СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
METHOD FOR OBTAINING COMPOSITE ITEMS WITH INTERNAL 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, пуансонов для горячего прессования пластмасс и т.п.
Известен способ получения композиционных теплозащитных элементов с внутренней полостью с основой из титанового сплава ОТ4, плакированного медью М3 или алюминием АД1 с помощью энергии взрыва, при котором для формирования активной теплозащиты на поверхность заготовок заданной формы наносят противосварочную пасту по трафарету, соответствующему форме каналов хладоносителя, сваркой взрывом соединяют плакирующую заготовку с плакируемой, а затем осуществляют операцию формообразования (раздувания) внутреннего канала путем закачки в места, где отсутствует сварка между металлическими слоями жидкости высокого давления. Формирование пассивной теплозащиты происходит за счет создания на границе соединения металлов интерметаллидной прослойки заданной толщины при последующей термической обработке сваренных заготовок (Трыков Ю.П., Шморгун В.Г., Проничев Д.В. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов // Сварочное производство. 2000, №6, с. 40-43).
Недостатком данного способа является то, что теплозащитный интерметаллидный слой не является сплошным и образуется лишь на межканальных (плоских) участках изделия, а на участках металлических слоев, примыкающих к внутренним полостям изделия, теплозащитный слой отсутствует, внутренние полости изделия окружены разнородными материалами, что приводит к повышенной склонности металлических слоев к коррозионному разрушению, поскольку теплообмен с окружающей средой неодинаков на разных участках изделия. Кроме того, полученные по этому способу изделия обладают повышенной склонностью к расслоению при резких перепадах давления в жидкостях-теплоносителях, пропускаемых через внутренние каналы, а это весьма ограничивает применение изделий, полученных данным способом в технике.
Известен способ изготовления теплообменных композиционных элементов с внутренними полостями, 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 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 технике.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, включающий 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 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 интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, отличающийся тем, что составляют трехслойные пакеты 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, равном 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 двух полученных трехслойных заготовок, при этом предварительно на поверхность медного слоя нижней заготовки наносят по трафарету противосварочное вещество, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1900-2930 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочный зазор между ними выбирают из условия получения скорости соударения их медных слоев в пределах 310-550 м/с, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей производят между медными слоями сваренной шестислойной заготовки, ее отжиг для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля проводят при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°C, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды с образованием сплошного жаростойкого покрытия на наружных поверхностях полученного композиционного изделия, после чего производят охлаждение на воздухе (Патент РФ №2488469, МПК B23K 20/08, B23K 101/14, опубл. 27.07.2013, бюл. №21 - прототип).
К достоинствам данного способа можно отнести то, что сплошные диффузионные интерметаллидные прослойки на наружных поверхностях композиционных изделий, обладающие помимо высокой жаростойкости в окислительных газовых средах, придают изделиям еще и повышенное термическое сопротивление (отношение толщины прослойки к коэффициенту теплопроводности) при направлении теплопередачи в поперечном направлении, однако во многих теплотехнических устройствах, термическое сопротивление этих прослоек оказывается явно недостаточным из-за малой их толщины, что является серьезным недостатком этого способа и существенно ограничивает применение изделий, полученных по нему в ряде технических устройств, где требуется повышенное термическое сопротивление наружных слоев. К недостаткам этого способа относится и то, что диффузионные интерметаллидные прослойки, в полученных по нему изделиях располагаются с двух сторон изделия, что в ряде технических устройств, где требуется повышенное термическое сопротивление слоев лишь с одной стороны изделия, а с другой стороны - пониженное, является недопустимым. Недостатком является и то, что при контактных нагрузках поверхностные слои таких изделий в виде диффузионных интерметаллидных прослоек, склонны к хрупкому разрушению, жаростойкость наружных слоев в окислительных газовых средах, достигающая 1000°C, является избыточной в ряде технических устройств, где рабочая температура не превышает 450°C. Время, затрачиваемое на формирование единицы толщины каждой диффузионной интерметаллидной прослойки при получении изделий по прототипу, слишком велико (1,5-7 ч), что приводит к удорожанию получаемых изделий. Кроме того, изделия, полученные по этому способу, имеют недостаточную прочность при изгибающих нагрузках.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом с более высоким термическим сопротивлением диффузионных интерметаллидных прослоек и металлических слоев, расположенных с одной стороны изделия и с пониженным термическим сопротивлением металлического слоя, расположенного с другой его стороны, с наружными слоями, не склонными к хрупкому разрушению при контактных нагрузках, с повышенной прочностью изделий при изгибающих нагрузках, с существенным сокращением при этом времени, затрачиваемого на формирование единицы толщины каждой диффузионной интерметаллидной прослойки за счет существенного увеличения скорости их роста, с жаростойкостью одного из наружных слоев в окислительных газовых средах до 450°C, на базе нового технологического цикла осуществления сварки взрывом титановых слоев с медными, обеспечивающего получение качественных сварных соединений между титановыми и медными слоями, с применением в схеме сварки взрывом, обладающей высокой теплопроводностью, и, соответственно, с пониженным термическим сопротивлением, нижней медной пластины, содержащей цилиндрические внутренние полости, заполненные удаляемым после сварки взрывом легкоплавким металлом, с оптимальными расстояниями между смежными полостями, а также расстояниями от них до наружных поверхностей медной пластины, с повышением эффективности отжига сваренной заготовки для образования сплошных теплозащитных интерметаллидных прослоек между титаном и медью при температуре, превышающей температуру их контактного плавления, что обеспечивает значительное сокращение времени на образование единицы толщины каждой прослойки, с одновременным повышением их термического сопротивления за счет образования прослоек оптимальной толщины, с оптимальным расположением слоев в получаемом изделии, размеров свариваемых пластин, что обеспечивает повышенную прочность изделий при изгибающих нагрузках и отсутствие у них склонности к хрупкому разрушению при контактных нагрузках.
