ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ, СВОЙСТВ И КАЧЕСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

This article is devoted to improving the quality of technical diagnostics of a diesel locomotive generator. The paper highlights ways to improve the efficiency and reliability of technical means of railway transportation, in particular locomotive power plants. An automated system of technical diagnostics of a diesel locomotive generator is proposed on the example of a diesel of type K6S310DR (6CHN31/36) of a CHME3T diesel locomotive. The configuration has been clarified and a block diagram of the mathematical support for the functioning of the technical diagnostics system has been constructed. The configuration and types of primary converters of the diagnostic system are specified on the example of temperature converters. The analysis and calculation of the reliability of the considered temperature converters are carried out.

Key words: technical diagnostics, diesel locomotive generator, automated system, reliability, temperature converters.

Shmoilov Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, dоcent, shmoilov@inbox.ru, Russia, Samara State Transport University

УДК 621.791.4

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-660-665

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ, СВОЙСТВ И КАЧЕСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.В. Панов, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин

В статье представлены результаты исследования по влиянию лазерной обработки на структуру и качество тонкостенных слоистых конструкций из титановых сплавов. Рассмотрены вопросы повышения качества диффузионных соединений сотового заполнится с обшивкой при изготовлении трёхслойной панели из титановых сплавов. Предложен ряд вариантов лазерной термообработки элементов заполнителя. Разработана специальная оснастка для лазерной термообработки элементов заполнителя. Описаны различные методы изготовления дренажных отверстий в элементах заполнителя. Получены положительные результаты в лазерной пробивке отверстий с улучшением эксплуатационных свойств конструкций изделия.

Ключевые слова: сотовые панели; титановые сплавы, диффузионное соединение, лазерный луч, излучение и обработка, обшивка, прошивка, лазерная пробивка, оснастка, ролик, диски, структура, свойства.

Непрерывно возрастающая роль в развитии авиакосмической техники связана с применением в конструкциях и изделиях высокотехнологических материалов с повышенной удельной прочностью. Одним из таких путей снижения веса летательных аппаратов при сохранении высоких механических свойств является использование для изготовления узлов планеров тонкостенных слоистых панелей из титановых сплавов, имеющих при весьма небольшом весе высокие характеристики устойчивости несущих слоёв и значительную жёсткость на изгибе. В настоящее время наиболее эффективным технологическим процессом, позволяющим получать такие конструкции, является диффузионная сварка [1-16, 20].

Качественные параметры диффузионно-сварного соединения в большей степени зависят от сварочного давления [1 ,10], однако его приходится ограничивать для исключения возможности потери устойчивости заполнителя и смятия его в процессе сварки.

Для решения этой проблемы используется предварительный отжиг заполнителя в ß-области [2, 3], которая позволяет за счёт повышения прочностных характеристик заполнителя увеличить сварочное давление, но при этом снижается пластичность материала заполнителя, что и приводит как к непроварам при сварке по развитой поверхности, так и к «прорезанию» материала обшивки кромкой ленты заполнителя до '/2 её толщины.

Повышение качества диффузионных соединений наполнителя с обшивкой возможно путём использования заполнителя, имеющего комбинированную микроструктуру а-титан + ß-титан [3, 14].

Результаты и их обсуждение. Для получения комбинированной структуры заполнителя, с учётом довольно малой теплопроводности титановых сплавов, в качестве источника нагрева для термообработки использовалось лазерное излучение. В ходе экспериментов по термообработке лент заполнителя сфокусированным лазерным лучом с пилообразным сканированием в поперечном направлении [15] были получены образцы заполнителя со сложной комбинированной структурой, имеющей чередующиеся участки а и ß фаз (рис. 1).

Полученные образцы показали значительную устойчивость к смятию в поперечном направлении и хорошую свариваемость с материалом обшивки, причём прорезания обшивки практически отсутствуют.

Несмотря на небольшую протяженность зоны обработки за один проход, в ней можно выделить участок теплонасыщения, участок квазистационарного состояния и два участка воздействия краевых эффектов. В каждом из участков термодинамические процессы проходят под воздействием различных факторов температурного распределения, что приводит к неравномерности нагрева материала в различных участках и соответствующей картине фазовых превращений.

Рис. 1. Схема распределения микроструктур в ленте заполнителя в результате термообработки

Следовательно, существует необходимость в создании метода термообработки, позволяющего проводить нагрев одновременно и равномерно по всей ширине ленты заполнителя.

Решение данной задачи достигается за счет использования для фокусировки луча лазера цилиндрической плосковыпуклой линзы, что дает возможность получить форму фокального пятна, близкую к прямоугольнику, длина которого равна ширине ленты заполнителя, а ширина в (4.. .10) раз больше толщины заполнителя. Интервал между штрихами задается таким образом, чтобы он был в (1,5.2) раза больше ширины штриха.

Такая схема термообработки позволяет добиться одновременности и равномерности нагрева материала заполнителя по всей ширине обрабатываемой зоны, избежать подплавов и прожогов в краевых участках, а также избежать образования в зоне обработки мартенситных структур. Однако предварительный расчет геометрических параметров зоны термического влияния представляет значительные трудности вследствие несоответствия ни одной из общепринятых расчетных моделей, что выражено в соотношении 5i/5o < 1, где 5i - толщина ленты заполнителя; 50 - ширина зоны термообработки.

Другое решение указанной задачи достигается за счет использования фокальною пятна высокочастотного сканирования в поперечном направлении с пошаговым перемещением в продольном направлении. Такой способ позволяет добиться большей равномерности распределения энергии по длине штриха и упрощает регулирование температуры в зоне обработки, а также облегчает расчет геометрических параметров зоны термического влияния за счет сведения к традиционной модели.

В процессе термообработки значительное искажение в картину реального распределения температурных поле вносит температурный градиент, возникающий вследствие накопленного тепла от предыдущих участков термообработки, что объясняется как незначительной толщиной обрабатываемого материала, так и малым теплоотводом из обрабатываемой зоны.

Для решения вышеперечисленных проблем была разработана специальная оснастка (рис. 2).

Рис. 2. Кинематическая схема оснастки для лазерной термообработки лент заполнителя: 1 - опорный ролик; 2 - натяжные ролики; 3 - теплоотводящие диски

Перемещение лент заполнителя на шаг ДИ осуществляется поворотом на угол юИ, прижим ленты к поверхности опорного ролика - натяжными роликами, защита краев ленты заполнителя от проявления краевых эффектов - вращающимися теплоотводящими дисками.

Представленная схема термообработки позволяет получить комбинированную структуру заполнителя, обеспечивающую его устойчивость в процессе диффузионной сварки при достаточной прочности сварного соединения и отсутствия протяженных очагов деформации в обшивке. Кроме того, такая схема позволяет свести расчет геометрических параметров зоны термического влияния к традиционной модели, а также за счет дополнительного охлаждения опорного ролика компенсировать воздействие температурного градиента.

Внутренний объем сотового заполнителя в процессе диффузионной сварки с листами обшивки должен быть вакуумирован. Важным технологическим элементом, обеспечивающим вакуумирование, являются дренажные отверстия в лентах заполнителя.

Вопрос о надежных методах изготовления дренажных отверстий в элементах сотового заполнителя практически не находит отражения в отечественной и зарубежной литературе. В большинстве работ метод изготовления отверстий не упоминается вовсе, в некоторых говорится о прокалывании, прошивке отверстии или продавливании с последующей шлифовкой [16-18]. Все они имеют существенные недостатки, т.к. прокалывание (рис. 3, а) и прошивка (рис. 3, б) приводят к образованию микротрещин по периферии отверстии, а продавливание со шлифовкой (рис. 3, в) требует дополнительной механической обработки лент заполнителя и соответствующего усложнения технологического процесса и применяемого оборудования.

в г

Рис. 3. Дренажные отверстия, полученные: а - прокалыванием; б - прошивкой; в - продавливанием с последующей шлифовкой; г - с лазерной пневматической калибровкой

Поэтому в настоящее время вопрос выбора метода изготовления дренажных отверстий в лентах сотового заполнителя, позволяющего свести к минимуму разрушающее механическое воздействие на микроструктуру материала, весьма актуален.

Перспективным методом, позволяющим получать в лентах заполнителя дренажные отверстия с высокой чистотой кромок и обладающим большой производительностью, является лазерная пробивка отверстий.

Основные преимущества лазерной пробивки отверстий: высокая скорость получения отверстий; независимость от твердости обрабатываемого материала; возможность получения отверстий весьма малого диаметра. Помимо этого, следует учитывать все остальные преимущества, свойственные лазерному излучению.

