автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование теплофизических свойств слоистых металлических композитов с учетом структурных и конструктивно-технологических факторов

од

'. С" л о

' '' На правах рукописи

ПРОНИЧЕВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

Исследование теплофнзнческнх свойств слоистых металлических композитов с учетом структурных и конструктивно-технологических факторов.

Специальность 05.02.01 Материаловедение ( машиностроение)

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Волгоград 1998

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Трыков Ю. П.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Рубенчик Ю.И.

Кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Храпов A.A.

Ведущая организация Производственное объединение

«Ахтуба», г. Волгоград.

Защита состоится «_»___ 1998 г. в__часов, на

заседании диссертационного совета Д 063.76.02 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу 400066 г. Волгоград, птюспекг Ленина, 28, в аудитории 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_»_1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета , Кузьмин C.B.

JT"" ! «л! '

V.' '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Агогупльягсть темы

Повышение эффективности промышленного производства сопровождается ужесточением требований к эксплуатационным характеристикам создаваемых машин и оборудования. Для их реализации необходимо создание и внедрение новых конструкционных материалов, обладающих по сравнению с традиционно применяемыми материалами повышенными свойствами. Эта проблема наиболее эффективно решается применением слоистых композиционных материалов (СКМ), позволяющих наиболее полно реализовать свойства, присущие каждому из используемых разнородных металлов.

Очевидные преимущества СКМ поззоляют решать важные задачи промышленного комплекса - от создания материалов для массового производства в химической, электротехнической и др. отраслях до уникальных изделий авиационной и космической техники. Такие материалы используются при производстве электротехнических шин, тохоподводов, скользящих контактов, переходников трубопроводов, емкостей для хранения ггресеийных сред, композиционных теплозащитных элементов и покрытий и др.

Работа посзпщена исследованию теплофизическнх-харзктеристик слоистых металлических композитов и, а частности, слоистых шггерметаллиднмх композитов.

Диссертационная рг.сота выполнена в рамках гесудзрстпгинсй научно-технической программы «Конструкционные материалы со специальными свойствами (1990-1995 г.г.) и Гранта области фундаментальных исследований технологических проблем аэрокосмической техники и порошковой металлургии (1993-1998 г.г.) Министерства общего н профессионального образования РФ.

П ?л% плп^ты: установить закономерности изменения теплофнзических свойств слоистых металлических ком поз птоз (СМ К) в зависимости от структурных и конструктивно-технологических факторов и определить области их эффективного применения. ' -

Для достижения постгзлешюй цели рииемы спедугсгцмс задачи

1. Обоснована методика экспериментального определения теплофнзических спойстз слоистых композитов;

2. Разработана классификационная система, учитывающая влияние основных факторов на теплофизичсские свойства СМК;

3. Экспериментально определены значения коэффициента теплопроводности практически актуальных композиционных материалов;

4. Разработан новый класс композиционных материалов -слоистых интерметаллидных композитов (СИЮ, обладающих уникальными теплофиэическими свойствами:

5. Разработаны принципы оптимального проектирования конструкции и технологии получения интерметаллидных композитов,

6. Обоснованы области рационального применения СИК с разработкой необходимой'технологической документации.

Научная пони та:

1. Выделены и классифицированы основные структурные и конструктивно-технологические факторы, влияющие на теплофизичсские свойства СМК:

2. Экспериментально установлено. что теплопроводность слоистых композитов. полученных сваркой взрывом, значительно ниже (до 40 ра н ¡еп.юироьодности отдельно в'чш\ металлов или сплавов, составляющих композицию

3. Показано, что максимальной зффект снижения теплопроводноеги достигается в композитах из разнородных металлов, образующих при взаимодействии межд\ сооой диффузионные прослойки с резко отличающимися свойствами от свойств исходных компонентов, что позволяет изменением состава и толщины прослойки достигать заданною уровня теплофизических свойств С К" М

4. Разработаны научные основы оптимального проектирования изделий их СИК. предложена типовая схема технологического процесса, обоснованы области эффективного промышленного применения СИК.

Пр;и?гичсская нрнность работы состоит в том. ^»то впервые получены и систематизированы данные о теплопроводности слоистых металлических композитов, позволяющие расширить области применения лого класса композиционных материалов Установленная связь теплофизических свойств и конструктивно-те.хноло!ических факторов дает возможность разрабатывать технологические процессы и создавать с их помощью слоистые материалы с заданным коэффициентом теплопроводности. По заданию НИИ гелиевой техники (г Москва) разраишины

технологические процессы производства композиционных теплозащитных элементов. Изготовлена и поставлена ТОО «Контем», г. Москза партия тонколистового биметалла алюминий-тнтап и медь-титан, предназначенного для изготовления опытных антиобледенительных систем летательных аппаратов. Создан информационно-справочный документ «Технические характеристики слоистых интсрметаллидиых композитов», содержащий основные, включая теплофизические, характеристики созданного класса композитов и облегчающий процесс проектирования оборудования.

На защиту выгогатсп:

1. Классификационная система, связывающая теплофизические свойства слоистых металлических композитов с их структурой и основными конструктивно-технологическим!! факторами.

2. Результаты экспериментального исследования теплопроводности СМК в зависимости от характера взаимодействия компонентов и параметров технологических процессов.

3. Технологический процесс получения нового класса композиционных материалов - слоистых ннтерметаллидных композитов, обладающих уникальными теплофнзическими свойствами.

4. Основы оптимального проектирования изделий с использованием слоистых ннтерметаллидиых композитов.

Апробация одботы: По результатам выполненных исследований сделаны доклады на следующих конференциях. Научно-практической конференции студентов и молодых ученых Волгоградской области, 1994-1997 г.г.; Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", г. Москва, 1994, 1997г.; Международной научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин", Волгоград, 1996г., 1997г.; Ежегодной научной конференции Волгоградского технического университета, 1994-1998г.г.

Публикации:

По геме диссертации опубликовано 7 печатных ргбот з местных

и ценфальных изданиях. Структура рапотм:

Диссертация включает введение, четыре главы с обзором литературы, общие выводы, список литературы, приложение. Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы, 69 рисунков.

Ко;! 1 кое содержание работы

МетоОика исследования Как пока ила экспериментальная проверка, методы, основанные на существующих теоретических представлениях,!закон алди1ин>юс1и. модель тепловою удара, классическая модель теплопроводности) не позволяют достоверно рассчитывать теггдофпзичеекие характеристики слоистых композитов, полученных сваркой взрывом, и. тем более, многослойных интермсталлидных композитов, полученных сваркой вфывом с числом слоев свыше 510. Полом> в работе использован широко применяемый на практике экспериментальный метол монотонной) тепловою режима.

Исследования структуры и тенлофизических свойств слоиоих композитов прово,¡илист, на млериалах, [¡слученных сваркой взрывом или С помощью комплексной технологии, включающей сварку взрывом, прокатку и низко- и высокотемпературную обработку !)сз>Л1,1агы металло! рафических исслслсмший позволили получить для исследованных СКМ обобщенные данные о геометрических размерах и толщине диффузионных прослоек, зонах максимальною упрочнения и разупрочнения, их твердости и кинетики формирования в зависимое!и от темперапрно-вреченных у словий. особенностях поведения при обработке давлением Измерение теплопроводности проводи юсь на 2-, л-, 5-, 9- и 15-елойных образках из разнородных материалов, полученных с помощью указанных выше гсхполот ических процессов. на лабораторном измерителе И1-Л-400. предназначенном для определении температурной зависимости теплопроводности твердых. механически обрабатываемых материалов ь режиме монотонно; о тмтрсна Измеритель рассчитан на массовые теплофи ¡нческие измерения в лабораторных условиях.

Расчс! тегыовото соирот явления и теплопроводтюсти ттроичю.тплч по гпвеенты« формулам. учитывающим толщину образца. перепад гермоО Д (.'. » гонсфхктнвные посточгшые прибора Исследованные обра<цм имел;', формх диска диаметр«« !5 мм

и удовлетворяли требованиям, прппедешшм в документации на прибор.

Наряду с металлографическими и теплофизячесхими исследованиями в работе проводили также микромеханические испытания и на основе анализа полученных результатов определяли пути оптимизации структуры и состава СКМ.

Классаф:а:ация основных факторов, окяыаагзщпх слияние на теплопроводность слоистых композитов

Основные факторы, оказывающие влияние на теплопроводность СМК, были классифицированы по структурному и конструктивно-технологическому признаку. Предложенная классификационная схема учитывает изменение структуры и физико-механических свойств биметаллических соединений в состояниях после: а) сварки взрывом: б) сварки взрывом и низко- и высокотемпературной термообработки; в) сварки взрывом и прокатки: д) сварки взрывом, прокатки и низко- и высокотемпературной термообработки. К числу основных факторов отнесены зоны упрочнения н разупрочнения, сплошные слон оплавленного металла, образовавшиеся после сварки взрывом, и диффузионные прослойки, образовавшиеся после

высокотемпературного нагрева. Их структура и размеры зависят от физико-ысханнческнх свойств соединяемых металлов и параметров применяемых операции, кинетической энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию при сварке взрывом, степени обжатия и вида прокатки, температурно-временных условий термообработки после сварки или прокатки. В соответствии с применяемо"! методикой для сравнительного исследован^ теплопроводности СМК первоначально определяли значения коэффициента теплопроводности исходных материалов.

Как праз!1ло, евзрка взрывом приводит к практически равномерному упрочнению по толщине соединяемых материалов и наиболее интенсивному повышению твердое™ в околошовной зоне (ОШЗ) - так называемой, зоне максимального упрочнения (ЗМУ).

При сварке закаленных сталей и термоупрочненных сплавов в ОШЗ могут возникать зоны разупрочнения вследствие высоких температур, реализуемых за счет локального тепловыделения в процессе пластической деформации соударяющихся поверхностен. Поэтому при определении теплопроводности таких биметаллов учитывался локальный разупрочняющий эффект сварки взрывом

Как известно, термообработка в виде отпуска 1(ли отжига способствует уменьшению взрывного упрочнения, повышению стабильности механических свойств, "улучшешао" структуры

к

биметалла и в большинстве случаев приводит к 1.5-3- кратному снижению твердости образовавшихся при сварке оплавов. В меньшей степени этот эффект проявляется в композициях со сложным видом взаимодействия - образованием твердых ограниченных растворов и химических соединений, в большей степени - при образовании неограниченных твердых растворов. Поэтому изменения теплопроводности исследованных образцов после термообработки связывали с изменением параметров ЗМУ, стабилизацией структуры и перераспределением остаточных напряжений образовавшихся при сварке взрывом

Высокотемпературные нагревы сваренных взрывом

композитов могут приводить к образованию в ОШЗ сложных диффузионных прослоек с повышенной твердостью и структурой в виде твердых непрерывных или гираниченнмх растворов и химических соединений, которые в большинстве случаев влияют на фшико-м'.ланнчсскис свойства композитов, ii опытах в •зависимости oi параметров термической обработки максимальная толщина образующихся прослоек для различных композиции достигала -0,4 мм, а минимальная - 0,006 мм Реализация необходимой толщины диффузионных прослоек известною состава обеспечивалась выбором соогвстетвующил (»сжимов (ерми'"'скои Обработ ки

. . Максимальной твердостью в МК.ЧМЗООО МПа обладали диффузионные прослойки в композициях из так называемых ><трудносвариваемых» разнородных металлов: ниам-ст.иь. алюминий-сталь, медь-алюминии и др.

Холодная прокатка" существенно изменяла механические свойства и ctî"'ktvdv СМК и. в частности, н 1.3-1.7 раза уменьшала размеры ЗМУ, что также отрешалось на тсплофизических свойствах композиции Естественно. цю исследующая стабилизирующая гермообрабо1ка. понижая степень механической и физической неоднородности, улучшала сгрумуру и пластические свойства и, как результат, влияла нп теплопроводность СМК Конечный эффект зависел, как oi «истории« пагружения пои обработке давлением, так и 01 свойств исходных четадзов.

Разработанная на кафедре металловедения Волг! ТУ комплексная технология использовалась для получения mhoiослойных композитов с интерметаллидными слоями, толщина которых в некоторых и них была соизмеримой с толщиной М| и М;. Для их создания применяли длительные высокотемпературные нагревы, способствующие протеканию интенсивных диффузионных процессов н образованию диффузионных прослоек, твердость которых в 3-9 раз превышала твердость исходных материалов а

структура соответствовала слогсным нитерметаллидным

соединениям. Такие композиции характеризуются наибольшим градиентом твердости основных н интерметзллцдных слоев. Поскольку этот класс композитов представляет большой научный и практический интерес, то ранее обнаруженные их уникальные жаропрочные свойства позволяют предиоло;кнть возможность нетрадиционного изменения и их тенлофизических свойств.

Ргзулътпатглг исследования теплопроводности слоистых металлических ко/лптшпаа

Результаты исследования теплопроводности различных композиционных материалов з состоянии после сварки взрывом и термической обработки получены в виде температурных зависимостей коэффициента теплопроводности от температуры измерения отдельно для кагсдого СМК, а сами композиты систематизированы по виду взаимодействия компонентов и разделены из три группы:

1. Теплопроводность композитов 1 группы, в которых не образуются химические соединения и твердые растворы, определяли на биметаллических образцах из сочетаний алюминий АД И алюминий АД1 и медь М1 * молибден. Значения коэффициента теплопроводности а состоянии после сгзркп взрывом в диапазоне температур испытаний 50 до 400 "С для АД1+ЛД1 составляет 6-5,3 Вт/(м К). Отаиг этой композиции при температуре 500 °С в течение 30-120 мкм привел к уменьшению толшииы ЗМУ с 40 до 5 мкм н росту тгплопроводпеоти пропорционально разупрочнен::ю ЗМУ. Так, после нагрела при 509 "С в течение 3 часов ко~фф!!цке:гт л. составил 8-7,5 Вт/(м К), что 1,3-1,4 рагл больше Я в состоянии после сварки взрывом. .

Как еидко из р:;с I, при толщчие ЗМУ ПО, мкм теплопроводность медно-нолнбденоЕой композиции после СВ составляет 5,5-5,С Вт/(м К). Последующая термообработка этой кияпозиции-проводилась на двух, режимах; первый из которых (270 'С, 30 мин.) пригел к разупрочнению меди, а второй (900 "С, 30 мин) - молибдена. Температурная зависимость показываег.

что термообработка вызывает рост ггялопроподност:) до 6-5,4 Вт/(м К) после 1-й операции н до 6,5-5,6 - после второй.

2. Представление о температурной зависимости теплопроводности КМ ¡гз разнородных материалов, взаимодействующих с образованием твердых растворов, .иллюстрируется данными, полученными для композиций алюминий

К!

АД1 + циик Ц1 и мель М1'+ счаль 12XI8H10T. Теплопроводность композиции АД1 + Ц1 в состоянии после снарки взрывом составила 3,9-3,7 Вт/(м К) при толщине ЗМУ 5-12 мкм, а М1+сталь - 1,0-0.5 Вт/(м К) при толщине 19Ü мкм. Термообработка композиции ДД1 + Ц1 (рис. 2) при 350 "С в течение 30 к 480 мин и М! -сталь 12Х18Н1 ОТ - при 600 °С в течение 30 и 800 "С в течение 60 и 480 мин привела к повышению теплопроводности в первом случае до 4,9-4.0 Вт/(м К) н до 4,5 - 3,8 Вт/ (м К ) во втором. то есть в 1.2 м 7 раз. соответственно. Однако,' если теплопроводность медно-сталыюй композиции монотонно повышалась с ростом разупрочнения, то образование » алюминиево-цинкокой композиции прослойки твердых растворов толщиной 7-10 мкм после термообработки при 350 "С."» течение 480 мин привело к снижению к до 1,8-1,3 Вт/(м К), го есть в 2-2,8 раза Таким образом, полученные данные свидетельствуют о значительном влмнии .на теплопроводность зон максимального упрочнения, образовавшихся при СВ. -

3. "1 еплопроводность композитен 111 группы, для которых характерно образование на границе раздела разнородных металлов химических соединений, исследовали на образцах из сочетаний медь М1 *- алюминий АД1. медь Mí ' цинк Ll¡ и алюминии .АЛ> магний МА2-1. Из-за техчетния систематически;-. данных первоначально экспериментально "или определены зависимости толщины диффузионных прослоек лот температуры и времени термической обработки Как видно, толщина ишоыек ь исследованных композициях зависит oí параметров i О и изменяется в пределах 10-60 мкм в комнпзипииАЛ)~М i 5-400 mkví -вМ1гЦ1 и 3-90 мкм- в АД1+.Мл2-1(рнс.З)

Измерение теплопроводности проводили на образцах t фиксированной толщиной диффузионной прослойки. Анализ резупьтаюв измерения теплопроводное ги образцов показал, что рост толщины диффузионных прослоек сопровождается снижением коэффициента X ь 1.75-3 раза в композиции МЬАД1. в 2-3 раза с МНЦ1 и в 1.4-2,8 pató - u AJU *MA2-i. Характер темпера гурнои зависимости коэффициента теплопроводности сохраняется неизменным по мерс poeiа температуры измерения

Таким образом, диффузионные прослойки в композитах Ш группы играют роль своеобразных «тепловых изоляторов»

Влияние холодной прокатки на величину >. изучено на композитах AJH+M1 и М! -Ц!, сваренных взрывом на режимах, обеспечивающих прочное соединение без оплавления Биметалл MI <Ц1 был поокатан вхолодную при изменении обжатий их 1Ь 7 л„-

и

85% за 1-4 прохода, соответственно. Последующий нагрев при 500 °С в течение 180 мннут привел к образованию диффузионной прослойки толщиной 50 мкм.

Как видно из рис. 4, прокатка с большим обжатием вызывает замедление диффузионных процессов. При этом толщина прослойки, полученной при одинаковой температуре и времени выдержки, уменьшается с ростом обжатия. Для измерения теплопроводности были подготовлены образцы в состоянии после сварки и прокатки за 1-3 прохода с суммарным обжатием, соответственно в 26,7: 75; и 76,6%. Толщина диффузионной прослойки • составляла 50 мкм. Опыты показали, что с ростом • обжатия и уменьшением толщины композита теплопроводность снижается.

Влияние дискретных интерметаллидных включений на теплопроводность СМК исследовали на биметалле медь-алюминий. Для этого биметаллические пластины с интсрмсталлмднымп прослойками толщиной 50 мкм прокатывали за несколько проходов, что позволило уменьшить их относительную протяженность со 100 до 90, 80 и 70%. Как видно из рис.6, увеличение протяженности границы соединения, свободного егг интерметаллидов, приводит к росту теплопроводности композита. Такая зависимость представляется очевидной, поскольку, как показали металлографические исследования, нз участках между осколками раздробленной диффузионной прослойки формируется при прокатке прочно-плотное соединение между М1 и АД1.

Особый интерес представляют результаты исследопгигнл теплопроводности 3-, 5- и 15-слойных интерметаллидных композитов с чередующимися слоями титана и стали. Полученные сваркой взрывом на оптимальном режиме (V, = 1800-2000 м/с; Ус = 420-450 м/с) многослойные заготовки суммарной толщиной от 3 (3-слойные) до 15 (15-слсйные) мм были прокатаны на листы толщиной 1,5 мм и затем подвергнуты нагреву при 1000 °С в течение 30-480 мин. За счет термообработки и увеличения числа границ соединения с 2 до 14 суммарная толщина интерметаллидных прослоек состсянла 5-30 мкм в 3-слойной композиции и 60-200 мкм - в 15-слойной.

Из представленной на рис.7 зависимости Я. = ^5) для 3, 9 и 15-слойных композитов видно, что коэффициент теплопроводности снижается с ростом толщины диффузионной прослойки. К снижению теплопроводности приводит и увеличите числа границ -соединения при одинаковой суммарной толщине прослоек в 3-, 9- и 15-слойных композитах.