Техническим результатом заявленного способа является создание нового технологического цикла получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, обеспечивающего с помощью одновременной сварки взрывом на оптимальных режимах четырех разнородных металлических слоев (двух титановых и двух медных, один из которых содержит внутренние полости, заполненные удаляемым наполнителем - легкоплавким металлом), и последующего кратковременного отжига сваренной заготовки при температуре, превышающей температуру контактного плавления меди и титана, получение композиционных изделий с внутренними полостями с более высоким, чем у прототипа, суммарным термическим сопротивлением диффузионных интерметаллидных прослоек и металлических слоев, расположенных с одной стороны изделия, и с пониженным термическим сопротивлением металлического слоя, расположенного с другой его стороны, с наружными слоями, не склонными к хрупкому разрушению при контактных нагрузках, с повышенной прочностью изделий при изгибающих нагрузках, с существенным сокращением при этом времени, затрачиваемого на формирование единицы толщины каждой диффузионной интерметаллидной прослойки, с жаростойкостью одного из наружных слоев (слоя из титана) в окислительных газовых средах до 450°C.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, включающем составление пакета из металлических слоев под сварку взрывом, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, отжиг для формирования сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек между разнородными металлическими слоями, согласно изобретению составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами из титана медной пластины с соотношением толщин слоев титан-медь-титан 1:(0,75-1,0):1 при толщине слоя титана, равной 1-1,2 мм, и устанавливают его со сварочным зазором над нижней медной пластиной, содержащей цилиндрические внутренние полости, заполненные удаляемым после сварки взрывом легкоплавким металлом, при этом расстояние между смежными полостями и расстояние от них до наружных поверхностей медной пластины должно быть не менее 5 мм, располагают на поверхности верхней титановой пластины заряд взрывчатого вещества и осуществляют сварку взрывом полученной сборки при скорости детонации взрывчатого вещества 1970-2400 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирают из условия получения скорости соударения верхней титановой пластины с медной в пределах 560-715 м/с, медной пластины с нижней титановой - 535-640 м/с, нижней титановой пластины с нижней медной - 410-470 м/с, после сварки полученную заготовку нагревают до температуры, превышающей на 20-30°C температуру плавления легкоплавкого металла, и удаляют его из внутренних полостей, последующий отжиг сваренной заготовки для образования сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек между титаном и медью проводят при температуре, превышающей на 25-125°C температуру контактного плавления меди и титана, в течение 1-5 мин, с последующим охлаждением на воздухе. При реализации способа в качестве легкоплавкого металла для заполнения внутренних полостей используют свинец.
В таких условиях силового и теплового воздействия на металлы происходит надежная сварка слоев из разнородных металлов по всем поверхностям контакта. Последующий отжиг сваренной многослойной заготовки на предложенных режимах обеспечивает возникновение и ускоренный рост сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек из меди и титана необходимой толщины за счет взаимной диффузии меди и титана, со значительным сокращением при этом времени на образование единицы толщины каждой прослойки. Титановые слои, совместно с диффузионными интерметаллидными прослойками, расположенные с одной стороны полученного композиционного изделия, обеспечивают повышенное суммарное термическое сопротивление при направлении теплопередачи вдоль и поперек этих слоев, а наружный слой из меди, содержащий внутренние полости, расположенный с другой стороны изделия, обладающий высокой теплопроводностью, обеспечивает пониженное термическое сопротивление изделия в продольном и поперечном направлении. Наружные слои из титана и меди, обладающие повышенной пластичностью, полностью устраняют склонность изделия к хрупкому разрушению при контактных нагрузках, а предложенное расположение слоев в получаемом изделии, толщины свариваемых пластин, в совокупности обеспечивают повышенную прочность изделий при изгибающих нагрузках. Кроме того, титановые слои, совместно с медными слоями, снижают вероятность хрупкого разрушения диффузионных интерметаллидных прослоек при эксплуатации изделий. Удаляемый после сварки взрывом легкоплавкий металл во внутренних полостях при сварке взрывом препятствует неконтролируемым деформациям медной пластины, а предложенные минимальные расстояния между смежными полостями, а также расстояния от них до наружных поверхностей медной пластины обеспечивают целостность свариваемых пластин как в процессе сварки взрывом, так и в процессе снятия динамического давления.
Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренними полостями имеет существенные отличия в сравнении с прототипом как по внутреннему строению полученных изделий и их теплофизическим характеристикам, так и по совокупности технологических приемов воздействия на свариваемые пластины и режимов осуществления способа. Так, предложено составлять трехслойный пакет с размещением между пластинами из титана медной пластины с соотношением толщин слоев титан-медь-титан 1:(0,75-1,0):1 при толщине слоя титана, равной 1,0-1,2 мм, и устанавливать его со сварочным зазором над нижней медной пластиной, содержащей цилиндрические внутренние полости, заполненные удаляемым после сварки взрывом легкоплавким металлом, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений титановых слоев с медными, а также экономный расход металлов в расчете на одно изделие. При толщине каждого слоя титана менее 1,0 мм происходит недопустимое снижение их прочности при изгибающих нагрузках, что затрудняет обеспечение необходимых сварочных зазоров между титановыми слоями и медной пластиной, а это может привести к снижению качества сварных соединений титановых слоев с медными. Толщина титановых слоев выше предлагаемого предела является избыточной, поскольку в этом случае происходит излишний расход дорогостоящего титана в расчете на единицу массы получаемого материала.
Предложенное соотношение толщин слоев титан-медь-титан в трехслойном пакете 1:(0,75-1,0):1 является оптимальным, поскольку при таком соотношении толщин при сварке взрывом обеспечивается качественная сварка на всех межслойных границах. При отношении толщины каждого слоя титана к толщине медного в трехслойном пакете ниже нижнего предлагаемого предела возможно появление непроваров в зонах соединения слоев. При отношении толщины каждого слоя титана к толщине медного в трехслойном пакете выше верхнего предлагаемого предела толщина слоя меди становится избыточной, поскольку это приводит к излишнему расходу меди и затрудняет получение качественных сварных соединений между нижней титановой пластиной и смежными с ней медными слоями.
Предложено использовать нижнюю медную пластину с внутренними полостями цилиндрической формы, что способствует формированию в ней благоприятной структуры импульсов давления, возникающих в процессе сварки взрывом, способствует сохранению первоначальной формы медной пластины.
Предложено заполнять внутренние полости в нижней медной пластине легкоплавким металлом, удаляемым после сварки взрывом, что обеспечивает сохранность в сваренной заготовке первоначальной формы внутренних полостей.
Предложено в качестве легкоплавкого металла для заполнения внутренних полостей в нижней медной пластине использовать свинец, поскольку он не смачивает ее внутренние поверхности при сварке взрывом и поэтому без остатка легко удаляется из внутренних полостей при температурах, превышающих его температуру плавления.
Предложено использовать нижнюю медную пластину с расстоянием между смежными полостями, а также с расстоянием от них до наружных поверхностей не менее 5 мм, что обеспечивает необходимую прочность медной пластины в процессе сварки взрывом и в стадии снятия динамического давления. При указанных расстояниях менее 5 мм возможно повреждение металла пластины при сварке.
Предложено располагать на поверхности верхней титановой пластины заряд взрывчатого вещества и осуществлять сварку взрывом полученной сборки при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1970-2400 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирать из условия получения скорости соударения верхней титановой пластины с медной в пределах 560-715 м/с, медной пластины с нижней титановой - 535-640 м/с, нижней титановой пластины с нижней медной - 410-470 м/с, что обеспечивает качественную сварку всех разнородных металлических слоев в пакете без нарушений сплошности и неконтролируемых деформаций, снижающих качество получаемых заготовок. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения между свариваемыми металлическими слоями ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зонах соединения слоев, снижающих качество получаемой продукции. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения свариваемых пластин выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических слоев с нарушениями их сплошности, что может привести к невозможности дальнейшего использования сваренных заготовок.
