автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование процесса и разработка технологии изготовления узлов авиационных ГТД из разнородных материалов методом диффузионной сварки в вакууме

На правах рукописи

РГБ ОД

2 8 НОВ 2000

ДЕМИЧЕВ СЕРГЕЙ ФЕДОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛОВ АВИАЦИОННЫХ ГТД ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ В ВАКУУМЕ

Специальность: 05.07.05 - «Тепловые двигатели летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени—.....-

кандидата технических наук

Самара 2000

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Барвинок В.А. кандидат технических наук, доцент Бордаков П.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Столбов В.И.

кандидат технических наук Уржунцев М.А.

Ведущее предприятие: АО Самарское конструкторское бюро машиностроения

Защита диссертации состоится «26» июня 2000г. на заседании диссертационного совета Д 063.87.01 в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева

Адрес университета: 443086 г.Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертациейлшжно ознакомиться в библиотеке СГАУ Автореферат разослан « ¿V. (ОХ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор У и^у ' ' Ч--—- А.Н.Коптев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Создание высокоэффективных малоразмерных газотурбинных двигателей и турбоагрегатов является актуальной проблемой в авиационной и ракетной технике, автомобилестроении и других отраслях машиностроения. Снижение массогабаритных характеристик, повышение долговечности деталей, ресурса, надежности и экономичности двигателей и турбоагрегатов неразрывно связано с использованием новых материалов со специальными свойствами (никелевых, кобальтовых и титановых сплавов, высоколегированных сталей, керамик и др.). При этом во многих случаях возникает необходимость получения неразъемных узлов и конструкций из разнообразных сочетаний материалов.

Диффузионная сварка в вакууме является одним из перспективных способов получения неразъемных соединений из разнообразных материалов. Наиболее ярко преимущества диффузионной сварки проявляются при соединении трудносвариваемых и разнородных материалов.

Одной из важных задач при изготовлении неразъемных конструкций из разнородных материалов является сохранение их физико-механических свойств после формирования соединения. Кроме того, учитывая особенности образования диффузионных соединений, необходимо создать условия, исключающие возможность образования хрупких интерметаллических прослоек в сварном стыке. Решение указанных задач непосредственно связано с оптимизацией основных параметров сварки и, в первую очередь, со снижением теплового воздействия на соединяемые материалы.

Несмотря на накопленный большой практический опыт по диффузионной сварке разнородных сочетаний материалов оптимизация параметров соединения является достаточно сложной и трудоемкой работой.

Анализ возможных направлений совершенствования технологий сварки узлов ГТД и турбоагрегатов показал на необходимость максимального использования доли механической энергии, вводимой в зону соединения. Однако сведения об оптимизации условий формирования соединений и управлении напряженным состоянием в контакте разнородных материалов разрознены-и-недоетаточно изучены, что существенно затрудняет создание надежных высокоэффективных узлов малоразмерных ГТД.

Цель работы. Создание высокопрочных сварных узлов ГТД и турбоагрегатов из разнородных материалов путем оптимизации параметров диффузионной сварки в вакууме.

В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:

• анализ особенностей процесса формирования диффузионных соединений из разнородных материалов;

• исследование закономерностей развития объемных и контактных деформаций сварных соединений из разнородных материалов в условиях локального индукционного нагрева при диффузионной сварке в вакууме; !

• исследование влияния физико-механических свойств материалов и температуры на напряженное состояние в очаге пластической деформации при контактном взаимодействии микровыступов поверхности разнородных материалов в условиях диффузионной сварки в вакууме;

• проведение комплексных исследований и оптимизация режимов диффузионной сварки жаропрочных никелевых и титановых сплавов со сталями;

• разработка технологических процессов изготовления биметаллических сварных роторов турбин и элементов модулей уплотнения ГТД.

Автор выносит на защиту.

1. Математическую модель контактного взаимодействия отдельных микровыступов шероховатой и гладкой поверхностей с учетом их физиче-

_ских,- химических и механических свойств в условиях^.диффузионной

сварки.

2. Аналитические соотношения и критерий, позволяющие объяснить экстремальный характер зависимостей коэффициента статического трения от температуры и свойств свариваемых материалов.

3. Расчетно-экспериментальную методику оптимизации основных параметров процесса диффузионной сварки разнородных материалов.

4. Установленные закономерности формирования диффузионных соединений жаропрочных никелевых и титановых сплавов со сталями.

5. Уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимость механических свойств сварных соединений от основных параметров процесса диффузионной сварки изучаемых материалов.