Основными процессами, приводящими к образованию отверстии в непрозрачных материалах посредством лазерного излучения, являются испарение и плавление вещества. При этом отверстие увеличивается в глубину в основном в результате испарения, а по диаметру - в результате оплавления стенок и вытеснения жидкости избыточным давлением пара. Увеличению количества жидкой фазы, остающейся после окончания действия импульса, способствует уменьшение плотности мощности светового потока вследствие расфокусировки луча по мере роста отверстия вглубь, а также медленное снижение мощности излучения к концу импульса. Для случая изготовления дренажных отверстий в лентах заполнителя первый фактор легко преодолевается соотношением диаметра и глубины отверстия как 55:8, что позволяет пренебречь расфокусировкой при заглублении, а начало и окончание импульса определяются открытием и закрытием затвора оптической системы, что соответствует практически мгновенному окончанию импульса без медленного снижения мощности.

Перераспределение жидкого металла на стенках отверстия происходит в основном под действием сил поверхностного натяжения. Вклад силы тяжести в этот процесс невелик из-за малых размеров отверстия и незначительности массы жидкого металла Капли расплавленного металла на краях дренажного отверстия не представляют какой-либо серьезной проблемы, однако приводят к неравномерности

охлаждения, поэтому лучшим решением считается их удаление. В данном случае выброс расплавленного металла из отверстия инициируется пневматической калибровкой за счет создания в зоне обработки избыточного давления защитного газа, достаточного для отрыва жидких частиц металла от стенок отверстия. Этот метод основывается на воздействии на зону обработки струи газа соосной со световым пучком.

В качестве источника лазерного излучения использован технологический лазер ТЛ-1500. Фокусировка луча осуществлялась с помощью специальной линзы из монокристалла хлорида натрия с фокусным расстоянием 50 мм. Диаметр фокального пятна 0,5 мм, длительность импульса излучения (0,1.0,5) с.

В результате получено отверстие с хорошим качеством поверхности и малой толщиной оплавленного слоя (рис. 3, г). Полностью избежать подплавления стенок отверстия не удается, однако зона оплавления не оказывает отрицательного влияния на прочностные характеристики сотового заполнителя. Образцы заполнителя, отверстия в которых пробивались лазером, показали циклическую долговечность на (10.15) % большую по сравнению с традиционной технологией, причем трещина развивалась от отверстия в 33 % случаев в отличие от 100 % при традиционной технологии.

Анализ с оценкой качества технологий производства дренажных отверстий проводился в настоящем исследовании на основе наших рекомендаций изложенных в [21], которые подтверждаются изучением акустических критериев предельного состояния [22].

Выводы:

1. Результаты исследований по диффузионной сварке тонкостенного заполнителя показывают, что после лазерной термообработки можно получить приконтактную зону, сохранившую исходную мелкозернистую структуру способную к сверхпластическому деформированию, по необходимой ширине от 0,4 до 0,1 мм.

2. Установлено, что в случае разноструктурной ленты, имеющей крупнозернистую структуру в основном объеме и мелкозернистую в приконтактной зоне - качественное сварное соединение можно получить при значительном снижении сжимающего усилия, что позволяет сохранить высокотемпературную устойчивость заполнителя и обеспечить формирование соединения.

3. Анализом микро- и макроструктур установлено, что при лазерной термообработке ленты в изотермических условиях на кромке наблюдается резкий переход от мелкозернистой глобулярной структуры к корзиночной, что согласуется с результатами теоретических расчетов температурных полей.

4. Выявлено, что при диффузионной сварке ленты, имеющей комбинированную структуру при оптимальном режиме, осуществляется процесс сварки двух образцов с исходной мелкозернистой структурой, и формирование соединения происходит как за счет металла ленты, так и обшивки. При этом сварка производится с плавным снижением сжимающего усилия, при котором потери пластичной устойчивости не происходит; качество сварного соединения удовлетворительное, несмотря на наличие некоторого количества микроскопических дефектов в зоне контактирования.

5. Разработана технология изготовления дренажных отверстий в ленте заполнителя способом лазерной пробивки с пневматической калибровки, позволяющей получить отверстие высокого качества и увеличить прочность и циклическую долговечность сотового заполнителя.

6.Установлено, что применение технологий лазерной обработки в процесс изготовления многослойных панелей с сотовым заполнителем из титановых сплавов позволяет повысить качество диффузионно-сварного соединения заполнителя с обшивкой, а также панели в целом.

Полученные результаты согласуются с исследованиями, представленными в наших [5, 8, 9 12, 18, 20-21] и других работах и не противоречат им.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2015-2020 годы» (№ К1-2014.021).

Список литературы

1. Бачин В.А., Квасницкий В.Ф., Котельников Д.И., Новиков В.Г., Полушкин Г.П. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки. М.: Машиностроение, 1991. 352 с.

2. Коломенский А.Б., Рощупкин А.Н., Родионов В.Н. Выбор режимов высокотемпературного отжига титановой фольги для сотового заполнителя и последующей диффузионной сварки сотовых пакетов // Сварочное производство. 1994. № 12. С. 3-4.

3. Бондарь А.В., Пешков В.В., Киреев Л.С., Шурупов В.В. Диффузионная сварка титана и его сплавов. Воронеж Изд-во ВГТУ, 1998. 256 с.

4. Киреев Л.С., Шурупов В.В., Пешков В.В., Батищев А.А. Диффузионная сварка титановых конструкций (обзор) // Автоматическая сварка. 2003. № 6 (603). С. 42-47.

5. Гадалов В.Н., Захаров И.С., Крюков В.А., Башурин А.В. Металлография с атласами микроструктур металлов, сплавов, покрытий и сварных соединений: учебное пособие-монография (под грифом УМО-вузов Минобрнауки РФ). Курск: КГТУ, 2004. 478 с.

6. Petrenko B.P., Peshkov V.V., Polevin V.Yu. Quality increasing of diffusive joint of titanium jackets of heat exchanger // Сварочное производство. 2005. № 3. С. 13-18.

7. Люшинский А.В. Диффузионная сварка разнородных материалов. М.: Академия, 2006.

204 с.

8. Гадалов В.Н., Шишков А.С. Диффузионная сварка слоистых титано-алюминиевых панелей // Технология металлов. 2009. № 10. С. 28-31.

9. Емельянов С.Г., Гадалов В.Н., Пономарев Д.В., Шишков А.С. Изготовление пустотелых биметаллических титано-алюминиевых панелей диффузионной сваркой в вакууме // Технология металлов. 2010. № 5. С. 30-34.

10. Чудин В.Н., Перепелкин А.А., Ларин С.Н. Технологические режимы изотермического деформирования и диффузионной сварки элементов многослойных листовых конструкций // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 4. С. 70-76.

11. Клокова М.С., Иванов И.А. Исследования по получению биметаллических соединений методом диффузионной сварки // Вакуумная техника и технология. 2017. Т. 27. № 2. С. 1-3.

12. Гадалов В.Н., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е., Калинин А.А., Ворначева И.В., Макарова И.А. Применение эффекта сверхпластичности при диффузной сварке конструкций из титановых и алюминиевых сплавов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 2. С. 164-170.

13. Пешков В.В., Булков А.Б., Максименков В.И., Коломенский А.Б. Диффузионно-сварные титановые тонкостенные слоистые конструкции // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 1. С. 138-146.

14. Пешков В.В., Кудашов А.О. Влияние исходной микроструктуры на формирование соединения при диффузионном склеивании сотовых структур из титанового сплава ОТ4-1 // Автоматическая сварка. 1982. № 6. С. 27-31.

15. Способ изготовления диффузионной сваркой сотовых конструкций с тонкостенным заполнителем Ф.Н. Рыжков, В.В. Паиов, А.В. Батурин, А.Н. Рощупкин // Патент РФ 2 115 526 С1. Опубл.: 20.07.1998.

16. Григорьянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная резка металлов. М.: Высшая школа, 1988.

127 с.

17. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюрин А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.

18. Гадалов В.Н., Лыткин А.И., Алёхин Ю.Г., Лоторев А.А. Использование импульсивного лазерного облучения для упрочнения штампов холодного деформирования // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. № 7. С. 19-20.

19. Гадалов В.Н., Петренко В.Р., Сафонов С.В., Филатов Е.А., Филонович А.В. Материаловедение и металловедение сварки. М.: Инфра-Инженерия, 2021. 308 с.

20. Гадалов В.Н., Петренко В.Р., Сафонов С.В., Губанов О.М., Скрипкина Ю.В. Металловедение сварки с практикумом по технологии конструкционных материалов (ТКМ), специальными методами сварки и пайки, контролю качества сварных соединений: учебное пособие для вузов. М.: Аргамак-Медиа, 2021. 400 с.

21. Мониторинг кинетических закономерностей износа внутренних поверхностей оборудования в условиях интенсивной коррозии с применением разных рабочих сред / О.М. Губанов, В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, И.А. Макарова // Справочник. Инженерный журнал. 2022. № 6 (303). С. 48-53.

22. Гадалов В.Н., Сафонов С.В., Филатов Е.А., Болдырева О.Н., Макарова И.А., Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Гвоздев А.Е., Калинин А.А. Структурные закономерности изменения акустических характеристик и разработка акустического критерия предельного состояния металлических сплавов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 361-368.

Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, gadalov-vn@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,

Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук., доцент, kutepovsn@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Панов Виктор Владимирович, канд. техн. наук, Россия, Москва, Военный научно-исследовательский институт,

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

Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства ТулГУ, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

STUDY OF THE STRUCTURAL STATE, PROPERTIES AND THE QUALITY OF MULTILAYER PANELS MADE OF TITANIUM ALLOYS AFTER LASER TREATMENT

V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, V.V. Panov, A.E. Gvozdev, A.A. Kalinin

The article presents the results of a study on the effect of laser treatment on the structure and quality of thin-walled layered structures made of titanium alloys. The issues of improving the quality of diffusion compounds of cellular fillers with sheathing in the manufacture of a three-layer panel made of titanium alloys are considered. A number of options for laser heat treatment of filler elements are proposed. Special equipment has been developed for laser heat treatment of filler elements. Various methods of manufacturing drainage holes in filler elements are described. Positive results have been obtained in laser punching holes with an improvement in the operational properties of the product structures.

Key words: honeycomb panels; titanium alloys, diffusion connection, laser beam, radiation and processing, plating, stitching, laser punching, tooling, roller, discs, structure, properties.

Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,

Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, kutepovsn@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Panov Viktor Vladimirovich, candidate of technical sciences, Russia, Moscow, Military Research

Institute,

Gvozdev Aleksandr Evgen'yevich, doctor of technical science, professor, gwozdew. alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of TulSU Publishing House, anto-ny-ak@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 669.1

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-665-668

КОРРЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЕТАЛЛУРГИИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

Г.Г. Бурый

В статье рассматривается актуальность уточнения процесса модифицирования чугуна. Рассматриваются вещества модификаторы, позволяющие получить шаровидный графит в высокопрочном чугуне. Составлена диаграмма описывающая способность к модифицированию шаровидного графита. Рассмотрено влияние формы графита на его физико-механические свойства. Приведены регрессионные зависимости основных физико-механических свойств от объемной доли каждого вида графита.

Ключевые слова: чугун, модификатор, металлургия, графит, физико-механические свойства.

Высокопрочный чугун один из наиболее распространенных сплавов, применяемых для производства литых изделий высокой прочности. К таким изделиям можно отнести валы, шкивы, маховики, рычаги, корпуса и т.д. По сравнению со сплавами на основе цветных металлов высокопрочный чугун имеет более низкую цену. Более высокая твердость высокопрочного чугуна позволяет применять его для деталей, испытывающих вдавливание от других элементов механизма. Следует также отметить, что жаростойкость высокопрочного чугуна также выше, чем у сплавов на основе алюминия, что актуально при производстве элементов двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, уточнение процесса производства данного сплава и его оптимизация крайне важная задача.

Процесс производства высокопрочного чугуна невозможен без образования графита. Однако процесс образования графита невозможен без добавления в расплавленный чугун элементов модификаторов. В высокопрочном чугуне формируется шаровидный графит рис. 1 и для его формирования чаще всего используется магний. Однако, в виду отсутствия доступа к достаточному количеству данного элемента, побуждают использовать и другие элементы в качестве модификаторов. Стоит отметить, что у каждого элемента различная способность к образованию графита шаровидной формы. Образование шаровидного графита зависит от образования барьера, разделяющего углерод в виде графита и жидкую фазу аустенита. Элемент должен обладать определенной растворимостью в сплаве, так как недостаточная растворимость не позволит ввести его в сплав, а слишком интенсивная растворимость не позволит образоваться барьеру, разделяющему графит и аустенит. Данные растворимости периодической системы в жидкой фазе - аустените описаны в литературе, однако данные по растворимости элементов в углероде практически отсутствуют. Основываясь на анализе закономерностей растворимости элементов периодической системы, была определена их растворимость в углероде. Рассмотрим уточненную диаграмму растворимости элементов периодической системы в углероде и аустените показанную на рис. 2 [1, 2, 3, 4, 8].