СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
METHOD OF PRODUCTION OF COMPOSITE PRODUCTS 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 и т.п.
Известен 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 (ВВ), 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 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°C в течение 0,3-0,5 часов, отжиг для образования сплошных диффузионных теплозащитных интерметаллидных прослоек проводят при температуре 480-520°C 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 В23К 20/08, В32В 15/01, опубл. 20.09.2010, бюл. №26).
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 этих изделиях из легкоплавкого металла - алюминия с температурой плавления 660°C, поэтому их предельно допустимая рабочая температура не превышает 400-600°C, 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.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения цилиндрических композиционных изделий с внутренними полостями, при котором берут полостеобразующие элементы в виде труб с удаляемым наполнителем и располагают их пучком в трубчатой оболочке симметрично относительно ее продольной оси, при этом на наружной поверхности трубчатой оболочки располагают кольцевой заряд ВВ и производят инициирование процесса детонации ВВ с помощью электродетонатора, центральный полостеобразующий элемент, удаляемый после сварки взрывом, выполняют из хрупкого материала, дробящегося в процессе взрывного воздействия, с отношением толщины его стенки к толщине стенок смежных с ним полостеобразующих элементов, составляющим (4-10):1, трубчатую оболочку выполняют из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью, между трубчатой оболочкой и пучком из труб располагают трубчатую промежуточную прослойку из металла с пониженной теплопроводностью, сварку взрывом осуществляют при скорости детонации ВВ 3270-3820 м/с, при этом отношение удельной массы ВВ к сумме удельных масс стенок трубчатой оболочки и трубчатой промежуточной прослойки, а также сварочные зазоры между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой, между трубчатой промежуточной прослойкой и пучком из труб выбирают из условия получения скорости соударения трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой в пределах 610-700 м/с, а скорости соударения трубчатой оболочки с полостеобразующими элементами - 480-680 м/с, после сварки полученную заготовку подвергают отжигу при температуре 850-900°C в течение 2-3,5 ч с формированием при этом между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки с пониженной теплопроводностью, с последующим охлаждением полученного изделия на воздухе. При осуществлении способа в качестве хрупкого материала используют стекло, в качестве коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью для изготовления трубчатой оболочки используют титан, а трубчатую промежуточную прослойку выполняют из аустенитной стали (Патент РФ №2425739, МПК В23К 20/08, В23К 101/04, опубл. 10.08.2011, бюл. №22 - прототип).
Недостатком данного способа является то, что сплошной теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-сталь, обладающий помимо высокого термического сопротивления еще и повышенной жаростойкостью, располагается между слоями из титана и стали и отсутствует наружной поверхности титанового слоя, контактирующего с окружающей средой, у которого предельно допустимая температура при длительном контакте с окислительной газовой средой не превышает 500-600°C. У теплообменников данной конструкции разное термическое сопротивление слоев при теплообмене веществ-теплоносителей, располагаемых внутри полостеобразующих элементов, с окружающей средой и с веществом-теплоносителем, располагаемым в центральной внутренней полости изделия: весьма высокое термическое сопротивление слоев при теплообмене с окружающей средой, а со стороны центральной внутренней полости низкое, но при этом медные полостеобразующие элементы не защищены от воздействия окислительных газовых сред, которые могут быть в центральной внутренней полости изделия в процессе его эксплуатации, допустимая температура при длительном контакте меди с окислительной газовой средой не превышает 225°C. Все это весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в окислительных газовых средах, где требуется повышенная жаростойкость и одинаковое термическое сопротивление слоев при теплообмене с окружающей средой.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом со сплошными интерметаллидными слоями на его поверхностях, контактирующих в процессе эксплуатации изделия с окружающей средой, обеспечивающих повышенную жаростойкость в окислительных газовых средах, и с одинаковым термическим сопротивлением слоев в процессе теплообмена с окружающей средой при направлении теплопередачи поперек слоев.
Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью одновременной сварки взрывом двух трехслойных пакетов из плоских разнородных металлических слоев с пакетом из медных труб, термического воздействия на сваренную заготовку на оптимальных режимах, получение композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными интерметаллидными слоями из интерметаллидов системы алюминий-никель на его наружных поверхностях, обеспечивающих у него более высокую, чем у изделий, полученных по прототипу, жаростойкость в окислительных газовых средах, с одинаковым термическим сопротивлением слоев в процессе теплообмена с окружающей средой при направлении теплопередачи поперек слоев.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, при котором берут медные полостеобразующие элементы в виде труб с удаляемым наполнителем, приваривают к ним сваркой взрывом наружные металлические слои и формируют сплошную интерметаллидную прослойку между разнородными металлами путем отжига сваренной заготовки с последующим охлаждением на воздухе, составляют два трехслойных пакета с размещением в каждом из них между пластиной 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, размещают между ними симметрично со сварочными зазорами плоский пакет из медных труб с толщиной стенок 1,5-2 мм, располагают на поверхностях алюминиевых пластин защитные металлические прослойки с зарядами взрывчатого вещества и осуществляют сварку взрывом полученной сборки путем одновременного инициирования взрыва зарядов взрывчатого вещества, имеющих скорость детонации 1970-2400 м/с, при этом высоту зарядов взрывчатого вещества, материал и толщину защитных металлических прослоек, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скоростей соударения алюминиевых пластин с никелевыми в пределах 350-440 м/с, никелевых пластин с медными - 320-440 м/с, медных пластин с пакетом из медных труб 300-385 м/с, отжиг сваренной заготовки для образования сплошных интерметаллидных прослоек между алюминием и никелем проводят при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч с самопроизвольным разделением алюминиевых и никелевых слоев по интерметаллидным прослойкам в процессе охлаждения на воздухе, с образованием при этом на поверхностях никелевых пластин сплошных жаростойких покрытий.
В таких условиях высокоскоростного деформирования свариваемых металлов и последующего теплового воздействия на металлы происходит надежная сварка слоев в пакетах, их медных слоев с пакетом из медных труб, а также стенок медных труб по всем поверхностям контакта. Отжиг на предложенных режимах обеспечивает за короткое время возникновение и рост сплошных интерметаллидных прослоек необходимой толщины между алюминиевыми и никелевыми слоями, а при последующем охлаждении на воздухе происходит самопроизвольное разделение алюминиевых слоев от никелевых по интерметаллидным прослокам с образованием при этом на поверхностях никелевых пластин сплошных жаростойких покрытий в виде слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель.
Новый способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом имеет существенные отличия по сравнению с прототипом, как по построению схемы сварки взрывом составного пакета 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 пластиной 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, что создает благоприятные условия для получения качественных сварных соединений на межслойных границах, возможность формирования на наружных поверхностях изделий жаростойких покрытий, обеспечивает экономный расход металлов в расчете на одно изделие.
Толщина никелевых пластин менее 1 мм является недостаточной для обеспечения стабильных сварочных зазоров между металлическими слоями пакетов из-за гибкости никелевых слоев, а это может приводить к снижению качества сварных соединений их со слоями из алюминия и меди. Их толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это приводит к чрезмерному расходу дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие, способствует нежелательному повышению термического сопротивления. 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 размещать между трехслойными пакетами симметрично со сварочными зазорами плоский пакет из медных труб с толщиной стенок 1,5-2 мм, что позволяет получить теплообменник плоской формы в процессе лишь одного технологического цикла сварки взрывом, а это повышает производительность, а также качество получаемых изделий. Толщина стенок труб 1,5-2 мм обеспечивает высокую герметичность и прочность стенок полостеобразующих элементов на разрыв в процессе эксплуатации изделия. Толщина стенок менее 1,5 мм может приводить к нарушению герметичности полостеобразующих элементов в процессе получения и эксплуатации изделия, толщина стенок более 2 мм приводит к нежелательному повышению их термического сопротивления при теплообмене с окружающей средой.