Предложено после сварки взрывом полученную заготовку нагревать до температуры, превышающей на 20-30°C температуру плавления легкоплавкого металла, и удалять его из внутренних полостей, что обеспечивает легкоплавкому металлу необходимую жидкотекучесть, а это способствует удалению его из полостей без остатка. Температура нагрева заготовки до температуры, превышающей температуру плавления легкоплавкого металла менее чем на 20°C, приводит к затруднению удаления его из внутренних полостей. Температура нагрева заготовки до температуры, превышающей температуру плавления легкоплавкого металла более чем на 30°C, является избыточной, приводящей к излишним энергетическим затратам на его удаление и удорожанию получаемой продукции.
Предложено отжиг сваренной заготовки для образования сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек между титаном и медью проводить при температуре, превышающей на 25-125°C температуру контактного плавления меди и титана, в течение 1-5 мин, с последующим охлаждением на воздухе. При этом происходит ускоренное формирование между медными и титановыми слоями сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек оптимальной толщины, обладающих высокими теплозащитными свойствами. При температуре и времени отжига ниже нижнего предлагаемого предела толщина получаемых диффузионных интерметаллидных прослоек оказывается недостаточной для обеспечения у них высокого термического сопротивления, а это значительно сужает возможные области применения получаемого материала. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку при этом толщина получаемых теплозащитных интерметаллидных прослоек оказывается чрезмерной, при этом повышается вероятность хрупкого разрушения получаемого материала при его эксплуатации в условиях циклических нагрузок. Охлаждение на воздухе является наиболее экономичной технологической операцией, которая обеспечивает необходимое качество изделий.
В результате получают композиционное изделие с внутренними полостями с более высоким, чем у прототипа, суммарным термическим сопротивлением диффузионных интерметаллидных прослоек и металлических слоев, расположенных с одной стороны изделия, и с пониженным термическим сопротивлением наружного медного слоя, расположенного с другой его стороны, с наружными слоями из титана и меди, не склонными к хрупкому разрушению при контактных нагрузках, с повышенной прочностью изделия при изгибающих нагрузках, с существенным сокращением при этом времени, затрачиваемого на формирование единицы толщины каждой диффузионной интерметаллидной прослойки, с жаростойкостью одного из наружных слоев (наружного слоя из титана) в окислительных газовых средах до 450°C.
п
На фиг. 1 изображена схема сварки взрывом металлических пластин (вид сбоку), на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1 (вид сверху), на фиг. 3 - поперечный разрез Б-Б схемы сварки взрывом, на фиг. 4 - часть поперечного сечения сваренного изделия с внутренними полостями, где К - расстояние между внутренними полостями изделия; М, N - расстояния от внутренних полостей до поверхностей наружного медного слоя, d - диаметр внутренних полостей изделия.
Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности. Очищают от окислов и загрязнений пластины из титана и меди, из которых сначала составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами из титана 1, 2 медной пластины 3. Пластины в пакете располагают параллельно друг над другом на расстоянии технологических сварочных зазоров, при этом соотношение толщин слоев титан-медь-титан в пакете выбирают равным 1:(0,75-1,0):1 при толщине слоя титана, равной 1,0-1,2 мм. Устанавливают трехслойный пакет со сварочным зазором над нижней медной пластиной 4, содержащей цилиндрические внутренние полости, предварительно заполненные удаляемым после сварки взрывом легкоплавким металлом 5, в качестве которого предложено использовать свинец, при этом расстояние между смежными полостями а и расстояние от них до наружных поверхностей медной пластины b должно быть не менее 5 мм. Сварочные зазоры фиксируют с помощью упоров 6. Полученную сборку располагают на основании 7, размещенном на грунте 8.
На поверхность верхней титановой пластины 1 укладывают защитную прослойку из высокоэластичного материала 9, защищающую поверхность верхней титановой пластины от локальных повреждений продуктами детонации взрывчатого вещества, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом ВВ, содержащий заряд ВВ 10 с генератором плоской детонационной волны 11, Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в заряде ВВ 10 с помощью электродетонатора 12 и генератора плоской детонационной волны 11. Направление детонации в заряде ВВ осуществляется вдоль внутренних полостей.
1
2
3
При сварке взрывом используют ВВ со скоростью детонации 1970-2400 м/с, при этом высоту заряда ВВ 10, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирают с помощью компьютерной технологии из условия получения скорости соударения верхней титановой пластины с медной в пределах V=560-715 м/с, медной пластины с нижней титановой - V=535-640 м/с, нижней титановой пластины с нижней медной - V=410-470 м/с.
После сварки, например на фрезерном станке, обрезают у сваренного пакета боковые кромки с краевыми эффектами, полученную заготовку нагревают до температуры, превышающей на 20-30°C температуру плавления легкоплавкого металла, и удаляют его из внутренних полостей медного слоя. Затем на поверхность титанового слоя наносят технологическую обмазку для защиты от воздействия воздушной атмосферы, после чего полученную заготовку отжигают для образования сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек между титаном и медью, например в электропечи, при температуре, превышающей на 25-125°C температуру контактного плавления меди и титана, в течение 1-5 мин, с последующим охлаждением на воздухе. После охлаждения удаляют с поверхностей изделия защитную обмазку и полученное композиционное изделие с внутренними полостями используют по назначению.
Полученное композиционное изделие с внутренними полостями состоит из семи слоев (см. фиг. 4) и содержит с одной стороны наружный слой из титана 13, внутренний слой из титана 14, внутренний слой из меди 15, три сплошные диффузионные интерметаллидные прослойки из титана и меди 16, 17, 18, а с другой стороны изделие содержит наружный медный слой 19. Наружный 13 и внутренний 14 слои из титана совместно с диффузионными интерметаллидными прослойками 16, 17, 18 создают высокое термическое сопротивление материала при направлении теплопередачи в поперечном направлении, внутренний слой из меди 15 и наружный медный слой 19, обладающие высокой теплопроводностью, способствуют высокоэффективной теплопередаче вдоль этих слоев. Кроме того, медные слои 15 и 19, совместно с титановыми 13, 14, благодаря их высокой пластичности препятствуют хрупкому разрушению расположенных между ними диффузионных интерметаллидных прослоек в процессе эксплуатации изделий. Наружные слои изделия из титана 13 и меди 19 не склонны к хрупкому разрушению при контактных нагрузках. Внутренние полости изделия 20 могут быть использованы для пропускания через них жидкостей или газов-теплоносителей либо для размещения в них электрических нагревателей. Данное композиционное изделие с внутренними полостями имеет более высокое, чем у прототипа, суммарное термическое сопротивление, слагаемыми которого являются диффузионные интерметаллидные прослойки 16, 17, 18 и металлические слои 13, 14, 15, расположенные с одной стороны изделия, и пониженное термическое сопротивление наружного медного слоя 19, расположенного с другой его стороны. Изделие обладает в сравнении с прототипом повышенной прочностью при изгибающих нагрузках и при его получении существенно сократилось время, затрачиваемое на формирование единицы толщины каждой диффузионной интерметаллидной прослойки. Жаростойкость изделия в окислительных газовых средах со стороны наружного слоя из титана до 450°C.
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 (см. таблицу, опыт 1).
Очищают от окислов и загрязнений поверхности свариваемых пластин, берут две пластины из титана марки ВТ1-00 и пластину из меди марки M1, из которых сначала составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами из титана медной пластины. Пластины в пакете располагают параллельно друг над другом на расстоянии технологических сварочных зазоров.
Ti
Cu
Cu
Ti
Cu
Длина свариваемых пластин в трехслойном пакете 270 мм, ширина - 210 мм, толщина титановых пластин δ=1 мм, толщина медной пластины в пакете δ=1 мм, при этом соотношение толщин слоев титан-медь-титан в трехслойном пакете δ:δ:δ равно 1:1:1.
a
м
Берут полученную, например методом литья, пластину из меди марки M1 (нижнюю медную пластину) толщиной 20 мм, содержащую 12 сквозных цилиндрических внутренних полостей диаметром 10 мм, расположенных параллельно друг другу симметрично относительно наружных поверхностей пластины. Расстояние между смежными полостями =5 мм, расстояние от внутренних полостей до наружных поверхностей медной пластины b=5 мм. Заполняют ее внутренние полости, например методом литья, легкоплавким металлом - свинцом. Длина этой пластины 270 мм, ширина 210 мм, толщина δ=20 мм. Устанавливают трехслойный пакет со сварочным зазором над нижней медной пластиной. Полученную сборку располагают на плоском основании длиной 270 мм, шириной 210 мм, толщиной 15 мм, например из древесно-стружечной плиты, размещенном на грунте.
