Слоистый материал и его применение для изготовления сосудов давления

УДК 5З9.З

СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ

© А. А. Ганеева

Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа, Россия, e-mail: aigul-05@mail.ru

Ключевые слова: слоистый материал; сварка давлением; сверхпластическая формовка; микроструктура; ударная вязкость.

Исследован слоистый материал с «тормозящим» трещину расположением слоев, полученный сваркой давлением листовых заготовок титанового сплава ВТ6. Показаны перспективы применения слоистого материала для изготовления сферической оболочки.

ВВЕДЕНИЕ

Титановые сплавы и их сварные конструкции находят широкое применение в различных отраслях машиностроения, тем самым обуславливая актуальность исследований, направленных на повышение их эксплуатационных характеристик. Сварные конструкции могут представлять собой слоистые листовые конструкции с различным расположением поверхностей соединения относительно действующей нагрузки.

В данной работе приведены результаты исследований слоистого материала с «тормозящим» расположением поверхностей соединения и показана возможность получения сверхпластической формовкой (СПФ) сферической оболочки из подобного материала.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве материала для исследований использовали двухфазный титановый сплава ВТ6 с микрокристаллической структурой. Слоистый материал получали сваркой давлением тринадцати листовых заготовок с различным расположением направления прокатки (НП) при традиционных режимах.

Для проведения испытаний на ударный изгиб изготавливали образцы с «тормозящим» трещину расположением слоев, т. е. линия надреза располагалась параллельно поверхности соединения. Данные образцы были вырезаны в направлениях перпендикулярных друг относительно друга (направления 1 и 2) и соответствовали типу 1 по ГОСТ 9454-84, т. е. имели стандартные размеры - 10x10x55 мм.

Металлографические и фрактографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе ЖА-6400.

Сферическую оболочку изготавливали путем сверхпластической формовки пакета, состоящей из двух половин, каждая из которых представляла собой слоистый материал из пяти листовых заготовок, расположенных одна относительно другой с образованием угла между направлениями прокатки в них [1].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При микроструктурном исследовании слоистого материала пор в зонах соединений не обнаружено. Анализ результатов испытаний показывает, что свойства зависят от способа укладки листов при сборке (табл. 1). В случае укладки листовых заготовок с изменением направления прокатки (угол между НП в заготовках составляет 90°) слоистый материал характеризуется изотропными свойствами, в противном случае - свойства анизотропные. Поверхность разрушения матовая и имеет ямочный вязкий характер.

Известно, что анизотропия механических свойств в большинстве случаев является отрицательным фактором при изготовлении и эксплуатации изделий ответственного назначения, в частности, таких как сферическая оболочка.

Сферические оболочки из титановых сплавов широко используются в технике в качестве сосудов давления. Качество таких изделий во многом определяется их соответствием требуемым геометрическим параметрам.

При изготовлении оболочки путем свободной формовки из листовых заготовок возникает ряд проблем, связанных с анизотропией механических свойств в заготовках, которая является следствием анизотропии деформационного характера, возникающей при промышленной прокатке. Анизотропия напряжений тече-

Таблица 1

Ударная вязкость слоистого материала с «тормозящим» трещину расположением слоев

Угол между НП KCU, МДж/м2

в листовых Направление вырезки

заготовках 1 2

90° 0,57 0,57

0° 0,49 0,6

ния приводит к неравномерной деформации различных участков формуемой оболочки и, как следствие, к раз-нотолщинности оболочки, также может привести к различным отклонениям от заданной геометрии оболочки, вызывая образование фестонов в области фланцев, местного выпучивания. Выпучивание в зависимости от степени утонения может привести к необратимому браку.

Данные проблемы могут быть решены за счет использования слоистого материала с изотропными свойствами, представляющего собой половину пакета, из которого изготавливается оболочка.

Процесс формоизменения пакета сопровождается равномерной деформацией как зон фланца, так и зон купола формуемой оболочки, поскольку в слоистом материале тенденциям к большей деформации в одной заготовке противодействует тенденция к меньшей деформации в другой заготовке. В результате оболочка формуется без образования фестонов и имеет сферическую форму.

Микроструктурное исследование образцов, вырезанных из готовой оболочки, показало, что зона соединения не отличается от основного материала, поры отсутствуют. Расчетное напряжение в оболочке, установленное по результатам натурных испытаний на разрушение внутренним давлением газа, составило 1000 МПа.

Принимая во внимание то, что оболочка является изделием, работающим под внутренним давлением, и изготовлена из слоистого материала, отметим, что характер распространения трещины при разрушении

оболочки подобен характеру распространения трещины в ударных образцах слоистого материала с «тормозящим» трещину расположением слоев.

В работах [2, 3] сообщается, что для подобного типа слоистых образцов имеет место последовательное разрушение листовых заготовок с многократным зарождением новой трещины, что обусловливает высокие значения ударной вязкости по сравнению с монолитным образцом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ганеева А.А., Круглов А.А., Афанасьева Н.А., Лутфуллин Р.Я. Способ изготовления оболочки // Патент РФ на изобретение № 2380185. 27.01.2010. Бюл. № 3.

2. Гуляев В.П., Кошелев П.Ф., Лыглаев А.В. Перспективные методы исследования хрупкого разрушения металлов. Новосибирск: Наука, 1977. 124 с.

3. Яковлева И.Л., Терещенко Н.А., Мирзаев Д.А., Панов А.В., Шабуров Д.В. Ударная вязкость и пластические свойства составных образцов по сравнению с монолитными // ФММ. 2007. № 2. С. 212221.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Ganeeva A.A. Layered material and its application for manufacturing of pressure vessel.

The layered material with an arrangement of the layers "braking" a crack manufactured by means of pressure welding was investigated. The perspectives of application of layered material for manufacturing of pressure vessel are shown.

Key words: layered material; pressure welding; superplastic forming; microstructure; impact toughness.