng. A 1997, 239-240, 393-398.
• [12] Chung D.S., Enoki M., Kishi T., Microstructural analysis and mechanical properties of in situ Nb/Nb-aluminide layered materials, Sci. Technol. Adv. Mater. 2002, 3, 129-135.
• [13] Dziadoń A., Mola R., Compression behaviour of Mg-eutectic mixture layered composite, Kompozyty (Composites) 2008, 4, 364-368.
• [14] Adharapurapu R.R., Vecchio K.S., Rohatgi A., Jiang F., Fracture of Ti-Al3Ti metal-intermetallic laminate composites: effects of lamination on resistance-curve behaviour, Metall. Mater. Trans. A 2005, 36, 3217-3236.
• [15] Li T., Olevsky E.A., Meyers M.A., The development of residual stresses in Ti6A14V-Al3Ti metal-intermetallic laminate (MIL) composites, Mater. Sci. Eng. A 2008, 473, 49-57.
• [16] Colinet C., Pasturel A., Buschow K.H.J., Enthalpies of formation of Ti-Cu intermetallic and amorphous phases, J. Alloy Compd. 1997, 247, 15-19.
• [17] Xia Z., Liu J., Zhu S., Zhao Y., Fabrication of laminated metal-intermetallic composites by interlayer in-situ reaction, J. Mater. Sci. 1999, 34, 3731-3735.