1
2
3
1
2
3
вв
вв
1
2
3
1
2
3
1
2
3
При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h, h и h, где h - зазор между верхней титановой пластиной и расположенной под ней медной пластиной, h - зазор между медной пластиной и расположенной под ней нижней титановой пластиной, h- зазор между титановой пластиной и расположенной под ней нижней медной пластиной. Для сварки взрывом пакета из пластин выбираем ВВ 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 (соотношение 1:2). Взрывчатое вещество помещают в контейнер с обеспечением высоты заряда ВВ Н=50 мм, длиной 280 мм, шириной 220 мм. Размещают на поверхности верхней титановой пластины защитную прослойку из высокоэластичного материала - резины длиной 270 мм, шириной 210 мм, толщиной 1 мм, защищающую поверхность верхней титановой пластины от локальных повреждений продуктами детонации взрывчатого вещества, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом ВВ. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величины сварочных зазоров равны: h=0,9 мм, h=10 мм, h=1,5 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах свариваемого пакета: V=715 м/с, V=640 м/с, V=540 м/с, где V - скорость соударения верхней титановой пластины с расположенной под ней медной, V - медной пластины с нижней титановой, V - нижней титановой пластины с нижней медной. Инициирование процесса детонации в заряде ВВ осуществляют с помощью электродетонатора, который располагают в заряде ВВ, чтобы направление детонации в нем было вдоль внутренних полостей.
уд
пл
oт
к.п.
После правки сваренного многослойного пакета на гидравлическом прессе и обрезки боковых кромок с краевыми эффектами, например на фрезерном станке, полученную заготовку нагревают до температуры t=347°C, превышающей на 20°C температуру плавления t легкоплавкого металла - свинца, равную 327°C, и удаляют его из внутренних полостей наружного медного слоя, например с помощью горячего сжатого воздуха. Затем на поверхность титанового слоя наносят технологическую обмазку для защиты от воздействия воздушной атмосферы, после чего полученную заготовку отжигают для образования сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек между титаном и медью, например в электропечи, при температуре t=900°C, превышающей на 25°C температуру контактного плавления меди и титана t=875°C, в течение τ=5 мин, с последующим охлаждением на воздухе. После охлаждения удаляют с поверхности изделия защитную обмазку и полученное композиционное изделие с внутренними полостями используют по назначению.
ки
т.км
т.в.км
м.ки
инт
м.н.ки
В результате получают семислойное композиционное изделие с двенадцатью внутренними полостями диаметром каждой из них около 10 мм, длина изделия 250 мм, ширина 200 мм, толщина δ=23 мм. Композиционное изделие содержит с одной стороны наружный слой из титана ВТ1-00 толщиной δ=0,8 мм, внутренний слой из титана ВТ 1-00 толщиной δ=0,6 мм, внутренний слой из меди M1 толщиной δ=0,8 мм, расположенный между титановыми слоями и диффузионными интерметаллидными прослойками, три сплошные диффузионные интерметаллидные прослойки из титана и меди с толщиной каждой из них δ=0,3 мм, а с другой стороны композиционное изделие содержит наружный слой из меди M1 толщиной δ=19,9 мм. Расстояние между внутренними полостями изделия К=5 мм, расстояния от внутренних полостей до поверхностей наружного медного слоя М, N около 5 мм
Проведенные исследования прочностных характеристик полученных изделий при сосредоточенных изгибающих нагрузках, показали, что их прочность в сопоставимых условиях нагружения превышает прочность изделий по прототипу при испытаниях поперек внутренних полостей в 3 раза, а при испытаниях, когда направление изгиба происходило параллельно внутренним полостям, превышает в 5 раз, при этом наружные слои из титана и меди не склонны к хрупкому разрушению при контактных нагрузках.
инт
сум
т.c
инт
м.с
т.с
м.в.
сум
ф
-3
-3
-3
-3
-3
Суммарное термическое сопротивление трех диффузионных интерметаллидных прослоек R в полученном изделии составляет 0,15·10 К/(Вт/м·К), что в 16-22 раза больше, чем у материала по прототипу. Суммарное термическое сопротивление слоев, обеспечивающих повышенные теплозащитные свойства с одной стороны изделия R складывается из термического сопротивления наружного и внутреннего титановых слоев R, термического сопротивления трех диффузионных интерметаллидных прослоек R и термического сопротивления внутреннего медного слоя R. В полученном изделии R=0,074·10 К/(Вт/м·К), R=0,00205·10К/Вт/м·К), R=0,226·10 К/(Вт/м·К), что в 10-12,7 раз больше, чем в изделии по прототипу. На наружной поверхности наружного медного слоя отсутствуют слои, обладающие повышенным термическим сопротивлением и тем самым препятствующие этому слою теплообмену с окружающей средой, а в изделиях по прототипу снаружи обоих медных слоев располагаются слои с повышенным термическим сопротивлением, состоящие из никеля и диффузионных интерметаллидных прослоек. Их суммарное термическое сопротивление с каждой стороны изделия составляет (0,018-0,22)·10К/(Вт/м·К), что существенно ограничивает применение таких изделий в технике. Время формирования 1 мм толщины интерметаллидной прослойки τ при получении изделия по предлагаемому способу составляет 16,7 мин, что в 36-107 раз меньше, чем при получении изделия по прототипу. Наружный слой из титана обеспечивает жаростойкость одной стороны изделия в окислительных газовых средах до 450°C.
