Научные труды (Вестник МАТИ), 2004, №6 (78)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“ МАТИ” - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

НАУЧНЫЕ

ТРУДЫ

ВЫПУСК 6 (78)

МОСКВА 2004

Министерство образования Российской Федерации

«МАТИ» - Российский государственный технологический 
университет им. К.Э. Циолковского

НАУЧНЫЕ ТРУДЫ

Издание основано в 1940 году

Выпуск 6 (78)

ИЦ «МАТИ» -  РГГУ им. К.Э. Циолковского 

Москва 2004

'ДК 621; 669; 681.5; 66; 621.37/39; 681.2; 005; 504; 51; 53; 531/534; 54; 378

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского. Вып. 6 (78). -  М.: ИЦ «МАТИ» -  РГГУ 
ш. К.Э. Циолковского, 2003. -  392 с. ил

SBN 5-93271-172-8

В данном выпуске сборника Научных трудов представлены результаты 
фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ, в 
гом числе в содружестве со специалистами других организаций в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам 
и ряду научно-технических программ.

Сборник рассчитан на научных работников, преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.

Главный редактор: проф. А.П. Петров 

Зам еститель главного редактора: проф. В.А. Васильев

Редакционная коллегия:

Ответственные 
секретари редколлегии:

заел. проф. МАТИ Бибиков Е.Л., 
чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., проф. Галкин В.И., 
чл.-корр. РАН, проф. Ильин А.А.,

проф. Лапин В.Л.| ,|лроф. Мануйлов В.Ф
проф. Намазов В.Н., проф. Родинов В.Б., 
проф. Соколов В.П., проф. Суминов И.В., 
проф. Федоров В.К., доц. Уваров В.Н., 
нач. ОНТИ Чивикина Г.И., проф. Юрин В.Н.

Затеева Т.А., Иванова Э.И.

Научные редакторы: 
проф. Беневоленский С.Б., проф. Бирюков Г.П., проф. Бойцов А.Г, проф. Болотин И.С., проф. Бунаков В.А., проф. Бухаров С.В., проф. Горбацевич В.В., проф. Дмитренко В.П., 
доц. Кирпиченков А.И., доц. Ковалев А.П., проф. Коллеров 
М.Ю., проф. Лясоцкая В.С., проф. Попов В.Г., проф. Пухов

А.А.,

заел. проф. МАТИ. Суминов В.М., проф. Чумадин А.С., 
проф. Шевченко И.В., проф. Шифрин Е.И., 
проф. Шолом А.М., проф. Цырков А.В.

Тел. (095) 915-37-76, факс 915-09-35 
Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

1ЭВМ 5-93271-172-8 
^
'¿У «МАТИ» - Российский государственный технологический 
университет им. К.Э. Циолковского, 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ

«МАТИ» -  Российский государственный 
технологический университет им. К.Э. Циолковского -  ведущий технологический вуз аэрокосмической 
отрасли 
России. 
Основные 
этапы истории МАТИ неразрывно связаны со 
становлением и развитием самой приоритетной отрасли экономики России: авиакосмической, с именем выдающегося ученого в области теории полетов дирижаблей, самолетов и 
ракет, основателя современной космонавтики 
-  К.Э. Циолковского. В 1932 году был создан 
предшественник МАТИ -  Дирижаблестроительный учебный институт, перед которым 
была поставлена актуальная задача обеспечения дирижаблестроительной промышленности инженерными кадрами. В связи с необходимостью подготовки инженеров-технологов для развивающейся авиационной 
промышленности в 1940 году вуз получил название Московского авиационного технологического института (МАТИ). В 60-е годы МАТИ первым в стране начал готовить специалистов в различных областях космической техники и технологии.

В настоящее время «МАТИ» -  Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского -  это ведущий научный и учебный центр, 
занимающий лидирующие позиции в системе высшего образования России. За 
годы своего существования университет подготовил свыше 65 тысяч специалистов, многие из которых сегодня определяют направления развития наукоемких 
технологий XXI века. В стенах МАТИ сформировались и успешно развиваются 
научные школы в области современных направлений науки, техники и технологии. Авторитет ученых университета подтвержден Государственными премиями, 
многочисленными наградами престижных научных форумов и выставок. Вместе с 
ведущими предприятиями аэрокосмической отрасли и других отраслей МАТИ участвует в крупнейших проектах по созданию ракетно-космических систем, авиационной техники, автоматизированного оборудования, медицинской техники, новейших материалов и технологий.

В университете сложился высокопрофессиональный, творческий профессорско-преподавательский коллектив, в составе которого академики 
и члены- 
корреспонденты РАН, зарубежных Академий, залуженные и почетные работники 
высшего образования Российской Федерации. Среди наших профессоров и доцентов -  авторы учебников и монографий, ставших классикой инженерного образования. Наряду с маститыми учеными в коллективе МАТИ много молодых ученых 
и аспирантов.

В последние годы МАТИ уверенно выходит на международную арену как 
учебный и научный центр. В МАТИ учатся студенты из 17 стран мира, и география нашего сотрудничества постоянно расширяется.

Ректор университета -  
Заслуженный работник

высшего образования РФ, 
доктор технических наук, 
профессор

Петров Анатолий Павлович

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2003 г. Вып. 6 (78)
3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вся история МАТИ -  свидетельство динамично развивающейся и в то же 
время сохраняющей свои 
лучшие традиции системы российского инженерного 
образования, которая обеспечивает нашим выпускникам фундаментальность знаний, профессиональную практическую подготовку, готовность к научному поиску.

Я хочу выразить искреннюю признательность профессорско- преподавательскому составу, сотрудникам, студентам и выпускникам университета, нашим 
партнерам по научной и инновационной деятельности за огромный вклад каждого 
в становление, развитие МАТИ и отечественной аэрокосмической отрасли как 
основе грядущего процветания России.

Ректор «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского
А.П. Петров

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2003 г. Вып. 6 (78)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669.295: 615.46

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОДЛОЖКИ 
НА АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ ПОКРЫТИЯ ВТ1-0

к.т.н., доц. С.В. Бабин, Е.Н. Егоров

В данной работе изучено влияние температуры подложки на адгезионную прочность покрытия Вт1-0, полученного методом плазменного напыления. Экспериментально показано, что адгезионная прочность в существенной мере зависит от температуры подложки. Данная зависимость носит экстремальный характер.

This work presents the results of the study of the influence surface temperature on adhesion 
strength of porosity titanium coating. It is shown that surface temperature influence on adhesion strength.

Титан и его сплавы, обладая исключительной коррозионной стойкостью, 
высоким сопротивлением усталости и удельной прочностью, низким модулем упругости, считаются лучшими биосовместимыми металлическими материалами 
для изготовления имплантантов (например, деталей эндопротезов, штифтов для 
стоматологических коронок и т.п.).

Фиксация имплантантов обеспечивается путем нарастания костных тканей 
на поверхность эндопротеза, поэтому для лучшей фиксации эндопротеза на его 
поверхности необходимо создать развитую поверхность, обладающую высокой 
шероховатостью и пористостью. Одним из методов получения такой поверхности 
является плазменное напыление пористого титанового покрытия.

Титановое покрытие должно обладать высокой шероховатостью, пористостью и, вместе с тем, адгезионной прочностью не менее 40 Мпа. Требования высокой пористости и адгезионной прочности противоречивы, поэтому данное противоречие должно решаться путем экспериментальных исследований и оптимизации.

В настоящей работе проводилось экспериментальное исследование влияния температуры подложки из Втб на адгезионноую прочность плазмонапыленного покрытия Вт1-0.

Методика проведения эксперимента

Для определения адгезионной прочности применяли цилиндрические образцы диаметром 9 мм, длиной 20 мм с нанесенным на них покрытием в виде 
пояска толщиной 0,5-0,6 мм и шириной 3 мм. Образец-подложку изготавливали из 
титанового сплава ВТ6, на который наносили покрытие из технического титана 
марки ВТ1-0 методом плазменного распыления титановой проволоки в контролируемой среде.

Перед напылением образцы подвергались пескоструйной обработке.
После напыления покрытие протачивали с целью получения ровных торцов 
пояска покрытия, затем измеряли ширину напыленного пояска.

Определения усилия сдвига осуществляли с помощью специального приспособления с помощью установки БР-ЮО. Дальнейшие вычисления проводились 
по формуле:

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2003 г. Вып. 6 (78)
5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Т ср

п  • Н  • (1

где: 
Г -  усилие сдвига; Н -  ширина пояска; с/ -  диаметр пояска; хср -  предел

прочности на срез.

Перед плазменным напылением покрытия образцы нагревали в вакууми- 
роемой камере с контролируемой средой до различных температур (200, 350, 500, 
600°С). Температуру образцов контролировали по времени прогрева в плазменной струе. Временной интервал был предварительно оттарирован по температуре. Результаты экспериментов приведены в табл.1 и на рис.1.

Таблица1

Зависимость адгезионной прочности покрытия ВТ1-0 
от температуры подложки из сплава ВТ6

№
1, °С
Т ср, М П 3
т Ср, МПа

(среднее значение)

1
200
14
15
2
200
16

3
350
68
63
4
350
58

5
500
93
92
6
500
91

7
600
69
64
8
600
59

Примечание: режим напыления: 1=300А, 1)=35В, расход Аг + Не=30 л/мин; 
режим пескоструйной обработки: корунд, 2 мин; вылеживание в течение 15 мин 
после пескоструйной обработки.

С повышением температуры подложки с 200 до 500°С адгезионная прочность покрытия увеличивается с 15 до 92 МПа и достигает максимума при температуре 5000С. Дальнейшее повышение температуры до 600°С сопровождается 
снижением предела прочности на срез до 64 МПа.

Взаимодействие материала основы с материалом частиц покрытия можно 
условно представить в виде трех последовательно протекающих стадий [1, 3]:

1) физический контакт;
2) химический контакт;
3) объемное взаимодействие.
Низкие значения адгезионной прочности после нагрева подложки до 200°С, 
скорее всего, связаны с тем, что эта температура не обеспечивает достаточное 
физическое и химическое взаимодействие расплавленной частицы с поверхностью образца.

Физический контакт образуется вследствие пластической деформации поверхности в момент удара об нее частицы. В процессе ударного взаимодействия 
на площади контакта обеспечивается протекание физической адсорбции напыляемого материала на поверхность твердого тела. Физический контакт предшествует химическому взаимодействию.

Химическое взаимодействие приводит к привариванию частиц, которое 
происходит путем образования очагов схватывания в контакте. Чем больше очагов схватывания, тем выше прочность сцепления частиц. Приваривание частицы

6
Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2003 г. Вып. 6 (78)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

наступает только при подогреве основы до определенной температуры, которую в 
работе [1, 3] предложено называть температурой химического взаимодействия. 
Эта температура соответствует заполнению контактной поверхности под частицей 
очагами схватывания на 40-70 % [1].

Увеличение прочности приваривания частиц к подложке по мере повышения ее температуры объясняется двумя процессами [1]:

а) расширением диаметра пятна химического взаимодействия, на котором 
частица приваривается к подложке;

б) повышением адгезии в самом пятне за счет увеличения очагов схватывания в нем.

При температуре подложки свыше некоторой критической начинается интенсивное окисление поверхности, что, скорее всего, и объясняет снижение адгезионной прочности покрытия ВТ1-0 после нагрева подложки до 600°С. Для титана 
критическая температура, свыше которой начинается интенсивное окисление, соответствует приблизительно 500°С [2].

Толстые оксидные пленки препятствуют образованию прочного сцепления 
частиц с подложкой, т.к. разделяют взаимодействующие металлы не только за 
счет уменьшения физического и химического контакта, но и из-за снижения объемного взаимодействия. Объемное взаимодействие приводит к взаимному проникновению материалов частицы и основы (подложки) вследствие диффузионного 
массопереноса через границу с уже установившимися химическими связями. Длительность взаимодействия при напылении оценивается временем 10'3-10'7 с, после чего частицы кристаллизуются, резко остывают и теряют способность взаимодействовать. За столь малое время объемное проникновение материалов проходит на небольшую глубину и мало влияет на прочность сцепления частиц. Приваривание определяется главным образом тем, насколько полно проходит химическая стадия.

По данным монографии [1], если прошли первые две стадии, то объемные 
процессы при напылении проходят главным образом по дислокациям, малоугловым границам зерен и другим дефектам структуры. Диффузия существенно облегчается пластической деформацией протекающей в зоне контакта частицы и 
основы. Кроме того, диффузии способствует высокая температура в контакте.

Таким образом проведенные исследования показали, что максимальная адгезионная прочность достигается при подогреве подложки до температур 450 0 -  
500 °С.

Литература

1. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Учебник для вузов. / В.Н. 
Анциферов, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин и др. / Под общей ред. Б.С. Митина. М.: Металлургия, 1987. -  792 с.

2. Константы взаимодействия металлов с газами. / Я.Д. Коган, Б.А. Колачев, Ю.В. 
Левинский и др. М.: Металлургия, 1987. -  368 с.

3. Нанесение покрытий плазмой. / В.В. Кудинов, П.Ю. Пекшев, В.Е. Белащенко и 
др. -  М.: Наука, 1990. -  408 с.

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2003 г. Вып. 6 (78)
7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669.71: 548.53

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОГЕННОСТИ СТРУКТУРЫ 
СПЛАВОВ А1-Мд , А1-Мд-Ы И А1-Мд-8с ПОСЛЕ ПРОКАТКИ И ОТЖИГА

Д.т.н., проф., С.Я. Бецофен, д.т.н., проф. О.Е. Осинцев, С.А. Масюков

Рентгеновский метод кривых качания использовали для изучения микроструктуры и текстуры в AI и сплавах АМгб, 1570 и 1420 при холодной прокатке и отжиге. Ориентационная зависимость роста зерен при рекристаллизации, которая связана с различной концентрацией интерме- 
таллидных фаз в зернах с различной эффективной деформацией, которая увеличивается в ряду 
(111) -> (100) ->(311)-» (110)в*терминах механизма текстурообразования ГЦК металлов.

In present work the X-ray rocking curve method (ROM) was used for research of microstructure 
and texture of AI and alloys: Al-Mg (AMg6) and Al-Mg-Li (1420), AI- Mg-Sc (1570) after cold rolling by a 
8-70 % strains, and followed by annealing at 300-550°C. The orientation dependence of grain growth 
connected with different fraction of intermetallic precipitations in the grains with a difference these effective strains, which in order of increasing are (111) -> (100) -> (311) -> (110) in terms of the texture for- 
mation theory for FCC alloys._____________________________________________

Целью настоящей работы является исследование различных видов структурной гетерогенности AI сплавов, формирующейся в процессах пластической 
деформации, фазовых превращений и рекристаллизации в связи с возможным 
влиянием этой гетерогенности на эффект снижения пластичности при длительных 
низкотемпературных нагревах (ДИН). Определяли текстуру, параметры решетки и 
размеры зерен разных ориентаций для сплавов на основе AI после холодной прокатки и отжигов при температурах 300-500°С.

В качестве исходного материала использовали теплокатаные листы технически чистого AI (АД1) и сплавов систем Al-Mg-Mn (АМгб), Al-Mg-Sc (1570) и Al-Mg- 
Li (1420) толщиной 2,5-3,0 мм. Листы сплавов подвергали холодной прокатке в 
прямом и поперечном направлениях с обжатиями 8, 30, 50 и 70%. Из прокатанных 
полос вырезали образцы 20x20 мм, которые отжигали при 300, 400 и 500, 525, 
550°С (последние две температуры только для сплава 1570), выдержка 30 мин. 
Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-4,0 в 
СиКц - излучении, при этом параметры решетки измеряли для нескольких рефлексов .

Текстуру определяли съемкой прямых полюсных фигур для рефлексов 
(111), (200) и (220), а также обратных полюсных фигур для направления нормали к 
листу. Особенности процесса рекристаллизации изучали с помощью съемки кривых качания в интервале углов ю=±10° для рефлексов (111), (200), (220), (311). 
Этот метод позволяет оценить кинетику роста зерен разных ориентаций при рекристаллизации [1]. Предлагаемый подход позволяет определить фракцию рекри- 
сталлиэованных зерен (fr) и распределение зерен по размерам для 
любой их 
ориентации. Для этого необходимо получить кривую качания для соответствующего рефлекса, вычислить распределение зерен по размерам, найти объемную 
фракцию рекристаллизованных зерен (ESr). Тогда объемная доля рекристаллизо- 
ванных зерен, fr, может быть получена из соотношения: fr = ZSг/ S(hki), где S(hk|) - 
площадь под кривой качания (hkl) рефлекса.

Исходные теплокатаные листы характеризуются неоднородной по сечению 
текстурой, при этом в поверхностных слоях толщиной 30-50 мкм формируются 
текстуры сдвига с компонентами (001 )[110] и (111 )[110], а в медианных слоях типичные для ГЦК металлов компоненты текстуры прокатки: (112)[111] -  текстура 
«меди», (011 )[112] -  текстура «латуни» и промежуточные компоненты типа

8
Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2003 г. Вып. 6 (78)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

(123)[564] -  «Б-текстура». В А1 и АМгб поверхностные слои имеют компоненты 
текстуры сдвига (001 )[110] и (111 )[110] только при малых деформациях, начиная с 
обжатия 30% текстуры листов практически однородны по толщине. В сплаве 1420 
поверхностные слои имеют сильно отличающуюся текстуру вплоть до 70% деформации. При этом компонент текстуры (001 )[110] практически не меняет своей 
интенсивности (полюсная плотность ~2) при всех обжатиях, в то время как в А1 полюсная плотность этого компонента снижается с 6 до 0,4 единиц, а в АМгб с 1,5 до 
0,6 единиц. Кроме того, обнаружено, что в поверхностных слоях сплавов АМГ6 и 
1420 величина параметров решетки ниже, чем в средних слоях, что может быть 
связано с обеднением твердого раствора магнием, который существенно повышает параметр решетки алюминия.

Следует отметить также, что в сплаве 1420 обнаружены существенные отличия параметров решетки, рассчитанных для разных фк1) рефлексов, табл.2. Эти 
различия имеют место в исходном теплокатаном листе, однако с увеличением 
обжатия при холодной прокатке разница в параметрах увеличивается, табл.1.

Таблица 1

Параметры решетки для разных (Ик1) рефлексов и 
оцененные из этих параметров относительные значения 
объемных долей Б-фазы (^) и б'-фазы (^ ) для сплава 1420

Состояние

сплава

(220)
(31 1)
(222)
(40 Э)

а, А
ТзЯб'
а, А
а, А
№
а, А
№

исх. лист
4,075
0,25
4,076
0,18
4,078
0,14
4,078
0,14

01IIОО

о4

4,075
0,25
4,066
1,2
4,066
1,2
4,065
1,5

8=70%
4,072
0,43
4,070
0,6
4,055
5,7
4,054
9,0

Неоднородность выделения интерметаллидных фаз в зернах разных ориентаций при холодной прокатке приводит к выраженной ориентационной зависимости зарождения и роста зерен при рекристаллизации, которая может быть оценена по кривым качания. Это особенно заметно для сплава 1420 (отжиг при 
500°С,30 мин.), рис.1 б, и сплава 1570 (отжиг 550°С, 30 мин.), рис. 1 в, для которых 
фракция рекристаллизованных зерен (Т) для всех степеней деформации выше 
для зерен с {111} и {100} ориентировками по сравнению с зернами с {110} ориентировкой. Для сплава АМгб эта тенденция выражена только для малых степеней 
деформации, рис.1 а. При этом, фракция рекристаллизованных зерен убывает со 
степенью деформации для сплава АМгб и увеличивается с деформацией для 
сплава 1420 и 1570.

Полученные в нашей работе результаты показывают, что структурное состояние А Ш  сплавов характеризуется различными видами гетерогенности, которая более выражена по сравнению со сплавами, не содержащими лития. Прежде 
всего, это проявляется в наличии поверхностных слоев, обедненных легирующими элементами, что приводит к образованию более выраженного слоя с текстурой 
сдвига, и как следствие, к дополнительной несовместности деформации различных слоев листового полуфабриката.

Это может быть связано с тем, что при деформации в одних зернах доминирует выделение б'-фазы, а в других -  Б-фазы. Используя зависимость параметра решетки твердого раствора А1 от содержания Мд и Ы [2], с учетом молярного 
содержания компонентов в сплаве, Э-фазе (А12Мди) и б'-фазе (А13и), можно оценить соотношение между Б- и б'-фазами 
для зерен с разными (Ьк\) ориентировками на основе экспериментальных значений параметров решетки твердого 
раствора для соответствующих ориентировок (табл.1).

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2003 г. Вып. 6 (78)
9