Предложено располагать на поверхностях алюминиевых пластин защитные металлические прослойки с зарядами взрывчатого вещества и осуществлять сварку взрывом полученной сборки путем одновременного инициирования взрыва зарядов взрывчатого вещества, имеющих скорость детонации 1970-2400 м/с, при этом высоту зарядов взрывчатого вещества, материал и толщину защитных металлических прослоек, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скоростей соударения алюминиевых пластин с никелевыми в пределах 350-440 м/с, никелевых пластин с медными - 320-440 м/с, медных пластин с пакетом из медных труб 300-385 м/с, что обеспечивает надежную сварку всех смежных металлических слоев между собой, 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 сваренной заготовки для получения изделия. Помимо защиты поверхностей алюминиевых пластин от разрушения продуктами детонации ВВ, защитные металлические прослойки способствуют благоприятному распределению скоростей полета пластин обоих трехслойных пакетов при сварке взрывом.
Предложен отжиг сваренной заготовки для образования сплошных интерметаллидных прослоек между алюминием и никелем проводить при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч с самопроизвольным разделением алюминиевых и никелевых слоев по интерметаллидным прослойкам в процессе охлаждения на воздухе, с образованием при этом на поверхностях никелевых пластин сплошных жаростойких покрытий. Предлагаемая термическая обработка 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 которых обладает высокой жаростойкостью. При температуре и времени термообработки ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек оказывается недостаточной, что снижает способность получаемого покрытия сопротивляться длительному окислительному воздействию газов при высоких температурах. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку толщина интерметаллидной прослойки становится чрезмерной и при этом возникают неоправданно высокие затраты на получение жаростойких покрытий.
На фиг.1 изображена схема сварки взрывом пакета из пластин и труб (вид сбоку) с частичным продольным осевым разрезом одного из полостеобразующих элементов, на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1, на фиг.3 - поперечное сечение А-А схемы сварки взрывом на фиг.2, на фиг.4 - часть поперечного сечения сваренного композиционного изделия с внутренними полостями.
1
2
3
Предлагаемый способ получения изделий с внутренними полостями сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности. Берут медные полостеобразующие элементы в виде труб 1, с толщиной стенок 1,5-2 мм, очищают их наружные поверхности от окислов и загрязнений, после чего заполняют их внутренние полости водным наполнителем 2 и герметизируют по концам заглушками 3, например, из резины. Из полученных сборок составляют плоский пакет, скрепляют концы труб клеем. Составляют с необходимыми сварочными зазорами два трехслойных пакета с размещением в каждом из них между пластиной из алюминия 4, 5 и меди 6, 7 никелевой пластины 8, 9 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 и размещают между этими пакетами симметрично, со сварочными зазорами, пакет из медных труб. Сварочные зазоры между свариваемыми пластинами, а также зазор между медной пластиной и пакетом из труб устанавливают с помощью упоров 10-15. Располагают на поверхностях алюминиевых пластин защитные металлические прослойки 16, 17, например, из стали, устанавливают на них заряды ВВ, размещают полученную сборку на песчаном грунте 18 и осуществляют сварку взрывом полученной сборки путем инициирования взрыва в основных зарядах ВВ 19, 20 с помощью электродетонатора 21, двух отрезков детонирующих шнуров равной длины 22, 23 и генераторов плоской детонационной волны (вспомогательные заряды ВВ) 24, 25. Направление детонации в зарядах ВВ осуществляется вдоль полостеобразующих элементов. Скорость детонации каждого основного заряда ВВ должна быть 1970-2400 м/с, ее регулируют путем изменения состава и толщины зарядов. Высоту каждого заряда ВВ, материал и толщину каждой защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между слоями пакета выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скоростей соударения алюминиевых пластин с никелевыми в пределах V=350-440 м/с, никелевых пластин с медными V=320-440 м/с, медных пластин с пакетом из медных труб V=300-385 м/с. После сварки, например, на фрезерном станке обрезают у полученной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами. Удаление наполнителя из полостей после сварки взрывом происходит самопроизвольно под воздействием волн разгрузки.