Таким образом, созданный с помощью комплексной

технологии слоистые интерметалл ид пые композиты, обладающие низкой теплопроводностью и свляющиеся по существу «тепловыми изоляторами» в сочетании с ранее полученными данными об их высокой жаропрочности, являются перспективными конструкционными материалами для высоконагруженны х в термическом и саповом отношении конструкций.

Практическая реализация результатов исследования

На заключительном этапе разработаны основы оптимального проектирования изделий из многослойных, включая интерметаллидные, композитов, определены перспективные области их промышленного применения и созданы многослойные детали и узлы, изготовленные с применением СИК. В общем случае схема процесса проектирования СИК включает следующие операции:

1. . обоснование конструкции и состава композита, отвечающего эксплуатационным требованиям;

2. расчет оптимальных параметров СВ;

3. определение требуемого уровня теплопроводности материала;

4. выбор по.известной зависимости необходимой толщины диффузионной прослойки, обеспечивающей заданный уровень теплопроводности;

5. назначение оптимального режима ТО для реализации требуемой диффузионной прослойки,

6. составление технологической документации (ТУ, ТИ, ВТУ

я т.д.).

По заданию НИИ гелиевой техники (г. Москва) разработана конструкция и комплексная технология изготовления

композиционных теплозащитных изделий, в которых, за счет заполнения в каналов циркуляции низкотемпературной средой, реализованы преимущества активных тепловых элементов, а за счет применения СИК, - преимущества пассивных элементов. Разработанная технология предусматривает сварку взрывом биметаллических заготовок М1+АД1 с предварительно нанесенной на поверхность заготовок по форме каналов циркуляции противосварочной пасты, раздутие каналов закачкой жидкости высокою давления и ВТО с целью создания диффузионной прослойки требуемой толщины. Параметры технологических операций и выбранные толщины диффузионной прослойки обеспечиаают реализацию коэффициента теплопроводности на заданной уровне

Теоретически обоснована и экспериментально определена возможность перераспределения и стабилизации температурного поля при воздействии неравномерно распределенного теплового потока за счет большей разницы в теплофизических свойствах основных слоев и околошовной зоны, включающей ЗМУ и диффузионные прослойки. Так, за счет более высокой скорости распространения теплового потока вдоль границы, соединения по сравнению со скоростью этого потока через границу раздела слоев . композит АД1+М1 имеет более низкий коэффициент теплопроводности в 3 Вт/(м К) при толщине прослойкибО мкм по сравнению со значениями для М1 и АД1, равными, соответственно, 390 н 230 Вт/(м К). Такие материалы перспективны для производства теплозащитных экранов, нагревательных, элементов, теплоизоляционных покрытий различного назначения и др.

Совместно с ТОО "Контем", г. Москва разработано два варианта получения тонколистовых биметаллов медьМЗ+титановмй сплая ОТ-4 и алюминий АД1+тнтановмн сплав ОТ-4: а) сварка взрывом биметаллических заготовок толщиной 1.5 мм; б) сварка взрывом биметаллических заготовок толщиной 8 мм с последующей холодной прокаткой на листы толщиной 1,5 мм. В результате нагревов до 600 "С определены закономерности роста диффузионных прослоек и на их основе даны соответствующие рекомендации по оптимизации - теплофизических сзойств полученных СИК. Их опытные партии поставлены Воронежскому авиационному заводу для отработки конструкции н изготовления аитнобледенительных узлов титановых воздухозаборников летательных аппаратов. ,

Для повышения эффективное™ и ускорения промышленного внедрения рззработана научно-информационная документация в виде "Технических характеристик слоистых интерметаллидных композитов", позволяющая определять теолофизические „ характеристики разработанных практически актуальных СИК, а так :ке назначать оптимальные режимы технологических процессов для их реализации.

