Біметалічні з’єднання з різнорідних металів та сплавів використовуються у багатьох галузях промисловості, таких як енергетика та електротехніка, хімічна, нафтова промисловість, авіація та космонавтика, автомобілебудування. Застосування біметалів обумовлено складними умовами роботи деталі або вузла, які вимагають спеціальних властивостей, що поєднують високу міцність і корозійну стійкість, або високу електропровідність і механічну жорсткість. У промисловості для отримання біметалічних з’єднань використовуються спеціальні зварювальні методи, які залежать від композиції металів [1, с. 2; 2, с. 1936].
Титановий сплав Tі-6AL-4V та сплави Inconel є різнорідними і безпосереднє їх зварювання призводить до утворення вкрай крихких інтерметалідів систем Fe-Ti та Ni-Ti. Зокрема утворюються інтерметаліди FeTi, Fe2T, NiTi, Ni3Ti, що руйнують шов під час охолодження. Для запобігання дифузії шкідливих елементів застосовують бар'єрні проміжні прошарки з ванадію (V), ніобію (Nb), міді (Cu), танталу (Ta) або їх комбінації та спеціальні методи зварювання: лазерне, дифузійне, тертям, вибухом [3, с. 93-98].
Крім вказаних методів зварювання перспективним є створення біметалічних з’єднань DED технологією 3D друку [4, с. 2]. Головна особливість технології DED (Directed Energy Deposition – пряме підведення енергії та матеріалу) полягає в тому, що матеріал плавлення та концентрована енергія лазеру подаються у точку друку одночасно. У процесі друку можна змінювати склад порошку, створюючи вироби зі змішаних сплавів із плавним переходом властивостей. При цьому утворюються градієнтні та біметалеві структури. DED технологія забезпечує високу продуктивність процесу друку виробів і найчастіше застосовується для отримання великогабаритних компонентів. Забезпечення необхідних властивостей біметалічного з’єднання по всьому об’єму виробу є складним завданням, вирішення якого досягається декількома методами дослідження перехідної зони.
Метою цієї роботи є систематизація передових методів дослідження багатошарових гетерогенних структур, які дозволять на основі отриманих даних оцінити якість біметалічного з’єднання сплаву Tі-6AL-4V зі сплавом Inconel.
Металографічний та високороздільний структурний аналіз включає такі методи досліджень [4, с. 7]:
1. Оптична мікроскопія (ОМ) дозволяє оцінити товщину прошарку, геометрію зони сплавлення, наявність мікротріщин і пор. Складність процесу дослідження полягає у диференційованому хімічному травленні: для кожної зони потрібен свій реактив: для Tі-6AL-4V – плавикова кислота, Inconel – багатокомпонентні реактиви або електролітичне травлення.
2. Растрова електронна мікроскопія (РЕМ / SEM): Основний метод вивчення ультратонких дифузійних зон (шириною від кількох нанометрів до десятків мікрометрів). Забезпечує візуалізацію нових фаз на границях титановий сплав - прошарок та прошарок - Inconel.
3. Просвітлююча (трансмісійна) електронна мікроскопія (ПЕМ / TEM): Застосовується для аналізу нанорозмірних субшарів. Дає змогу ідентифікувати кристалічну структуру виділень інтерметалідів за допомогою дифракції електронів (SAED).
Перелічені методи дозволяють виконати оцінку якості зварювання на кожній із меж розділу: титановий сплав - прошарок та прошарок - Inconel.
Локальний хімічний та фазовий аналіз включає такі методи [4, с. 8]:
1. Енергодисперсійна та хвильова рентгенівська спектроскопія (EDS / WDS). Для виконання цього аналізу виконується лінійне сканування (Line Scan) та будуються графіки концентрації елементів Ti, Al, V, Ni, Fe, Cr, включаючи елементи прошарку, наприклад Nb або Ta, вздовж лінії, що перетинає всі стики. Отримані дані дозволять розрахувати коефіцієнти та глибину дифузії. Картування (Mapping) показує просторовий розподіл хімічних елементів у зоні з'єднання.
2. Рентгеноструктурний фазовий аналіз (РЗА / XRD): Виявляє нові інтерметалідні фази або тверді розчини на поверхнях зламів чи шліфів.
3. Електронна дифрактрометрія зворотного розсіювання (EBSD): Використовується для побудови карт орієнтації зерен і визначення локального фазового складу. Дозволяє визначити утворення пластичних твердих розчинів таких як - розчин між Ti та V або Nb замість крихких фаз.
Проведення локального хімічного та фазового аналізу дозволяє визначити ефективність бар'єрного прошарку щодо стримування міграції заліза Fe, хрому Cr та нікелю Ni у бік титану.
