Применение эффекта сверхпластичности при диффузной сварке конструкций из титановых и алюминиевых сплавов

УДК 621.793

ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ ДИФФУЗНОЙ СВАРКЕ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В.Н. Гадалов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, А. А. Калинин, И.В. Ворначева, И. А. Макарова,

Исследованы пластические свойства ряда титановых сплавов при нагреве от 750 до 1050 °С и алюминиевых сплавов АЦ5К5 и АМц. Определены экстремальные температурные интервалы повышенной пластичности. Выбраны технологические режимы диффузной сварки тавровых соединений сплавов, обеспечивающие получение соединений без видимых дефектов с одновременным формированием плавного перехода (галтели) на участке «ребро - полка». Приведены примеры некоторых сварных соединений.

Ключевые слова: эффект, сверхпластичность, диффузная сварка, титан, алюминий, сплавы.

Развитие современной техники обуславливает всё большее применение сварных соединений, в том числе и из разнородных металлов и сплавов, выполненных в твердом состоянии диффузной сваркой, которая имеет ряд особенностей, значительно отличающих ее от сварки плавлением. Например, в тавровых конструкциях ответственного назначения необходимым конструктивным элементом является плавный переход от одной детали к другой (галтель), который при сварке плавлением образуется за счет присадочного материала, а при диффузионной сварке - за счет осадки материала деталей в зоне сварки. Это возможно в результате проявления «сверхпластичности» данных материалов.

Известно [1, 2, 3 и др.], что ряд титановых сплавов с а- и а+|3 структурами после соответствующей обработки обладают этим эффектом. Сверхпластичность может проявляться в процессе деформирования в интервале температур а + в ^ в - превращения, а также при термоциклиро-вании в заданном интервале температур, либо при мартенситном превращении. Такие процессы, связанные с вакансионной ползучестью, межзе-ренным проскальзыванием и переползанием дислокаций, наиболее интенсивно протекают в сплавах, характеризующихся высокой степенью дисперсности структуры с размером зерна 1...5 мкм. Повышенная дисперсность обуславливает большую протяженность межфазных границ, что с одной стороны обеспечивает высокую прочность титановых сплавов при нормальной (комнатной) температуре, а с другой стороны, при повышенной температуре, способствует увеличению деформационной способности этих сплавов (в определенном интервале температур горячей деформации), т.е. проявлению эффекта сверхпластичности.

Сварка в режиме сверхпластичности позволяет использовать повышенную диффузионную подвижность атом в соединяемых материалах для предотвращения деформационного упрочнения и резкого снижения сопротивляемости пластическому деформированию, а следовательно, для интенсификации процесса сварки и значительного повышения качества сварных соединений.

В настоящей работе было приведено исследование влияния сверхпластичности некоторых титановых и алюминиевых сплавов на качество сварных соединений как однородных, так и разнородных материалов при диффузионной сварке в вакууме. Исследования проводились на образцах из двухфазных (а + Р)-сплавов ВТ6с и ВТЗ-1 и однофазных сплавов (а-сплав) и ВТ 15 (Р-сплав), а также на образцах из алюминиевых сплавов АЦ5К5 и АМц. Химический состав исследованных сплавов представлен в таблице.

Химический состав исследованных сплавов

Материал Содержание легирующих элементов, %

А1 V Мо Сг Мп 81 Ее 8п

ВТ6с 5,3-6,8 3,5-5,0

ВТ3-1 5,5-7,0 2,0-3,0 0,8-2,3 0,15-0,4

ВТ5-1 4,3-6,0 2,0-3,0

ВТ15 2,3-3,6 6,8-8,0 9,5-11

АМц 1,0-1,6 До 0,6

АЦ5К5 0,7-1,2

Для экспериментального определения температурного интервала перехода титановых сплавов в сверхпрочное состояние проводилась деформация образцов диаметром 16 мм и длиной 60 мм сжимающим усилием р = 10МПа в течение 10 мин. При нагреве в вакууме в интервале температур 750... 1050 °С на установке СДВУ-3.

Установлено, что в двухфазных сплавах ВТ6с и ВТЗ-1 эффект сверхпластичности (экстремумы на кривых «температура - деформация») имеют место только у образцов с исходной мелкозернистой (волокнистой) структурой. Величина относительной макродеформации достигает 7 % при температуре 875...900 °С для сплава ВТ6с и при температуре 925...950 °С для сплава ВТЗ-1. В сплаве ВТ5-1 также проявляется некоторое (до ~ 4,5 %) повышение пластичности при температурах более 1000 °С, однако выраженного экстремума, как в предыдущих сплавах, не наблюдается. Что касается однофазного крупнозернистого сплава ВТ 15 (Р-сплав), то эффект сверхпластичности при его нагревании не наблюдается.

Проявление максимальной пластичности у двухфазных титановых сплавов в температурном интервале (а + Р) ^ Р-фазового перехода сопровождается ростом зерен, что свидетельствует об интенсивности рекристал-лизационных и перекристаллизационных процессов лимитируемых диффузией.

Исходная мелкозернистая деформированная структура двухфазного сплава при нагреве до температуры, соответствующей пику пластичности, преобразуется в мелкозернистую глобулярную равновесную структуру. Дальнейшее повышение температуры сплава вызывает резкий (на порядок и более) рост зёрен с одновременным значительным повышением сопротивляемости пластическому деформированию. Вышеприведенное соответствует современным представлениям о сверхпластичности металлов и сплавов.

При сварке в режиме сверхпластичности были получены качественные сварные соединения без видимых дефектов. Механические испытания на растяжение и ударный изгиб стандартных образцов показали рав-нопрочность сварных соединений основному металлу. При повышении температуры сварки выше завершения а + в ^ в-перехода в зоне соединения остаются дефекты типа непроваров, пор, ориентации границ зерен по плоскости стыка.

Основной причиной разрушения тавровых соединений, в особенности работающих при знакопеременных нагрузках, является наличие концентраторов напряжений, таких как подрезы, которые остаются на участке перехода соединяемых элементов. Поэтому наличие галтели (плавного перехода от одного элемента к другому) является необходимым требованием к обеспечению его прочности и качества.

Явление сверхпластичности можно использовать для получения прочных соединений как однородных, так и разнородных материалов способом диффузионной сварки.

Нами также были проведены исследования алюминиевых сплавов АЦ5К5 и АМц с целью обнаружения у них эффекта сверхпластичности. Эти исследования проводились при растяжении образцов, вырезанных из листового материала толщиной 1 мм на установке ИМАШ-20-78. У образцов сплава АЦ5К5 при нагреве до температуры 500 °С наблюдалось резкое возрастание величины относительной деформации, которая при температуре 540...550 °С достигает 6...7 %. У сплава АМц такого эффекта не наблюдалось - с повышением температуры его относительная деформация повышалась плавно, достигая 3...4 % при Т = 540 °С.

Сварное соединение монолитное. Микроструктурный анализ так же показывает полное отсутствие по границе первоначального контактирования сварных дефектов, таких, как включения оксидной пленки и непрова-ры. Механические испытания показали, что при критических нагрузках происходит либо разрушение (разрыв) алюминиевого ребра, либо значительный изгиб полки.

Здесь надо отметить, что при диффузионной сварке таврового соединения в режиме повышенной пластичности возможна потеря устойчивости вертикального ребра, к которому в процессе нагрева прикладывается весьма высокая нагрузка. Поэтому, при такой сварке для формирования галтели необходимо использовать специальные приспособления с заданным радиусом перехода.

Таким образом, при соответствующем подборе материала изделий и технологических режимов, достигается значительное снижение концентрации напряжений на переходном участке и повышаются эксплуатационные характеристики изделия, особенно при действии переменной нагрузки.

1. Полученные результаты могут быть использованы при разработке ресурсосберегающих процессов и технологий обработки промышленных материалов с использованием новых наноконструкционных смазок и покрытий [4 - 26].

2. Работа подготовлена в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России № 11.6682.2017/8.9.

Список литературы

1. Кайбышев О. А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М.: Металлургия, 1984. 263 с.

2. Сварка титановых сплавов ОТ4, ВТ6иВТ 15 в твердом состоянии в режиме сверхпластичности / Шоршоров М.Х. [и др.] // Сварочное производство. 1975. №10.С. 20-22.

3. Каракозов Э.С., Орлова Л.М., Пешков В.В. Диффузионная сварка титана. М.: Металлургия, 1977. 272с.

4. Механические свойства конструкционных и инструментальных сталей в состоянии предпревращения при термомеханическом воздействии А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, О.В. Кузовлева, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 11. С. 39-42.

5. Гвоздев А.Е., Афанаскин А.В., Гвоздев Е.А. Закономерности проявления сверхпластичности сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП // Металловедение и термическая обработка материалов. 2002. № 6. С. 32-36.

6. Гвоздев А.Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1992. 176 с.

7. On friction of metallic materials with consideration for superplasticity phenomenon / A.Breki, A.Gvozdev, A. Kolmakov, N.Starikov, D.Provotorov, N.Sergeyev, D.Khonelidze // Inorganic materials: Applied Research. 2017. T. 8. №1. P. 126-129.

8. Temperature distribution and structure in the heat-affected zone for steel sheets after laser cutting / A. Gvozdev, N. Sergeyev, I. Minayev, A. Kolmakov, I. Tikhonova, A. Sergeyev, D. Provotorov, D. Khonelidze, D. Maliy, I. Golyshev // Inorganic materials: Applied Research. 2017. T. 8. №1. P. 148152.

9. Synthesis and dry sliding behavior of composite coating with (R-OOO) FT polyimide matrix and tungsten disulfide nanoparticle filler / A. Breki, A. Didenko, V. Kudryavtsev, E. Vasilyeva, O. Tolochko, A. Kolmakov, A. Gvozdev, D. Provotorov, N. Starikov, Yu. Fadin // Inorganic materials: Applied Research. 2017. T. 8. №1. P. 32-36.

10. Composite coatings based on A-OOO polyimide and WS2 nanopar-ticle filler / A. Breki, A. Didenko, V. Kudryavtsev, E. Vasilyeva, O. Tolochko, A. Gvozdev, N. Sergeyev, D. Provotorov, N. Starikov, Yu. Fadin, A. Kolmakov // Inorganic materials: Applied Research. 2017. T. 8. № 1.P. 56-59.

11. Гвоздев А.Е. Ресурсосберегающая технология термомеханической обработки быстрорежущей вольфрамомолибденовой сталиР6М5 // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. №12 (606). С. 27-30.

12. Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев. Пластическая дилатансия и деформационная повреждаемость металлов и сплавов. Тула: Изд-во ТулГУ,

2014. 114 с.

13. Зависимость показателей сверхпластичности труднодеформи-руемых сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП от схемы напряженного состояния / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.Н. Боголюбова // Деформация и разрушение материалов. 2015. №11. С. 42-46.

14. Основы строительного дела и ремонтно-отделочных работ: учебное пособие / А.Н. Сергеев, Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Е. Гвоздев, А.В. Сергеева, С.Н. Кутепов. Тула: Издательство ТулГУ,

2015. 198 с.

15. Экспертиза и диагностика объектов и систем сервиса: учебное пособие / Ю.С. Дорохин, А.Н. Сергеев, М.В. Ушаков, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, П.Н. Медведев, Д.В. Малий. Тула: Издательство ТулГУ, 2015. 160 с.

16. Сопряженные поля в упругих, пластических, сыпучих средах и металлических труднодеформируемых системах: монография / Э.С. Макаров, В.Э. Ульченкова, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев; под ред. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 526 с.

17. Организация и планирование деятельности предприятий сервиса: учебное пособие / Ю.С. Дорохин, А.Н. Сергеев, К.С. Дорохина, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, П.Н. Медведев, А.В. Сергеева, Д.В. Малий. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 380 с.

18. Эксплуатационные материалы: учебное пособие / Н.Н. Серге-ев,А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, Д.М. Хонелидзе, С.Н. Кутепов, П.Н. Медведев, Ю.С. Дорохин. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 160 с.

19. Технологические процессы в сервисе: учебное пособие / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, Ю.С. Дорохин, П.Н. Медведев, А.В. Сергеева. Тула: Издательство ТулГУ, 2016. 248 с.

20. Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев. Обработка сталей и сплавов в интервале температур фазовых превращений: монография / Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 320 с.

21. О состоянии предпревращения металлов и сплавов: монография/ О.В. Кузовлева, А.Е. Гвоздев, И.В. Тихонова, Н.Н. Сергеев, А. Д. Бреки, Н.Е. Стариков, А.Н. Сергеев, А. А. Калинин, Д.В. Малий, Ю.Е. Титова, С.Е. Александров, Н.А. Крылов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016 245 с.

22. Особенности протекания процессов разупрочнения при горячей деформации алюминия, меди и их сплавов / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.Н. Боголюбова, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, Д. А. Провоторов // Материаловедение. 2014. № 76. С. 48-55.

23. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов второго рода / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. №1. С. 15-21.

24. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, А.Г. Колмаков, И.В. Тихонова, А.Н. Сергеев, Д. А. Провоторов, Д.М. Хонелидзе, Д.В. Малий, И.В. Голышев // Материаловедение. 2016. №9. С. 3-7.

25.О фрикционном взаимодействии металлических материалов с учетом явления сверхпластичности / А.Д. Бреки, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.М. Хонелидзе // Материаловедение. 2016. № 8. С. 21-25.

26. Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М. Теория пластичности дилатирующих сред: монография / под.ред. проф. А.Е. Гвоздева. 2-е изд. перераб. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 337 с.

Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, проф., проф., Gadalov-VN@yandex. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,

Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., проф., gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., starikov_taii@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Калинин Антон Алексеевич, инженер, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ворначева Ирина Валерьевна, ассист., vornairina2008@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,

Макарова Ирина Александровна, асп., makarova. mia@yandex. ru, Россия, Курск, Юго-западный государственный университет

APPLICATION OF THE SUPERPLASTIC EFFECT IN DIFFUSION WELDING OF CONSTRUCTIONS FROM TITANIUM AND ALUMINUM ALLOYS

V.N. Gadalov, A.G. Besedin, I.V. Vornacheva, T.N. Rosina, I.A. Makarova, N.E. Starikov

The plastic properties of a number of titanium alloys under heating from 750 to 1050 °C and aluminum alloys ACS5K5 and AMC are studied. Extreme temperature intervals of increased ductility were determined. Technological regimes of diffusion welding of T-joints

169

of alloys have been selected, which ensure the production of compounds without visible defects with the simultaneous formation of a smooth transition (fillet) in the rib-shelf section. Examples of some weldedjoints are given.

Key words: effect; superplasticity; diffusion welding; titanium; aluminum; alloys.

Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, professor, Ga-dalov- VN'ayandex.ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,

Gvozdev Alexander Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, professor, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University named after. L.N. Tolstoy,

Starikov Nikolai Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, stari-kov taii'mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kalinin Anton Alekseevich, engineer, antony-ak'mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Vornacheva Irina Valer'yevna, asistant, vornairina2008@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwestern State University

Makarova Irina Aleksandrovna, postgraduate, makarova. mia'yandex. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University

УДК 621.825

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ПНЕВМОКАМЕРНЫХ МУФТАХ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Б. Д. Кукаленко, Е.В. Заборский, А. Д. Бреки, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков

Исследованы процессы теплообмена и установлены закономерности распространения тепла в пневмокамерных цилиндрических вентилируемых фрикционных муфтах буровых установок в процессе их эксплуатации. Предложены аналитические выражения для расчета характеристик температурных полей муфт, необходимые для проектирования их с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова: буровые лебедки, пневмокамерные муфты буровых установок, обжимные и разжимные пневмокамерные муфты, резино-кордный баллон, теплопередача, температурное поле.

В конструкциях современных буровых лебедок для оперативного включения и отключения привода подъемного механизма при выполнении спуско-подъемных операций, спуске обсадных колонн, ликвидации аварий и прихватов инструмента и др., в процессе бурения широко применяют пневмокамерные цилиндрические вентилируемые фрикционные муфты

170