Пример 2 (см. таблицу, опыт 2).
Ti
Сu
Сu
Ti
Cu
вв
вв
1
2
3
1
2
3
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина титановых пластин δ=1,1 мм, толщина медной пластины в трехслойном пакете δ=0,95 мм, при этом соотношение толщин слоев титан-медь-титан в трехслойном пакете δ:δ:δ равно 1:0,86:1. Диаметр внутренних полостей в нижней медной пластине d=9 мм, расстояние между смежными полостями а=5,5 мм, расстояние от внутренних полостей до наружных поверхностей медной пластины b=5,5 мм. Для сварки взрывом пакета из пластин выбираем ВВ из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=2070 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры (соотношение 1:3). Высота заряда ВВ Н=50 мм. При выбранных параметрах заряда ВВ величины сварочных зазоров равны: h=1 мм, h=12 мм, h=1,5 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах свариваемого пакета: V=620 м/с, V=580 м/с, V=470 м/с.
уд
пл
Для удаления легкоплавкого металла (свинца) из внутренних полостей наружного медного слоя полученную заготовку нагревают до температуры t=350°C, что на 23°C превышает температуру t.
от
Полученную заготовку отжигают для образования сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек между титаном и медью в течение τ=2 мин при температуре t=950°C, что превышает на 75°C температуру контактного плавления меди и титана.
ки
т.км
т.в.км
м.ки
инт
м.н.ки
В результате получают композиционное изделие с внутренними полостями диаметром каждой из них около 9 мм, толщина изделия δ=23, 15 мм. Композиционное изделие содержит с одной стороны наружный слой из титана ВТ1-00 толщиной δ=0,93 мм, внутренний слой из титана ВТ1-00 толщиной δ=0,76 мм, внутренний слой из меди M1 толщиной δ=0,79 мм, толщина каждой диффузионной интерметаллидной прослойки δ=0,25 мм, наружный слой из меди M1 имеет толщину δ=19,9 мм. Расстояние между внутренними полостями изделия К=5,5 мм, расстояния от внутренних полостей до поверхностей наружного медного слоя М, N около 5,5 мм.
инт
т.с.
м.в.
сум
ф
-3
-3
-3
-3
Свойства полученных изделий те же, что в примере 1, но прочность изделий по предлагаемому способу превышает прочность изделий по прототипу при испытаниях на изгиб поперек внутренних полостей в 2,5 раза, а при испытаниях, когда направление изгиба происходило параллельно внутренним полостям, - в 4,5 раза. Суммарное термическое сопротивление трех диффузионных интерметаллидных прослоек R в полученном изделии составляет 0,125·10 К/(Вт/м·К), что в 13-18 раз больше, чем у материала по прототипу. В полученном изделии R=0,089·10 К/(Вт/м·К), R=0,002·10К/(Вт/м·К). Суммарное термическое сопротивление слоев R=0,216·10 К/(Вт/м·К), что в 9,7-12,2 раза больше, чем в изделии по прототипу. Время формирования 1 мм толщины интерметаллидной прослойки τ при получении изделия по предлагаемому способу составляет 8 мин, что в 75-225 раз меньше, чем при получении изделия по прототипу.
Пример 3 (см. таблицу, опыт 3).
Ti
Cu
Cu
Ti
Cu
вв
вв
1
2
3
1
2
3
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина титановых пластин δ=1,2 мм, толщина медной пластины в трехслойном пакете δ=0,9 мм, при этом соотношение толщин слоев титан-медь-титан в трехслойном пакете δ:δ:δ равно 1:0,75:1. Диаметр внутренних полостей в нижней медной пластине d=8 мм, расстояние между смежными полостями а=6 мм, расстояние от внутренних полостей до наружных поверхностей медной пластины b=6 мм. Для сварки взрывом пакета из пластин выбираем ВВ из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=1970 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры (соотношение 1:4). Высота заряда ВВ Н=60 мм. При выбранных параметрах заряда ВВ величины сварочных зазоров равны: h=1 мм, h=12 мм, h=1,5 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах свариваемого пакета: V=560 м/с, V=535 м/с, V=410 м/с.
уд
пл
Для удаления легкоплавкого металла (свинца) из внутренних полостей наружного медного слоя полученную заготовку нагревают до температуры t=357°C, что на 30°C превышает температуру t.
