СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE ARTICLES WITH INNER CAVITIES BY EXPLOSION WELDING

Изобретение относится к технологии получения изделий с внутренними полостями с помощью энергии взрыва и может быть использовано при изготовлении, например, деталей термического и химического оборудования, теплорегуляторов и т.п., эксплуатируемых в окислительных газовых средах.
Известен способ изготовления теплообменных композиционных элементов с внутренними полостями, в том числе с использованием слоев из меди и алюминия, с помощью взрывных технологий, при котором на плакируемую заготовку, например из меди, наносят с помощью трафарета противосварочную пасту или краску на участки, где сварка не предусмотрена, сваркой взрывом приваривают плакирующий слой из другого металла, например из алюминия, проводят термическую обработку для снятия взрывного упрочнения металлов и повышения их деформационной способности, затем в специальном приспособлении формируют под действием гидравлического давления проходные каналы заданного сечения. Теплозащитные интерметаллидные слои на межканальных промежутках формируют высокотемпературной диффузионной термической обработкой полученных заготовок (Трыков Ю.П., Писарев С.П. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство. 1998, №6, с.34-37).
Недостатком данного способа является отсутствие на наружных поверхностях получаемых изделий жаростойких интерметаллидных слоев, повышенная склонность металлических слоев к коррозионному разрушению, поскольку внутренние полости таких изделий контактируют с разнородными металлами, возможность разрушения изделий по хрупким интерметаллидным прослойкам при резких перепадах давления в жидкостях-теплоносителях, пропускаемых через внутренние каналы, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для эксплуатации в окислительных газовых средах.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционных алюминиево-никелевых изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, включающий разметку металлического слоя с помощью трафарета, нанесение противосварочного вещества на участки, где сварка не предусмотрена, составление пакета из металлических слоев, размещение над ним защитной металлической прослойки с зарядом взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку для повышения деформационной способности сваренных металлических слоев, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей, отжиг для формирования диффузионных теплозащитных интерметаллидных прослоек, при этом составляют пакет из четырех металлических слоев с размещением между алюминиевыми пластинами одинаковых никелевых пластин, в котором соотношение толщин слоев алюминия и никеля составляет 1:(0,4-0,67) при толщине каждого слоя никеля 0,8-1 мм, предварительно на верхнюю поверхность нижней никелевой пластины наносят слои из противосварочного вещества - сверхвысокомолекулярного полиэтилена, в виде полос с расстоянием между ними не менее 12 мм, сварку взрывом пакета осуществляют при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2200-2770 м/с, отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества (ВВ) к сумме удельных масс защитной металлической прослойки, алюминиевой и никелевых пластин, а также сварочные зазоры между слоями пакета выбирают из условия получения скорости соударения верхней алюминиевой пластины с никелевой в пределах 370-430 м/с, никелевых пластин - 450-470 м/с, нижней никелевой с нижней алюминиевой - 400-440 м/с, термообработку сваренной заготовки проводят при температуре 400-430°С в течение 0,3-0,5 часов, отжиг для образования сплошных диффузионных теплозащитных интерметаллидных прослоек проводят при температуре 480-520°С в течение 1,5-3 часов с охлаждением на воздухе, с получением цельносварного композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными диффузионными теплозащитными интерметаллидными прослойками между слоями алюминия и никеля. Полученные по этому способу изделия обладают высоким термическим сопротивлением стенок при направлении теплопередачи поперек слоев, повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в их внутренних полостях, а также высокой коррозионной стойкостью, благодаря тому, что внутренние полости в таких изделиях контактируют с однородными металлами (Патент РФ №2399471, МПК B23K 20/08, B32B 15/01, опубл. 20.09.2010, бюл. №26 - прототип).
Недостатком данного способа является то, что сплошные теплозащитные слои из интерметаллидов системы никель - алюминий, обладающие помимо высокого термического сопротивления еще и весьма высокой жаростойкостью, располагаются между слоями из алюминия и никеля и отсутствуют на наружных поверхностях получаемых изделий, контактирующих с окружающей средой. Наружные слои в таких изделиях выполняют из легкоплавкого металла - алюминия с температурой плавления 660°С, поэтому предельно допустимая рабочая температура таких изделий не превышает 400-600°С, малая прочность изделия при изгибающих нагрузках из-за наличия в его конструкции малопрочных алюминиевых слоев и малой толщины перемычек между полостями, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в окислительных газовых средах, где требуется повышенная жаростойкость и прочность при изгибающих нагрузках.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционных изделий с внутренними полостями со сплошными интерметаллидными слоями на его наружных поверхностях, обеспечивающих их повышенную жаростойкость в окислительных газовых средах, с повышенной прочностью при изгибающих нагрузках, с однородным металлом, контактирующим с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях.
Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью поэтапной сварки взрывом двух трехслойных и многослойного пакетов из металлических слоев, термических и силовых воздействий на сваренные заготовки на оптимальных режимах, получение изделия с внутренними полостями со сплошными интерметаллидными слоями на его наружных поверхностях, обеспечивающих у него более высокую, чем у изделий, полученных по прототипу, жаростойкость в окислительных газовых средах, повышенную прочность изделия при изгибающих нагрузках, с однородным металлом, контактирующим с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционных изделий с внутренними полостями, включающем разметку металлического слоя с помощью трафарета, нанесение противосварочного вещества - сверхвысокомолекулярного полиэтилена на участки, в которых сварка не предусмотрена, составление пакета из металлических слоев под сварку взрывом, размещение на поверхности пакета защитной металлической прослойки с зарядом взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку для повышения деформационной способности сваренных металлических слоев, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей, отжиг для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, составляют два трехслойных пакета с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины с соотношением толщин слоев никеля и алюминия 1:(1-1,5), никеля и меди 1:(1,25-2,5), при толщине слоя никеля, равной 1-1,2 мм, сварку взрывом каждого пакета осуществляют при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1690-2770 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между слоями пакетов выбирают из условия получения скорости соударения верхней алюминиевой пластины с никелевой в пределах 370-480 м/с, никелевой с нижней медной - 335-480 м/с, составляют пакет из стальной пластины с симметричным расположением относительно ее поверхностей сваренных трехслойных заготовок, между каждой трехслойной заготовкой и стальной пластиной размещают медную пластину с предварительно нанесенным на ее поверхность противосварочным веществом, при этом толщина каждой медной пластины равна толщине медных слоев в метаемых трехслойных заготовках, располагают с двух сторон пакета одинаковые заряды взрывчатого вещества и осуществляют его сварку взрывом с одновременным инициированием в зарядах процесса детонации, при этом скорость детонации в каждом заряде взрывчатого вещества равна 1970-3240 м/с, высоту зарядов взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают из условия получения скорости соударения медных слоев в пределах 300-570 м/с, медных пластин со стальной пластиной - 280-410 м/с, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей производят с двух сторон стальной пластины между медными слоями сваренной девятислойной заготовки, ее отжиг для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля производят при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°С, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение на воздухе с получением при этом композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими покрытиями на его наружных поверхностях.
Новый способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по построению схем сварки взрывом пакетов из металлических слоев, так и по совокупности технологических приемов и режимов при осуществлении способа.
Так, предложено составлять два трехслойных пакета с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины с соотношением толщин слоев никеля и алюминия 1:(1-1,5), никеля и меди 1:(1,25-2,5), при толщине слоя никеля, равной 1-1,2 мм, что создает благоприятные условия для получения качественных сварных соединений на межслойных границах, возможность формирования на наружных поверхностях изделия жаростойких покрытий, обеспечивает экономный расход металлов в расчете на одно изделие. Толщина никелевой пластины менее 1 мм является не достаточной для обеспечения стабильных сварочных зазоров между металлическими слоями трехслойного пакета из-за гибкости никелевого слоя, а это может приводить к снижению качества сварных соединений его со слоями из алюминия и меди. Кроме того, при малой толщине слоя никеля возможно нарушение его сплошности при операции формирования гидравлическим давлением внутренних полостей. Его толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это хоть и не ухудшает качество получаемого изделия, но приводит к чрезмерному расходу дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие.
Предложенные соотношения толщин слоев никеля и алюминия 1:(1-1,5), никеля и меди 1:(1,25-2,5) являются оптимальными, поскольку при этом создаются благоприятные условия для образования качественных сварных соединений при сварке взрывом при минимальном расходе металлов в расчете на одно изделие. При величине этих соотношений ниже нижних предлагаемых пределов толщина алюминиевых и медных пластин оказывается недостаточной, при сварке взрывом у этих пластин возможны неконтролируемые деформации, что ухудшает качество полученных изделий. Величина этих соотношений толщин слоев выше верхних предлагаемых пределов является избыточной, поскольку это приводит к излишнему расходу металлов в расчете на одно изделие.
Предложено сварку взрывом каждого пакета осуществлять при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1690-2770 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между слоями пакетов выбирать из условия получения скорости соударения в каждом из них верхней алюминиевой пластины с никелевой в пределах 370-480 м/с, никелевой с нижней медной - 335-480 м/с, что обеспечивает надежную сварку металлических слоев, исключает нарушение их сплошности. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения металлических слоев ниже нижних предлагаемых возможно появление непроваров в зонах соединения металлов, что снижает качество получаемых изделий. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения металлических слоев выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических слоев с нарушениями их сплошности, а это может привести к невозможности дальнейшего использования таких заготовок для получения изделия.
Предложено составлять пакет под сварку взрывом из стальной пластины с симметричным расположением относительно ее поверхностей сваренных трехслойных заготовок, между каждой трехслойной заготовкой и стальной пластиной размещать медную пластину с предварительно нанесенным на ее поверхность противосварочным веществом, при этом толщина каждой медной пластины равна толщине медных слоев в метаемых трехслойных заготовках. Симметричное расположение сваренных трехслойных заготовок и медных пластин относительно поверхностей стальной пластины обеспечивает при двусторонней сварке взрывом одинаковые условия процесса и тем самым способствует получению изделий высокого качества. Медные пластины с нанесенным на одну из их поверхностей противосварочным веществом, после сварки с медными слоями трехслойных заготовок и формирования гидравлическим давлением внутренних полостей, обеспечивают однородность металла, окружающего каждую внутреннюю полость изделия, что обеспечивает его повышенную коррозионную стойкость. Толщина каждой медной пластины пакета должна быть равна толщине медных слоев в метаемых трехслойных заготовках, что обеспечивает равнопрочность и герметичность сварных соединений при приварке к полученным изделиям трубопроводов в процессе монтажа энергетических установок. Толщина медных пластин больше, чем толщина медных слоев метаемых трехслойных заготовок, является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящей меди в расчете на одно изделие. Их толщина меньше, чем у медных слоев в метаемых трехслойных заготовках, может приводить к затруднению получения герметичных сварных соединений при приварке к ним трубопроводов в процессе монтажных работ.
Предложено в центральной части пакета размещать стальную пластину, пластину, что придает получаемому изделию высокую прочность при изгибающих нагрузках, препятствует растрескиванию интерметаллидных слоев при эксплуатации изделий, расширяет возможности монтажа изделий при изготовлении стальных корпусов химических и тепловых агрегатов, снижает возможность появления неконтролируемых деформаций металлических слоев при двусторонней сварке взрывом. Предельная толщина данной стальной пластины не регламентирована.
Предложено располагать с двух сторон пакета одинаковые заряды ВВ и осуществлять его сварку взрывом с одновременным инициированием в зарядах процесса детонации, что обеспечивает одинаковые режимы сварки взрывом металлических слоев, расположенных с обеих сторон стальной пластины.
Предложено сваривать пакет взрывом при скорости детонации в каждом заряде взрывчатого вещества, равной 1970-3240 м/с, высоту зарядов взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирать из условия получения скорости соударения медных слоев в пределах 300-570 м/с, а медных пластин со стальной пластиной - 280-410 м/с, что обеспечивает надежную сварку металлических слоев на участках, где сварка предусмотрена и отсутствие сварных соединений в местах расположения противосварочного вещества, а это создает благоприятные условия для формирования гидравлическим давлением внутренних полостей между медными слоями требуемой формы и размеров после операции термической обработки для повышения деформационной способности сваренных металлических слоев. При скорости детонации ВВ и скорости соударения металлических слоев в свариваемом пакете ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зонах их соединения. При скорости детонации ВВ и скорости соударения металлических слоев выше верхних предлагаемых пределов у них возможны неконтролируемые деформации, при этом может происходить интенсивное волнообразование в зонах их соединения, что может привести к снижению прочности сварных соединений и невозможности дальнейшего практического использования сваренной заготовки.
Предложено формирование гидравлическим давлением внутренних полостей производить с двух сторон стальной пластины между медными слоями сваренной девятислойной заготовки, что повышает эффективность теплообмена между веществами-теплоносителями со стальной пластиной в процессе эксплуатации изделия, обеспечивает повышенную стойкость получаемого изделия к разрушению при резких перепадах давления в их внутренних полостях, а также их высокую коррозионную стойкость, благодаря тому, что внутренние полости в получаемых изделиях контактируют с однородными металлами.
Предложено производить отжиг сваренной девятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля, производят при температуре 600-630°С в течение 1,5-7 ч, что обеспечивает высокую скорость диффузионных процессов между алюминием и никелем и, благодаря этому способствует получению за короткое время отжига на межслойных границах интерметаллидных диффузионных прослоек необходимой толщины и состава, материал которой обладает высокой жаростойкостью. При температуре и времени термообработки ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек оказывается недостаточной, что снижает способность получаемого изделия сопротивляться длительному окислительному воздействию газов при высоких температурах. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку толщина интерметаллидной прослойки становится чрезмерной, при этом повышается вероятность хрупкого разрушения получаемого материала при его дальнейшей эксплуатации в условиях циклических нагрузок.
Предложено после завершения выдержки при отжиге нагревать заготовку до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°С, удалять с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживать при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, что способствует окончательному формированию состава и свойств жаростойких покрытий на наружных поверхностях получаемого изделия. Нагрев заготовки до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°С после завершения первой стадии отжига, значительно облегчает удаление с поверхностей интерметаллидных слоев избыточного алюминия, снижающего жаростойкость получаемых изделий. Температура нагрева выше верхнего предлагаемого предела является избыточной, поскольку при этом неоправданно возрастают энергетические затраты на получение изделия. Выдержка менее 0,3 ч является недостаточной для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, а это приводит к снижению твердости и жаростойкости покрытий на получаемых изделиях. Выдержка более 1 ч является избыточной, поскольку это не способствует улучшению качества изделий, но неоправданно увеличивает энергетические затраты. Последующее охлаждение предложено производить на воздухе, поскольку это наиболее дешевая технологическая операция, обеспечивающая высокое качество полученных изделий без коробления и трещинообразования в интерметаллидных слоях.
В результате получают цельносварное композиционное изделие с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями оптимальной толщины на наружных поверхностях изделия, обеспечивающими повышенную долговечность теплообменника в газовых средах при повышенных температурах, с повышенной прочностью при изгибающих нагрузках, с однородным металлом, контактирующим с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях.
На фиг.1 изображена схема сварки взрывом трехслойного пакета (вид сбоку), на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1, на фиг.3 - схема сварки взрывом девятислойного пакета (вид сбоку), на фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.3, на фиг.5 - поперечное сечение сваренного изделия с внутренними полостями.
Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности. Берут пластины из алюминия, никеля и меди и очищают у них соединяемые поверхности от окислов и загрязнений. Составляют два трехслойных пакета с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия 1 и меди 2 никелевой пластины 3. Толщина слоя никеля при этом равна 1-1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия в пакете равно 1:(1-1,5), а у никеля и меди 1:(1,25-2,5). Пластины в пакет размещают параллельно друг другу со сварочными зазорами, обеспечиваемыми с помощью упоров 4. На поверхность верхней алюминиевой пластины 1 пакета укладывают защитную металлическую прослойку 5, защищающую наружную поверхность верхней алюминиевой пластины от повреждений при детонации ВВ. Устанавливают полученный пакет на плоское основание 6, размещенное на грунте 7, устанавливают на поверхность защитной металлической прослойки контейнер с зарядом ВВ 8 со скоростью детонации 1690-2770 м/с, с генератором плоской детонационной волны 9. Высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между слоями пакета, определяемые с помощью компьютерных технологий, выбирают из условия получения скорости соударения верхней алюминиевой пластины 1 с никелевой 3 в пределах 370-480 м/с, а никелевой пластины с нижней медной 2 в пределах 335-480 м/с. Инициирование процесса детонации в зарядах взрывчатого вещества осуществляют с помощью электродетонатора 10. После этого, например на фрезерном станке, обрезают у сваренной трехслойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами, очищают соединяемые поверхности металлических слоев от окислов и загрязнений и составляют пакет из стальной пластины с симметричным расположением относительно ее поверхностей сваренных трехслойных заготовок, между каждой трехслойной заготовкой и стальной пластиной размещают медную пластину, как показано на фиг.3, где поз.11 - стальная пластина, 12, 13 - алюминиевые, 14, 15 - никелевые, 16, 17 - медные слои трехслойных заготовок, соответственно, 18, 19 - медные пластины, имеющие толщину, равную толщине медных слоев 16, 17 в метаемых трехслойных заготовках. Предварительно на поверхность каждой медной пластины 18, 19 наносят по трафарету слои противосварочного вещества в виде полос 20, шириной, равной М, с расстоянии между противосварочными полосами N, с расстояниями от краев заготовки, равными К. Все свариваемые заготовки в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров с помощью упоров 21-24. На поверхности алюминиевых слоев 12, 13 обеих трехслойных заготовок укладывают защитные прослойки из высокоэластичного материала - резины 25, 26, защищающие металлические поверхности от повреждений при детонации ВВ. Располагают с двух сторон полученного пакета контейнеры с одинаковыми зарядами ВВ 27, 28 со скоростью детонации 1970-3240 м/с с генераторами плоской детонационной волны 29, 30. Высоту каждого заряда ВВ, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скорости соударения медных слоев 16, 18 и 17, 19 в пределах 300-570 м/с, медных пластин 18, 19 со стальной пластиной 11 в пределах 280-410 м/с. Полученную сборку устанавливают вертикально на грунте 31. Сварку взрывом осуществляют с одновременным инициированием в зарядах ВВ процесса детонации с помощью электродетонатора 32 и двух детонирующих шнуров 33, 34 равной длины.
Термическую обработку для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной девятислойной заготовки проводят при температуре 400°С в течение 0,5 часа, после чего, например на фрезерном станке, обрезают у нее боковые кромки с краевыми эффектами. После этого производят формирование между медными слоями внутренних полостей необходимого профиля в специальной оснастке с помощью гидравлического давления, а затем производят отжиг полученной заготовки с внутренними полостями при температуре 600-630°С в течение 1,5-7 часов для формирования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°С, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение на воздухе с получением при этом композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими покрытиями на его наружных поверхностях. На поперечном сечении сваренного изделия с внутренними полостями, представленном на фиг.5, поз.35 - стальной слой в виде пластины, 36, 37 - медные слои в виде пластины, 38, 39 - сдеформированные медные слои, 40, 41 - сдеформированные никелевые слои, 42, 43 - жаростойкие интерметаллидные покрытия, 44, 45 - зоны сварки медных слоев, 46, 47 - внутренние полости изделия.
В результате получают цельносварное композиционное изделие с внутренними полостями, расположенными с двух сторон стальной пластины, со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями на его наружных поверхностях и, благодаря этому, со значительно более высокой жаростойкостью в окислительных газовых средах и прочностью при изгибающих нагрузках, чем у изделий, полученных по прототипу, с обеспечением при этом однородности металлов, контактирующих с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях.
Сущность способа поясняется примерами. Все примеры, в том числе и пример по прототипу, сведены в таблице с указанием основных технологических режимов получения композиционных изделий с внутренними полостями, состава и толщин свариваемых материалов, а также свойств полученного продукта.
Пример 1.
Ni
Al
Cu
1
2
1
2
BB
BB
1
2
1
2
заг
Очищают от окислов и загрязнений пластины из алюминия АД1, никеля НП1 и меди M1, из которых составляют два трехслойных пакета под сварку взрывом с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины. Слои в пакетах располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров, причем метаемую алюминиевую пластину располагают сверху. Длина каждой пластины пакета 340 мм, ширина 265 мм. Толщина никелевых пластин δ=1 мм, алюминиевых δ=1,5 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия 1:1,5. Толщина медных пластин δ=2,5 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:2,5. На поверхность алюминиевой пластины каждого пакета укладывают защитную металлическую прослойку из стали Ст3, защищающую наружную поверхность верхней алюминиевой пластины от повреждений при детонации ВВ. Ее длина - 350 мм, ширина - 275 мм, толщина - 1 мм. Устанавливают полученные пакеты на плоские основания из древесно-стружечных плит длиной 340 мм, шириной 265 мм, толщиной 18 мм, размещенные на грунте. При сборке пакетов предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h и h, где h сварочный зазор между алюминиевой и никелевой пластинами, h - между никелевой и медной. Для сварки взрывом каждого пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=1690 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнер с обеспечением высоты заряда ВВ H=40 мм, длиной 360 мм, шириной 290 мм и устанавливают его на поверхность защитной металлической прослойки вместе с вспомогательным зарядом ВВ - генератором плоской детонационной волны. Для получения скоростей соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна: h=1,2 мм, h=4,5 мм, что обеспечивает скорость соударения алюминиевой и никелевой пластин при сварке взрывом V=370 м/с, никелевой и медной V=335 м/с. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в основном заряде ВВ с помощью электродетонатора и вспомогательного заряда ВВ. После сварки, например на фрезерном станке, обрезают у сваренной трехслойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами. После обрезки длина заготовок 320 мм, ширина - 245 мм, толщина δ=5 мм.
м
Cu
м
Cu
ст
3
4
3
4
BB
BB
3
4
3
4
Очищают соединяемые поверхности металлических слоев от окислов и загрязнений и составляют пакет из пластины из стали 12Х1МФ с симметричным расположением относительно ее поверхностей сваренных трехслойных заготовок. Между каждой трехслойной заготовкой и стальной пластиной размещают пластину из меди M1 с толщиной δ, равной толщине медных слоев δ метаемых трехслойных заготовок: δ=δ=2,5 мм. Толщина стальной пластины δ=6 мм, длина и ширина медной и стальной пластин такие же, как у трехслойной заготовки. Предварительно на поверхность каждой медной пластины наносят по трафарету слои противосварочного вещества в виде полос шириной М=25 мм, с расстояним между противосварочными полосами N=15 мм, с расстояниями от краев заготовки К=30 мм, толщина полос - 80-100 мкм. Как и в прототипе в качестве противосварочного вещества используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен, который наносят по патенту РФ №2171149. Все свариваемые заготовки в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров h и h, определяемых с помощью компьютерной технологии, где h - зазор между медным слоем трехслойной заготовки и поверхностью медной пластины с нанесенными слоями противосварочного вещества, h - зазор между медной и стальной пластинами. На поверхности алюминиевых слоев обеих трехслойных заготовок укладывают защитные прослойки из высокоэластичного материала - резины толщиной 3 мм, располагают с двух сторон полученного пакета контейнеры с одинаковыми зарядами ВВ со скоростью детонации D=1970 м/с с генераторами плоской детонационной волны. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры (смесь 1:4). Высота каждого заряда ВВ H=60 мм, длина - 360 мм, ширина - 290 мм. Для получения скоростей соударения свариваемых слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величина сварочных зазоров: h=1,7 мм, h=7,5 мм, что обеспечивает скорость соударения медных слоев при сварке взрывом V=300 м/с и скорость соударения каждой медной пластины со стальной пластиной V=280 м/с. Полученную сборку устанавливают вертикально на грунте. Сварку взрывом осуществляют с одновременным инициированием в зарядах ВВ процесса детонации с помощью электродетонатора и двух детонирующих шнуров равной длины.
Термическую обработку для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной пятислойной заготовки проводят в электропечи при температуре 400°С в течение 0,5 часов, после чего, например на фрезерном станке, обрезают у нее боковые кромки с краевыми эффектами. Затем с обеих сторон стальной пластины производят формирование между медными слоями внутренних полостей, имеющих форму, как на фиг.5, в специальной оснастке методом их раздувания под действием гидравлического давления. Ширина каждой внутренней полости равна 25 мм, высота - 4 мм.
Термическую обработку для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной девятислойной заготовки проводят при температуре 400°С в течение 0,5 часа, после чего, например на фрезерном станке, обрезают у нее боковые кромки с краевыми эффектами. После обрезки длина заготовки - 300 мм, ширина - 225 мм. После этого производят формирование между медными слоями внутренних полостей, имеющих форму, как на фиг.5, в специальной оснастке с помощью гидравлического давления, а затем производят отжиг полученной заготовки с внутренними полостями при температуре 600-630°С в течение 1,5-7 часов для формирования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°С, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение на воздухе с получением при этом композиционного изделия со сплошными жаростойкими покрытиями на его наружных поверхностях.
инт
max
min
В результате получают цельносварное композиционное изделие длиной - 300 мм, шириной - 225 мм с десятью внутренними полостями шириной 25 мм, высотой 4 мм, по пять полостей, симметрично расположенных с каждой стороны стальной пластины, с герметичными перемычками между полостями шириной около 15 мм, со сплошными интерметаллидными жаростойкими слоями на его наружных поверхностях толщиной δ=70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=22 мм, минимальная средняя толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=18 мм. Изделие обладает повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях, его прочность при изгибающих нагрузках в 7,5-8,5 раз выше, чем у изделия по прототипу, его рабочая температура в окислительных газовых средах достигает 1000°С, что на 400-600°С выше, чем у изделий, по прототипу, а это позволяет использовать изделия предлагаемой конструкции в энергетических и химических установках.
Пример 2.
Ni
Al
Cu
BB
BB
1
2
1
2
заг
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина никелевых пластин в трехслойных пакетах δ=1,1 мм, алюминиевых δ=1,3 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия 1:1,18. Толщина медных пластин δ=2 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,82. Для сварки взрывом каждого пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=2280 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры (смесь 1:2). Высота заряда ВВ H=40 мм. Для получения скоростей соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна: h=0,7 мм, h=3 мм, что обеспечивает скорость соударения алюминиевой и никелевой пластин при сварке взрывом V=420 м/с, никелевой и медной V=405 м/с. Толщина каждой полученной трехслойной заготовки δ=4,4 мм.
ст
м
Cu
BB
BB
3
4
3
4
При составлении пакета из стальной пластины с симметричным расположением относительно ее поверхностей сваренных трехслойных заготовок и медных пластин толщина δ=8 мм, δ=δ=2 мм. Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=2400 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры, H=50 мм. Для получения скоростей соударения свариваемых слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров: h=3 мм, h=7 мм, что обеспечивает скорость соударения медных слоев при сварке взрывом V=430 м/с, а скорость соударения медных пластин слоя со стальной пластиной V=340 м/с.
Отжиг полученной заготовки с внутренними полостями для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля производят в электропечи при температуре 615°С в течение 3,5 часов, затем нагревают ее до температуры 700°С, что превышает температуру плавления алюминия на 40°С, а после удаления с ее поверхности расплавленного алюминия, выдерживают при этой температуре 0,6 ч.
max
min
Результаты получения композиционного изделия с внутренними полостями те же, что в примере 1, но толщина жаростойких интерметаллидных прослоек на наружной поверхности изделия равна 60 мкм, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=22,2 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=18,2 мм, его прочность при изгибающих нагрузках в 8-9 раз выше, чем у изделия по прототипу.
Пример 3.
Ni
Al
Cu
BB
BB
1
2
1
2
заг
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина никелевых пластин в трехслойных пакетах δ=1,2 мм, алюминиевых δ=1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия 1:1. Толщина медных пластин δ=1,5 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,25. Для сварки взрывом каждого пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=2770 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 50% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры (смесь 1:1). Высота заряда ВВ H=40 мм. Для получения скоростей соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна: h=0,6 мм, h=3,2 мм, что обеспечивает скорость соударения алюминиевой и никелевой пластин при сварке взрывом V=480 м/с, никелевой и медной V=480 м/с. Толщина каждой полученной трехслойной заготовки δ=3,9 мм.
ст
м
Cu
BB
BB
3
4
3
4
При составлении пакета из стальной пластины с симметричным расположением относительно ее поверхностей сваренных трехслойных заготовок и медных пластин толщина δ=10 мм, δ=δ=1,5 мм. Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=3240 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 75% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 25% аммиачной селитры (смесь 3:1), H=40 мм. Величина сварочных зазоров: h=h=4 мм, что обеспечивает скорость соударения медных слоев при сварке взрывом V=570 м/с, а скорость соударения медных пластин со стальной пластиной V=410 м/с.
Отжиг полученной заготовки для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля производят при температуре 630°С в течение 1,5 часов, затем нагревают ее до температуры, 700°С, что превышает температуру плавления алюминия на 50°С, а после удаления с ее поверхности расплавленного алюминия выдерживают при этой температуре 0,3 ч.
max
min
Результаты получения композиционного изделия с внутренними полостями те же, что в примере 1, но толщина жаростойких интерметаллидных прослоек на наружной поверхности изделия равна 50 мкм, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=22,4 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями мм, его прочность при δ=18,4 изгибающих нагрузках в 9-10 раз выше, чем у изделия по прототипу.
В композиционных алюминиево-никелевых изделиях с внутренними полостями, полученных по прототипу (см. таблицу, пример 4), две сплошные диффузионные теплозащитные интерметаллидные прослойки состава алюминий-никель толщиной 15-20 мкм расположены между наружными слоями из алюминия толщиной 1,5-2 мм и никеля толщиной 0,8-1 мм. Никелевые слои образуют вокруг полостей шириной каждой из них, равной 25 мм, и высотой - 4 мм, замкнутые контуры. Ширина перемычек между внутренними полостями около 10-12 мм. Предельная рабочая температура таких изделий в окислительных газовых средах не превышает 400-600°С, что на 400-600°C ниже, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу, из-за отсутствия жаростойких покрытий на их наружных поверхностях. Прочность таких изделий при изгибающих нагрузках в 7,5-10 раз ниже, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу.