автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Формирование твердофазного соединения в условиях совмещения сверхпластической деформации и сварки

На правах рукописи Для служебного пользования

экз. № 083

УДК 621.791.4:669.295

Сафиуллин Ринат Владикович '

ФОРМИРОВАНИЕ ТВЕРДОФАЗНОГО СОЕДИНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СОВМЕЩЕНИЯ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И СВАРКИ

Специальность 05.02.01 - "Материаловедение в машиностроении"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1995

Работа выполнена в лаборатории "Сверхпластичности деформируемых и композиционных материалов" Института сверхпластичности металлов РАН.

трудно пробле

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кайбышев O.A.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Новиков И.И. доктор технических наук, профессор Атрощенко В.В.

Ведущее предприятие указано в решении Ученого Совета

Защита диссертации состоится "26" декабря 1995 г. в 14 часс в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН на заседани диссертационного совета К.003.98.01 по присуждению ученой степей кандидата технических наук в области материаловедения машиностроении.

Отзывы в двух экземплярах (заверенные печатью) просим выслат по адресу: 450001, г.Уфа, ул. Ст. Халтурина 39, ИПСМ РАН тел.25-37- 79.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан ноября_1995г.

Ученый секретарь Совета, кандидат технических наук

И.В.Маркушев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Практическое использование сверхпластичности (СП) позволило создать один из наиболее эффективных способов обработки листовых материалов - сверхпластическую формовку и сварку давлением (СПФ/СД). Благодаря реализации основных преимуществ сверхпластической деформации ССПД) (низкие напряжения.течения и большие пластические деформации), а также сварки в условиях СП данный метод позволяет получать тонкостенные конструкции сложного профиля с высоким коэффициентом использования материала при относительно низких энергетических и капитальных затратах.

В литературе, посвященной исследованиям и разработкам в области получения многослойных тонколистовых конструкций . методом СПФ/СД| содержится недостаточно сведений о природе формирования твердофазного соединения (ТФС) и влиянии на этот процесс СП деформации. Вместе с тем такие данные необходимы для создания надежной промышленной технологии СПФ/СД. Понимание процессов сварки в твердой фазе, проходящих в условиях ch, позволит управлять качеством соединения формуемых материалов и обеспечить высокие свойства изделий в целом.

Условия образования ТФС в конструкциях, получаемых по технологии СПФ/СД, существенно отличаются от обычных условий диффузионной сварки. Листовые материалы, из которых изготавливаются многослойные конструкции, подвергаются значительной сверхпластической деформации. В одних случаях она предшествует возникновению физического контакта, в других осуществляется после завершения процесса сварки в твердой фазе. Известно, что деформация в условиях СП благоприятно влияет на формирование ТФС. Экспериментально установлено повышение качества ТФС после СПД. Роль СПД до возникновения физического контакта и на этапах формирования ТФС до настоящего времени оставалась невыясненной. В этой связи изучение природы формирования ТФС в условиях про-

цесса СПФ/СД и разработка на этой основе технологии изготовления многослойных ячеистых конструкций представляется актуальной задачей.

Настоящая работа является частью комплексных исследований по разработке научных основ интегральной технологии сверхпластической формовки и сварки в условиях СП, проводимых в ИПСМ в соответствии с программой фундаментальных исследований РАН "Машиностроение и технология" (подраздел 3.3), программой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ "Перспективные технологии в машиностроении" (Договор N 15/АНРБ от 1.01.94г.), долгосрочной программой научно-технического сотрудничества с республикой Индия (распоряжение АН СССР от 04.08.87г. N 10107-1303, контракт N 9202/ШТС от 17.06.93г.)

Цель работы. Выявление роли СП деформации при формировании твердофазного соединения в условиях процесса СПФ/СД и разработка опытных технологических процессов получения различных типов ч многослойных ячеистых гконструкций из титановых сплавов.

При выполнении работы решались следующие задачи:

1. Разработка методики исследования начальной стадии сварки в твердой фазе в условиях предварительной сверхпластической формовки.

2. Изучение влияния СП деформации на микроструктуру и шероховатость поверхности .при сверхпластической формовке листового промышленного титанового сплава ВТ6С.

3. Выявление влияния СП деформации на кинетику и механизм формирования твердофазного ооединения.

4. Экспериментальное . исследование процесса формообразования многослойных ячеистых конструкций.

5. Разработка опытных технологических процессов изготовления многослойных ячеистых ' конструкций на примере типовых узлов авиакосмической техники: "Ребро", "Корпус" и "Панель".

Научная новизна. 1. Экспериментально установлено, что при сверхпластической формовке листового промышленного титанового сплава ВТ6С развивается кооперированное зернограничное проскальзывание (ЗГП), локализованное в деформационных полосах.

2. В результате действия кооперированного ЗГП в материале образуются группы зерен, разделенные деформационными полосами, что приводит к появлению соответствующего поверхностного микрорельефа. Выявлены закономерности образования деформационного рельефа в диапазоне степеней деформации от О до 400% и предложена схема его формирования при сверхпластической формовке.

3. Экспериментально показано, что на начальной стадии формирования твердофазного соединения схватывание осуществляется по группам зерен, участвовавшим в кооперированном ЗГП, и соответствует расположению деформационных полос. Увеличение степени предварительной деформации приводит к росту усилия отрыва и цлощади схватывания сваренных образцов.

4. Предложена физическая модель формирования твердофазного соединения, учитывающая особенности механизмов деформации в условиях сверхпластического течения.

5. Экспериментально исследовано формообразование многослойных ячеистых конструкций, представлены данные о распределении толщины и эквивалентной деформации и выявлены зоны ее локализации в сечениях ячеек. Показано, что с увеличением степени предварительной деформации, протяженность и размер микропор в твердофазных соединениях ячеистых конструкций уменьшаются.

Практическая ценность. 1. Разработана методика исследования формирования ТФС в условиях предварительной СПФ, позволяющая изучить кинетику и механизм этого процесса.

2. Разработана методика определения степени деформации в про-

цессах СПФ. Использование ее на практике позволяет оценить степень деформации по профилю отформованной детали и рационально подходить к проектированию конструкций, получаемых по технологиям СПФ и СПФ/СД.

3. Разработана методика исследования процесса СПФ/СД, которая позволяет: изучить формообразование многослойных конструкций, определить режимы формовки и сварки, исследовать механические и эксплуатационные свойства получаемых конструкций, разработать технологические рекомендации по изготовлению конкретных изделий.

4. Разработаны новые технические решения, позволяющие улучшить качество ТФС, снизить разнотолщинность, сократить продолжительность СПФ и контролировать процесс формообразования при изготовлении многослойных ячеистых конструкций.

5. Разработаны опытные техногические процессы изготовления типовых узлов авиакосмической техники: "Ребро", "Корпус" и "Панель". Изготовлены опытные партии изделий и переданы заказчику (ВНИИТФ).

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 9. Всесоюзной конференции по контактной сварке (Псков 1987г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "100-летие изобретения сварки по методу Н.Г.Славянова и современные проблемы развития сварочного производства" (Пермь 1988г.); на IV и V' Всесоюзных конференциях "Сверхпластичность металлов" (Уфа 1989г.) и "Сверхпластичность неорганических материалов" (Уфа 1992г.); на международных конференциях -4th European East-West Conference (ST-Petersburg, 1993), Superplasticity ift Advanced Materials ICSAM-94 (Moscow 1994r.); Superplasticity and Superplastic Forming (Las Vegas, USA, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть статей, технологические рекомендации ТР1.5 ИНЕБ-88, получено два авторских свидетельства, пять патентов и четыре положительных решения на предполагаемые изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, изложена на 150 машинописных страницах, содержит 48 рисунков, 6 таблиц, библиографический список из 140 наименований и приложения (акт внедрения).

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ В первой главе дается общая характеристика и приводятся основные преимущества процесса СПФ/СД по сравнению с традиционными технологиями. Указаны области применения и приведены примеры промышленного использования процесса СПФ/СД ведущими авиакосмическими фирмами мира. Подробно изложены основные научные представления в области соединения металлов и сплавов методами сварки в твердой фазе. Описаны основные типы ' многослойных конструкций и способы их получения с использованием технологии СПФ/СД. Рассмотрены проблемы и перспективы развития интегральной технологии СПФ/СД. В заключительном разделе на основе имеющихся литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ В качестве основного материала исследования был выбран листовой (ос+/9) титановый сплав ВТ6С - аналог широко используемого в технологии СПФ/СД зарубежного сплава T1-6AL-4V, толщиной 0,6 и 0.8 мм. Дополнительными материалами являлись листовые титановые сплавы 0Т4-1 и ВТ14, толщиной соответственно 0.5 и 0.8 мм. Для решения поставленных задач были использованы методики отжига и СПФ, методикиисследования формирования ТФС и определения степени деформации в процессах СПФ, методики исследования процесса СПФ/СД и испытания ячеистых панелей на гидростатическое сжатие, механические испытания образцов при комнатной (Т=20°С) температуре, измерение

шероховатости, качественный и количественный металлографический и фрактографический анализы.

Отжиг полированных образцов из титанового сплава ВТ6С проводили в герметичном контейнере при температуре Т=900°С в среде аргона. Длительность отжига составляла 0.25*6 часов.

Исследование влияния СПФ на формирование макро- и микрорельефа проводили в следующей последовательности. Полированные образцы (R«=0.020+0.005 мкм) заваривались в герметичный пакет и устанавливались в оснастку со сменными матрицами. Диаметр цилиндрического отверстия в матрице составлял 30 мм. Глубина формовки - 5, 10 и 15 мм. Величину накопленной деформации в произвольной точке формуемой оболочки оценивали по формуле: е=(1.000+1.155) ln(so/s) где sq и s -толщина заготовки и изделия в рассматриваемой точке. Для удобства сравнения полеченных данных с известными экспериментами на одноосное

растяжение определяли эквивалентную деформацию: е„ =[ехр(е)-1]•100%.

эк

СПФ образцов проводили по режимам, разработанным с использованием методов математического моделирования на основании результатов тестовых формовок, при этом использовался следующий закон подачи давления: P(t)-(2So/Rq) -о^ •sin«-exp(-to-T) где т - время, Озта-^ ; о-^ -напряжение течения; Rq -радиус матрицы; Со - скорость деформации; а - угол между осью симметрии и радиусом, формуемой сферы, проведенным к точке закрепления образца, ая-/ 3-Со-т; ti"(2/6q)•ln(n/2)«0.9/6Q.

Температура СПФ составляла - T=900°Ct скорость деформации -

—5 —1 —4 —1 —2 —1

6=5-10 с , 5>10 с и 5-10 с , что соответствовало I, II и III

скоростным интервалам сверхпластичности. Эквивалентная деформация на растяжение составляла от 10 до 400%. Для проведения микроструктурных исследований и определения шероховатости поверхности вырезали образцы из центральной части отформованных куполов.

Исследование влияния СПД на формирование ТФС осуществляли по

аналогичной методике с использованием встречной СПФ двух полированных образцов. В процессе деформации образцы касались друг друга исследуемыми поверхностями. После СПФ их охлаждали и испытывали на отрыв, определяли усилие отрыва и исследовали поверхности контакта.

Металлографический и фрактографический анализы проводили на оптических микроскопах "Metaval", "Neophot 32", автоматическом структурном анализаторе "Epiquant" и сканирующем электронном микроскопе JSM-840 на различных масштабных уровнях, используя увеличения от 12 до 2000. В ряде случаев проводили прицельные исследования.

Для успешного освоения технологии изготовления многослойных ячеистых конструкций была разработана методика исследования процесса СПФ/СД. С использованием данной методики изучали процесс формообразования многослойных конструкций на примере ячеистых панелей с квадратными ячейками высотой Н=10 мм и шириной В=40, 30 и 20 мм (Н/В=0.25, 0.33 и 0.5) из титановых сплавов ВТ6С, ВТ14 и 0Т4-1. Исследования процесса СПФ/СД проводили на установке, включающей электронагревательную печь KS-520, штамповую оснастку, устройство контроля формообразования ( патент N 2021057) и газораспределительный пульт, при температуре Т=900°С и давлении рабочего газа (аргон промышленной чистоты) Р=0+2.0Ш1а.

Математическая 'обработка результатов металлографического и фрактографического анализов, построение экспериментальных 4 и расчетных кривых, выполнение графических работ осуществлялись на персональной ЭВМ IBM PC/AT - 286/287 "Comdek".

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ ТВЕРДОФАЗНОГО СОЕДИНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПРОЦЕССА СПФ/СД Формирование ТФС исследовали на примере (.«+$) титанового сплава ВТ,6С. Изучали влияние термического и деформационного рельефа на

развитие начальной стадии процесса.

Образование микрорельефа при отжиге и СПФ.

На поверхности образцов, подвергнутых отжигу, формируется рельеф отжига. Он образуется за счет сублимации атомов с поверхности образцов, что приводит к появлению канавок по границам зерен и фигур травления а-фазё.

Исследование поверхности образцов после СПФ позволило выявить4 образование макро- и микрорельефа. Наблюдаемый макрорельеф имеет либо полосчатый (сэка100%), либо ячеистый (сэк>100%) вид. Характерная особенность полосчатого рельефа - длинные вытянутые участки поверхности, ориентированные по \ направлению прокатки и образующие волнистую поверхность. Высота волн изменяется от 6+8 мкм при еэк=20% до 50+60 мкм при еэк = 400%. Расстояние между волнами колеблется от 1 до 3 мм. При детальном рассмотрении деформационного рельефа" на поверхности удается обнаружить "сетку" деформационных полос. Причем количество деформационных полос в областях, содержащих неравномерно распределенные аир фазы, - минимально, или полностью отсутствует. Деформационные полосы ориентированы преимущественно по направлению прокатки либо под углом примерно 45° к направлению прокатки. Они обрамляют блоки из нескольких зерен а-фазы. Внутри самих блоков наблюдаются менее интенсивные смещения отдельных зерен. Характер разрыва и смещения рисок, предварительно нанесенных на полированную поверхность недеформированных образцов, свидетельствует о том, что при. СПД протекает направленный сдвиг зеренных групп, образующих блоки разного размера. Исследование микроструктуры приповерхностного слоя позволило установить, что полосам интенсивной деформации соответствуют вытянутые цепочки /9-фазы в глубине листа. В результате выявлено развитие кооперированного зернограничного проскальзывания преимущественно по межфазным границам. Благодаря

межфазному проскальзыванию блоки, состоящие из зерен ос-фазы, выходят на поверхность и образуют ступеньки. С увеличением степени деформации количество деформационных полос значительно возрастает за счет их развития внутри блоков; что приводит к интенсивному дроблению последних. В результате при степенях деформации более 100% уже практически невозможно выделить отдельные " полосы. Дальнейшее увеличение степени деформации до 400% приводит к тому, что на поверхности выступают отдельные зерна. Характерная особенность деформационного рельефа - выступающие блоки или зерна «-фазы и цепочки ß-фазы, находящиеся во впадинах. В качестве основного параметра, Характеризующего микрорельеф, использовали величину шероховатости Ra. Установлено, что -с увеличением степени деформации до 400% шероховатость возрастает с 0.020±0.005 до 2.200±0.005 мкм. Сравнение значений шероховатости поверхности образцов сплава- ВТ6С после отжига и СПФ показывает, что при одинаковой длительности

отжига и СПД величина Ra после СПФ более чем на порядок превышает

\

аналогичный показатель для отожженных образцов. Исследование образцов, подвергнутых СПФ (е_ =20%) со ■ скоростями деформации

ЭК I

—5 —1 —2 —1

5-10 с и 5-10 с , соответствующим I и III скоростным интервалам СП, выявили микроструктурные изменения, отличные от рассмотренных выше. При малой скорости деформации на поверхности образцов не наблюдаются полосы интенсивной деформации и контуры четко выраженных блоков. Макро- и микрокартина на поверхности неоднородна, микрорельеф сходен с наблюдаемым при отжиге. С увеличением скорости деформации увеличивается количество деформационных полос, которые равномерно распределены по поверхности, и наблюдаются небольшие блоки размером порядка 10 мкм.

На основании анализа экспериментальных и литературных данных предложена схема формирования поверхностного микрорельефа при СПФ.

На I этапе происходит зарождение деформационных полос. Оно наиболее вероятно в местах, где границы последовательно расположенных зерен выстроены одна за другой вдоль направления максимальных касательных напряжений или близко к этому направлению. Плоские углы между такими границами приближаются к 180°. Вторым условием является то, чтобы эти границы имели минимальное сопротивление проскальзыванию. В данном случае это границы a-ß и ß-ß типа. Кроме того, в исходной структуре присутствуют вытянутые частицы ß-фазы, образующие цепочки различной длины, и их число увеличивается при СПД. На II этапе зародившиеся длиной в несколько размеров зерен полосы кооперированного ЗГП постепенно распространяются в глубине листа и выходят на поверхность с образованием сначала ступенек, а затем и крупных блоков а-фазы, что объясняет увеличение шероховатости. Увеличение степени деформации приводит к появлению новых направлений, благоприятных для ЗГП. В результате развития деформационных полос происходит дробление крупных блоков а-фазы н уменьшение размеров зеренных" групп - III этап. При значительных степенях деформации, вследствие увеличения числа полос, расстояние между ними уменьшается до размеров отдельных зерен, которые становятся различимыми на поверхности деформированных образцов. При этом структура становится более однородной - IV этап.

Формирование ТФС в условиях СПФ/СД. Процесс образования соединения при сварке в твердой фазе всегда начинается с установления физического контакта. Исследование поверхностей образцов, подвергнутых СПФ и доведенных до физического контакта, выявило, что его формирование первоначально развивается по выступающим локальным участкам , совпадающим с макро- и микрорельефом, образующимся при деформации. При детальном рассмотрении участков схватывания удалось обнаружить, что соединение осуществляется по группам зерен, участвовавшим в кооперированном ЗГП, и соответствует расположению деформационных

полос. Необходимо отметить, что в местах выхода полос кооперированного ЗГП на поверхность происходит быстрое схватывание. После образования первичных точек схватывания меняется характер деформации. ЗГП становится более однородным, выявляются отдельные зерна, разделенные глубокими канавками и открытыми порами. С увеличением степени предварительной деформации увеличивается площадь схватывания и уменьшаются размеры пор. Завершается процесс сварки за счет дальнейшей деформации после соприкосновения поверхностей. Характерной особенностью является то, что цепочки /3-фазы часто пересекают линию сварного соединения и образуют на ней смещения. Отсюда следует, что 'ЗГП не только участвует в окончательной стадии ТФС, но происходит совместное кооперированное ЗГП зерен, принадлежащих разным листам: В этом случае важна роль р-фазы в залечивании пор, которая являясь более пластичной, проникает в длинные поры, разделяет их на более мелкие и по мере развития деформации заполняет их. Анализ экспериментальных данных, а также исследования ТФС изделий, полученных по технологии СПФ/СД, позволили понять механизм формирования ТФС в условиях СПФ и предложить схему его осуществления, состоящую из трех этапов. На I этапе формируются точечные контакты на соединяемых поверхностях по вершинам деформационного рельефа, которые возникают по выступающим участкам ос-фазы. Это определяет типичное расстояние между точками схватывания и особенность последующей деформации листов. На II этапе, когда площадь контакта увеличивается, центральные участки, в которых первоначально возникают точечные контакты, подвергаются действию растягивающих напряжений. Благодаря проходящим процессам ЗГП деформация локализуется в участках, не находящихся в контакте. В результате эти участки сближаются," входят в контакт и уменьшаются по длине. Увеличивается площадь контакта, однако соединение еще не образовано, так как сохраняется йоверхность раздела. На

III этапе завершается совместная деформация соединяемых листов, исчезает поверхность раздела. Это происходит благодаря одновременному действию нескольких процессов: совместное ЗГП и повороты контактирующих зерен,.заполнение пор зернами ß-фазы и развитием диффузионных процессов.

Роль СПД в формировании ТФС". Формирование ТФС в условиях предварительной СПФ - сложное явление, существенно зависящее от действующих микромеханизмов деформации и развития диффузионных процессов. Роль деформации является определяющей. Она позволяет не только сформировать физический контакт, активировать соединяемые поверхности, но и создать интенсивные диффузионные потоки, что существенно сокращает время формирования ТФС. На завершающем этапе важную роль приобретает диффузия. Она способствует очистке поверхности от адсорбированных загрязнений и наряду с деформацией - окончательному устранению поверхности раздела. Основное отличие процесса сварки в твердой фазе в условиях предварительной СПФ от традиционной диффузионной сварки в том, что в первом случае процесс активированный и динамический. Микропроцессы трехстадийного формирования ТФС повторяются периодически, распространяясь от центра к периферии, по мере развития деформации. Предварительная СПД значительно ускоряет формирование ТФС. Так, усилие отрыва образцов, сваренных без деформации, сос-тавиЛо^Рот=0.97 кН, а с предварительной деформацией сэк=42" ~ Рот-1,97 кН и сэк-216% - Pqt-2.89 кН. Таким образом; прочность ТФС, полученных в условиях предварительной СПД, в 2+3 раза выше, с увеличением степени деформации увеличивается и площадь схватывания.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СПФ/СД МНОГОСЛОЙНЫХ ЯЧЕИСТЫХ КОНСТРУКЦИЙ Особенности формообразования ячеистых панелей. Исследование процесса СПФ/СД многослойных ячеистых конструкций проводили на

примере панелей с квадратными ячейками и отношением высоты к ширине Н/В-0^25, 0.33, 0.5. При формовке ячеистых панелей выявлены четыре стадии формообразования: 1) до касания листа наполнителя с обшивками; 2) до касания стенок соседних ячеек; 3) формирование двойного угла; 4) формирование тройного угла.

Особенностью I стадии является формирование купола ячеек с относительно равномерным утонением материала по сечению. Она завершается в момент касания материала наполнителя с обшивками. На II стадии, которая завершается касанием стенок соседних ячеек, наблюдается увеличение площади контакта листов наполнителя с обшивками. Данный этап формовки характеризуется началом формирования разнотолщинности. Толщина профиля максимальна в середине ячейки и уменьшается по мере удаления от центра. На III стадии происходит оформление двойного угла и образование стенок. Формообразование на этой стадии идет в двух направлениях: в направлении образования двойного угла и в направлении сварного шва. В результате деформация локализуется в угловых зонах и в зоне сварного соединения. Завершается данная стадия формированием двойного угла с конечным радиусом формовки, соответствующим толщине металла в этом месте. На заключительной четвертой стадии формообразование идет в трех направлениях: в направленйи сварного шва, формирующего боковую стенку; В направлении формирования тройного угла, образующегося сходящимися стенками и дном ячейки; в направлении пересекающихся • сварных швов, являющихся узлами конструкции. Четвертая стадия

характеризуется окончательным оформлением геометрии ячейки с

;

минимальными конечными радиусами формовки Rk•в вершине тройного угла и в зоне сварных швов и максимальным утонением в указанных зонах. Необходимо отметить, что при СПФ панёлей с Н/В>0.5 меняется порядок стадий формообразования: стадия касания купола следует после стадии

касания стенок соседних ячеек.

Зоны локализации деформации в ячеистых панелях.

Одной из основных проблем при СПФ является разнотолщинность получаемых деталей. В этой связи исследовали разнотолщинность в поперечном и диагональном сечениях и рассчитывали эквивалентные деформации для соответствующих сечений в ячеистых панелях с Н/В-0.25 и Н/В=0.5. На основе анализа особенностей формообразования ячеек и распределения эквивалентной деформации установлено наличие двух "критических" зон (зон локализации деформации), в которых наблюдается наибольшее утонение и, соответственно, максимальная деформация: 1) вершина тройного угла - с„ -251% (Н/В=0.25) и

ЭК

с =314% (Н/В=0.5); 2) зона сварного шва - с„ =230% (Н/В-0.25) и ЭК эк

сэк-251% (Н/В-0.5). Поведение материала при СПФ в этих зонах является определяющим для получения качественного изделия. Кроме того., в процессе эксплуатации панелей зоны с критическим утонением служат концентраторами напряжений. Испытания партии ячеистых панелей с Н/В=0.25 на гидростатическое сжатие позволили установить характерные участки разрушения конструкции - зоны с максимальной локализацией деформации - углы конструкций. Максимальное давление разрушения составило 4,5 МПа.

Влияние предварительной деформации на микроструктуру ТФС ячеистых панелей. Качество многослойных конструкций зависит не только от характеристик разнотолщинности, оно во многом определяется качеством ТФС самих конструкций. В этой связи исследовалась микроструктура ТФС ячеистых панелей в поперечном сечении ячеек методом панорамной микрофотосъемки. Установлено, что с увеличением степени предварительной деформации размер и протяженность микропор уменьшается. Для панелей с Н/В-0.25 относительная протяженность пор составляет в среднем - 42%, а для панелей с Н/В-0.5 - 11%.

РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ • ТИПОВЫХ УЗЛОВ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ МЕТОДОМ СПФ/СД Научной основой разработки интегральных технологий явились результаты экспериментальных исследований механизма формирования твердофазного соединения и формообразования многослойных ячеистых конструкций. При проведении исследований, связанных с разработкой технологических рекомендаций по изготовлению ячеистых панелей методом . СПФ/СД, были разработаны новые технические решения, позволяющие снизить разнотолщинность, улучшить качество получаемых твердофазных соединений, контролировать процесс формообразования, сократить время операции СПФ, получать изделия, имеющие ячейки с различными геометрическими параметрами, признанные изобретениями.

Для успешного освоения технологии СПФ/СД был разработан типовой технологический процесс изготовления многослойных ячеистых конструкций из листовых титановых сплавов, основанный на использовании технологических рекомендаций (ТР 1.5 ИНЕБ-88). Он включает следующие основные этапы; 1) изготовление сварных полуфабрикатов; 2) контроль герметичности сварных полуфабрикатов; 3) сборку штамповой оснастки; 4) сверхпластическую формовку и сварку давлением; 5) контроль качества. Типовой процесс изготовления многослойных ячеистых конструкций был с успехом использован при разработке опытных технологических процессов изготовления узлов "Ребро", "Корпус" и "ПанеЛь". Отработку технологии и изготовление опытных изделий проводили на установке, включающей электронагревательную печь КЭ-1300, штамповые блоки, газораспределительное устройство, контейнер для защиты рабочей поверхности изделий от окисления. Особенностью полученных узлов является то, что они охватывают практически все возможные схемы и варианты изделий, получаемых по технологии СПФ/СД и представляют собой жесткие интегральные конструкции с наполнителем. Узел "Ребро"

(160x890 мм) является силовым изделием типа - крыло, используется в качестве управляющих поверхностей летательных аппаратов, имеет переменную строительную высоту и изготавливается симметричной формовкой из плоского сварного полуфабриката. Узел "Корпус" (430x480 мм) -цилиндрическая многослойная конструкция, является силовым корпусным элементом, имеет выпукло-вогнутую поверхность постоянной строительной высоты и изготавливается односторонней формовкой из цилиндрического сварного полуфабриката. Узел "Панель" (210x230 мм) относится к управляющим поверхностям переменной кривизны с выпукло-вогнутой поверхностью и изготавливается ассиметричной формовкой из профилированной сварной заготовки.

В соответствии с техническими заданиями заказчиков при разработке технологии ставилась задача снижения веса при сохранении или улучшении служебных характеристик узлов за счет интегрирования, получения изделий с меньшим количеством соединений, имеющих продольные и поперечные ребра жесткости. Для решения задачи предложена технология, основанная на получении многослойных ячеистых конструкций методом СПФ/СД из листовых титановых сплавов. Узлы "Ребро" и "Панель" изготавливались из (а+р) титанового сплава ВТ6С толщиной 0,6 и 0,8 мм, узел "Корпус" - из (псевдо-а) титанового сплава 0Т4-1 толщиной 0,5 мм. Изготовленные с помощью разработанных технологических процессов опытные партии изделий соответствовали техническим заданиям и были переданы заказчику для прохождения дальнейших испытаний.

Результаты металлографических исследований и механических испытаний образцов, вырезанных из узла "Панель", свидетельствуют о высоком качестве изготовленных изделий. Максимальный размер микропор в зоне ТФС составил - 10+15 мкм. Прочность основного металла после СПФ осталась практически на уровне исходного состояния, а прочность на срез ТФС составила более 90% прочности на срез основного металла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика исследования формирования ТФС в условиях предварительной СПФ, позволяющая достоверно оценить процессы, проходящие на начальной стадии при сварке в твердой фазе.

2. Экспериментально исследовано формирование макро- и

микрорельефа при отжиге и СПФ на поверхности листового титанового

сплава ВТ6С. В исследуемом интервале степеней деформации от О до

400% шероховатость поверхности увеличивается с 0.020±0.005 мкм в

исходном полированном состоянии до 2.200±0.005 мкм после СПФ.

Одновременно формируется поверхностная волнистость, высота волн

возрастает с увеличением степени деформации от 5... 8 при с =20% до

эк

50...60 мкм при еэк=400%.

3. Экспериментально выявлено, что основной вклад в формирование и развитие поверхностного микрорельефа при СПФ вносит кооперированное ЗГП, локализованное в деформационных полосах. Показано, что деформационные полосы распространяются преимущественно по межфазным границам. С увеличением степени деформации возрастает количество деформационных полос и меняется их направленность.

4. Экспериментально выявлено, что формирование физического контакта соединяемых в твердой фазе листовых титановых сплавов в условиях СПФ проходит по группам зерен, участвовавшим в кооперированном ЗГП. Установлена определяющая роль деформационных процессов в формировании ТФС.

5. На основании анализа экспериментальных и литературных данных предложена схема образования поверхностного микрорельефа при СПФ и модель формирования ТФС в условиях предварительной СП деформации.

6. Установлено, что предварительная СП деформация оказывает существенное влияние на формирование ТФС. Усилие отрыва образцов, сваренных с предварительной деформацией, в интервале от 20 до 270% в

2+3 раза выше, чем без деформации. Улучшение качества ТФС связано с увеличением площади схватывания и уменьшением протяженности и размера микропор.

7. Исследовано формообразование многослойных конструкций на примере панелей с квадратными ячейками и отношением высоты к ширине Н/В=0.25, 0.33 и 0.5. Изучено распределение толщины и эквивалентной деформации в сечениях ячеек и выявлены зоны ее локализации в ячеистых панелях.

8. На основании проведенных исследований разработаны технологические рекомендации и опытные технологические процессы изготовления типовых изделий авиакосмической техники узлов: "Ребро", "Корпус" и "Панель". Изготовленные партии опытных изделий соответствовали техническим заданиям и были переданы заказчику (ВНИИТФ) для прохождения испытаний.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Кайбышев O.A., Лутфуллин Р.Я., Бердин В.К., Круглов A.A., Сафиуллин Р.В. Изготовление многослойных конструкций из листовых титановых сплавов методом совмещения сверхпластической формовки и сварки давлением // Авиационная промышленность 1991. N°7 . с.30-32.

2. Сафиуллин Р.В., Еникеев Ф.У., Лутфуллин Р.Я. Методика определения степени деформации в процессах сверхпластического формоизменения тонколистовых материалов // Кузнечно-штамповочное производство. 1994. N°4. с.8-10.

3. Кайбышев O.A., Сафиуллин Р.В., Лутфуллин Р.Я., Фаткуллин С.Н. Исследование и разработка технологии сверхпластической формовки многослойных ячеистых конструкций // Кузнечно-штамповочное производство. 1994. N°4. с.10-12.

4. Safiullin R.V., Kaibyshev O.A., Lutfullin R.Ya., Gafarov I.I. Solid state joint formation Uder conditions of the

process of superplastic forming and diffusion bonding, Superplasticity in Advanced Materials (ICSAM-94), pp.639-644.

5. Kaibyshev O.A., Lutfullin R.Ya., Safiullin R.V. , Fatkullin S.N. Problems and promises of integral technology based on the combination of superplastic forming and diffusion bonding, Superlasticity in Advanced Materials (ICSAM-94), pp.737-742.

6. Kaibyshev O.A., Lutfullin R.Ya., Safiullin R.V. The nature of solid state joint formation under superplasticity and some practical application of this phenomenon, Superplasticity and Superplastic Forming (Las Vegas, USA, 1995), pp.241-249.

7. Кайбышев O.A., Лутфуллин P.Я., Берлин В.К., Круглов А.А., Сафиуллин Р.В. Получение многослойных ячеистых панелей из листовых титановых сплавов методом совмещения газовой формовки в условиях сверхпластичности со сваркой давлением / РАН Институт проблем сверхпластичности металлов. Технологические рекомендации ТР1.5 ИНЕБ-88, Уфа, 1988, 37с.'

8. А.с. № 1367311 МКИ4 В 23 К 20/14. Способ изготовления диффузионной сваркой металлических многослойных панелей / Ю.Б. Резников, И.В. Казачков, Ю.И. Казначеев, Р.В. Сафиуллин -Опубл. 11.02.86.

. 9. А.с. № 1810259 МКИ4 В 23 К 20/00. Способ изготовления многослойных панелей / Р.В. Сафиуллин, О.А. Руденко, Р.Я. Лутфуллин - Опубл. 23.04.93. Бгал. N°15.

10. Патент № 2021057 МКИ4 В 21 D 26/02. Способ изготовления изделий из листовых заготовок / Р.В. Сафиуллин, О.А. Руденко, Р.Я. Лутфуллин - Опубл. 15.10.94 Бюл. N°19.

11. Патент № 2024375 МКИ4 В 23 К 20/14. Способ изготовления многослойных панелей / Р.В.' Сафиуллин, В.К. Бердин, О.А. Руденко, Р.Я. Лутфуллин, А.А• Круглов, Е.Н. Петров, В.В. Родионов,

Д.И. Щукин, O.A. Кайбышев - Опубл. 15.12.94. Бюл. N°23.

12. Патент № 2024376 МКИ4 В 23 К 20/14. Способ изготовления многослойных панелей / Р.В. Сафиуллин, O.A. Руденко, Р.Я. Лутфуллин, O.A. Кайбышев - Опубл. 15.12.94. Бюл. N°23.

13. Патент № 2024378 МКИ4 В 23 К 31/00. Способ изготовления многослойных пяналйй / Р В Сафиулл;:н, O.A. Рудс::::с, Г.П. Лутфуллин, E.H. Петров, В.В.Родионов, Д.И.Щукин, O.A. Кайбышев - Опубл. 15.12.94.Бюл. N°23.

14. Патент № 2025236 МКИ4 В 23 К 20/00. Способ изготовления многослойных панелей / Р.В. Сафиуллин, O.A. Руденко, Р.Я. Лутфуллин - Опубл. 30.12.94. Бюл. N°24.

15. Положительное решение по заявке № 5021368/27 от 09.09.92. Способ пневмоформовки в состоянии сверхпластичности / Р.В. Сафиуллин, O.A. Руденко, Р.Я. Лутфуллин, М.А. Руденко.

16. Положительное решение по заявке № 5025561/08 от 04.02.92. Способ изготовления многослойных панелей / O.A. Кайбышев, O.A. Руденко, Р.В. Сафиуллин, Р.Я. Лутфуллин.

17. Положительное решение по заявке № 5064837/08 от 03.06.92. Способ изготовления многослойных панелей / Р.В. Сафиуллин, O.A. Руденко, Р.Я. Лутфуллин.

18. Положительное решение по заявке № 92-006773/08 от 18.11.92. Способ изготовления многослойных конструкций / O.A. Руденко, Р.В. Сафиуллин, Р.Я. Лутфуллин.