Отжиг сваренной заготовки для образования сплошных интерметаллидной прослоек между алюминием и никелем проводят при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч с самопроизвольным разделением алюминиевых и никелевых слоев по интерметаллидным прослойкам в процессе охлаждения на воздухе, с образованием при этом на поверхностях никелевых пластин сплошных жаростойких покрытий в виде слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель.
В полученном изделии позиция 26 (см. фиг.4) - сдеформированные трубчатые полостеобразующие элементы из меди, 27, 28 - медные слои, 29, 30 - зоны сварки взрывом медных слоев с полостеобразующими элементами, 31 - зоны сварки взрывом полостеобразующих элементов между собой, 32 - внутренние полости изделия, 33-34 - жаростойкие интерметаллидные слои, 35, 36 - никелевые слои, 37, 38 - зоны сварки взрывом медных слоев с никелевыми.
В результате получают цельносварное композиционное изделие с внутренними полостями (теплообменник) со сплошными интерметаллидными слоями из интерметаллидов системы алюминий-никель на его наружных поверхностях, обеспечивающих у него более высокую, чем у изделий, полученных по прототипу, жаростойкость в окислительных газовых средах с обеих его сторон со значительно меньшим термическим сопротивлением слоев в процессе теплообмена веществ-теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях при эксплуатации изделия, с окружающей средой при направлении теплопередачи со стороны одного из интерметаллидных слоев.
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 исполнения 1 (см. также таблицу).
Cu
Ni
Ni
Cu
Al
Ni
Al
1
3
1
2
3
ВВ
ВВ
1
2
3
1
2
3
Исходными материалами для изготовления полостеобразующих элементов композиционных изделий с внутренними полостями были 16 труб из меди M1 с наружным диаметром Dн=12 мм, внутренним - Dв=9 мм длиной 270 мм. Толщина стенки каждой трубы Tст=1,5 мм. Каждую трубу после очистки от окислов и загрязнений заполняют водным наполнителем и герметизируют по концам заглушками, например, из резины. Из труб с удаляемым наполнителем в полостях составляют плоский пакет шириной 192 мм, склеивают его по концам труб, например, эпоксидным клеем, и размещают его симметрично между двумя трехслойными пакетами из очищенных от окислов и загрязнений медных, никелевых и алюминиевых пластин. Длина каждой пластины 270 мм, ширина - 210 мм. В каждом пакете толщина пластины из меди M1 - δ=2.5 мм, из никеля НП1 - δ=1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди δ:δ=1:2,5. Толщина каждой пластины из алюминия АД1 - δ=1,5 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия δ:δ=1:1,5. Металлические пластины в пакетах располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров. На поверхности алюминиевых пластин свариваемого составного пакета укладывают защитные металлические прослойки из стали Ст3, защищающие наружные поверхности алюминиевых пластин от повреждений при детонации ВВ. Длина каждой прослойки - 280 мм, ширина - 200 мм, толщина - 2 мм. При сборке данного пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h-h, где h сварочные зазоры между алюминиевыми и никелевыми пластинами, h - между никелевыми и медными, h - между медными пластинами и пакетом из медных труб. Для одновременной сварки взрывом каждого пакета выбираем взрывчатое вещество 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. Взрывчатое вещество помещают в картонные контейнеры с обеспечением высоты каждого заряда ВВ Н=60 мм, длиной 280 мм, шириной 200 мм и устанавливают их на поверхности защитных металлических прослоек вместе с вспомогательными зарядами ВВ - генераторами плоской детонационной волны из аммонита 6ЖВ. Для получения скоростей соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величина сварочных зазоров равна: h=1,1 мм, h=1,3 мм, h=8 мм что обеспечивает скорости соударения алюминиевых и никелевых пластин при сварке взрывом V=350 м/с, никелевых и медных V=320 м/с, медных пластин с пакетом из труб V=300 м/с. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в основных зарядах ВВ с помощью электродетонатора, двух отрезков детонирующих шнуров равной длины и генераторов плоской детонационной волны (вспомогательные заряды ВВ). Направление детонации в зарядах ВВ осуществляется вдоль полостеобразующих элементов.