от
Полученную заготовку отжигают для образования сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек между титаном и медью в течение τ=1 мин при температуре t=1000°C, что превышает на 125°C температуру контактного плавления меди и титана.
ки
т.км
т.в.км
м.ки
инт
м.н.ки
В результате получают композиционное изделие, с внутренними полостями диаметром каждой из них около 8 мм, толщина изделия δ=23, 3 мм. Композиционное изделие содержит с одной стороны наружный слой из титана ВТ 1-00 толщиной δ=1,07 мм, внутренний слой из титана ВТ1-00 толщиной δ=0,94 мм, внутренний слой из меди M1 толщиной δ=0,76 мм, толщина каждой диффузионной интерметаллидной прослойки δ=0,2 мм, наружный слой из меди M1 имеет толщину δ=19,9 мм. Расстояние между внутренними полостями изделия К=6 мм, расстояния от внутренних полостей до поверхностей наружного медного слоя М, N около 6 мм.
инт
т.с
м.в
сум
ф
-3
-3
-3
-3
Свойства полученных изделий те же, что в примере 1, но прочность изделий по предлагаемому способу превышает прочность изделий по прототипу при испытаниях на изгиб поперек внутренних полостей в 2 раза, а при испытаниях, когда направление изгиба происходило параллельно внутренним полостям, - в 4 раза. Суммарное термическое сопротивление трех диффузионных интерметаллидных прослоек R в полученном изделии составляет 0,1·10 К/(Вт/м·К), что в 10,7-15 раз больше, чем у материала по прототипу. В полученном изделии R=0,106·10 К/(Вт/м·К), R=0,0019·10 К/(Вт/м·К). Суммарное термическое сопротивление слоев R=0,207·10 К/(Вт/м·К), что в 9,3-11,7 раз больше, чем в изделии по прототипу. Время формирования 1 мм толщины интерметаллидной прослойки τ при получении изделия по предлагаемому способу составляет 5 мин, что в 120-360 раз меньше, чем при получении изделия по прототипу.
При получении композиционных изделий с внутренними полостями по прототипу (см. таблицу, пример 4), получают композиционные изделия, состоящие из шести слоев со сплошными интерметаллидными диффузионными прослойками из алюминия и никеля толщиной 0,05-0,07 мм (50-70 мкм) на наружных поверхностях, с внутренними полостями шириной 25 мм, высотой 4 мм, сформированными гидравлическим давлением между медными слоями, с перемычками между внутренними полостями шириной около 15 мм. Внутренние слои выполнены из меди M1 толщиной 1,5-2 мм, промежуточные слои между медными слоями - из никеля марки НП1 толщиной 1-1,2 мм.
инт
сум
инт
ник
сум
-5
-5
-5
Максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей 9,5-11 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями 5,5-7 мм, длина изделия 300 мм, ширина 225 мм. Его рабочая температура в окислительных газовых средах достигает 1000°C, однако прочность таких изделий при сосредоточенных изгибающих нагрузках ниже прочности изделий по предлагаемому способу при испытаниях поперек внутренних полостей в 2-3 раза, а при испытаниях, когда направление изгиба происходило параллельно внутренним полостям, в 4-5 раз ниже, при этом наружные слои в виде интерметаллидных диффузионных прослоек из алюминия и никеля склонны к хрупкому разрушению при контактных нагрузках. Термическое сопротивление каждой диффузионной интерметаллидной прослойки в таком изделии R=(0,67-0,93)·10 К/(Вт/ м·К), что в 10,7-22 раза меньше, чем у материала по предлагаемому способу. Суммарное термическое сопротивление слоев, обеспечивающих повышенное теплозащитные свойства с каждой стороны изделия R, складывается из термических сопротивлений наружных диффузионных интерметаллидных прослоек R и примыкающих к ним никелевых слоев с термическим сопротивлением каждого из них R=(1,1-1,3)·10 К/(Вт/м·К). В таком изделии R=(1,77-2,23)·10 К/(Вт/м·К), что в 9,3-12,7 раз меньше, чем в изделии по предлагаемому способу. На поверхностях медных слоев с обеих сторон изделия присутствуют слои, обладающие повышенным термическим сопротивлением и тем самым препятствующие этому слою теплообмену с окружающей средой.
ф
Время формирования 1 мм толщины каждой интерметаллидной прослойки τ при получении изделия по прототипу составляет 600-1800 мин, что в 36-360 раз больше, чем при получении изделия по предлагаемому способу. Все это, кроме высокой жаростойкости, существенно ограничивает применение таких изделий в технике.