6. Технологии диффузионной сварки малоразмерных роторов турбин и элементов модулей уплотнения ГТД и турбоагрегатов.

Научная новизна.

1. Установлено, что при диффузионной сварке деталей цилиндрической формы из разнородных материалов прочность соединений зависит от отношения высоты зоны деформации соединения к его диаметру (фактора формы), которое в условиях локального индукционного нагрева определяется градиентом температуры в направлении оси соединения.

2. Получены аналитические соотношения, позволяющие объяснить экстремальный характер зависимостей коэффициентов статического трения от температуры и нормальной нагрузки взаимным влиянием физико-механических свойств контактирующих материалов и геометрией микровыступов.

3. Установлено, что критерием, характеризующим величину коэффициента статического трения в зависимости от свойств контактирующих материалов и температуры, может служить отношение теплосодержания материала при его нагреве до температуры контактного плавления к пластической постоянной.

4. Экспериментально установлено, что температура, при которой касательные напряжения в контакте разнородных материалов достигают максимальной величины, соответствует оптимальной температуре сварки.

Практическая ценность.

1. Разработаны способы регулирования отношения высоты зоны деформации сварного соединения к его диаметру в условиях локального индукционного нагрева.

2. Предложен простой критерий, позволяющий оценивать оптимальную величину температуры сварки в зависимости от физико-механических свойств соединяемых материалов.

3. Определены оптимальные толщины барьерных прослоев и режимы диффузионной сварки жаропрочных никелевых сплавов ВЖЛ12У и ЖС6К со сталями ЭИ961 и 45Х, соответственно, титанового сплава ВТЗ-1 со сталью ВНС-2.

4. Разработаны технологические процессы диффузионной сварки биметаллических роторов и элементов модулей уплотнений малоразмерных

гтд.

Реализация результатов работы. Разработаны технологические процессы диффузионной сварки в вакууме биметаллических роторов турбин малоразмерных ГТД и турбоагрегатов, элементов моделей уплотнения из титановых сплавов и сталей. Технологические процессы внедрены на предприятиях: НПО «Сатурн», г.Москва; СКБ «Турбина», г.Челябинск; в Корпорации ЛИТА Ltd, г.Самара, Экономический эффект от внедрения составляет 630 тыс. руб. Реализация результатов работы подтверждена актами внедрения.

Апробация работы. По основным результатам работы сделаны доклады на: VIII Всесоюзной научно-технической конференции «Вибрационная прочность и надежность авиадвигателей», Куйбышев, 1981г.; Всесоюзной конференции "Проблемы технологии сварки теплоустойчивых, жаростойких и жаропрочных высоколегированных сталей и сплавов", Николаев, 1985 г.; Всесоюзном семйнаре «Новые технологические процессы при ремонте авиационной техники», Москва, 1986г.; XI Всесоюзной научно-технической конференции по конструкционной прочности и надежности двигателей, Куйбышев, 1988г.; конференции «Концентрированные потоки энергии в технологии обработки и соединения материалов», Пенза, 1989г.; XIII Всесоюзной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития диффузионной сварки», Москва, 1991г.; IV международной конференции «Проблемы развития автомобилестроения в России», Тольятти, 1998г.; Объединенной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития дви-гателестроения в Поволжском регионе» (И) «Проблемы конструкционной прочности двигателей» (XIV), Самара, 1999г.

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликованы: одна монография, 4 статьи, 8 тезисов докладов, получено 3 авторских свидетельств на изобретения.

Объем работы. Диссертация содержит 248 страниц машинописного текста, 81 рисунок, 21 таблицу и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений.

Краткое содержание работы

Во введении изложена актуальность проблемы создания высокоэффективных узлов ГТД и турбоагрегатов из разнородных материалов методом диффузионной сварки в вакууме.

В первой главе проведен анализ состояния и перспектив применения диффузионнойхварки в производстве двигателей и турбоагрегатов._______________

Метод диффузионной сварки материалов в настоящее время достаточно широко используется при изготовлении различных узлов ГТД как в нашей стране, так и за рубежом. Причем существуют тенденции к увеличению доли сварных соединений, выполненных диффузионной сваркой, в общем объеме сварочных работ в двигателестроении.

Диффузионная сварка имеет наибольшие преимущества при изготовлении узлов из разнородных материалов со специальными свойствами. При этом большое практическое значение приобретает перспектива применения диффузионной сварки для создания узлов с минимальными мас-согабаритными характеристиками и высокой работоспособностью и надежностью применительно к малоразмерным ГТД и турбоагрегатам.

Вопросы теории и практики соединения разнородных материалов нашли отражение в работах Н.Н.Рыкалина, Ю.Л.Красулина, Н.Ф.Казакова, Ю.Н.Копылова, Э.С.Каракозова, В.И.Столбова, Б.Н.Перевезенцева, И.В.Зуева, Г.В.Конюшкова, Р.А.Мусина, В.В.Пешкова и др.

Однако анализ литературных данных показывает, что единых представлений о механизме образования соединений при сварке в твердой фазе, в том числе и диффузионной сварке, нет. Оптимизация параметров сварки требует достаточно больших материальных и временных затрат.

При исследовании и разработке технологических процессов диффузионной сварки недостаточно научно-обоснованных методов оценки и выбора таких важных технологических факторов, как источников локального нагрева деталей, конструкции сварных стыков для обеспечения локальности развития объемных пластических деформаций, оптимизации теплового воздействия на свариваемые материалы и зону соединения.

При изучении закономерностей образования соединений в твердой фазе представляет большой интерес энергетический подход, позволяющий выявить влияние физико-механических свойств и условий контактного взаимодействия твердых тел на напряженное состояние в зоне сварки.

Идеи о едином физическом механизме механического и термического разрушений (плавлении) нашли развитие в работах Я.И. Френкеля, A.B.

Степанова, И.Я. Дехтяра, B.C. Ивановой, Борна, Мотта, Спейта и других, что отражено в ряде термодинамических теорий разрушения и дислокационных теорий плавления. На основании представлений о неоднородной неизотермической пластической деформации, как источнике локальных разогревов, в ряде работ указывается на возможность достижения в контакте температур вплоть до температуры плавления материалов.

Таким образом, анализ литературных данных показывает, что регулированием напряженным состоянием в контакте разнородных материалов возможно оптимизировать основные параметры диффузионной сварки с целью уменьшения и локализации теплового воздействия в зоне соединения.

На основании проведенного анализа были сформулированы цель работы и задачи исследований.

Во второй главе изложены результаты исследований закономерностей пластической деформации деталей из разнородных материалов в условиях диффузионной сварки. Даны краткие технические характеристики используемого сварочного оборудования, описаны методики исследований.

Рассмотрен широко распространенный в практике диффузионной сварки узлов авиационных ГТД случай - соединение встык деталей цилиндрической формы из разнородных материалов с резко отличающимися физико-механическими свойствами с локальным нагревом токами высокой частоты. В этих условиях деталь из более твердого материала не испытывает макропластической деформации, которая развивается в прилегающей-------

к сварному стыку зоне «мягкой» детали. Для оценки ее величины обычно используют показатели относительной , деформации в осевом (еи) и радиальном (ек) направлениях.

Показано, что в процессе сварки в стыке с увеличением степени локализации макропластической деформации развивается контактная деформация. Возникающие при этом в стыке силы трения оказывают активирующее влияние на формирование сварного соединения. Рациональное

использование энергии,- обусловленной контактным трением, позволяет-

существенно снизить уровень теплового воздействия на сварные соединения.

Проведенные эксперименты по диффузионной сварке широкого круга различных материалов (медь Ml, стали 30, 45, 40х, 45х, ЭИ961, сплавы ЖС6К, ВЖЛ12У, ВТЗ-1 и др.) доказывают, что некоторая макропластиче-ская деформация прилегающих к стыку участков деталей является необходимым условием их прочного соединения. При диффузионной сварке стыковых соединений существуют оптимальные величины их макропластической деформации, соответствующие максимальному уровню их прочности.

Теоретический анализ процесса диффузионной сварки рассматриваемых соединений, осуществляемого по способу принудительного де-

формирования, проводились на модели. Процесс деформирования соединений рассматривался как осадка нагретого участка «мягкой» детали - цилиндра - между жесткими элементами соединения: его более холодной частью и твердой деталью.

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что на формирование сварных соединений оказывает влияние фактор формы -отношение диаметра соединения к длине его деформируемого участка (¿/И). От него зависит как интегральная величина работы сил контактного трения, так и ее распределение в пределах сварного стыка.

Из полученных результатов, в частности, следует, что при постоянной величине осадки цилиндра работа сил контактного трения (Ат) резко возрастает при неизменной величине работы деформации (Ад).

При осадке разновысоких цилиндров_одинаковош диаметра на одну и ту же величину (с уменьшением высоты осаживаемого цилиндра) работа деформирования (Ар) и работа сил трения увеличиваются, причем Ап растет значительно быстрее, чем Ар.

Результаты анализа указывают на возможность регулирования напряженно-деформированного состояния в сварном стыке путем изменения величины фактора формы (й/И). С ростом величины М и величины осадки соединения концентрация выделяемой в процессе контактного трения энергии в сварной зоне соединения возрастает.

Одним из главных факторов, определяющих величину фактора формы, является градиент температур вдоль оси соединения.

Разработаны и апробированы технологические приемы регулирования фактора формы. Они основаны на:

а) изменении осевого градиента температуры в детали из менее жаропрочного материала - за счет применения индукторов различной конструкции, смещения индуктора относительно сварного стыка (дифференцированный нагрев), изменения скорости нагрева, изменения частоты протекающего по индуктору тока;

б) механическом ограничении протяженности ее пластически деформируемого участка - посредством применения жестких оправок, в которые с некоторым вылетом вставляется деталь из более пластичного материала; увеличения жесткости удаленного от свариваемого стыка участка детали из пластичного материала за счет технологического припуска.

Экспериментально оценены резервы снижения температуры сварки соединений за счет увеличения фактора формы. Заметное влияние на формирование сварного соединения наступает при величине М>\,5. Применение разработанных приемов позволило снизить температуру сварки на 50...120 К в зависимости от сочетания свариваемых материалов (М1+ст.ЗО, ВЖЛ12У+ЭИ961 и др.).

На примере процесса диффузионной сварки меди М1 со ст.30 экспериментально исследована связь напряженно-деформированного состояния в свариваемом стыке с прочностными свойствами образующегося соеди-

нения. Коэффициент контактного трения /л определенный по методу осадки кольца в условиях, имитирующих условия сварки, находится в пределах 0,45...0,50.

Максимальная прочность на срез сварного соединения имеет место в зоне действий максимальных касательных напряжений, т.е. в условиях близких к условиям статического трения.

Проведенные исследования указывают на необходимость более подробного изучения процессов статического трения в контакте разнородных материалов с целью оптимизации основных параметров диффузионной сварки.

В третьей главе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей контактного взаимодействия раз-нородных_материалов и сплавов в условиях диффузионной сварки. Приведено описание теоретических и экспериментальных методик, конструкций приборов - трибометров - для изучения процессов статического трения и схватывания в условиях нагрева в вакууме.

Разработана математическая модель формирования силы трения покоя в контакте разнородных материалов. В ее основу положены: а) решение задачи теории пластичности о внедрении со сдвигом абсолютно жесткого тупого клина бесконечной длины (модели единичного микровыступа) в жестко-пластическое полупространство; б) основные положения современной теории физики твердого тела о едином физическом механизме механического и термического разрушений (плавлении), кристаллических тел.

На основании представлений о неоднородной неизотермической пластической деформации, как источнике локальных разогревов, работа сил трения при пластической деформации (ДАтр) затрачивается на повышение потенциальной энергии и на нагрев деформируемого материала областей, попадающих в очаг пластической деформации (ДК1):

где Еф - величина удельной потенциальной энергии упругой деформации формы; с - удельная теплоемкость, р - плотность; Д Т- тепловой эффект.

При внешнем трении металлов в очаге пластической деформации выделяется тепловая энергия, равная изменению теплосодержания (энтальпии) деформируемого материала при его нагреве от исходной температуры (7) до температуры контактного плавления (ТЕ). Принимая эту гипотезу в качестве теоретической предпосылки для оценки величины теплового эффекта (Д 7) уравнение (1) можно записать в виде:

С другой стороны, обращаясь к модели трения, работу сил трения (Атр) при перемещении клина - в тангенциальном (Д?) и в нормальном (Да) направлениях - относительно пластического полупространства можно вычислить по формуле:

ААгг,р=(Еф+с-рА7)ЛУ',

(1)

ААтр=[Еф+с -рфсг 7)] -Д К1.

(2)

ЛЛт/г=(/И87)-/У-Лл',

(3)

где/- коэффициент трения, IДа/Аг, N - величина нормальной нагрузки.

Приравнивая правые части уравнений (2) и (3) и деля на произведение (А И -к), получаем:

Н(/ + 18у) = Еф | с- р-(ТЕ -Т) АК' к к

Ал

Величину удельной потенциальной энергии упругого изменения формы можно определить по формуле:

Е Л*1

где к - пластическая постоянная, (7 - модуль упругости второго рода.

Проведенная оценка величины слагаемых правой части равенства (4) показала, что в абсолютно большом интервале температур выполняется неравенство:

с-р-(ТЕ-Т)_Еф 2 к

к к Ъв'

С учетом этого формулу (4) можно упростить:

У + 'ЕУ^ = с-р-(ТЕ-Т)

, АVх к '

к--

А?

Полученное уравнение представляет собой равенство безразмерных комплексов и в неявном виде определяет коэффициент трения покоя (/).

Стоящее в правой части равенства (5) выражение для данных конкретных сочетаний материалов и температур контактирования (7) является величиной постоянной, имеющей вполне определенное значение.

Закон изменения находили с помощью метода приближенного Ду

_ дк1 (/ч^Ж

интегрирования. Расчеты --, —-— в зависимости от величины

А* Л Е_________

к--

Дл

смещения ($), коэффициента сцепления (у/), а также ряда других параметров проводили по специально разработанному алгоритму.

Равенство (5) в совокупности с полученным решением для клиновидной модели трения позволяет теоретически исследовать влияние физико-механических (с, р, к) и химических (ТЕ) свойств контактирующих материалов, параметров шероховатости контактирующих поверхностей (косвенно учитываемых характеристическим параметром у) и температуры контактирования (Т) на величину коэффициента трения покоя (/).

Из формулы (5) следует, что для конкретного сочетания материалов, при условии постоянства величины нормальной нагрузки и параметров шероховатости контактных поверхностей, величина коэффициента трения

покоя определяется только величинои отношения

с-р-(Тк-Т)

Отсюда

можно найти теоретические зависимости коэффициентов трения покоя для различных материалов.

Характер расчетных зависимостей коэффициента трения покоя от температуры (рис.1) достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными по трению, полученными для ряда сочетаний разнородных материалов в условиях вакуума ~ 10"3 Па на модели трения «клин - гладкая пластина» и на модели трения шероховатых поверхностей. Опыты проводились на специально для этого сконструированных трибометрах, монтирующихся в вакуумной камере установки для диффузионной сварки МДВ-301. Образцы клиновидной формы с углом при вершине 2#изготавливались из более прочных материалов сочетаний медь М1 - алюминий АД-1, сталь ВНС-2 - медь М1 (рис.2).

Расчетные и экспериментальные кривые имеют выраженные экстремумы в областях высоких температур контактирования, интервалы соответствующих им температур достаточно близки.

срК-Т) с.Щ Р.ЩкШ1а ,

к кг-К м' л.™'" /л

273 473 673 873 Т, К Рис.1. Зависимость физико-механических свойств алюминия, отношения ср(ТсгТ) и коэффициента трения покоя fn для сочетания Cu-Al от температуры: 1 -к; 2- р; 3- с; 4 - ср(Т,-Т)/к; 5 -/„ (20=170 6 -/„ (20=140

0,4

0,2

> X

/у

1

473 573

673 773 Т.К "873 973 1073 1173 ¡273 Т. К а) б)

Рис.2. Зависимость коэффициента трения покоя /„ разнородных материалов от температуры Т, величины нормальной нагрузки N и геометрии индентора 29: а) сочетание материалов медь М1 + алюминий АД-1, N=90011: 1 - 20=160 ° 2 - 29=170°; б) сочетание материалов сталь ВНС-2 + медь М1, 29=160°: 1 - N=900 Н, 2 - N=1200 Н.

Численное значение отношения

с-р-(ТЕ-Т)

определяет величину

коэффициента трения покоя. Чем больше значение этой величины, тем больше коэффициент трения и наоборот. Таким образом, выражение с-р-(ТЕ-Т)

— --может служить критерием, характеризующим величину кон-

к

тактных касательных напряжений и коэффициента статического трения.

___________Сравнение взятых из литературы (С.Б.Айбиндер, Н.ЛГолего,

А.П.Семенов) экспериментальных значений коэффициента трения для различных материалов и его зависимостей от температуры в целом согла-

ср-(ТЕ-Т)

суется с характером изменения отношения — --.

к

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы. Величины коэффициента схватывания и прочности сварного соединения находятся в прямой зависимости от величины касательных напряжений и степени растекания контактных поверхностей. При этом наблюдается корреляция между взаимозависимостями коэффициента схватывания и коэффициента трения покоя от температуры. Максимумы коэффициентов схватывания в зависимости от температуры для различных сочетаний разнородных материалов находятся в тех же диапазонах температур, что и максимумы соответствующих температурных зависимостей коэффициентов трения.

На основании разработанных выше моделей контактного взаимодействия разнородных материалов были сформулированы практические рекомендации по интенсификации процесса схватывания металлов и сплавов в условиях диффузионной сварки.

В четвертой главе изложены результаты комплексных исследований диффузионной сварки в вакууме жаропрочных никелевых сплавов ВЖЛ12У и ЖС6К со сталями ЭИ961, 45Х и титанового сплава ВТЗ-1 со

сталью ВНС-2, а также работоспособности соединений в рабочем диапазоне температур.

Расчетно-экспериментальная оценка на основании выше описанных исследований позволила выявить возможности оптимизации основных параметров диффузионной сварки изучаемых сочетаний материалов. Для определения диапазонов возможного варьирования температурой (Тсв) давлением (Рев) сжатия и временем (гсд) сварки проводились экспериментальные исследования процесса с использованием методики математического планирования эксперимента. Полученные аналитически зависимости позволили с вероятностью 95% определить доверительные интервалы варьирования основными параметрами: 7^= 1373... 1403 К, Ргя=9...12,5 МПа, гСв=20...25 мин.

С помощью методов оптической и электронной микроскопии исследовались структура и свойства переходной зоны в зависимости от параметра процесса сварки. Диффузионная сварка жаропрочных никелевых сплавов со сталями проводилась через прослой технически чистого никеля НП-1, НП-2, что позволило значительно повысить работоспособность сварного соединения в условиях термических перепадов и забросов температуры при эксплуатации.

Комплексные механические испытания на кратковременную прочность при комнатной и рабочей температурах, длительную прочность при рабочей температуре, усталость, ударную вязкость показали высокую надежность и работоспособность сварных соединений в условиях, имитирующих условия эксплуатации.

Так, кратковременная прочность соединений находится на уровне 0,9 и более от прочности основных материалов. Другие виды испытаний также подтверждают высокие характеристики соединений и удовлетворяют техническим требованиям.

При диффузионной сварке титановых сплавов со сталями возникает целый ряд трудностей, связанных с выбором барьерных прослоек и обеспечением оптимальных условий их соединения между собой и с основными материалами. В данной работе предложена оригинальная методика определения оптимальной толщины отдельных прослоек либо пакета из двух и трех прослоек в целом. При этом, были сокращены материальные (прослойки ванадия, никеля и меди) и временные ресурсы.

Оптимизация параметров сварки, состава и толщины прослоек позволила получить диффузионные соединения сплава ВТЗ-1 и стали ВНС-2 с прочностью не менее 0,8 от прочности основных материалов. Установлено, что характеристики соединения полностью отвечают техническим требованиям в области рабочих температур и других условиях эксплуатации.

Полученные экспериментальные результаты легли в основу разработанных промышленных технологий изготовления узлов авиационных

гтд.

В пятой главе приводятся сведения о технологических процессах диффузионной сварки в вакууме малоразмерных турбин и элементов роторов уплотнения ГТД, рассмотрены обоснования технических требований к сварным соединениям и к режимам сварки.

В соответствии с полученными результатами исследований оптимизированы основные параметры режимов сварки ряда типоразмеров натурных узлов ГТД.

Приводятся результаты работ по выбору конструкции индукторов для нагрева, размера и формы зоны сварного стыка, подготовки к сварке прослоек и деталей узлов ГТД. Разработана методика оценки качества сварных конструкций узлов. Проведены испытания роторов турбин в составе стендов и натурных изделий.

На основании проведенных исследований разработаны технологические процессы диффузионной сварки роторов малоразмерных турбин ГТД и турбоагрегатов, а также технологический процесс получения сварных элементов модулей уплотнения ГТД. Разработаны технологии восстановления узлов ГТД.

Экономический эффект от внедрения разработок в НПО «Сатурн», СКБ «Турбина» и в Корпорации ЛИТА Ltd составляет 630 тыс.руб.

Основные результаты и выводы по работе

1. Решена важная научно-техническая проблема создания сварных узлов малоразмерных авиационных ГТД из разнородных материалов с минимальными массо-габаритными характеристиками, высокой работоспособностью в условиях эксплуатации.

2. Разработана математическая модель контактного взаимодействия разнородных материалов, позволяющая управлять напряженным состоянием при диффузионной сварке в вакууме.

3. На основе разработанной математической модели получены аналитические соотношения, позволяющие объяснить экстремальный характер зависимостей коэффициента статического трения от температуры и нор---------мальной нагрузки взаимным влиянием физико-механических-свойств

контактирующих материалов и геометрией микровыступов.

4. Установлено, что закономерности изменения коэффициента статического трения и коэффициента схватывания от температуры имеют характер,

с-р-(ТЕ-Т)

аналогичный зависимости —-—~- от температуры контактного

взаимодействия, причем, максимум величины соотношения с-р-(ТЕ-Т) , ,

-6- соответствует максимумам коэффициентов статического

к

трения и схватывания от температуры.

5. Разработаны технологические приемы регулирования величины касательных напряжений, коэффициентов статического трения и схватывания разнородных материалов при диффузионной сварке.

6. На основании комплексных исследований установлены оптимальные диапазоны изменения основных параметров процесса диффузионной сварки. Изучены физико-механические свойства сварных соединений жаропрочных никелевых и титановых сплавов со сталями.

7. Разработаны технологические процессы диффузионной сварки роторов малоразмерных турбин ГТД и турбоагрегатов, а также технологический процесс получения сварных элементов модулей уплотнений ГТД. Разработаны технологии восстановления узлов ГТД.

8. Технологические процессы диффузионной сварки узлов ГТД внедрены на НПО «Сатурн», в СКБ «Турбина» и в Корпорации ЛИТА Ltd. Экономический эффект от внедрения технологических разработок составил 630 тыс.руб.

Публикации по теме диссертации

1. Барвинок В.А., Бордаков П.А., Демичев С.Ф. Механика контактного взаимодействия при диффузионном соединении разнородных материалов в вакууме. - М.: Международный центр НТИ, 1997. - 72 с.

2. Барвинок В.А., Бордаков П.А., Демичев С.Ф. Закономерности статистического трения в условиях формирования сварных соединений из разнородных материалов. // Проблемы машиностроения и автоматизации, 1994-№3-4,-с. 46-49.

3. Демичев С.Ф., Гришин Й;С., Самородов Д.В., Любимов В.И. Выбор промежуточных прослоек при диффузионной сварке титановых сплавов со сталями // Прогрессивные процессы сварки и нанесения покрытий в производстве летательных аппаратов: Сб.науч.работ. - Куйбышев: Ку-АИ, 1987. -С.95-100.

4. Барвинок В.А., Бордаков П.А., Демичев С.Ф. Повышение работоспособности составных узлов ГТД из разнородных материалов путем оптимизации контактных деформаций при диффузионной сварке. // XI Всесоюзная научно-техническая конференция по конструкционной прочности и надежности двигателей: Тез. докл. 14 - 16 июня 1988 г., г. Куйбышев.

--------5. Демичев С.Ф. Оптимизация напряженного состояния в контакте при

диффузионной сварке узлов ГТД из разнородных материалов. // Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе (II). Проблемы конструкционной прочности двигателей (XIV): Тез. докл. объединенной МНТК, 23 - 25 июня 1999 г., г. Самара.

6. Демичев С.Ф., Бордаков П.А., Барвинок В.А. Особенности диффузионной сварки осесимметричных узлов малогабаритных газотурбинных двигателей. // Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе (II), Проблемы конструкционной прочности двигателей (XIV): Тез. докл. объединенной МНТК, 23 - 25 июня 1999 г.. г. Самара.

7. Г ришин И.С., Бордаков П.А., Самородов Д.В., Любимов В.И. Опьп применения диффузионной сварки при ремонте ГТД . // Новые техноло-

гические процессы при ремонте авиационной техники: Тез.докл. Всесоюзного семинара, 4-6 марта, 1986 г., г. Москва.

8. Любимов В.И., Демичев С.Ф., Бордаков П.А., Самородов Д.В., Зубарев Г.И., Кузнецова Т.А., Симанок Л.П. Диффузионная сварка модулей уплотнения авиационных ГТД // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки: Тез. докл. XIII Всесоюзной НТК, 24 - 26 января 1991 г., г. Москва.

9. Бордаков П.А., Любимов В.И., Гришин И.С., Демичев С.Ф. Исследование напряженного состояния диффузионных соединений жаропрочных сплавов со сталями // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки: Тез. докл. ХЦ1 Всесоюзной НТК, 24 - 26 января 1991 г., г. Москва.

10.Бордаков П.А., Демичев С.Ф., Покоев A.B., Сироченко В.Г1. Численное моделирование массопереноса в сварных соединениях разнородных металлов с прослойкой. // Повышение эффективности технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения: Тез. докл. Второй международной теплофизичекой школы, 25 -30 сентября 1995 г., г. Тамбов, ТГТУ, с. 212.

1 1 .Демкин Н.Б., Бордаков ПА., Демичев С.Ф. Установка для исследования фрикционных свойств узлов статического трения в вакууме / В кн.: Механика и физика контактного взаимодействия. - Калинин : КГУ, 1986 г.

12.Бордаков П.А., Зуев И.В., Демичев С.Ф. Закономерности схватывания металлов и сплавов в условиях диффузионной сварки в вакууме. // Проблемы технологии сварки теплоустойчивых , жаростойких и жаропрочных высоколегированных сталей и сплавов: Тез. докл. Всесоюзной конференции, 1985 г., г. Николаев.

□ .Барвинок В.А., Бордаков П.А., Любимов В.И., Усольцев А.Л., Демичев С.Ф.. Оценка качества соединений, полученных диффузионной сваркой // Проблемы развития автомобилестроения в России: Сб. докл. IV Международной конференции, 13 - 15 ноября 1998 г., г. Тольятти.

14.A.c. №1385 029 СССР МКИ G01№3/56. Установка для определения коэффициента трения покоя материалов / Барвинок В.А., Бордаков П.А., Демичев С.Ф., Куприн О.В., Любимов В.И., Самородов Д.В. За-яв.№4138371/25 - 28 от21.10.86

15.A.c. №1397226 СССР МКИ В23К 20/26. Устройство для диффузионной сварки в вакууме / Гришин И.С., Бордаков П.А., Куприн О.В., Демичев С.Ф., Самородов Д.В., Любимов В.И. Заяв. №4105196.31 - 27 от 11.05.86.

1 б.А.с. №1449287 СССР МКИ В23К20/14. Способ диффузионной сварки и устройство для его осуществления / Бордаков П.А., Куприн О.В., Демичев С.Ф., Любимов В.И., Барвинок В.А., Гришин И.С. Заяв. №4103227/31 - 27 от 19.05.86.

Подписано п печать 18.05.2000. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. СГЛУ.

пленкой в технологии интегральных схем. - Автореф. дис. на соиск. учен, степ. канд. техн. наук. - М.: МИЭТ, 1980.

129.Cocks L.F. Surface Oxide Films in intervtnfllice Contacts. - Nature, v. 170, №4318, 1952.

130.Courtney-Pratt J.S., Eisner E. The effect of a tangential force on contact of metallic fodies. - Proc Roy. Soc., 1957, №1215, v238.

131.DB for product improvement and cost reduction. Flliott Sue "Metal Const.", 1983, 15, №10, 624-625.

132.Hertz H. Uber die Beruhrung fester clastischer Korper. - J. Fur Reine and Angewandte Matematik, 1881, Bd.92.

133.Jonson K.L. Deformation of a plastic wedge by a rigid flat die under the action of tangential force/ - J.Mech. Phys.Sol., v. 16, №6, 1968, p.395-402.

134.Kuhlmann-Wilsdorf D. - "Physical Review" 1965, vl40, №5a, p.1599-1610.

135.Mindlin R.D. Compliana of elastic bodies in contact. - J. Appl. Mech., 1949, v.16, №3, p.259-268.

136.Mott N.F., Nabarro F.R.N., - Rep.Conf. Strengtn of Solids, p.l., Physical Society, London 1948.

137,Osumi M., Kiyoto S., Sakamoto M. "Metsubishi juko giho", 1984, 21, №1, 117-124.

138.Parker R.C., Hatch D. The Static Coefficient of Friction and the Area of Contact - Proc. Phys. Soc. v.63, 1950, p. 185.

139.Tabor D. Mechanism of Rolling Friction: Part. I, II, - The Elastic Range Proc. Roy. Soc. Ser A., v.229, 1955.

о внедрении результатов диссертадоолнной работы Демичева С.Ф. тему "Исследование, процесса и разработка технологии изготовления нов авиационных ГТД из разнородных материалов методом ффузионной сварки в вакууме" в опытно - конструкторскую работу ПО "Сатурн".

гучно-технический совет (комиссия) в составе :

О Л К П 41 V ПШП ТГТ'ГЧ *«*»"УЧ1Ч Т П1Л КЧ Л1Г1 X) А

¿амл^мсхсишурд а. - ¿¿кхвсде илл..

Инженер-технолог - Симонок Л.П. ставили настояций акт в том , что результаты диссертационной работы : отологические процессы диффузионной сварки в вакууме жаропрочных псепиевых сплавов ЖСбУ , ЖС-26 , ЖС-32 ; жаропрочных титановых лавов ОТ-4-1 , ВТ-3-1 со сталью 12X1Ш ЮТ , ЭП410 ; стали 40ХН2МА пользованы при производстве изделий предприятия . ¡тали прошли комплекс испытаний в соответствии с программой »едприятия и эксплуатируются в составе изделий .

Применение результатов диссертационной работы позволило готовить промышленные детали дм элементов модуля уплотнения делий и опытные образцы составных лопаток ГТД .

к.кмженер