После сварки, например на фрезерном станке, обрезают у сваренной многослойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами. После обрезки длина заготовок 250 мм, ширина - 170 мм.
o
В результате совмещения операций высокоскоростного формообразования труб энергией взрыва со сваркой взрывом получают цельносварную заготовку, которую затем нагревают, выдерживают в электропечи при температуре t=600°C в течение τ=7 ч, при этом между слоями алюминия и никеля происходит образование сплошных интерметаллидных прослоек, а затем осуществляют охлаждение на воздухе, которое, из-за возникающих термических напряжений на межслойных границах никелевых и алюминиевых слоев, приводит к самопроизвольному их разделению по интерметаллидным слоям, с образованием при этом на поверхностях никелевых пластин сплошных жаростойких покрытий в виде слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 65 мкм. После отделения тонкий алюминиевый слой идет на вторичную переработку.
В результате получают цельносварное композиционное изделие с внутренними полостями длиной 250 мм, шириной 170 мм, толщиной около 16,5 мм, с жаростойкими слоями из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 65 мкм на поверхностях никелевых слоев, имеющих толщину каждого из них 1 мм, с промежуточными медными слоями толщиной 2,5 мм, с 14 полостеобразующими элементами. Его рабочая температура в окислительных газовых средах со стороны каждого интерметаллидного слоя достигает 1000°C, что примерно в 1,6-2 раза выше допустимой температуры нагрева наружной поверхности в указанных средах изделий, полученных по прототипу, и в 4,4 раза выше, чем у его медных полостеобразующих элементов, контактирующих с окислительными газовыми средами, у которых предельно допустимая температура нагрева не превышает 225°C.
Cu
Ni
инт
предл
-5
2
В композиционном изделии, полученном по предлагаемому способу, теплообмен теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях изделия в процессе его эксплуатации, с окружающей внешней окислительной средой с обеих сторон осуществляется через медные стенки полостеобразующих элементов с толщиной 1,5 мм, медные слои толщиной 2,5 мм, никелевые слои толщиной 1 мм, и жаростойкие слои из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 65 мкм, располагаемых на поверхностях никелевых слоев. При коэффициенте теплопроводности меди M1 λ=370 Вт/(м·К), никеля λ=92 Вт/(м·К), интерметаллидного слоя λ=7,5 Вт/(м·К), суммарное термическое сопротивление этих слоев с каждой стороны изделия одинаковое и равно R=3·10 К/(Вт/м).
Ст
Ti
инт
прот
прот
предл
-5
2
В изделии, полученном по прототипу, теплообмен теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях, с окислительной газовой средой, в случае ее расположения в центральной внутренней полости может происходить лишь через медные стенки полостеобразующих элементов с толщиной 1,2-2 мм, но ввиду отсутствия на их наружных поверхностях жаростойкого покрытия, долговечность изделия в таких условиях весьма мала и для эксплуатации в условиях окислительных газовых сред оно не может. Теплообмен теплоносителей, находящихся во внутренних полостях у такого изделия, с внешней окружающей средой происходит через медные стенки полостеобразующих элементов с толщиной 1,2-2 мм, через стенку трубчатой промежуточной прослойки из стали 12Х18Н10Т толщиной 2,3-2,9 мм, через интерметаллидную прослойку толщиной 70-80 мкм и стенку трубчатой оболочки из титана ВТ1-00 толщиной 2,3 мм. При коэффициенте теплопроводности стали 12Х18Н10Т λ=17 Вт/(м·К), титана ВТ1-00 λ=19,3 Вт/(м·К), интерметаллидного слоя λ=4,5 Вт/(м·К), суммарное термическое сопротивление этих слоев R=27,3-31,25·10 К/(Вт/м), при этом R/R=9-10, то есть у предлагаемого композиционного изделия с внутренними полостями, термическое сопротивление слоев при теплообмене теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях, с окружающей окислительной газовой средой в 9-10 раз ниже, чем у изделия, полученного по прототипу, при этом его рабочая температура в окислительных газовых средах примерно в 1,6-4,4 раза выше, чем у изделия по прототипу, а весьма это расширяет возможные области применения теплообменника предлагаемой конструкции в энергетических, химических и других установках.
