Особенности диффузионной сварки при изготовлении металлокерамических конструкций с применением порошковых промежуточных слоев

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки

Наряду с этой классификацией СНиП 2.05.06-85* устанавливает для магистральных трубопроводов категории которые требуют обеспечения соответствующих прочностных характеристик на любом участке трубопровода.

Приведенная классификация и категории трубопроводов определяют в основном требования, связанные с обеспечением прочности или неразрушимости труб. В северной природно-климатической зоне все трубопроводы относятся к категории III. Исходя из этих же требований в СНиП 2.05.06-85* - определены также и категории, к которым следует относить не только трубопровод в целом, но и отдельные его участки. Необходимость в такой классификации объясняется различием условий, в которых будет находиться трубопровод на тех или иных участках местности, и возможными последствиями в случае разрушения трубопровода на них. Отдельные участки нефтепроводов могут относиться к высшей категории В, категории I или II. К высшей категории В относятся трубопроводные переходы через судо- и несудоходные реки с шириной зеркала воды более 25 метров, а также через болота III категории при диаметре трубопро-

вода 1 000 мм и более; газопроводы, расположенные внутри зданий и территорий компрессорных станций. К участкам к категории I относятся под- и надводные переходы через реки, болота типов II III, горные участки, вечномерзлые грунты. К участкам категории II относятся под- и надводные переходы через реки, болота типа II, косогорные участки, переходы под дорогами и т. д.

Библиографические ссылки

1. Демченко В. Г., Демченко Г. В. Магистральные трубопроводы. Надежность. Условия работы и разрушений, 2007.

2. Дерцакяна А. К. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов. 1977.

3. Свод правил СП 86.13330.2012 «СНиП Ш-42-80*. Магистральные трубопроводы» (утв. приказом Федерального агентства по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству от 25 дек. 2012 г. № 107/ГС).

© Сорвачев И. С., Брот К. А., 2014

УДК 621.791.18

П. В. Тимошев, В. В. Шеллер, А. В. Яковлев Научный руководитель - С. В. Прокопьев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ОСОБЕННОСТИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОРОШКОВЫХ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СЛОЕВ

Рассмотрены особенности диффузионной сварки керамики с металлами с применением порошковых промежуточных слоев и промежуточных слоев из пористых лент.

Трудно представить себе конструкцию изделия без детали или узла из керамики, стекла, ситалла, поликора и других неметаллических материалов. Эти материалы, обладающие особыми физико-химическими и механическими свойствами, в сочетании с металлами позволяют решать большинство конструктивных и технологических проблем при создании новой техники.

Клеевые соединения, пайка и сварка плавлением не приемлемы для соединения металлов с неметаллами в виду их технологических особенностей, таких как выделение газообразных продуктов, наличие жидкой фазы между соединяемыми поверхностями, металлургической несовместимости и др. [1].

Только сварка в твердой фазе имеет реальную перспективу использования для получения металлокера-мических узлов. Эта технология позволяет оптимизировать технологический цикл, минимизировать напряжения в сварном шве, а также исключить применение припоев на основе драгоценных металлов.

Диффузионная сварка керамики с металлами проводится без расплавления металлической детали при

температурах, обеспечивающих сохранение исходных свойств керамических материалов.

Свариваемые поверхности любых деталей, подлежащих сварке, должны быть обработаны спирто-бензиновой смесью с целью удаления загрязнений.

Для металлов применяется дополнительная очистка металлических деталей, перед сваркой обеспечивается токарной, фрезерной или шлифовальной обработкой (шероховатость поверхности, подлежащей сварке, не хуже = 1,32 мкм).

Для керамики механическая обработка неприемлема, так как после нее на поверхности остается тонкий слой дефектов в виде сетки мелких трещин, которая является причиной низкого качества сварного соединения. Поэтому единственным способом подготовки керамики под сварку является ее химическая очистка, которая сводится к трем основным способам обработки: обезжириванию в органических растворителях и растворах солей, щелочей, поверхностно-активных веществ и т. п., удалению механических загрязнений с применением ультразвуковых ванн или термообработкой в вакууме и травлению.

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

Диффузионная сварка керамики с металлами имеет ряд особенностей, зависящих от физико-химических и механических свойств керамических материалов. В частности, основными параметрами процесса диффузионной сварки являются температура, сварочное давление, изотермическая выдержка, а также скорости нагрева и охлаждения деталей.

Учитывая повышенную активность стеклофазы в керамике по сравнению с кристаллической фазой, а также ограниченную деформационную способность всех неметаллических материалов, для получения прочного соединения неметаллов их нагревают приблизительно до температуры размягчения. Вследствие этого образцы деформируются даже без воздействия нагружающего усилия.

Разрешить проблему соединения неметаллических материалов удалось с помощью металлических промежуточных слоев.

Диффузионная сварка неметаллических материалов с металлическими осуществляется при микропластических деформациях промежуточного слоя либо металлической детали. Образование надежной связи между неметаллом и металлом возможно благодаря взаимодействию между низшими оксидами металлов и оксидной системой неметалла. Поэтому разработка технологии диффузионного соединения неметалла с металлом сводится к выбору вида металлического промежуточного слоя, на поверхности которого имеется оксидный слой значительной толщины, и режима сварки.

При соединении материалов диффузионной сваркой через порошковые промежуточные слои происходит спекание под давлением частиц порошка друг с другом и с соединяемыми поверхностями.

Наибольшее влияние на интенсификацию процессов усадки и спекания оказывают физические свойства металлических порошков. При уменьшении размеров частиц возрастает удельная поверхность порошка. С повышением дисперсности порошка снижается температура начала его усадки, последняя же увеличивается, равно как и прочность спрессованных образцов.

Скорости процессов взаимного спекания частиц и припекания их к плоской поверхности увеличиваются с уменьшением линейных размеров частиц.

Качество сварного соединения, полученного через порошковый промежуточный слой, определяется в равной степени процессами, происходящими при спекании этого слоя и сопровождающими его припе-кание к поверхности основного материала.

При нагреве и выдержке образца при повышенной температуре на границе раздела промежуточного слоя и основного металла протекают процессы, влияющие на прочность их сцепления: восстановление оксидов и разложение химических соединений, релаксация напряжений, образование контактов с химической связью, перестройка структуры, диффузия, рекристаллизация, рост зерен, формирование твердых растворов и химических соединений, рост существующих и вновь возникающих контактов.

Припекание промежуточного слоя к основному материалу зависит от их химического состава и параметров режима сварки. Компоненты слоя, усиливающие диффузию и снижающие температуру процесса, улучшают припекаемость, а компоненты, образующие на поверхности трудно восстанавливаемые оксиды и ослабляющие диффузию, ухудшают ее.

Существенное влияние на припекание промежуточного слоя к поверхности основного материала оказывает величина приложенного сварочного давления. Небольшое давление (до 3 МПа) активирует спекание порошка, причем с ростом давления его усадка увеличивается, что может быть объяснено повышением эффективного коэффициента диффузии.

Операция нанесения порошка на свариваемые поверхности не технологична. Эти особенности промежуточного слоя могут стать причиной нестабильной структуры и свойств сварных соединений, а также их низкого качества. Наиболее приемлемым видом такого слоя, лишенным указанных недостатков, является пористая лента, получаемая прокаткой ультрадисперсных порошков (размер частиц менее 0,1 мкм).

Использование промежуточных слоев из пористых лент УДП позволяет осуществлять процессы при относительно низких температурах, снижать химическую неоднородность в зоне соединения, снимать остаточное напряжение и устранять влияние различия в значениях коэффициента линейного теплового расширения свариваемых материалов, предотвращать их пластическую деформацию.

Библиографическая ссылка

1. Люшинский А. В. Диффузионная сварка : учеб. пособие. М. : Академия, 2006. 208 с.

© Тимошев П. В., Шеллер В. В., Яковлев А. В., 2014