автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование и разработка процесса диффузионной сварки титановых пористых и компактных заготовок

па кранах рукописи

УДК 621.791.1: 539.37Х 3; 621.762 4 016

Шурупов Владимир Викторович

Исследование и разработка процесса диффузионной сварки титановых пористых и компактных заготовок

Спсциалы1ос1ь 05.03 06 - Технология и машины сварочного проипюдствп

Лито р с ф с р ¡1 г

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических' наук

Липецк 1997

О Л

- / - "Л .1

1'абота выполнена на кафедре "Оборудование и технология сварочного ^ производства" Воронежского государственного технического университета.

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

доктор технических паук, профессор Пешков В.В.

кандидат технических наук, доцент Селиванов В.Ф.

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Болдырев A.M.

кандидат физико-математических наук, доцент Козырь И.Г.

Ведущая организация: ОКБ Моторостроения

г. Воронеж

Защита состоится _1997г. в ^ часов в аул-С^на

заседании диссертационного совета Д.064.22.01 в Липецком государственном техническом университете по адресу: 398055, г. Липецк, ул. Московская, 30

Ваш отзыв, в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря совета. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

я?.. . . .,

Автореферат разослан "—" ^ !><<■ г> 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.В. Карих

1.Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современной тенденцией промышленного производства является расширение номенклатуры и создание новых технологий производства пористо-компактных изделий, в том числе и из » титана. К таким изделиям относятся фильтры, геттеры, распылители, кольца уплотнения и т.д.

Одной из важнейших задач при создании пористо-компактных изделий является разработка способов получения неразъемного соединения между пористыми и компактными заготовками, обеспечивающих заданные эксплуатационные свойства.

Возможности сварки плавлением и пайки при соединении пористых металлов весьма ограничены, так как при наличии жидкой фазы последняя затекает в поры и под действием капиллярных сил может проникать на значительную глубину, нарушая исходную проницаемость пористого металла. Кроме того, при сварке плавлением в процессе кристаллизации шва происходит значительная усадка литого металла, приводящая к образованию трещим.

Для соединения пористых и компактных титановых материалов перспективна диффузионная сварка, при которой соединение формируется без расплавления свариваемых заготовок.

Однако, этот технологический процесс предполагает нагрев и приложение сжимающих усилий, что может привести к недопустимому доуплотнеиию пористой части изделия; при низких же удельных давлениях качество диффузионного соединения оказывается неудовлетворительным.

Поэтому разработка процесса диффузионной сварки титановых пористых и компактных заготовок является актуальной задачей, при решении которой первостепенное значение имеют не только технологические параметры процесса сварки, но и такие факторы, как микроструктура соединяемых заготовок, влияющая на процесс доуплотнения, а также физико-химическое состояние свариваемых поверхностей, определяющее их реакционную способность к схватыванию.

Цслмо работы является разработка процесса диффузионной сварки пористо-компактных титановых конструкций с заданными свойствами.

Научна« новизна. Установлены закономерности влияния исходной микроструктуры пористых материалов на их высокотемпературную деформацию при испытаниях на сжатие

Получены матсма! ические зависимост изменения пористости заготовок из титановых порошков ог скорости их деформации в условиях диффузионной сварки.

Разработана физико-математическая модель процесса изменения толщины оксидных пленок на титане в условиях нагрева при диффузионной сварке. 4

Установлены закономерности влияния процесса нагрева на физико-химическое состояние поверхностей титана и их взаимодействие в условиях диффузионной сварки.

Сформулированы принципы оптимизации процесса диффузионной сварки титановых пористых и компактных заготовок, обеспечивающие заданные эксплуатационные свойства, определяющие сочетание микроструктур свариваемых заготовок, повышение реакционной способности поверхностей к схватыванию.

Практическая ценность. Получены номограммы для группы пористых материалов, позволяющие определить конечную пористость порошковых заготовок с учетом их исходного микроструктурного состояния при диффузионной сварке с компактным титаном.

Определены скорость и температура нагрева титана, обеспечивающие деблокирование его поверхностей оксидами и повышение их реакционной способности к схватыванию при диффузионной сварке.

Разработана технология получения диффузионно-сварного соединения пористо-компактных титановых конструкций, обеспечивающая заданные эксплуатационные свойства изделия.

Результаты работы использованы и внедрены в опытном производстве колец уплотнения насоса для перекачки агрессивных сред.

Достоверность результатов. Научные положения и практические рекомендации по работе обоснованы: проведением независимых методов измерений; использованием методов математической статистики при обработке экспериментальных данных и их совпадением с теоретическими расчетами; опытными испытаниями предложенной технологической схемы получения пористо-компактных титановых изделий.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники" ( Ростов-на-Дону, 1993 ); Международной научно-методической конференции "Современные проблемы сварочного производства и совершенствование подготовки кадров" ( Мариуполь, 1996 ), Региональном межвузовском семинаре "Процессы теплообмена в энергомашиностроении" ( Воронеж, 1996 );

Международной конференции "Повышение эффективное!н сварочной) производства" ( Липецк, 1996 ); на научных семинарах кафедры сварки Воронежского государственного тс.хиическо! о университета.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, включающих обзор литературы, методику проведения исследований, , непосредственно теоретические и экспериментальные исследования, рекомендации по практическому использованию результатов работы, общие выводы, список литературы, состоящий из 133 библиографических источников. Объем диссертации 114 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 50 рисунков и приложение.

Автор выражает искреннюю благодарность кандидату физико-математических наук, доценгу 1>,ттаронову И.Л. за консультации и методическую помощь, оказанные при разработке математической модели.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы и сформулированы ее научная новизна, практическая ценность.

В первой главе выполнен анализ экспериментальных и теоретических данных, имеющихся в литературе. Проанализирован ряд работ, в которых содержится информация о соединении компактных и порошковых металлических материалов.

Анализ проведенных исследований показал, что о настоящее время существующие способы получения соединении из компактных и пористых материалов носят в основном частный характер и направлены на решение конкретных задач, а рекомендации по выбору режимов диффузионной сварки не учитывают конечных значений пористости получаемых пористо-компактных конструкций, т. е. не обеспечивают заданные эксплуатационные свойства изделий. Кроме того, не изученным остается вопрос кинетики уплотнения пористых заготовок в процессе термодеформанионного воздействия в зависимости от ич исходной м икростру ктуры.

Вопросу влияния термодеформационного цикла диффузионной сварки на физико-химическое состояние контактных поверхностей, определяющее реакционную способность титана к схватыванию, посвящено большое количество работ. Однако, данные приведенных исследований получены н

изотермических условиях. Реально же процесс диффузионной сварки 1 складывается и из стадии нагрева, которая можег быть соизмерима по длительности с изотермическом выдержкой, что не позволяет использовать полученные данные для оценки реакционной способности титана в момент приложения сжимающею усилия.

Проведенный обзор литературных источников показал, что соединение между собой заготовок из порошкового и компактного титана с обеспечением, с одной стороны, гарантированной прочности соединения, с другой стороны, сохранение требуемых значений проницаемости пористой части изделия, является актуальной проблемой, решение которой связано с рассмотрением следующих задач:

исследование влияния микроструктуры пористых титановых материалов на их высокотемпературную ползучесть;

- анализ влияния скорости нагрева на физико-химическое состояние контактных поверхностей и их схватывание;

- разработка физико-математической модели процесса изменения толщины оксидных пленок на титане в нестационарных условиях нагрева;

- разработка технологических рекомендаций и выбор оптимальных параметров процесса диффузионной сварки, обеспечивающих получение пористо-компактных титановых конструкций с заданными значениями проницаемости заготовки из порошкового материала.

Во второй главе описана методика изготовления образцов и методы исследовании. Для изготовления образцов использовали электролитический порошок марки ПТЭМ-1 и порошки составов, аналогичных сплавам ОТ4 и ВТ5-1, которые были получены путем механического измельчения соответствующих прутков. Пористые заготовки получали методом двустороннего холодного прессования с последующим спеканием в атмосфере аргона. Компактные заготовки изготавливались механической обработкой полуфабрикатов.

Испытания на высокотемпературную ползучесть, доуплотнение и диффузионную сварку выполняли в контейнере из нержавеющей стали с использованием муфельной печи СУОЛ-О.44 и вакуумных насосов ВН-2МГ и Н5С-1М.

Взаимодействие титана с остаточным кислородом вакуумированного пространства изучалось на установке, разработанной в Воронежском государственном техническом университете.

Изучение состояния поверхности с находящимися на ней продуктами реакции взаимодействия титана с кислородом проводилось методом микроскопической фрактографиц с применением растрового электронного микроскопа марки ЛМ11-1 ООО.

*

С целью определения н анализа структур исходных образцов проводились металлографические исследования.

Испытания сварных соединений на растяжение выполняли на разрывной машине Р-10.

Для решения поставленных задач были также привлечены рснтгеиоструктурный анализ и гравиметрический метод.

Достоверность результатов исследований подтверждена методами математической статистики и планирования экспериментов при их постановке и обработке результатов, качественным совпадением полученных данных с теоретическими расчетами.

Третьи глава посвящена исследованию высокотемпературной ползучести и доуплотнения пористых титановых заготовок в условиях диффузионной сварки.

Одной из основных структурно-чувствительных характеристик материала, определяющих кинетику процесса диффузионной сварки, является его сопротивление высокотемпературной деформации. Проведенный анализ показал, что спеченные заготовки из порошковых материалов в зависимости от способа их получения могут иметь как равноосную мелкозернистую, так и пластинчатую структуры.

Испытаниями на высокотемпературную ползучесть пористых заготовок установлено, что с повышением давления и увеличения времени происходит рост деформации, причем с течением времени этот процесс имеет затухающий характер. Для образцов с исходной равноосной структурой в исследованном диапазоне температур и давлений скорость высокотемпературной деформации выше, чем для образцов с исходной пластинчатой структурой. Это, очевидно, связано с различными механизмами, контролирующими процесс ползучести.

Полученные в результате анализа температурной зависимости скорости установившейся ползучести материалов значения эффективной энергии активации процесса составили: для образцов из ПТЭМ-1 с пластинчатой структурой в а-области - 336,7 КДж/моль; в [5-области -238,4 КДж/моль; для образцов из ОТ4 и ВТ5-1 с равноосной структурой в области температур 1173 - 1223 К соответственно 315,49 КДж/моль и 226,4 КДж/моль.

Экспериментальные данные по изменению скорости установившейся ползучести в зависимости ог напряжения Р позволили считать, что п интервале давлений от 1 до 5 МПа скорость установившейся ползучести пропорциональна напряжению:

¿-А Р",

(О

с

где п - показатель степени, Л -- А,, схр (-!: / КТ) 1

Показатель степени » для образцов из ПТЭМ-1 составил 3,1. Для; образцов из 0'Г4 и ВТ5-1 показатель степени находится в пределах п -0,99 - 1,21 н п ~ 0,95 - 1,12 соответственно.

Полученные данные дают основание считать, что ползучесть образцов из ОТ4 и ВТ5-1 с равноосной структурой осуществляется по механизму межзеренного проскальзывания, контролируемому диффузией по границам зерен, а для образцов из ПТЭМ-1 с пластинчатой структурой ползучеегь контролируется движением дислокаций.

Предэкспоненциапьный множитель Ао, входящий в выражение (1), был определен из экспериментальных данных с использованием значений энергии активации процесса.

В результате были получены выражения для скорости установившейся ползучести.

Для ПТЭМ-1 в области температур 1123 - 1148 К:

ё =4.2 106 ■ схр (-336700 / Щ) Р 11 (2)

В области температур 1173 - 1223 К: Для ПТЭМ-1:

¿ = 2,72 10 2 ехр (-238400 /1<Т) Р3'1 (3)

Для ВТ5-1:

с = 1,47 10 4 ехр (-226400 / 1<Т) Р 103 (4)

Для ОТ4:

¿ = 4,124 108 ехр (-315490 / 1ГГ) Р (5)

Для исследования процесса уплотнения пористых тел в условиях высокотемпературной ползучести при сжатии была разработана математическая модель, описывающая зависимость конечной пористости от параметров диффузионной сварки, аналитическое выражение которой имеет вид:

и-:.

П = [ 1 + л/с,(п-1 ) е т + ( ) ] , (6)

По

где С, - эмпирический коэффициент корреляции, г. - скорость установившейся ползучести материала в условиях термодеформационного цикла сварки, т - длительность цикла сварки.

Для нахождения коэффициента корреляции С, был выполнен ряд экспериментов по оценке изменения пористости в ходе термодеформационного воздействия по циклу диффузионной сварки. На основе экспериментальных значений конечной пористости и значений, рассчитанных по выражению (6) был определен усредненный коэффициент коррелляции С-,

В результате получены выражения, описывающие изменение пористости заготовок в зависимости от режимов диффузионной сварки в интервале температур 1123 - 1223 К:

Для образцов из ПТЭМ-1:

П„ = [1+ V9,093 10" с т + ( —-— )2'']~' (7)

1 По

Для образцов из ОТ4.

0,1.

Пк =[ 1 +/з^555~1~т+ ( 1Л5)0.1 ]-' (8)

По

Для образцов из ВТ5-1: 0,01.

Пс=[ 1 + То,21875-к т +( 2_Л£)<да1-> (9)

П о

На основании полученных данных построены номограммы уплотнения пористых титановых заготовок, позволяющие прогнозировать конечную пористость материала в зависимости от таких параметров, как начальная пористость, скорость ползучести (являющаяся функцией температуры, давления сварки и структурных особенностей материала) и длительность сварки.

Четвертая глава посвящена исследованию процесса взаимодействия титана с остаточным кислородом вакуумироваиного пространства в условиях нагрева.

Одной из основных характеристик физико-химического состояния поверхностей, определяющего кинетику процесса диффузионной сварки металлов и качество сварного соединения, является толщина оксидов,

находящихся на контактных поверхностях и снижающих их реакционную способность к схвашванию.

При диффузионной сварке титана и его сплавов толщина оксидов на свариваемых поверхностях зависит не только от их обработки перед сваркой, но и от взаимодействия нагретого металла с остаточными активными газами, содержащимися^ в защитных средах. Как показывает термодинамический анализ, из всех реакций взаимодействия титана с компонентами остаточного газа, реакция:

Т1 + 02 = Т102 (Ю)

является наиболее вероятной.

Взаимодействие титана с кислородом включает в себя два одновременно протекающих процесса: образование оксидных пленок и растворение кислорода в металлической матрице.

Проведение прямого эксперимента по оценке толщины оксидной пленки, образующейся на титане в условиях нагрева, не представилось возможным ввиду быстротечности процесса и отсутствия технических средств контроля. Поэтому целесообразным явилось математическое моделирование этого процесса с последующей экспериментальной проверкой полученных результатов.

В нестационарных условиях нагрева процесс роста и растворения оксидной пленки был описан как задача о диффузионном фазовом превращении в трехфазной системе, состоящей из газовой фазы, слоя фазы 1 (оксида) и фазы 2 (металлической матрицы). Постановка задачи сводилась к диффузионным задачам:

в фазе 1:

<ЗС/с11 = Г>1 <3 2СЛ1х 2 ; С (0,0 = С„; С (£,1) = С, ; (11)

в фазе 2 :

(ГС/Л = (12С/Ух2; С (£,Д) -- С2 ; С (»,{) = 0 ; (12)

и условию баланса потоков 1] и ^ на границе раздела фаз 1 и 2 : •Ь + Зг = (С) - С2) , (13)

где £, - координата границы раздела фаз 1 и 2, совпадающая с толщиной оксидной пленки.

Решая данные уравнения с помощью тепловых потенциалов и сделав ряд преобразований и допущений, используя вместо параметров И, и С, константы растворения К0 (Т) и роста К|(Т,Р); Кг (Т,Р) , с учетом их аррениусовской зависимости от температуры, получены выражения для определения толщины оксидной фазы в двух областях: низкотеупературной "Н", в которой можно пренебречь процессом растворения оксидной фазы в матрице, и высокотемпературной "В" с интенсивным растворением, в которой можно пренебречь ростом оксидной фазы по сравнению с диффузионным потоком в матрицу. Полученные выражения имеют вид:

"Н" : 42 ;; (/ТЕ, ) (I- [(Е, V Т Е, К,/К) / [(ЗЕ,-2Е2)2ТК2]]} (14)

"В" .12 = (ЯТ2К,2/ ТЕоКо)' (1- [ V ТЕцКо /Я / 2ТК2 ]) (15)

Здесь Я - универсальная газовая постоянная; Е] ; Е; и Ео -эффективные энергии активации роста в диффузионном и кинетическом режиме V. растворения слоя оксидной фазы соответственно.

Как следует из зависимостей (14) и (15) с ростом температуры в области "Н" происходит монотонное увеличение толщины оксидного слоя, тогда как- в области "В", с развитием процесса растворения кислорода.в матрице, скорость растворения выше скорости роста оксидного слоя, что определяется соотношением энергий активации процессов Ео > 2Е], толщина оксидного слоя уменьшается и при некоторых условиях ( Ео > 2Ег) возможно растворение оксидной фазы.

Используя ряд математических преобразований, было получено выражение, позволяющее определить условия нагрева, при которых толщина Е, обращается в нуль, что физически означает полное растворение фазы вследствие развития диффузионных процессов в матрице:

о о

Практическое использование' полученных выражений потребовало определения входящих в них констант роста и растворения оксидной фазы, а также соответствующих значений энергий активации процессов Эти данные были определены из результатов экспериментальных исследований, выполненных на технически чистом титане ВТ1-0.

Построенные на основе полученных выражений (14), (15), (16) графики изменения толщины оксидной пленки позволяют спрогнозировать температуру (или время), при которой свариваемые поверхности находятся в состоянии высокой реакционной способности, определить оптимальную скорость нагрева.

Для оценки корректности полученных результатов был проведен косвенный эксперимент, позволяющий оценить развитие процесса взаимодействия при различном исходном физико-химическом состоянии свариваемых поверхностей.

Фрактографические исследования поверхностей зоны контакта, образовавшегося при различных скоростях нагрева образцов, показали различие в строении зон разрушения контактных участков. Это даег основание считать, что в зависимости от условий нагрева взаимодействие развивалось между поверхностями с разной реакционной способностью.

Проведенные эксперименты позволили установить увеличение реакционной способности контактных поверхностей титана с увеличением скорости нагрева. Полученные данные хорошо корродируются с кривыми изменения оксидных пленок в процессе нагрева.

Пятая глава посвящена исследованию процесса формирования диффузионного соединения при сварке пористых и компактных заготовок.

Прочность диффузионно-сварных соединений пористо-компактных заготовок оценивалась в зависимости от давления, температуры, времени сварки, а также с учетом скорости нагрева образцов. Прочность соединения считалась отвечающей требованиям качества, если разрушение со время испытаний происходило по пористому материалу. При этом прочность сварного соединения была ограничена прочностью пористой заготовки.

С учетом ранее установленных закономерностей образования оксидной пленки на титане и полученных номограмм уплотнения пористых материалов были экспериментально определены режимы диффузионной сварки пористо-компактных заготовок, удовлетворяющих требованиям равнопрочности зоны соединения и пористой части конструкции.

Металлографический анализ выполненных соединений из различных сочетаний материалов (ОТ4к + ОТ4п ; ОТ4к + ПТЭМ-1п ; ОТ4к -( ВТ5-1п; ВТ5-1к + ОТ4п ; ВТ5-1к -> ПТЭМ-1п ) позволил установить, что при одинаковых значениях параметров процесса сварки ( температура, давление, время ), но при различной скорости нагрева образцов, характер формирования соединения неодинаков.

Так, например, для пористых и компактных заготовок из ВТ5-1 при температуре 1198 К и давлении 5 МПа при нагреве заготовок со скоростью 0,1 К/с наблюдается миграция границы зерен и ликвидация

ориентированной границы раздела с достижением общности зерен вдоль линии соединения. Л при тех же режимах; но при нагреве образцов со скоростью 0,05 К/с формирования соединения не происходит. Этому, очевидно, препятствует наличие оксидного слоя на поверхности титана.

Франтографнчсскими исследованиями установлено, что па всех сериях образцов с повышением давления, температуры и продолжительности процесса сварки закономерно происходило изменение фрактографических характеристик поверхности разрушения : от полного отсутствия образующихся между гранулами очагов взаимодействия до рельефа, соответствующего разрушению основного материала.

Изучение распределения среднего диаметра ямок отрыва в зависимости от параметров процесса диффузионной сварки пористо-компактных заготовок показало закономерное уменьшение размеров ямок с наступлением завершенности стадии объемного взаимодействия, что позволило установить количественные зависимости распределения размеров ямок отрыва, подтверждающих образование прочного соединения компактного и порошкового титана.

Для определения оптимальных параметров режимов процесса диффузионной сварки был использован метол оптимизации, основанный на поиске экстремума функции отклика в трехфакторпом пространстве при дополнительном ограничении на свойства пористого элемента соединения, подразумевающее предельное уплотнение материала. В качестве переменных факторов были выбраны режимы сварки: время t, давление Рев.

и температура Тс».. Именно прочность получаемого соединения <7 (t, Рсв.,Т) использовалась в качестве функции отклика, а дополнительным ограничением являлось условие на требуемую пористость П материала или некоторая критическая пористость Пкр., при которой обеспечивается требуемая проницаемость:

Пкр. > Пк.(1,Рсв.,Т) (17)

где Пк. - конечная пористость после уплотнения в ходе термодеформационного цикла сварки. Величина Пк является функцией скорости деформации материала ё и длительности цикла t. Аналитическое выражение для Пк. было получено ранее (6).

Для построения функции отклика использованы результаты многофакторного эксперимента на парах материалов ОТ4 + ОТ4пористьш, ОТ4 + ПТЭМ-1 пористый с различным сочетанием микроструктур. В эксперименте время t варьировалось на трех уровнях: 20, 30 и 40 минут;-давление сварки Рев. - на трех уровнях: 1; 2,65 и 5 МПа и температура сварки Т - на трех уровнях: 1173, 1 198 и 1223 К. Число уровней варьирования фактора ограничивает максимально возможное число

главных эффектов Nu по каждому фактору, которые можно найти но результатам данного эксперимента ( ае ¡1, Рев., Т}): величина N а на единицу меньше числа уровней. Кроме того, могут быть определены эффекты взаимодействия различных порядков, число которых вместе с главными эффектами не должно превышать общее число опытов в данном эксперименте, фактически, во избежание насыщенного плана, было использовано небольшое число логически оправданных эффектов взаимодействия.

Зависимость прочности диффузиопно-сварного пористо-компактного соединения описывается функцией вида:

о = 0О-1л[1 +Y(t/t0)a], (18)

где а о , У и a - характеризуют изменение прочности соединения и процессе его образования, t 0 - масштабный множитель.

Для построения данной функции был разработан блочный алглоритм нахождения параметров модели, состоящий в следующем. Данные эксперимента были разбиты на блоки I уровня, в каждом из которых факторы температуры 'Г и давления I'cn - были на одном уровне. Затем данные, полученные обработкой блоков 1 уровня, разбивались на блоки II уровня, на основе которых устанавливалась зависимость а о и у от давления сварки и температуры.

Расчет значений параметров производился с помощью стандартных функций пакета MatCad 6.0 Plus. В результате был получен окончательный вид модели.

Для случая сварки материалов компактного из ОТ4 с равноосной и пористого из ОТ4 с равноосной структурами:

а = [S / (1+Ф|)] In [l+e(1 /S)"Фо<|+ ф2) х (t /1 о) 1 ]. (19)

Для случая сварки материалов компактного из ОТ4 с равноосной и ПТЭМ-1 пористого с пластинчатой структурами:

а = (Ф3/а) 1п[14еи><(ф0'фз^(1+ф2)"|+ф1>х((/10)а]. (20)

На основе разработанной модели были получены оптимизационные области, анализ которых позволил установить, что для получения прочного диффузионно-сварного соединения из пористого и компактного титана с

обеспечением требуемых значении проницаемости предпочппе-тыю использование пластинчатй структуры для пористой заготовки.

Сварка на режимах, выбранных с помощью оптимизационных областей, показала хорошую согласуемость прогнозируемых и наблюдаемых результатов по прочности сварного соединения и величине доуплотнения пористого образца.

Статистическая проверка оптимизационной модели установила, что предел ошибки не превышает 5%. Тем самым подтверждена статистическая адекватность разработанной оптимизационной модели.

На основании разработанных технологических рекомендаций изготовлен уплотнительный элемент насоса из порошкового и компактного титана для перекачки агрессивных сред.

Проведенные исследования (металлографический анализ, механические испытания, испытания на коррозию) полученного элемента изделия показали удовлетворительные эксплуатационные качества н подтвердили правильность выбора оптимальных параметров процесса диффузионной сварки.

Общие выводы и основные результаты работы.

I .Сформулированы принципы оптимального построения процесса диффузионной сварки пористо-компактных титановых конструкций, включающие в себя: управление деформацией свариваемых заготовок путем регламентирования их микроструктуры; выбор скорости нагрева, обеспечивающий высокую реакционную способность свариваемых поверхностей; выбор оптимальных параметров режима сварки.

2.Получены аналитические зависимое™ скорости установившейся ползучести для порошковых материалов с равноосной и пластинчатой структурами от технологических параметров процесса сварки. Механизм ползучести порошковых заготовок с равноосной структурой обусловлен межзерспным проскальзыванием, контролируемым диффузией по границам зерен, а для образцов с пластинчатой структурой ползучесть обусловлена движением дислокаций.

3.С помощью разработанной математической модели получены количественные зависимости в виде номограмм уплотнения пористых материалов из Г1ТЭМ-1, ОТ4 и ВТ5-1 с различным типом струюур, позволяющие прогнозировать конечную пористость в соответствии с параметрами режима диффузионной сварки.

4.Разработана физико-математическая модель процесса изменения толщины оксидных пленок, образующихся на титане в нестационарных температурных условиях, в основу которой положено представление об

окислении 7шли;) как результата двух одновременно протекающих процессов: роста оксидов и их растворения в металлической основе.

5.Анализ влияния скорости нагрева на физико-химическое состояние поверхности с помощью разработанной модели позволил установить, что в диффузионно-кинетическом режиме увеличение скорости нагрева с 0,05 К/с до 0,2 К/с снижает температуру деблокирования поверхности от оксидов с 1165 К до 1073 К при парциальном давлении кислорода 3 103Па и с 1040 К до 985 К при парциальном давлении кислорода 1 10"3Па.

6.На основании анализа топографии разрушения диффузионно-сварных пористо-компактных заготовок установлены фрактографические признаки и количественные характеристики ямок отрыва, соответствующие завершенности стадии объемного взаимодействия между соединяемыми поверхностями.

7.Разработана математическая модель оптимизации параметров процесса диффузионной сварки титановых пористых и компактных заготовок и определены области допустимых значений технологических параметров процесса, обеспечивающие получение прочного соединения с заданными значениями проницаемости •мористо! о элемента.

8.Полученные результаты использованы и внедрены в опытном производстве уплотмитслыюго элем ста насоса из пористого и компактного титана для перекачки агрессивных сред.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1.Селиванов В.Ф., Пешков В.В., Шурупов В В., Киреев Л.С. К выбору режимов диффузионной сварки пористого титана. Тез. докл. Международной научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники". Ростов-на-Дону, 1993, с.92.

2.Киреев Л.С., Селиванов В.Ф., Пешков ВВ., Шурупов В.В. Кинетика уплотнения пористых титановых заготовок при их диффузионной сварке. Автоматическая сварка, 1994, № 5-6, с.14-17.

3.Селиванов В.Ф., Шурупов В.В., Пешков В.В. Высокотемпературная деформация пористых порошковых титановых материалов. Тез. докл. Международной научно-методической конференции "Современные проблемы сварочного производства и совершенствование подготовки кадров" Мариуполь, 1996, с.128.

4.Селиванов В.Ф., Шурупов В В., Пешков В.В. Влияние скорости нагрева на образование оксидных пленок при термообработке титана. Тез. докл. Региональный межвузовский семинар "Процессы теплообмена в энергомашиностроении". Воронеж, 1996, с.12.

5. Шурупов 1)1)., Селиванов В.Ф., Пешков ВВ. Уплотнение и высоко температурная ползучесть пористых титановых заготовок в условиях диффузионной сварки. "Повышение эффективности сварочного производства". Международная конференция. Липецк, 1996, с.92-94.

6 Батаронов И Л , Пешков В.В., Селиванов В.Ф., Шурупов В В. О кинетике роста н растворения слоя новой фазы в нестационарных условиях. Вестник Воронежского государственного технического университета. Серия: Материаловедение, выпуск 1.1, Воронеж, 1996, с. 61-68.

7.Селиванов В.Ф., Шурупов В.В., Пешков В.В., Корчагин И.Б. Влияние скорости нагрева на физико-химическое состояние свариваемых поверхностей титановых заготовок при диффузионной сварке. Тез. докл. Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97". Российская научно-техническая конференция. Воронеж, 1997, с.168-169.

З.Селиванов В.Ф., Шурупов В В., Пешков ВВ. Влияние характеристик титановых порошков на деформацию пористых порошковых заготовок при диффузионной сварке. Тез. докл. Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97". Российская научно-техническая конференция. Воронеж, 1997, с. 171.

9.А с. 1796380. СССР, МКИ В23К 15/00. / Шурупов В В., Васин Е.М., Еремин М.В., Чевела О.Б. Воронежский механический завод. № 4906786/08; заякл. 04.02.91; опубл. 23.02.93, Бюл. К» 7.

ЛР № 020419 от 12.02.92. Попписано я печать 15.10.97. Уол.печ.л. 1,0. Уч.-изп.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ .

394026 Воронеж, Московский просп., 14 Участок оперативной полиграфии Ворсноя.ского госупарственного технического университета