автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование процессов пластического деформирования структурообразующихэлементов и разработка технологии изготовления изделий из пористых сетчатых материалов с заданными свойствами

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № *

УДК 621.7914.

СТРАТЬЕВ ВАЛЕРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

Исследование процессов пластического деформирования структурообразующих элементов и разработка технологии изготовления изделий из пористых сетчатых материалов с заданными свойствами

Специальность 05.03.05-процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2000

Работа выполнена в МГТУ им.Н.Э.Баумана

Научный руководитель - д.т.н., проф.Третьяков А.Ф.

Официальные оппоненты: д.т.н., проф.Никитин Г.С.

к.т.н. Константинов В.Ф.

Ведущее предприятие - Опытный завод ОАО НПО «Энергомаш» им. академика В.П.Глушко

диссертационного совета Mi "IV им.Н.Э.Баумана по адресу: 107005, Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв в 1-м экземпляре, заверенный печатью, просьба высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Желающие присутствовать на защите должны заблаговременно известить совет письмами заинтересованных организаций на имя председателя совета.

Телефон для справок 267-09-63

Автореферат разослан «_»_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Защита состоится «_»

2000 г. на заседании

к.т.н., доц.

Шубин И.Н.

Подписано к печати 6.07.2000г. Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 126т. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана .

|>осс!и;с::Ая г о с у д л.? с т а г к:ы я в п б л и от г; к. л

_10 Р_

П /V/'/' ~

ЛЫ1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение кпд энергетических газотурбинных установок связано с повышением начальной температуры газа. Так, увеличение температуры рабочего тела в парогазовых установках (ПГУ) с Тг =1050-4400 °С до Тг =1600 °С позволит увеличить кпд установок на 10-45%. При этом первоочередной задачей является обеспечение надежной теплозащиты лопаток первой ступени газовой турбины. Одним из эффективных способов теплозащиты термически высоконапряженных поверхностей является пористое проникающее охлаждение с выходом газа-охладителя на поверхность, обтекаемую высокотемпературным рабочим газом, и создания на ней термозащитной газовой завесы. Для организации такого способа теплозащиты различных поверхностей современных и перспективных теплоэнергетических аппаратов (в частности, камер сгорания, турбин) необходимо создание пористых проницаемых оболочек.

Одним из наиболее напряженных элементов двигателей является передняя кромка рабочих лопаток высокотемпературных газовых турбин. Работы по созданию лопаток с проникающим охлаждением высокотемпературных турбин ведутся в МГТУ им. Н.Э.Баумана совместно с ИВТ РАН и ОАО «Рыбинские моторы».

Увеличение надежности пневмо и гидросистем жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) требует применения фильтров, обеспечивающих требуемую тонкость фильтрации, имеющих высокую проницаемость, стойких и прочных во всем диапазоне рабочих температур и нагрузок.

Актуальность выполнения диссертационной работы подтверждается участием в выполнении работ Министерства по науке РФ по программе «Создание проницаемых оболочек турбинных парогазовых установок» и по программе «Создание фильтров для очистки жидкостей космического, авиационного и наземного транспорта».

Цель работы. Установление основных закономерностей пластической деформации и консолидации структурообразующих элементов при получении пористых сетчатых материалов (ПСМ) с заданными свойствами, их листовой штамповки и разработка технологических процессов изготовления фильтроэлементов и'оболочек турбинных лопаток.

Достижение поставленной цели осуществлялось посредством решения следующих взаимосвязанных задач:

1. Установление механизмов пластической деформации и консолидации структурообразующих элементов при получении ПСМ и последующей их листовой штамповке;

2. Получение зависимостей, описывающих влияние параметров структурообразующих элементов, их пластического деформирования и консоли___1

ГОСУДАРСГгТ>. Отдал иторатури у^ \

ранмчонного у < ь л о 8 а н у

,7зл ио т ех^-"''

дации на механические и служебные свойства (тонкость фильтрации, проницаемость и др.) листовых заготовок;

3. Уточнение уравнений для расчета эквивалентного размера пор, коэффициента проницаемости, коэффициента гидравлического сопротивления пористых сетчатых материалов;

4. Изучение влияния параметров листовой штамповки на изменение проницаемости ПСМ;

5. Разработка технологических процессов изготовления фильтроэле-ментов и гнутых оболочек турбинных лопаток из ПСМ на основе зависимостей пластического деформирования структурообразующих элементов.

Научная новизна. Установлены закономерности пластической деформации структурообразующих элементов при получении листового ПСМ и последующей штамповке, которые отражают влияние геометрических параметров структурообразующих элементов, степени и скорости деформации на технологические и механические свойства ПСМ.

Показано, что допустимая степень деформации брикета сеток при получении листового ПСМ находится в пределах с ^-0,35-0,6, так как при меньших деформациях материал расслаивается при штамповке, а при б > 0,6 резко уменьшается пластичность материала и происходит значительное нарушение равномерности распределения пор по объему.

Установлено, что в процессе листовой штамповки ПСМ изменение размера пор происходит интенсивнее с ростом исходной пористости и коэффициента формообразования (формовки, вытяжки, отбортовки).

Практическая ценность. На основе экспериментальных исследований гидравлических свойств ПСМ получена уточненная формула для расчета эквивалентного размера пор, коэффициента проницаемости, коэффициента гидравлического сопротивления пористых сетчатых материалов.

Изучение механизма консолидации структурообразующих элементов позволило установить, что одним из путей повышения межслойной прочности пористых элементов является высокотемпературная пайка с использованием тонких электрогальванических покрытий никелем и медью толщиной 3 мкм каждый в процессе прокатки в вакууме при температуре 1100+1150 РС.

Разработаны технологические процессы изготовления:

- фильтров с тонкостью очистки 10+12 мкм из стали 12Х18Н10Т для жидкостных ракетных двигателей космических аппаратов "Фобос" и "Марс";

- бескаркасных фильтров с тонкостью очистки 100+130 мкм из стали 12Х18НI ОТ, используемых в ЖРД-170, ЖРД-180;

- оболочки турбинных лопаток из нихрома Х20Н80 для парогазовых высокооборотных турбин энергетических установок;

- пористых непроницаемых элементов из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т для стоматологии.

Апробация работы. По основным разделам работы опубликовано 3 статьи в журналах: "Технология металлов", "Порошковая металлургия", "Известия РАН "Энергетика". Получены 2 авторских свидетельства на изобретение, 1 патент на способ получения пористого сетчатого материала.

Результаты работы доложены на XL сессии в г. Рыбинске в 1993г., на XLII научно-технической сессии в 1995г. в г. Рыбинске, на конференции в МГТУ в 1995г., на 4-м собрании металловедов в г. Пензе, на Всероссийской научно-технической конференции в МГТУ в 1998г.

Объем работы. Диссертация изложена на 199 страницах машинописного текста, включающего введение, пять глав, основные результаты и выводы по работе и приложение. В диссертации приведено 10 таблиц, 45 рисунков и список литературы из 82 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность работы, цели и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и апробация работы.

В первой главе рассмотрены вопросы современного состояния проблемы создания технологических процессов изготовления изделий из пористых материалов на металлической основе, обладающих заданными гидравлическими, фильтровальными, механическими и физико-химическими свойствами.

Пористые материалы (ПМ) имеют сложное поровое пространство и его свойства определяются совокупностью таких характеристик как пористость, форма и размер пор, удельная поверхность. Важное значение имеют гидравлические характеристики, прочностные, физические, химические и технологические и др. свойства пористых материалов.

В зависимости от области применения изделий каждое из указанных свойств может иметь определяющее и второстепенное значение. Так, при использовании ПМ в качестве фильтрующего материала тонкой очистки первостепенное значение имеют размеры пор, проницаемость и коррозионная стойкость. Применение ПМ в качестве конструкционных материалов с проникающим охлаждением элементов двигателей предъявляют требования к равномерной проницаемости, коррозионной стойкости, механической прочности и жаростойкости, минимального расстояния между порами.

Во всех случаях практического использования Г1М большое значение имеет их технологичность и стабильность свойств в процессе эксплуатации. Поскольку ряд свойств пористых заготовок (проницаемость, размер пор и др.) могут изменяться в процессе изготовления из них изделий н с течением времени при эксплуатации, то необходимо знать закономерность изменения этих характеристик.

з

Существующие проницаемые материалы на металлической основе можно классифицировать в соответствии с типом структурообразующих элементов как пористые порошковые материалы, пористые волокновые материалы, пористые материалы из перфорированных листов, пористые сетчатые материалы, комбинированные пористые проницаемые материалы; и по способу получения: холодной деформацией и спеканием, сваркой давлением и плазменным напылением и пайкой.

Проведенный анализ конструкций фильтров, теплозащитных устройств, оболочек турбинных лопаток позволил установить, что наиболее перспективными являются пористые материалы на металлической основе, которые обладают высокой прочностью, штампуемостью и свариваемостью при требуемых гидравлических, фильтровальных и физико-химических свойствах.

Пористые элементы' на основе проволочных сеток с заданным взаимным расположением представляют значительный интерес для изготовления рассмотренных изделий, поскольку благодаря организованной структуре .и сварке проволок между собой они обладают стабильными и воспроизводимыми характеристиками. Для этих материалов с П > 0,3 характерны более высокие механические и технологические свойства по сравнению с порошковыми и волокновыми проницаемыми элементами.

Способы получения пористых плоских заготовок и оболочек можно разделить на две группы.

К первой относятся процессы, предполагающие холодную деформацию брикета с последующим спеканием в контролируемой газовой среде. Процессы разработаны в ИГ1М HAH Украины, фирмами Curtiss Wright, Pall, Benedix Aviation в США, Voices, Sinterid Products в Великобритании. При этом технология изготовления пористых элементов типа Poroloy, выпускаемых фирмами Benedix Aviation и Vokes, предполагает навивку проволок на оправку, а листовые элементы Rigimech получают на основе тканых сеток из углеродистых сталей, меди, латуни, никеля и нихрома. Число циклов холодной деформации и спекания заготовок устанавливают в зависимости от пластичности проволок и требуемых свойств получаемых изделий.

Ко второй группе относятся технологические процессы изготовления пористых элементов сваркой прокаткой, диффузионной и кузнечной сваркой брикета сеток. Такая технология является более перспективной, так как при воздействии температуры и давления в контролируемой газовой среде качественные твердофазные соединения структурообразующих элементов могут быть получены при более низких температурах и за меньший период времени по сравнению со спеканием.

В МВТУ им.Н.Э.Баумана предложен и реализован способ получения пористых сетчатых материалов (ПСМ) горячей сваркой прокаткой в вакуу-

4

мированных конвертах. В работах Ю.И. Синельникова, H.H. Матурина, А.Г. Колесникова, А.Ф. Третьякова, И.Г. Кременского, В.И. Макарочкина, Г.П. Полушкина, B.C. Спиридонова были рассмотрены вопросы разработки технологии получения пористого листа из различных типов сеток, листовой штамповки и сварки плавлением некоторых видов ПСМ, проведены исследования механических, гидравлических и других свойств ГТСМ.

Вместе с тем разработка рациональных технологических процессов изготовления ПСМ требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований закономерностей пластической деформации проволок, образования соединений структурообразующих элементов, а также влияния операций пластического деформирования ПСМ на служебные характеристики изделий из ПСМ.

Большое разнообразие конструкций из пористых материалов по функциональному назначению, многообразие параметров и неоднозначное влияние на свойства изделий делают чрезвычайно сложным разработку технологических процессов их изготовления. Поэтому создание рациональной технологии возможно только на основе системного подхода, который предполагает установление закономерностей пластической деформации и консолидации структурообразующих элементов при горячей прокатке брикета сеток в контролируемой газовой среде; получение зависимостей, описывающих влияние параметров на свойства пористых заготовок и последующее их изменение при листовой штамповке элементов конструкций.

Вторая глава посвящена изучению механизмов пластического деформирования структурообразующих элементов при получении листового ПСМ.

Пористые элементы на основе металлических сеток представляют собой сварные конструкции, свойства которых определяются структурой материала проволок, их размерами, взаимным расположением, величиной обжатия заготовок и полнотой образования твердофазных соединений на площадях контакта. Количество и величина площади перекрестий проволок зависят от конструкции брикета сеток и закономерности пластической деформации структурообразующих элементов при обжатии.

Способ расположения слоев определяет плотность их упаковки. Коэффициент упаковки у зависит от типоразмеров сеток, способа укладки, а также от случайных сдвигов слоев в процессе прокатки. При параллельном расположении одинаковых сеток с квадратными ячейками и фильтровых сеток полотняного переплетения минимальное значение коэффициента упаковки 4/mm< 1> который уменьшается при увеличении количества слоев п, а для прочих конструкций брикета сеток у = \|/mm = 1.

Процесс пластической деформации брикета сеток приводит к изменению его размеров и уменьшению пористости. Осадку брикета сеток оценивали относительным обжатием е = Ah/hpPi где hnp -толщина брикета равна:

где п - количество слоев сеток в брикете; hc], hci, hci+b hcn - толщина сеток соответственно 1-го, i-ro, i-ro + 1 и последнего слоя.

Толщина пористого элемента, получаемого в процессе пластической деформации брикета сеток, может быть определена как

Ä//=A6p(1"4 (2)

Изучение пластической деформации проволок при обжатии брикета сеток в процессе прокатки показало, что при малых значениях е происходит, в основном, заполнение пустот путем изгиба структурообразующих элементов. При достижении обжатия брикета сеток величины ен возможно образование сварных соединении проволок в местах их совместной деформации.

Относительное обжатие (ен), при котором происходит совместная пластическая деформация проволок в местах их контакта, определяется типоразмером сеюк, их количеством и, поскольку зависит от величины у, является случайной величиной. Значение еи может быть определено следующим образом:

_ д/|»

6 „ ~ л*р ' (3)

где ДИН - максимально возможное уменьшение толщины брикета сеток, при котором происходит только изгиб проволок.

Выполненные исследования совместно с Третьяковым А.Ф. и Полуш-киным Г.П. показали, что величина Ah„ зависит от количества слоев сеток, их геометрических параметров и взаимного расположения. Очевидно, что при обжатии одного слоя сетки величина Ah„ = 0, а с увеличением их количества Ah„ возрастает. Полагая, что при обжатии брикета сеток с коэффициентом плотности упаковки \|/ < 1.0 минимальная толщина, при которой происходит только изг иб проволок, равна h6p при величине коэффициента у для случая наиболее плотной упаковки сеток в брикет у mll„ получим

е„= 1 - [Vfmm (п - 1) + 1] / [у (п - 1) + 1 J. (4)

При *j/=l значение е„ определяли из условия, что

ен = 1 - KVmin + 1 )(п - 1) + 2] / (2п). (5)

Анализ полученных зависимостей позволил установить, что с увеличением количества сеток в брикете величина сн интенсивно возрастает при

б

п < 4, а при большем количестве слоев число п не оказывает существенного влияния на значение ен. Максимальная величина сн характерна для брикета сеток с квадратными ячейками при параллельном их расположении, а минимальная - для фильтровых сеток полотняного переплетения, когда проволоки соседних слоев перекрещиваются под углом р = 0.

Важной характеристикой ПСМ является межслойная прочность (о,), которая оценивает способность пористых элементов сопротивляться расслаиванию под действием усилий, направленных перпендикулярно плоскости листа. Величина сг определяется количеством, величиной, расположением и качеством сварных соединений проволок различных слоев сеток, поэтому за критерий прочности на отрыв принято условие достижения предельного значения осредненных макроскопических напряжений, действующих в направлении оси Ъ. Относительная прочность ПСМ на отрыв определяется следующим образом:

где ф - относительная прочность единичного сварного соединения проволок на отрыв; сг, - временное сопротивление разрыву проволок сеток; туд - количество контактов проволок на единице площади с относительным обжатием Eni On - угол между осью Z и нормалью к поверхности макроконтакта; F«- площадь макроконтакта, образованная 2-мя проволоками соседних слоев сетки.

Анализ выражения (6) позволил установить, что наряду с конструктивными параметрами брикета сеток, величиной его обжатия на механические свойства получаемых пористых заготовок существенное влияние оказывает площадь сварных соединений и их качество в местах совместной деформации структурообразующих элементов.

Необходимым условием получения пористых элементов на основе металлических сеток является консолидация проволок между собой, поэтому разработку технологических процессов их изготовления необходимо начинать с определения значений температуры, величины и скорости деформации, состава контролируемой среды, обеспечивающих получение изделий с заданными свойствами при максимальной межслойной прочности. 'Зависимости для расчета величин ф, Fu т)д, 9П получены в работах Полушкина Г.П., Третьякова А.Ф., Жукова Б.М.

Одним из путей повышения межслойной прочности пористых элементов является высокотемпературная пайка с использованием тонких электрогальванических покрытий никелем н медью в процессе вакуумном прокатки при температуре' 1100-4 150 "С. Полученное увеличение стг объясняется возрастанием относительной прочности сварных соединений в результат с увеличения площади перекрестий, на которых произошло образование мегал-

(6)

лических связей. Учитывая методические сложности изучения процесса образования соединения проволок при горячей деформации брикета сеток, нами использован метод физического моделирования на перекрестиях проволок, имитирующих сварное соединение структурообразующих элементов ПСМ.

Увеличение температуры во всем диапазоне величин и скоростей деформации приводит к существенному росту прочности сварных соединений на отрыв. Однако для стальной проволоки при Т > 1100 °С происходит снижение ее пластичности в результате перегрева. Поэтому в качестве критерия выбора оптимальной температуры может быть принята величина максимального относительного удлинения сварного перекрестия при растяжении в направлении одной из проволок.

Кроме того, известно, что с увеличением глубины вакуума, температуры и времени нагрева легированных сплавов происходит испарение Сг, № , Zn и других элементов. Поэтому оптимальная температура при диффузионной сварке и пайке должна быть ниже, чем при сварке прокаткой и ударной сварке.

Исследование влияния скорости деформации на относительную прочность на отрыв сварных соединений проволок из стали 12Х18Н10Т показало, что наиболее низкое качество сварных соединений достигается при скоростях деформации £„ = 10"1 + 1 с'1, напротив, в условиях интенсивного динамического нагружения и при установившейся ползучести с„ < 10"4 с"1 возможно образование твердофазного соединения на всей поверхности макроконтакта (Рф). Экспериментально установлено, что при ударной сварке в вакууме влияние температуры в исследуемом интервале на качество сварных соединений значительно ниже, чем для процессов с меньшими скоростями нагружения. Установлено, что при с„ = 5-10"2 + 5-Ю'1 с'1 качество сварных соединений снижается как за счет повышения сопротивления деформации микронеровностей, так и низкой скорости массопереноса. Металлографические исследования образцов, полученных ударной сваркой в вакууме, показали возможность образования общих зерен в зоне контакта.

Полученные данные имеют большое практическое значение, поскольку они позволяют рекомендовать увеличение скорости нагружения брикета сеток при изготовлении пористых элементов сваркой прокаткой либо применение горячей деформации заготовок на молоте для изготовления пористых оболочек.

Экспериментальные исследования показали, что пористые элементы на основе металлических сеток обладают весьма сложной совокупностью механических характеристик, значен ля которых существенно зависят от свойств проволок, конструкции сеток, их количества и взаимного расположения, величины обжатия и качества твердофазного соединения проволок. Важной характеристикой материалов, используемых при изготовлении изделий авиационной и космической техники, является удельная прочность, 8 • '

величина которой определяется как отношение временного сопротивления разрыву к плотности ПСМ. Для пористых материалов удельная прочность может быть определена как отношение осредненных макроскопических напряжений (оа\у) к величине плотности ПСМ (рп).

Анализ полученных зависимостей и результаты расчета, выполненные совместно с А.Ф. Третьяковым, позволили установить, что величина аВ\у/р„ зависит от удельной прочности проволок, пористости сеток и их взаимного расположения. Исследование показало, что более высокой удельной прочностью обладают пористые элементы с параллельным расположением фильтровых сегок саржевого переплетения в направлении утков, а минимальной вдоль основ. Удельная прочность ПСМ на основе сеток с квадратными ячейками не зависит от величины обжатия брикета сеток в процессе сварки, а, следовательно, и от величины пористости материала.

В третьей главе представлены исследования влияния параметров листовой штамповки на служебные характеристики (тонкость фильтрации, проницаемость и др.) изделий из ПСМ.

Пористые тела обладают свойством изменять свой объем в зависимости от знака и величины первого инварианта тензора напряжений. Изменение объема приводит к нарушению структуры порового пространства, что вызывает изменение гидравлических и фильтровальных свойств пористых заготовок.

Исследование поведения ПСМ в условиях листовой штамповки проводилось автором совместно с И.Г. Кременским и О.И. Алексеевым на основе феноменологического подхода. При этом принимали допущение о том, что исследуемый материал является изотропным, обладающим равномерно распределенной по объему пористостью П„. При пластической деформации такой заготовки ее пористость изменяется вследствие увеличения или уменьшения объема, характеризующегося объемной логарифмической деформацией 6Х.

Величина локальной пористости в зависимости от объемной деформации определяется по формуле:

П = ( 6Х + П0)/( 5„ + 1).

С изменением локальной пористости должна изменяться и основная эксплуатационная характеристика ПСМ - проницаемость, т.к. при постоянном градиенте давления количество локально фильтруемого газа или жидкости определяется пористостью, а перепад пористости (и, следовательно, проницаемости) между краевой и донной частями вытянутой оболочки увеличивается с ростом начальной пористости листа Пс и степени вытяжки К.

Характер распределения локальной проницаемости и его соответствие локальной пористости исследовали на конических оболочках, отштампованных из листового ПСМ на. основе гладкой фильтровой сетки П60 (ГОСТ

9

3187-85). Распределение локальной проницаемости определяли по выделению пузырьков при продувке оболочек воздухом в воде и более точно с помощью электротермоанемометра. Характер изменения проницаемости по образующей конической оболочки соответствует характеру изменения пористости, которая увеличивается к сужающей части.

Анализ процесса гибки ПСМ, представленного в виде пластины, пронизанной в направлении фильтрации системой цилиндрических каналов одного диаметра, длина которых равна толщине пластины, позволяет получить качественную и приближенную оценку изменения проницаемости листового ПСМ. Считая деформированное состояние плоским, распределение деформаций сжатия на внутреннем слое по дуге изгиба линейным, получаем из геометрических соображений выражение для определения относительного изменения площади проходного сечения пор после гибки

К = 1 - г, • Ь/(2ЬЬ), (7)

где г, - внутренний радиус гибки; Ь - исходная толщина пластины; Ь -расстояние по дуге от точки сопряжения радиуса изгиба с участком другой кривизны до рассчитываемой точки; Ь - расстояние от вышеуказанной точки сопряжения до точки с максимальным значением деформации.

Экспериментальные исследования показали - уменьшение проницаемости при гнбке достигает 25%, а приближенная расчетная оценка дает качественное совпадение с экспериментом.

Результаты экспериментов по вытяжке осесимметричных оболочек и одноосному растяжению ПСМ позволили определить предельную степень вытяжки пористого сетчатого изделия по условию отрыва дна и по критическим деформациям расслоения материала (рис. 1).

. Влияние одноосного растяжения на изменение свойств пористых заготовок исследовалась совместно с Г.П. Полушкиным на листовых ПСМ толщиной Ьп= 0,5 мм при начальной пористости П0= 0,К0,55. Образцы подвергали растяжению на универсальной испытательной машине до остаточного относительного удлинения е < 0,15.

Анализ полученных-зависимостей показал, что с увеличением деформации растяжения ех возрастают проницаемость, средний и максимальный размеры пор, ухудшается тонкость очистки жидкости с помощью ПСМ. Полученные результаты можно объяснить тем обстоятельством, что в процессе пластической деформации происходит как увеличение расстояния между структурообразующими элементами в направлении растяжения, так и уменьшение диаметра проволок, воспринимающих растягивающее усилие. '

1.8

1.6

1.4

1.2

10

20

30

40 50 П0,7.

Рис. 1. Предельная степень вытяжки К,ф пористого сетчатого листа в зависимости от величины его начальной пористости П„; 1 - по отрыву дна; 2 - по расслоению материала при растяжении.

Влияние холодной пластической деформации сжатия в направлении толщины листа при прокатке изучали на заготовках ПСМ с пористостью от 0,1 до 0,4 из стали 12X18111 ОТ, Деформацию осуществляли на двухвалковом стане ДУО-700 с относительной степенью деформации 0 < с < 0,15.

Анализ полученных зависимостей позволил установить, что увеличение относительной деформации при холодной прокатке вызывает уменьшение относительного удлинения, размеров пор и удельного расхода воздуха при продувке ПСМ, а временное сопротивление разрыву возрастает. Уменьшение размера пор и проницаемости объясняется закрытием пор, а увеличение прочности и уменьшение пластичности происходит в результате наклепа металла и появления дополнительных концентраторов напряжений в местах контакта проволок сеток в ПСМ. Экспериментальное подтверждение изменения размера пор при операциях вытяжки, формовки и гибки, их количественный и качественный состав по образующей поверхности было получено с помощью сканирующего электронного микроскопа. Исследование фрактограмм различных участков поверхности отштампованных элементов из ПСМ дает полный анализ пор по линейным размерам, форме, их средней площади в виде таблиц и графиков.

В четвертой главе приведены результаты исследований влияния пластической деформации и конструкции сеток на обобщенные гидравлические характеристики пористых сетчатых материалов.

Создание лопаток с элементами пористого охлаждения для нового поколения высокотемпературных газовых турбин требует использования материалов, которые обеспечили бы стабильность и воспроизводимость гид-

равлических и тепловых характеристик оболочек лопаток в процессе изготовления и эксплуатации.

Оптимальными технологическими, механическими и гидравлическими свойствами для изготовления оболочек турбинных лопаток и фильтроэле-ментов обладает ПСМ, получаемый сваркой прокаткой металлических сеток, расположенных под углом 45° относительно друг друга, с квадратными ячейками.

При изготовлении ПСМ в процессе деформации изгиба проволока заполняет поры в соседних слоях сеток, и при довольно больших значениях с деформация брикета сеток осуществляется не только за счет заполнения пор проволокой сеток, но и в результате развития пластических деформаций металла сеток. Переход деформаций изгиба структурообразующих элементов в пластическую деформацию брикета сеток, при которой начинается деформация сплющивания проволок по всей длине, а не только в перекрестиях, характеризуется величиной есг. Для сеток с квадратными ячейками значение ссг вычисляется по формуле

еС[=(1-с1Л)(1-1/п), (8)

где с) - диаметр проволоки, (- шаг переплетения.

При с > есг ухудшаются однородность структуры и пластичность ПСМ, а также резко уменьшается проницаемость. Для максимальной воспроизводимости характеристик заготовки из ПСМ должны удовлетворять условию е<есг. Наряду с критическим значением есг введем понятие предельной степени обжатия Ее, при которой начинается закрытие пор и проницаемость пористой заготовки падает до нуля. Тогда при П = 0,1 (граница активного закрытия пор) получим величину вытяжки материала в направлении прокатки, равной 1,05. В этом случае величина С[ может быть определена из следующего выражения:

_ П„-0.055

~ 0,94 5 (9)

Из условия наилучшего описания опытных данных по коэффициенту проницаемости для а - эквивалентного гидравлического размера пор получена следующая зависимость

а = \а-{а- с1){с)1П -¿/(с)8], (Ю)

где с=с/с(.

Проведенные совместно с А.Ф. Поляковым и Ю.Л. Шехтером исследования коэффициента проницаемости ПСМ К из сеток с квадратными ачгйками позволили получить обобщенную зависимость при ламинарном течении ж-идкости в порах:

к = 0,351а - (а - с1)(с)2 3 - с1(с)8]4 / [I - (а - с!)(сГ3 - <1(с)6]2. •( 11)

Формула (11) при значения е < есг соответствует экспериментальным значениям коэффициента проницаемости для ПСМ с количеством сеток в интервале п = 5-15 из сеток с квадратными ячейками во всем исследованном диапазоне значений К от 10"12 м2 до 4-10"'° м2, полученных многочисленными исследователями.

Исследования проницаемости ПСМ проводились с использованием лазерного доплеровского анемометра для измерения скорости выдува воздуха через пористую оболочку. Результаты измерений показали, что оболочка из ПСМ, полученная пластическим деформированием и имеющая малый радиус кривизны, имеет равномерную проницаемость по всей поверхности.

В пятой главе представлена методика проектирования технологии изготовления из ПСМ фильтроэлементов, оболочек турбинных лопаток и бре-кетов. Разработка технологии начинается с технического задания (ТЗ) на пористый лист, которое формулируется с учетом ТЗ на изделие и технологию его изготовления. Используя базу данных на пористые сетки, имеющиеся результаты исследований в области прокатки ПСМ и штамповки, определяются диапазоны варьирования управляющих параметров, вычисляются предельные значения заданных свойств и сопоставляются с требованиями технического задания.

Если ПСМ удовлетворяют условиям ТЗ, то выбирают рациональную схему технологического процесса их и зготовления. На этом этапе проектирования определяют материал проволок, конструкцию брикета сеток, способ консолидации сеток, последовательность операций листовой штамповки и технологию соединения элементов конструкции.

Установление значений управляющих параметров предполагает вычисление соответствующих свойств путем перебора массива исходных данных н проверку выполнения технических требований на пористую заготовку. В случае, когда существует несколько вариантов технологических решений, обеспечивающих получение пористых заготовок с заданным комплексом свойств, оптимальные значения параметров предложено определять по максимальному значению межслойной прочности.

На этом этапе проектирования процессов формоизменения ПСМ устанавливают маршрутную технологию, вычисляют значения параметров листовой штамповки путем анализа соответствующих математических моделей и проверки выполнения условия работоспособности. Разработанная методика реализована при создании фильтров, обеспечивающих тонкость фильтрации при заданных гидравлических и прочностных характеристиках.

На основании исследований получена математическая модель процесса изготовления штампосварных фильтров с заданными свойствами. Результаты расчета показали, что требованиям ТЗ отвечает заготовка толщиной 0,5 мм, получения при относительном обжатии е = 0,45 в процессе прокатки сваркой 15 слоев сеток с размером ячеек а = 0,04 мм, под углом 45°.

Разработанный технологический процесс внедрен на предприятии НПО им. С.А.Лавочкина при изготовлении фильтров для агрегатов пневмо и гидросистем жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) для космических аппаратов «Фобос» и «Марс».

Разработан технологический процесс изготовления оболочек турбинных лопаток. С учетом жестких требований ПСМ по проницаемости, толщине оболочки, размеру пор, жаропрочности была выбрана в качестве исходного материала сетка из нихрома Х20Н80 с размером ячейки а = 120мкм, а изготовленная оболочка ТЛ имеет толщину 0.45мм, количество слоев сетки - 7, с относительным обжатием е = 0,55. Результаты прочностных и гидравлических испытаний ТЛ с оболочкой из ПСМ удовлетворяют ТЗ, а проведенные тепловые стендовые испытания на ОАО «Рыбинские моторы» показали работоспособность оболочки при 20000 оборотов в минуту. Проведенные в ИВТ РАН при участии автора испытания проницаемости оболочек с помощью лазерной анемометрии показали высокую равномерность выхода охладителя по контуру оболочки, что обеспечит ламинарность потоков газа по поверхности турбинной лопатки.

Разработан технологический процесс консолидации способом пайки прокаткой сплошного листа с квадратной сеткой из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т для изготовления брекетов, применяемых в стоматологии. На пластину толщиной 0,2 мм и сетку № 140 ГОСТ 3826-82 электрохимическим способом наносится слой меди, затем слой серебра. Толщина припоя находится II пределах 3-^-5 мкм. Процесс пайки прокаткой идет при температуре 1080 100 °С при степени деформации сетки в пределах е=45-^50%. Прочность соединения таким методом оказалась очень высокой, при дальнейшей вырубке из листа брекетов диаметром 3-^4мм расслоения сетки не наблюдалось. Эксплуатация брекетов в стоматологии в течение 3 лет показала их высокую прочность и работоспособность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 .Установлено, что на деформируемость и механические свойства ПСМ основное влияние оказывают геометрические параметры структурообразующих элементов пористых материалов, величина и скорость деформации, среда и температура консолидации проволок сеток. Установлены закономерности, описывающие влияние рассмотренных процессов на свойства получаемых оболочек из ПСМ, анализ которых позволил определить оптимальные значения реж имов пластического деформирования структурообразующих элементов в разработанных технологических процессах.

2. Показано, что допустимая степень деформации при получении листового ПСМ находится в пределах с = 0,35+0,6, так как при меньших деформациях происходит расслоение при штамповке, а при s > 0,6 резко уменьшается пластичность и происходит значительное нарушение равномерности распределения пор по объему.

3. На основе изучения механизма консолидации структурообразующих элементов показано, что одним из путей повышения межслойной прочности пористых элементов является высокотемпературная пайка в процессе вакуумной прокатки при температуре 1100-1150 сС" с использованием электрогальванических покрытий никелем и медью толщиной 3+5 мкм каждой. Повышение межслойной прочности достигается в результате увеличения площади контакта структурообразующих элементов, на которых произошло образование металлических связей.

4. Установлено, что в процессе листовой штамповки ПСМ увеличение размера пор происходит интенсивнее с увеличением исходной пористости заготовок и коэффициента формообразования при формовке, вытяжке и от-бортовке.

5. На основе установленных закономерностей пластического деформирования тканых сеток получена уточненная формула для расчета проницаемости ПСМ, которая является физически обоснованной зависимостью, включающей величину эквивалентного гидравлического размера пор, близкую к реальному геометрическому размеру пор.

6. Разработаны технологические процессы изготовления:

- фильтров с тонкостью очистки 10+12мкм для жидкостных ракетных двигателей; - бескаркасных фильтров с тонкостью очистки 100+130 мкм, используемых в ЖРД-170 и ЖРД-180 из'стали 12Х18Н10Т; - оболочки турбинных лопаток из нихрома для парогазовых высокооборотных энергетических установок;

- получение из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т пористых непроницаемых элементов для стоматологии.

Испытания и работа изготовленных изделий подтвердила их высокую работоспособность и надежность в эксплуатации.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1.Алексеев О.И., Стратьев B.K. Изменение пористости и проницаемости при гибке и вытяжке материалов на основе металлических сеток // Порошковая металлургия. - 1987. - №3. - С.21-25.

2.Некоторые проблемы реализации пористого охлаждения лопаток

ГТУ

/ А.Ф. Поляков, А.Ф. Третьяков, В.К. Стратьев и др. // Совершенствование схем ГТУ и ПГУ и их эксплуатация: -XLII Научно-техническая сессия М., - 1995. - С.46-47.

3.Кременский И.Г., Стратьев В.К. Вытяжка пористого проницаемого листа // Технология металлов. - 1998. - № 1. - С.6-8.

4. Структура и обобщенные характеристики оболочек из пористых сетчатых материалов / А.Ф. Поляков, В.К. Стратьев, А.Ф. Третьяков и др. // Известия РАН/Энергетика. - 2000. -№3. - С.78-87.

5. Третьяков А.Ф., Кременский И.Г., Стратьев В.К. Разработка процессов штамповки и сварки пористых материалов // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции - М., 1995. - В.24, ч.1. - С.62.

6. Третьяков А.Ф., Стратьев В.К. Механические свойства пористых сетчатых материалов на металлической основе // Четвертое собрание металловедов России: Сборник материалов. - Пенза, 1998. - Часть 2. - С.104-105.

7. Третьяков А.Ф., Кременский И.Г., Стратьев В.К. Технология изготовления штампосварных оболочек из пористых сетчатых материалов // Машиностроительные технологии: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции - М., 1998. - С. 115-116.

8.А.С. 1480256 (СССР). Способ изготовления оболочек / О.И.Алексеев, И.Г. Кременский, В.К Стратьев II Б.И. - 1989. - Бюл. № 4.

9.A.c. 1292875 (СССР). Способ вытяжки цилиндрических проницаемых оболочек / О.И. Алексеев, И.Г. Кременский, В.К. Стратьев // Б.И. - 1987. -Бюл.№ 8.

Ю.Патент 2089306 (РФ). Способ изготовления пористого листа /А.Ф. Третьяков, Н.И. Матурин, В.К. Стратьев и др. // Открытия, изобретения... -1997. - Бюл. № 25.