Пример исполнения 2 (см. также таблицу).
ст
Cu
Ni
Ni
Cu
Al
Ni
Al
То же, что в примере 1, но внутренний диаметр труб Dв=8 мм, толщина стенки каждой трубы T=2 мм. Толщина медной пластины - δ=2 мм, пластины из никеля - δ=1,1 мм, соотношение толщин никеля и меди δ:δ=1:1,82, толщина удаляемой при термической обработке пластины из алюминия - δ=1,3 мм, соотношение δ:δ=1:1,18.
ВВ
ВВ
1
2
3
1
2
3
Для сварки взрывом каждого пакета используют ВВ со скоростью детонации D=2190 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 25% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры, высота заряда ВВ H=60 мм. Величина сварочных зазоров: h=1,1 мм, h=2,1 мм, h=5 мм, что обеспечивает скорость соударения алюминиевых и никелевых пластин при сварке взрывом V=390 м/с, никелевых и медных V=380 м/с, медных пластин с пакетом из труб V=340 м/с.
o
После обрезки у сваренной заготовки боковых кромок с краевыми эффектами цельносварную заготовку нагревают и выдерживают в электропечи при температуре t=615°C в течение τ=3,5 ч.
предл
прот
предл
В полученном изделии толщина сплошных жаростойких покрытий в виде слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель на поверхностях никелевых пластин - 55 мкм, толщина никелевых слоев - 1,1 мм, медных - 2 мм, толщина изделия около 15,5 мм, термическое сопротивление R и соотношение R/R примерно такие же, как в предыдущем примере.
Пример исполнения 3 (см. также таблицу).
ст
Cu
Ni
Ni
Cu
Al
Ni
Al
ВВ
ВВ
1
2
3
1
2
3
o
предл
То же, что в примере 1, но внутренний диаметр труб Dв=7 мм, толщина стенки каждой трубы T=2,5 мм. Толщина медных пластин - δ=1,5 мм, никелевых - δ=1,2 мм, соотношение толщин никеля и меди δ:δ=1:1,25, толщина удаляемых при термической обработке пластин из алюминия - δ=1,2 мм, δ:δ=1:1. Для сварки взрывом составного пакета используют ВВ со скоростью детонации D=2400 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры, высота зарядов ВВ H=50 мм. Величина сварочных зазоров: h=1,3 мм, h=5 мм, h=8 мм, что обеспечивает скорость соударения алюминиевых и никелевых пластин при сварке взрывом V=440 м/с, никелевых и медных V=440 м/с, медных пластин с пакетом из труб V=385 м/с. После обрезки у сваренной заготовки боковых кромок с краевыми эффектами цельносварную заготовку нагревают и выдерживают в электропечи при температуре t=630°C в течение τ=1,5 ч. В полученном изделии толщина сплошных жаростойких покрытий в виде слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель на поверхностях никелевых пластин - 45 мкм, толщина никелевых слоев - 1,2 мм, медных - 1,5 мм, толщина стенок полостеобразующих элементов - 2,5 мм, толщина изделия около 15 мм, термическое сопротивление R и соотношение Rпрот/Rпредл примерно такие же, как в примере 1.
прот
-5
2
В изделии, полученном по прототипу (см. таблицу, пример 4), в теплообмене теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях с внешней окружающей средой участвуют медные стенки полостеобразующих элементов с толщиной 1,2-2 мм, трубчатая промежуточной прослойка из стали 12Х18Н10Т с толщиной стенки 2,3-2,9 мм, интерметаллидная прослойка толщиной 70-80 мкм и стенка трубчатой оболочки из титана ВТ1-00 толщиной 2,3 мм. Их суммарное термическое сопротивление в данном направлении находится в пределах R=27,3-31,25·10 K/(Bт/м), что в 9-10 раз больше, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу.
Таблица
Номер при мера
Способ получения изделия
Параметры плоского пакета из медных труб, трехслойных пакетов и защитной прослойки
Режимы сварки взрывом
1
Предлагаемый способ
Пакет содержит 16 полостеобразующих элементов в виде труб из меди M1 с наружным диаметром Dн=l2 мм, внутренним - Dв=9 мм длиной 270 мм. Толщина стенки каждой трубы T<sub>ст</sub>=1,5 мм. Наполнитель в полостях - вода. Ширина пакета 192 мм. Порядок укладки пластин в трехслойных пакетах: алюминий АД1- никель НП1-медь M1; δ<sub>Al</sub>= мм, δ<sub>Ni</sub>=1 мм, δ<sub>Cu</sub>=2,5 мм. Соотношение толщин слоев никеля и алюминия δ<sub>Ni</sub>:δ<sub>Al</sub>=1:1,5, никеля и меди - δ<sub>Ni</sub>:δ<sub>Cu</sub>=1:2,5; защитная прослойка из стали Ст3 толщиной 2 мм; сварочные зазоры h<sub>1</sub>=1,1 мм, h<sub>2</sub>=1,3 мм, h<sub>3</sub>=8 мм.
Состав ВВ: смесь из 20% аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Высота заряда ВВ Н<sub>вв</sub>=60 мм; скорость детонации заряда ВВ D<sub>вв</sub>=1970 м/с. Скорости соударения V<sub>1</sub>=350 м/с, V<sub>2</sub>=320 м/с, V<sub>3</sub>=300 м/с.
2
Предлагаемый способ
То же, что в примере 1, но Dв=8 мм, толщина стенки каждой трубы T<sub>ст</sub>=2 мм, δ<sub>Al</sub>=1,3 мм, δ<sub>Ni</sub>=1,1 мм, δ<sub>Cu</sub>=2 мм. Соотношение толщин слоев δ<sub>Ni</sub>:δ<sub>Al</sub>=1:1,18; δ<sub>Ni</sub>:δ<sub>Cu</sub>=1:1,82, сварочные зазоры h<sub>1</sub>=1,1 мм, h<sub>2</sub>=2,1 мм, h<sub>3</sub>=5 мм.
Состав ВВ: смесь из 25% аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры. H<sub>вв</sub>=60 мм; D<sub>вв</sub>=2190 м/с; V<sub>1</sub>=390 м/с, V<sub>2</sub>=380 м/с, F<sub>3</sub>=340 м/с.
3
Предлагаемый способ
То же, что в примере 1, но Dв=1 мм, толщина стенки каждой трубы T<sub>ст</sub>=2,5 мм, δ<sub>Al</sub>=1,2 мм, δ<sub>Ni</sub>=1,2 мм, δ<sub>Cu</sub>=1,5 мм. Соотношение толщин слоев δ<sub>Ni</sub>:δ<sub>Al</sub>=1:1, δ<sub>Ni</sub>:δ<sub>Cu</sub>=1:1,25, сварочные зазоры h<sub>1</sub>=1,3 мм, h<sub>2</sub>=5 мм, h<sub>3</sub>= мм.