Для фізико-механічних випробувань застосовуються такі методи [4, с. 9]:
1. Мікротвердість за Віккерсом (HV) виконується шляхом безперервного індентування (крок від 10–20 мкм) вздовж усієї перехідної зони. Різкі стрибки твердості понад 500 – 800 HV свідчать про наявність інтерметалідів. Платоподібний плавний перехід вказує на якісне з'єднання.
2. Випробування на статичний розтяг та зсув (Lap Shear / Tensile Tests) дозволяють визначити межу міцності в зразків. Особлива увага приділяється локалізації руйнування: якщо руйнування відбувається по основному металу Tі-6AL-4V або Inconel, а не по шву, прошарок повністю виконав свою функцію.
3. Фрактографія (Аналіз зламів): Дослідження поверхонь руйнування в SEM після механічних тестів. Визначає характер руйнування: крихкий (квазірозщеплення, руйнування за інтерметалідами) або в'язкий (ямочковий рельєф, притаманний пластичним зонам).
Фізико-механічні випробування дозволяють оцінити конструкційну міцність та неоднорідність механічних властивостей по перерізу з'єднання.
Визначення залишкових напружень, що виникають у біметалічному з’єднанні Tі-6AL-4V – проміжні прошарки - Inconel завдяки різниці у коефіцієнтах теплового розширення, виконується рентгенівським тензометричним методом (sin2). Цей метод дозволяє визначити величину та знак залишкових макронапружень на межах розділу фаз.
Дослідні зразки біметалічних з’єднань з титанового сплаву Tі-6AL-4V та сплаву Inconel планується отримувати 3D друком DED технологією. При цьому між основними металами будуть використовувати два проміжні шари з мідного та ніобієвого сплавів. DED процес пошарового нанесення матеріалу відбувається в умовах високого термічного вкладення, інтенсивного плавлення та випаровування, гідродинамічних явищ високої інтенсивності. Тому попередньо нанесений шар, в залежності від товщини, буде частково або повністю розплавлятися та перемішуватися з матеріалом наступного шару. Тому виникає можливість контакту як послідовно укладених шарів, так і основних матеріалів. При цьому у з’єднанні будуть утворюватися сполуки між сусідніми шарами та між нікелем і титаном у вигляді активної евтектичної взаємодії та утворення крихких фаз NiTi2, Ni3Ti. Для оцінки якісних та кількісних показників біметалічних з’єднань Tі-6AL-4V – проміжні прошарки - Inconel потрібен наступний мінімальний перелік методів: оптична мікроскопія, енергодисперсійна спектроскопія (EDS) з лінійним скануванням та картуванням для визначення кількості та розподілення елементів в перехідній зоні, мікротвердість за Віккерсом (HV) по всій ширині з’єднання від титанового сплаву до сплаву Inconel, механічні випробування на розтяг для визначення міцності з’єднання, фрактографія для дослідження поверхні руйнування.
Висновки. Дослідження гетерогенних біметалів Tі-6AL-4V – проміжні прошарки - Inconel вимагають поєднання мікроструктурного моніторингу високої роздільної здатності (SEM+EDS, EBSD) із прецизійними механічними випробуваннями, таких як мікротвердість та фрактографія. Також необхідні механічні випробування на розтяг. Використання проміжних прошарків вважається успішним, якщо методи контролю фіксують відсутність безперервних інтерметалідних прошарків, плавний перехід мікротвердості та локалізацію руйнування поза зоною дифузійного стику.
Список літератури
1. Interfacial microstructure reconfiguration for high-strength Ti-6Al-4V/Inconel 718 dissimilar joints via ultra-fine laser beam welding / Q. Yin et al. Journal of Materials Processing Technology. 2026. Vol. 232. Art. 119287. DOI: doi.org (accessed: 23.06.2026).
2. Shiri S., Shafyei A., Shamanian M. A Critical Review on Dissimilar Welding of Stainless Steels To Titanium Alloys: Technology and Metallurgy. International Journal of ISSI. 2024. Vol. 21, no. 2. P. 93–117. URL: issiran.com (accessed: 23.06.2026).
3. Identifying and suppressing (Cr_{3}Ni_{2}) (sigma )-phase via transition layer allocation during laser directed energy deposition of titanium-steel bimetal / J. Wang et al. Materials & Design. 2025. Vol. 250. Art. 113608. DOI: doi.org.
4. Inconel 718-W7Ni3Fe bimetallic structures using directed energy deposition / A. S. S. de Oliveira et al. NSF Public Access Repository. 2023. URL: https://par.nsf.gov/servlets/purl/10354352 (accessed: 23.06.2026).
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter