СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА МЕДЬ-ТИТАН
METHOD OF MAKING COMPOSITE COPPER-TITANIUM MATERIAL

Изобретение относится к технологии получения композиционных материалов с помощью энергии взрыва и может быть использовано при изготовлении, например, деталей термического, химического оборудования, теплорегуляторов и т.п.
Известен способ получения композиционного материала алюминий-титан, включающий составление пакета из слоев алюминия и титана, размещение над ним заряда взрывчатого вещества (ВВ), осуществление сварки взрывом и отжиг сваренной заготовки, отношение удельной массы заряда ВВ к удельной массе алюминиевого слоя равно 1,11-5,0, при этом используют заряд ВВ со скоростью детонации, равной 2250-3300 м/с, после сварки пакет подвергают отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия в 1,06-1,14 раза, в течение 0,35-2 ч, с формированием при этом сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки, с последующим обжатием пакета стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя и одновременной его кристаллизацией. Образование теплозащитной интерметаллидной прослойки оптимальной толщины в зоне соединения алюминия и титана с повышенным термическим сопротивлением обусловливает в полученном материале регламентируемый теплообмен между слоями алюминия и титана. (Патент РФ №2255849, МПК B23K 20/08, B32B 15/01, опубл. 10.07.2005, Бюл. №19).
Недостатком данного способа является то, что сплошной теплозащитный интерметаллидный слой, обладающий помимо высокого термического сопротивления еще и высокой износостойкостью, располагается между слоями из алюминия и титана и отсутствует по меньшей мере на одной из наружных поверхностей, контактирующей с окружающей средой. Толщина интерметаллидного слоя в этом материале не превышает 26-30 мкм, из-за чего его термическое сопротивление, а следовательно, и его теплозащитные свойства недостаточно велики. Кроме того, как алюминиевый, так и титановый слои имеют малую стойкость к изнашиванию в контакте с потоками газов-теплоносителей, содержащих абразивные вещества. Все это весьма ограничивает возможные области использования такого материала в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в условиях, где требуется повышенная стойкость к изнашиванию и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи с одной его стороны и низкое с другой.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционного материала титан-алюминий, включающий составление пакета из слоев титана и алюминия, размещение на нем заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом и отжиг сваренной заготовки путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия, составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами титана алюминиевой пластины, в котором соотношение толщин слоев титан-алюминий-титан составляет 1:(0,6-0,8):1 при толщине слоя алюминия 0,8-1,2 мм, сварку осуществляют при скорости детонации взрывчатого вещества 1680-2950 м/с, при этом сварочные зазоры между пластинами пакета и отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к удельной массе верхней титановой пластины выбирают из условия получения скорости соударения верхней титановой пластины с алюминиевой в пределах 560-770 м/с, а алюминиевой пластины с нижней титановой - 420-630 м/с, затем осуществляют горячую прокатку сваренного трехслойного пакета при температуре 550-580°C с обжатием до толщины алюминиевого слоя, составляющей 0,5-0,67 его исходной толщины, после чего полученную заготовку отжигают при температуре, превышающей температуру плавления алюминия в 1,14-1,15 раза, в течение 1,5-3 часов до исчезновения жидкой фазы с полным превращением алюминиевого слоя в твердую теплозащитную прослойку за счет взаимной диффузии титана и алюминия с последующим охлаждением на воздухе. В результате получают композиционный материал титан-алюминий, обладающий высоким термическим сопротивлением как поперек, так и вдоль слоев при малых временных затратах на формирование единицы толщины интерметаллидной прослойки. (Патент РФ №2370350, МПК B23K 20/08, опубл. 20.102009, Бюл. №29 - прототип).
Недостатком данного способа является то, что сплошной теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-алюминий, обладающий помимо высокого термического сопротивления еще и повышенной износостойкостью, располагается между двумя слоями титана и отсутствует по меньшей мере на одной из его наружных поверхностей, поэтому у этого материала низкая стойкость к изнашиванию в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, при этом из-за малой толщины наружных титановых слоев, не превышающей 1-2 мм, такой материал обладает малой величиной допускаемого износа (не более 0,1-0,2 мм), и при изнашивании лишь одного из титановых слоев он приходит в негодность. Кроме того, данный материал обладает низкой теплопроводностью вдоль слоев, при изгибающих нагрузках толстый интерметаллидный слой, толщина которого находится в пределах 600-1160 мкм, склонен к хрупкому разрушению. Все это весьма ограничивает возможные области использования такого материала в теплообменной аппаратуре, где требуется пониженная скорость изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, повышенная величина допускаемого износа, повышенная стойкость интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи с одной его стороны и низкое с другой.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения сваркой взрывом композиционного материала медь-титан с пониженной скоростью изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с повышенной величиной допускаемого износа, с повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, с обеспечением при этом высокого термического сопротивления слоев при направлении теплопередачи с одной его стороны и низкого с другой.
Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом трехслойного пакета из плоских разнородных металлических слоев с последующей его горячей прокаткой, сваркой взрывом многослойного пакета из трехслойных заготовок и медной пластины с последующим отжигом сваренной многослойной заготовки получение композиционного материала медь-титан с пониженной скоростью изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с повышенной величиной допускаемого износа, с повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, с обеспечением при этом высокого термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек интерметаллидных и титановых слоев, расположенных с одной стороны материала, и, за счет включения в состав материала толстого слоя из меди, низкого термического сопротивления во всех направлениях с другой стороны предлагаемого материала.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционного материала медь-титан, включающем составление трехслойного пакета из чередующихся металлических слоев, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом и горячую прокатку сваренной заготовки, предварительно составляют трехслойный пакет из чередующихся слоев меди и титана с симметричным расположением титановой пластины относительно медных, в котором соотношение толщин слоев медь-титан-медь составляет 1:(7,5-10):1 при толщине каждого слоя меди, равной 0,8-0,9 мм, располагают на поверхностях медных пластин защитные металлические прослойки с зарядами взрывчатого вещества и осуществляют сварку взрывом полученной сборки путем одновременного взрыва зарядов взрывчатого вещества, имеющих скорость детонации 2010-2580 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 скорости соударения медных пластин с титановой в пределах 400-490 м/с, горячую прокатку сваренного трехслойного пакета проводят с обжатием 80-90% при температуре 550-600°C, затем производят разделку прокатанного пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых составляют многослойный пакет под сварку взрывом из расположенных параллельно друг другу 3-8 трехслойных заготовок и медной пластины, располагают на поверхности верхней трехслойной заготовки защитную металлическую прослойку с зарядом взрывчатого вещества и осуществляют сварку взрывом многослойного пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2090-2400 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скоростей соударения медных слоев в пределах 330-480 м/с, отжиг сваренной многослойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных слоев из меди и титана проводят при температуре 850-860°C в течение 20-30 ч с последующим охлаждением на воздухе.
В таких условиях силового и теплового воздействия на металлы происходит надежная сварка слоев из разнородных и однородных металлов по всем поверхностям контакта с утонением медных и титановых слоев до оптимальных толщин при горячей прокатке. Отжиг сваренной многослойной заготовки на предложенных режимах обеспечивает возникновение и рост сплошных интерметаллидных слоев из меди и титана необходимой толщины за счет взаимной диффузии меди и титана с полным превращением прокатанных тонких медных слоев в высокотвердые интерметаллидные слои оптимальной толщины. При этом наружный интерметаллидный слой обеспечивает материалу пониженную скорость изнашивания, внутренние интерметаллидные слои совместно с титановыми обеспечивают повышенную величину допускаемого износа в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, а также высокое термическое сопротивление в поперечном направлении, титановые слои обеспечивают также повышенную прочность при изгибающих нагрузках, снижают вероятность хрупкого разрушения интерметаллидных слоев при эксплуатации изделий из предлагаемого материала. Толстый медный слой с другой стороны материала, обладающий высокой теплопроводностью, обеспечивает интенсивный теплообмен с веществами-теплоносителями, контактирующими с ним в процессе эксплуатации изделий.
Новый способ получения композиционного материала медь-титан имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по строению и свойствам полученного материала, так и по совокупности технологических приемов воздействия на свариваемые пакеты и режимов осуществления способа. Так предложено предварительно составлять трехслойный пакет из чередующихся слоев меди и титана с симметричным расположением титановой пластины относительно медных, в котором соотношение толщин слоев медь-титан-медь составляет 1:(7,5-10):1 при толщине каждого слоя меди, равной 0,8-0,9 мм, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений обоих медных слоев с титановым. При толщине каждого слоя меди менее 0,8 мм затруднено обеспечение необходимых сварочных зазоров между ними и титановой пластиной, что может привести к снижению качества сварных соединений титана с медными слоями. Толщина медных слоев выше предлагаемого предела является избыточной, поскольку в этом случае существенно снижается износостойкость поверхности материала из-за неполного перехода медных прокатанных слоев в интерметаллидные. Соотношение толщин слоев медь-титан-медь, равное 1:(7,5-10):1, является оптимальным, поскольку после прокатки сваренной заготовки толщина медных слоев оказывается достаточной для их полного перехода в высокотвердые интерметаллидные слои в процессе последующего отжига, при этом каждый титановый слой переходит в интерметаллидные слои лишь частично, что способствует повышению прочности материала при изгибающих нагрузках, снижению вероятности хрупкого разрушения интерметаллидных слоев при эксплуатации изделий.
Соотношение толщин слоев медь-титан-медь ниже нижнего предлагаемого предела может привести к полному переходу титана в интерметаллидный слой в процессе последующего отжига, а это, в свою очередь, приводит к нежелательному значительному повышению хрупкости интерметаллидных слоев, к снижению прочности материала при изгибающих нагрузках. Соотношение толщин этих слоев выше верхнего предлагаемого предела приводит к излишнему расходу дорогостоящего титана в расчете на единицу массы получаемого материала.
Предложено располагать на поверхностях медных пластин защитные металлические прослойки с зарядами ВВ и осуществлять сварку взрывом полученной сборки путем одновременного взрыва зарядов ВВ, имеющих скорость детонации 2010-2580 м/с, при этом высоту зарядов ВВ, материал и толщину защитных металлических прослоек, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирать из условия получения скорости соударения медных пластин с титановой в пределах 400-490 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 металлическими слоями в пакете ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зонах соединения слоев, из-за чего при последующей горячей прокатке сваренных пакетов может происходить их частичное и даже полное расслоение. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения между пластинами в пакете выше верхних предлагаемых пределов в зонах соединения слоев возможно появление участков с хрупкими интерметаллидными фазами, что при последующей горячей прокатке может приводить к частичным расслоениям в зонах соединения слоев, а это, в свою очередь, может приводить к снижению прочностных свойств получаемого материала. Кроме того, при этих режимах сварки возможны неконтролируемые деформации металлических слоев с нарушениями их сплошности, что может привести к невозможности дальнейшего использования сваренных заготовок.
Предложено горячую прокатку сваренного трехслойного пакета проводить с обжатием 80-90% при температуре 550-600°C с последующей разделкой прокатанного пакета на мерные трехслойные заготовки, что приводит к увеличению их длины и ширины с одновременным уменьшением толщины медных и титановых слоев до оптимальных размеров. При температуре горячей прокатки ниже 550°C в титановых слоях возможно появление микротрещин, снижающих служебные свойства получаемого материала. Температура прокатки выше 600°C является избыточной, поскольку при этом возрастают непроизводительные энергетические затраты на получение продукции. Обжатие сваренных трехслойных заготовок менее 80% приводит к избыточной толщине металлических слоев в получаемом материале, что ведет к снижению износостойкости его поверхности. Обжатие заготовок более 90% может приводить к излишнему снижению толщины металлических слоев, а это, в свою очередь, может привести к нежелательному снижению суммарного термического сопротивления интерметаллидных и титановых слоев в получаемом материале.
Разделка прокатанного пакета на мерные трехслойные заготовки необходима для получения пластин оптимальных размеров для составления многослойного пакета под сварку взрывом.
Предложено составлять многослойный пакет под сварку взрывом из расположенных параллельно друг другу 3-8 трехслойных заготовок и медной пластины, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений между всеми свариваемыми заготовками и формированию при отжиге необходимого для повышенной износостойкости и высокого термического сопротивления количества интерметаллидных прослоек. Благодаря оптимальному расположению медных и титановых слоев в свариваемом пакете, на данном этапе свариваются между собой лишь однородные медные слои, что значительно расширяет возможный диапазон режимов сварки взрывом, способствует получению сварных соединений высокого качества. Изменяя количество трехслойных заготовок в пакете от 3 до 8, можно в широких пределах изменять величину допускаемого износа в зависимости от условий и продолжительности эксплуатации предлагаемого материала в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, а также изменять термическое сопротивление материала со стороны, контактирующей с абразивными веществами. При количестве трехслойных заготовок в пакете менее трех получаемый материал не обладает достаточной величиной допускаемого износа и имеет недостаточно высокое суммарное термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев. При количестве этих заготовок в многослойном пакете более 8 возможно появление непроваров в зонах соединения медных слоев при сварке взрывом, что может привести к разрушению изделий из получаемого материала в процессе их эксплуатации. Наличие медной пластины в многослойном пакете обеспечивает в получаемом материале интенсивный теплообмен с веществами-теплоносителями, контактирующими с ним в процессе эксплуатации изготовленных из него изделий.
Предложено располагать на поверхности верхней трехслойной заготовки защитную металлическую прослойку с зарядом взрывчатого вещества и осуществлять сварку взрывом многослойного пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2090-2400 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирать из условия получения скоростей соударения медных слоев в пределах 330-480 м/с, что обеспечивает получение качественных сварных соединений между всеми свариваемыми слоями. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения слоев ниже нижнего предлагаемого предела возможно появление непроваров в зонах соединения свариваемых заготовок, что снижает качество получаемого материала. Скорость детонации ВВ и скорости соударения заготовок в пакете выше верхнего предлагаемого предела может привести к неконтролируемым деформациям получаемой многослойной заготовки и к повышенному расходу ВВ в расчете на одно изделие.
Предложено отжиг сваренной многослойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных слоев из меди и титана производить при температуре 850-860°C в течение 20-30 ч с последующим охлаждением на воздухе. При этом происходит формирование между медными и титановыми слоями сплошных интерметаллидных прослоек оптимальной толщины, обладающих высокой твердостью, износостойкостью, стойкостью к хрупкому разрушению в условиях изгибающих нагрузок, а также высокими теплозащитными свойствами. При температуре и времени отжига ниже нижнего предлагаемого предела толщина получаемых интерметаллидных прослоек оказывается недостаточной, при этом прокатанные медные слои не полностью переходят в интерметаллидные, а это приводит к существенному снижению стойкости поверхности получаемого материала к изнашиванию в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку при этом качество материала не улучшается, но возникают неоправданно высокие затраты на его получение.
Предлагаемый способ получения композиционного материала медь-титан осуществляется в следующей последовательности. Очищают от окислов и загрязнений слои из меди и титана, из которых составляют трехслойный пакет из чередующихся слоев меди и титана с симметричным расположением титановой пластины относительно медных. Соотношение толщин слоев медь-титан-медь в пакете составляет 1:(7,5-10):1 при толщине каждого слоя меди, равной 0,8-0,9 мм. Пластины в пакете размещают параллельно друг другу с одинаковыми сварочными зазорами. Располагают на поверхностях медных пластин защитные металлические прослойки, например из стали, с зарядами взрывчатого вещества, располагают полученную сборку вертикально на песчаном грунте и осуществляют сварку взрывом полученной сборки путем одновременного взрыва зарядов ВВ с помощью электродетонатора и двух отрезков детонирующих шнуров равной длины. Скорость детонации каждого заряда ВВ должна быть равна 2010-2580 м/с. Ее регулируют путем изменения состава и высоты зарядов ВВ. Высоту каждого заряда ВВ, материал и толщину защитных металлических прослоек, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скоростей соударения медных пластин с титановой пластиной в пределах 400-490 м/с. Затем осуществляют горячую прокатку сваренного трехслойного пакета с обжатием 80-90% при температуре 550-600°C. После этого производят разделку прокатанного пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых составляют многослойный пакет под сварку взрывом из расположенных параллельно друг другу со сварочными зазорами 3-8 трехслойных заготовок и медной пластины, устанавливают его на плоское основание, например из стали, размещенное на грунте. Располагают на поверхности верхней трехслойной заготовки защитную металлическую прослойку с зарядом ВВ и осуществляют сварку взрывом многослойного пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2090-2400 м/с, при этом высоту заряда ВВ, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скоростей соударения медных слоев в пределах 330-480 м/с. Затем, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки у каждой сваренной многослойной заготовки с краевыми эффектами, наносят на ее поверхность защитную обмазку, и осуществляют ее отжиг, например, в электропечи, для образования сплошных интерметаллидных слоев из меди и титана при температуре 850-860°C в течение 20-30 ч с последующим охлаждением на воздухе.
В результате получают композиционный материал медь-титан с пониженной скоростью изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с повышенной величиной допускаемого износа, с повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, с высоким термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек интерметаллидных и титановых слоев и с низким термическим сопротивлением одного из металлических слоев с другой стороны предлагаемого материала. Перед операцией отжига возможно его формоизменение, например, методом горячей штамповки.
Сущность способа поясняется примерами. Все примеры, в том числе и пример по прототипу, сведены в таблице с указанием основных технологических режимов получения композиционного материала медь-титан, состава и толщин свариваемых материалов, а также свойств полученного продукта.
Пример 1 (см. таблицу, опыт 1).
Cu
Ti
Cu
Ti
Cu
Очищают от окислов и загрязнений слои из меди и титана, из которых составляют трехслойный пакет под сварку взрывом из чередующихся слоев меди марки M1 и титана марки ВТ1-00 с симметричным расположением титановой пластины относительно медных. Слои в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии одинаковых сварочных зазоров. Размеры медных слоев: длина 270 мм, ширина 220 мм, толщина δ=0,9 мм. У титанового слоя длина и ширина такие же, как у медных, но толщина δ=9 мм. При этом соотношение толщин слоев медь-титан-медь δ:δ:δ=1:10:1.
вв
вв
При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h между пластиной из титана и медными слоями. Для сварки взрывом пакета выбираем ВВ из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=2010 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнеры с обеспечением высоты каждого заряда ВВ Н=30 мм, длиной 280 мм, шириной 230 мм. Размещают на поверхностях медных пластин защитные металлические прослойки, например из стали Ст3, длиной 280 мм, шириной 230 мм, толщиной 1 мм, с зарядами взрывчатого вещества, располагают полученную сборку вертикально на песчаном грунте и осуществляют сварку взрывом полученной сборки путем одновременного взрыва зарядов ВВ с помощью электродетонатора и двух отрезков детонирующих шнуров равной длины. Для получения скорости соударения медных слоев с титановым в пределах предлагаемого диапазона при выбранных параметрах зарядов ВВ величина сварочных зазоров h=2 мм, что обеспечивает скорость соударения V=400 м/с.
заг
пр.м
пр.т
После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами, например, на фрезерном станке, сваренные трехслойные заготовки длиной 250 мм, шириной 200 мм подвергают горячей прокатке с обжатием 90% при температуре 600°C с последующей разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 240 мм, шириной 190 мм, толщиной δ=1,3 мм. Толщина каждого медного слоя в такой заготовке δ=0,12 мм, титанового слоя δ=1,06 мм.
м
1
8
1
2
8
После очистки свариваемых поверхностей от окислов и загрязнений составляют многослойный пакет под сварку взрывом из расположенных параллельно друг другу со сварочными зазорами 8 трехслойных заготовок и медной пластины из меди марки M1. Длина и ширина медной пластины такие же, как у трехслойных заготовок, а толщина δ=12 мм. Устанавливают пакет на плоское основание длиной 240 мм, шириной 190 мм, толщиной 15 мм, например из древесно-стружечной плиты, размещенное на грунте. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h-h, где h - зазор между первой (верхней) и следующей за ней (второй) трехслойной заготовкой, h - между второй и третьей и т.д., а h - зазор между медной пластиной и расположенной над ней восьмой трехслойной заготовкой.
вв
вв
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
8
Для сварки взрывом пакета выбираем ВВ из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=2090 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнер с обеспечением высоты заряда ВВ H=80 мм, длиной 260 мм, шириной 210 мм и располагают его на поверхности защитной металлической прослойки из стали Ст3 длиной 260 мм, шириной 210 мм, толщиной 1 мм, предварительно установленной на поверхности многослойного пакета. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h=0,8 мм, h=l мм, h=1,1 мм, h=l,3 мм, h=l,5 мм, h=l,8 мм, h=2,4 мм, h=0,8 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах многослойного пакета: V=390 м/с, V=375 м/с, V=365 м/с, V=360 м/с, V=360 м/с, V=355 м/с, V=355 м/с, V=330 м/с, где V - скорость соударения первой (верхней) со следующей за ней (второй) трехслойной заготовкой, V - второй с третьей и т.д., a V - скорость соударения восьмой трехслойной заготовки с расположенной под ней медной пластиной. Инициирование процесса детонации в заряде ВВ осуществляют с помощью электродетонатора.
После правки сваренного многослойного пакета на гидравлическом прессе и обрезки боковых кромок с краевыми эффектами на его боковые поверхности наносят удаляемую технологическую обмазку для защиты от воздействия воздушной атмосферы, например смесь жидкого стекла с оксидом хрома, устанавливают многослойный пакет в электропечи и производят отжиг при температуре 850°C в течение 30 ч для формирования между слоями из меди и титана сплошных интерметаллидных слоев, после чего полученный композиционный материал медь-титан охлаждают на воздухе.
км
т.км
инт
м.км
сл
м
сл
м
-5
2
-5
2
В результате получают композиционный материал медь-титан длиной 220 мм, шириной 170 мм, толщиной δ=22,4 мм, содержащий 8 слоев из титана ВТ1-00 толщиной по δ=0,64 мм, 9 сплошных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них δ=0,33 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медного слоя толщиной δ=12 мм. Материал обладает в сравнении с прототипом в 4-5 раз меньшей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества (в условиях близких к пескоструйному воздействию), его допускаемый износ равен 7 мм, что в 35-70 раз больше, чем у материала по прототипу, у которого допускаемый износ не превышает 0,1-0,2 мм. Предлагаемый материал сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 8 интерметаллидных и 7 титановых слоев, обладает повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R=80·10 К/(Вт/м), у медного слоя термическое сопротивление R=3,24·10 К/(Вт/м), R/R=24,7, то есть медный слой обладает в 24,7 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои, что способствует высокоэффективной теплопередаче в нем как в поперечном, так и в продольном направлении, а в материале по прототипу отсутствуют слои с низким термическим сопротивлением.
Пример 2 (см. таблицу, опыт 2).
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.
Cu
Ti
Cu
Ti
Cu
вв
вв
Толщина медных слоев в трехслойном пакете δ=0,85 мм, у титанового слоя δ=7,8 мм, соотношение толщин слоев медь-титан-медь δ:δ:δ=1:9,2:1. Для сварки взрывом трехслойного пакета использовали ВВ со скоростью детонации D=2240 м/с.Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 50% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. Высота каждого заряда ВВ H=20 мм, при выбранных параметрах зарядов ВВ величина сварочных зазоров h=5 мм, что обеспечивает скорость соударения V=440 м/с.
заг
пр.м
пр.т
Горячую прокатку сваренной трехслойной заготовки производят с обжатием 85% при температуре 570°C с последующей разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 230 мм, шириной 190 мм, толщиной δ=1,4 мм. Толщина каждого медного слоя в такой заготовке δ=0,11 мм, титанового слоя δ=1,18 мм.
м
1
5
1
4
5
Многослойный пакет под сварку взрывом составляют из 5 трехслойных заготовок и медной пластины толщиной δ=10 мм. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h-h, где h-h - то же, что в примере 1, а h - зазор между медной пластиной и расположенной над ней пятой трехслойной заготовкой.
вв
вв
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
4
5
Для сварки взрывом многослойного пакета использовали ВВ со скоростью детонации D=2190 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, представляющее собой смесь из 25% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры. H=60 мм. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h=1,1 мм, h=1 мм, h=2,3 мм, h=3 мм, h=1 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах многослойного пакета: V=435 м/с, V=420 м/с, V=410 м/с, V=400 м/с, V=355 м/с, где V-V - то же, что в примере 1, a V - скорость соударения пятой трехслойной заготовки с расположенной под ней медной пластиной.
км
т.км
инт
м.км
сл
м
сл
м
-5
2
-5
2
Отжиг сваренной многослойной заготовки производят при температуре 855°C в течение 25 ч. Результаты получения композиционного материала медь-титан те же, что в примере 1, но его длина 210 мм, ширина 170 мм, толщина δ=17 мм. Материал содержит 5 слоев из титана ВТ1-00 толщиной по δ=0,79 мм, 6 сплошных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них δ=0,26 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медный слой в толщиной δ=10 мм. Его допускаемый износ равен 5,5 мм, что в 25-55 раз больше, чем у материала по прототипу. Предлагаемый материал сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 5 интерметаллидных и 4 титановых слоев. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R=49,5·10 К/(Вт/м), у медного слоя термическое сопротивление R=2,7·10 К/(Вт/м), R/R=18,7, то есть медный слой обладает в 18,7 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои.
Пример 3 (см. таблицу, опыт 3).
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.
Cu
Ti
Cu
Ti
Cu
вв
вв
Толщина медных слоев в трехслойном пакете δ=0,8 мм, у титанового слоя δ=6 мм, соотношение толщин слоев медь-титан-медь δ:δ:δ=1:7,5:1. Для сварки взрывом трехслойного пакета использовали ВВ со скоростью детонации D=2580 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 75% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 25% аммиачной селитры. Высота каждого заряда ВВ H=20 мм. При выбранных параметрах зарядов ВВ величина сварочных зазоров h=5 мм, что обеспечивает скорость соударения V=490 м/с.
заг
пр.м
пр.т
Горячую прокатку сваренной трехслойной производят с обжатием 80% при температуре 550°C с последующей разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 240 мм, шириной 190 мм, толщиной δ=1,5 мм. Толщина каждого медного слоя в такой заготовке δ=0,1 мм, титанового слоя δ=1,3 мм.
м
1
3
1
2
3
Многослойный пакет под сварку взрывом составляют из 3 трехслойных заготовок и медной пластины толщиной δ=8 мм. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h-h, где h-h - то же, что в примере 1, а h - зазор между медной пластиной и расположенной над ней третьей трехслойной заготовкой.
вв
вв
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Для сварки взрывом многослойного пакета использовали ВВ со скоростью детонации D=2400 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. H=50 мм. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h=1,3 мм, h=3 мм, h=0,8 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах многослойного пакета: V=480 м/с, V=470 м/с, V=380 м/с, где V-V - то же, что в примере 1, a V - скорость соударения третьей трехслойной заготовки с расположенной под ней медной пластиной.
км
т.км
инт
м.км
сл
м
сл
м
-5
2
-5
2
Отжиг сваренной многослойной заготовки производят при температуре 860°C в течение 20 ч. Результаты получения композиционного материала медь-титан те же, что в примере 1, но его толщина δ=12,5 мм. Материал содержит 3 слоя из титана ВТ1-00 толщиной по δ=1,08 мм, 4 сплошных интерметаллидных слоя с толщиной каждого из них δ=0,21 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медный слой толщиной δ=8 мм. Его допускаемый износ равен 3 мм, что в 15-30 раз больше, чем у материала по прототипу. Предлагаемый материал сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 3 интерметаллидных и 2 титановых слоев. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R=33,3·10 К/(Вт/м), у медного слоя термическое сопротивление R=2,16·10 К/(Вт/м), R/R=15,4, то есть медный слой обладает в 15,4 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои.
Композиционный материал, полученный по прототипу (см. таблицу, пример 4), в сравнении с материалом по предлагаемому способу обладает в 4-5 раз большей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, его допускаемый износ не превышает 0,1-0,2 мм, что в 15-70 раз меньше, чем у материала по предлагаемому способу, кроме того, этот материал обладает пониженной стойкостью интерметаллидного слоя к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках и в нем не содержится ни одного металлического слоя, обладающего высокой теплопроводностью, что ограничивает возможные области его применения в теплообменной аппаратуре, где требуется сочетание таких свойств, как малая скорость изнашивания, высокая стойкость к хрупкому разрушению, высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи с одной стороны материала и низкое с другой, а также необходимая для длительной эксплуатации изделий большая величина допускаемого износа его поверхностных слоев.
Таблица
Номер при мера
Способ получения материала
Параметры трехслойного пакета
Режимы сварки взрывом трехслойного пакета
Режимы горячей прокатки
Параметры многослойного пакета
1
Предлагаемый способ
Порядок укладки слоев: медь M1 - титан ВТ1-00-М1,5 δ<sub>Cu</sub>=0,9 мм, δ<sub>Ti</sub>=9 мм, соотношение толщин слоев медь-титан-медь δ<sub>Cu</sub>:δ<sub>Ti</sub>:δ<sub>Cu</sub>=1:10:1.
Два заряда ВВ из смеси: 33% аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Высота заряда ВВ H<sub>вв</sub>=30 мм; скорость детонации заряда ВВ D<sub>вв</sub>=2010 м/с, сварочные зазоры h=2 мм, скорости соударения V=400 м/с.
Обжатие 90%, температура 600°C.
Пакет из 8 прокатанных трехслойных заготовок толщиной каждой δ<sub>заг</sub>=1,3 мм и медной пластины толщиной δ<sub>м</sub>=12 мм. Толщина каждого медного слоя в прокатанных заготовках δ<sub>пр.м</sub>=0,12 мм, титанового δ<sub>пр.т</sub>=1,06 мм.
2
Предлагаемый способ
То же, что в примере 1, но δ<sub>Cu</sub>=0,85 мм, δ<sub>Ti</sub>=7,8 мм, δ<sub>Cu</sub>:δ<sub>Ti</sub>:δ<sub>Cu</sub>=1:9,2:1.
То же, что в примере 1, но ВВ из смеси: 50% аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. Н<sub>вв</sub>=20 мм; D<sub>вв</sub>=2240 м/с, h=5 мм, V=440 м/с.
Обжатие 85%, температура 570°C.
Пакет из 5 прокатанных трехслойных заготовок δ<sub>заг</sub>=1,4 мм, δ<sub>м</sub>=10 мм, δ<sub>пр.м</sub>=0,1 мм, δ<sub>пр.т</sub>=1,18 мм.
3
Предлагаемый способ
То же, что в примере 1, но δ<sub>Cu</sub>=0,8 мм, δ<sub>Ti</sub>=6 мм, δ<sub>Cu</sub>:δ<sub>Ti</sub>:δ<sub>Cu</sub>=1:7,5:1.
То же, что в примере 1, но ВВ из смеси: 75% аммонита 6ЖВ и 25% аммиачной селитры. Н<sub>вв</sub>=20 мм; D<sub>вв</sub>=2580 м/с, h=5 мм, V=490 м/с.
Обжатие 80%, температура 550°C.
Пакет из 3 прокатанных трехслойных заготовок, δ<sub>заг</sub>=1,5 мм, δ<sub>м</sub>=8 мм, δ<sub>пр.м</sub>=0,1 мм, δ<sub>пр.т</sub>=1,3 мм.
4
Прототип-ПатентРФ 2370350
Порядок укладки слоев: медь титановый сплав ОТ4-алюминий АД1-ОТ4, δ<sub>Ti</sub>=1-2 мм, δ<sub>Al</sub>=0.8-1.2 мм, соотношение толщин слоев титан-алюминий-титан δ<sub>Ti</sub>:δ<sub>Al</sub>:δ<sub>Ti</sub>=1:(0.6-0.8):1.
ВВ располагают с одной стороны пакета. Состав ВВ: смесь из аммонита 6ЖВ и аммиачной селитры в соотношении 3:1. H<sub>вв</sub>=30 мм; D<sub>вв</sub>=1680-2950 м/с, скорость соударения титановой пластины с алюминиевой 550-580 м/с, алюминиевой пластины с титановой - 420-630 м/с.
Обжатие до толщины алюминиевого слоя, составляющей 0,5-0,67 его исходной толщины, температура 550-580°C.
Составление многослойного пакета не предусмотрено.
Продолжение таблицы
Номер при мера
Способ получения материала
Режимы сварки взрывом многослойного пакета
Режимы отжига
Результаты получения композиционного материала (КМ) медь-титан
1
Предлагаемый способ
Скорость детонации заряда ВВ D<sub>вв</sub>=2090 м/с, H<sub>вв</sub>=80 мм, сварочные зазоры: h<sub>1</sub>=0,8 мм, h<sub>2</sub>=1 мм, h<sub>3</sub>=1,1 мм, h<sub>4</sub>=1,3 мм, h<sub>5</sub>=l,5 мм, h<sub>6</sub>=1,8 мм, h<sub>7</sub>=2,4 мм, h<sub>8</sub>=0,8 мм, скорости соударения: V<sub>1</sub>=390 м/с, V<sub>2</sub>=375 м/с, V<sub>3</sub>=365 м/с, V<sub>4</sub>=360 м/с, V<sub>5</sub>=360 м/с, V<sub>6</sub>=355 м/с, V<sub>7</sub>=355 м/с, V<sub>8</sub>=330 м/с.
Температура t=850°C, время выдержки τ=30 ч.
КМ толщиной δ<sub>км</sub>=22,4 мм, содержит 8 слоев из титана ВТ1-00 с δ<sub>т.км</sub>=0,64 мм, 9 интерметаллидных слоев с δ<sub>инт</sub>=0,33 мм, обеспечивающих ему повышенное термическое сопротивление с одной его стороны, и медный слой с δ<sub>м.км</sub>=12 мм, обеспечивающий ему пониженное термическое сопротивление с другой его стороны. Материал обладает в сравнении с прототипом в 4-5 раз меньшей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, его допускаемый износ равен 7 мм, что в 35-70 раз больше, чем у материала по прототипу, он обладает повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках.
2
Предлагаемый способ
D<sub>вв</sub>=2190 м/с, H<sub>вв</sub>=60 мм, h<sub>1</sub>=1,1 мм, h<sub>2</sub>=1 мм, h<sub>3</sub>=2,3 мм, h<sub>4</sub>=3 мм, h<sub>5</sub>=1 мм, V<sub>1</sub>=435 м/с, V<sub>2</sub>=420 м/с, V<sub>3</sub>=410 м/с, V<sub>4</sub>=400 м/с, V<sub>5</sub>=355 м/с.
t=855°C,τ=25 ч.
То же, что в примере 1, но δ<sub>км</sub>=17 мм. Материал содержит 5 слоев из ВТ1-00 с δ<sub>т.км</sub>=0,79 мм, 6 интерметаллидных слоев с δ<sub>инт</sub>=0,26 мм, δ<sub>м.км</sub>=10 мм. Его допускаемый износ равен 5,5 мм, что в 25-55 раз больше, чем у материала по прототипу.
3
Предлагаемый способ
D<sub>вв</sub>=2400 м/с, H<sub>вв</sub>=50 мм, h<sub>1</sub>=1,3 мм, h<sub>2</sub>=3 мм, h<sub>3</sub>=0,8 мм, V<sub>1</sub>=480 м/с, V<sub>2</sub>=470 м/с, V<sub>3</sub>=380 м/с.
t=860°C,τ=20 ч.
То же, что в примере 1, но δ<sub>км</sub>=12,5 мм. Материал содержит 3 слоя из ВТ 1-00 с δ<sub>т.км</sub>=1,08 мм, 4 интерметаллидных слоя с δ<sub>инт</sub>=0,21 мм, δ<sub>м.км</sub>=8 мм. Его допускаемый износ равен 3 мм, что в 15-30 раз больше, чем у материала по прототипу.
4
Прототип-ПатентРФ 2370350
-
t=750-760°C, τ=1,5-3 ч.
КМ по прототипу в сравнении с КМ по предлагаемому способу обладает в 4-5 раз большей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, его допускаемый износ не превышает 0,1-0,2 мм, что в 15-70 раз меньше, чем у КМ по предлагаемому способу, он обладает пониженной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках и в нем не содержится ни одного металлического слоя, обладающего высокой теплопроводностью.