Состав ВВ: смесь из 33% аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры, H<sub>вв</sub>=50 мм; D<sub>вв</sub>=2400 м/с; V<sub>1</sub>=435 м/с, V<sub>2</sub>=440 м/с, V<sub>3</sub>=385 м/с.
4
Прототип Патент РФ№2425739
12 полостеобразующих элементов в виде труб из меди M1 с наружным диаметром - 14 мм, внутренним - 11,6 мм длиной - 250 мм, расположены по кольцу внутри трубчатой оболочки из титана ВТ1-00 с толщиной стенки 2 мм и трубчатой прослойки из стали 12Х1810Т с толщиной стенки 2-2,5 мм.
Состав ВВ: смеси из аммонита 6ЖВ и аммиачной селитры с соотношениями от 1:1 до 3:1, D<sub>вв</sub>=3270-3820 м/с. Кольцевой заряд ВВ располагают на поверхности трубчатой оболочки.
Продолжение таблицы
Номер примера
Способ по лучения изделия
Режимы отжига сваренной заготовки
Результаты получения изделий с внутренними полостями
1
Предлагаемый способ
Температура t<sub>o</sub>=600°C, время выдержки τ=7 ч, охлаждение на воздухе
В результате получают цельносварное композиционное изделие (теплообменник) с внутренними полостями длиной 250 мм, шириной 170 мм, толщиной около 16,5 мм, с жаростойкими слоями из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 65 мкм на поверхностях никелевых слоев, имеющих толщину каждого из них 1 мм, с промежуточными медными слоями толщиной 2,5 мм, с 14 полостеобразующими элементами, у которых внутренние полости, окруженные сплошным металлом, в поперечном сечении имеют форму, близкую к прямоугольной. Его рабочая температура в окислительных газовых средах со стороны каждого интерметаллидного слоя достигает t<sub>доп</sub>=1000°C, что примерно в 1,6-4,4 раза выше допустимой температуры нагрева поверхностей в указанных средах изделий, полученных по прототипу. При теплообмене теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях изделия в процессе его эксплуатации, с окружающей внешней окислительной средой с обеих сторон, суммарное термическое сопротивление всех этих слоев с каждой стороны изделия одинаковое и равно R<sub>предл</sub>=3·10-5 К(Вт/м<sup>2</sup>), что в 9-10 раз ниже, чем у изделия, полученного по прототипу со стороны его наружного титанового слоя.
2
Предлагаемый способ
Температура t<sub>o</sub>=615°C, τ=3,5 ч, охлаждение на воздухе.
То же, что в примере 1, но δ<sub>инт</sub>=55 мкм.
3
Предлагаемый способ
Температура t<sub>o</sub>=630°C, время выдержки τ=1,5 ч, охлаждение на воздухе.
То же, что в примере 1, но δ<sub>инт</sub>=45 мкм.
4
Прототип Патент РФ №2425739
Температура t<sub>o</sub>=850-900°C, время выдержки τ=2-3,5 ч, охлаждение на воздухе.
В изделии по прототипу t<sub>доп</sub>=225-600°C, что в 1,6-4,4 раза ниже, чем по предлагаемому способу, при этом суммарное термическое сопротивление слоев находится в пределах R<sub>прот</sub>=27,3-31,25·10<sup>-5</sup> К/(Вт/м<sup>2</sup>), что в 9-10 раз больше, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу.
Теплообмен теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях, с окислительной газовой средой, в случае ее расположения в центральной внутренней полости может происходить лишь через медные стенки полостеобразующих элементов с толщиной 1,2-2 мм, на наружных поверхностях которых отсутствует жаростойкое покрытие, их рабочая температура в окислительных газовых средах не превышает 225°C, что в 4,4 раза ниже, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу, а допустимая рабочая температура его наружной поверхности из титана не превышает 500-600°C, что в 1,6-2 раза ниже, чем у изделий по предлагаемому способу. Все это ограничивает возможные области применения таких изделий при изготовлении термического и химического оборудования.