Практическая полезность данной документации подтверждена отзывами Всероссийского кзучно-исследовательского и конструкторско-технологического института оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности (г. Волгоград) и Государственного предприятия Волгоградский инженерный центр по новым материалами технологиям упрочнения "Ресурс"

I

и

Зависимость коэффициента теплопроводности конпожцки М1+молиоден от температуры измерения

X

1. после СБ;

2. ТО при 275 °С в течении 30 мин;

3. ТО при 900 С в течении 30 мин

Рис. 1

Зависимость коэффициента теплопроводности композит ш АД] f Ц1 от температуры ишерсния

Л

Вт/(м К) 4

3 2

1

0 t 50 150 250 350 АС

1. после СВ;

2. ТО при 350 С d течении 60 ни

3. то же в течении 480 мин

Рис. 2

Згтлютдостъ тоицины диффузионной проеяоГтки в кемпэкггэт ЛД1+1.1А2-1 от Ерсиапг выдгряжи при тер13кгской обработке

1 - ТО птн 150 "С;

2 - ТО пти 250 Ъ

3 - ТО г-рп 400 °С

Рис. 3

зезиснмэсть козффицниггз тсггг0пр030^?0ст!1 шпяюзэцни АД1+ма2-1 в разянчтьп ссстоясггх от тслпгрзтуры катьггггаа

1-012а (поегг СВ); ^

2-50 иад 3 - 90 кга.

Рис.4

Зависимость коэффициента теплопроводности композита медь- от температуры измерения

Сепеш, деформации при прокатке

1 О0/» (после СЕ);

2 - 26,7%;

3 - 65%;

4 - 76,6%

Рис. 5

Зависимость кс}фф*щиента теилопроьидиистп ки~пП1 шI<. ьлыминз!н-мед;> с различной стеиенък' лроолегаы шгтгрметал-ищяон

X от температуры испытания

1,2,3 - ^0%, Е0%, 90'/» китермрташщдоь

Ряс. 6

Згвисзслость коэффициента теплопрезо^ости СЗК сталь 08от1-ВТ1 -О ст тежгрзтуры ишьягтаз

А

1 ■ ■

Г -JL — 3 -

—H 1 ! Ф-" '7 6 5 — р г i ц..

50 1С0 150 200 253 303 3Í3

"с

1 - трсгсл;Гт2,:й кг: тзэ~гт с прослойкой 17 ьжл;

2 - то JSC, 29 isas;

3 - дезот:глспнъз1, 51 г.™.*;

4 - то 85 trsx,

í - гттт cvoisT- ï - "с. ft rv-*, 120 егдг; б - то -'-г, 200 r=ai

Общие выводы

1. Для определения областей эффективного промышленного применения впервые соианных в ВолгП'У слоистых интерметаллидных композитов (СИК), представляющих собой новый йласс конструкциогчых материалов, в настоящей работе обоснована важность изучения теплофизических свойств практически актуальных СМК. полученных с использованием сварки взрывом. выделены и систематизированы основные факторы, влияющие на тенлофизическис характеристики СМК. существующие представления о диффузионных процессах в разнородных соединениях развиты и дополнены результатами специальных исследований. предложена классификационная система, связывающая коэффициент теплопроводности СМК и СИК с основными конорч'кжвно-технологическими' - фак. рами, экспериментально исследованы >еплофизические свойств;! биметаллических и многослойных композитов; сформчдиповлны принципы оптими)ации. разработан;! технологическая документация и созданы новые композиционные материмы и изделия с заданными механическими и тгплофизическими характеристиками

2. Впервые разработана классификационная • система, связывающая теплифи^ические свойства слоистых композиционных магериалов(СКМ) с основными структурными и конструктивно-тсхнологичсскими факторами, формирующимися на различных этапах применяемых операций: сварки взрывом, стабилизирующей термообработки, высокотемпературных нагревов, холодной прокатки и комплексной технологии, включающей перечисленные операции.

3. Выбранные дли исследования практически актуальные СКМ включают различные сочетания промышленных металлов и сплавов, характеризующиеся, а) отсутствием взаимодействия между собой, б) образованием неограниченных твердых растворов, в) образованием ограниченных твердых растворов, г) образованием химических соединений с высокой твердостью.

4. Установлено. что в состоянии после сварки взрывом исследованные композиты независимо от способа взаимодействия

компонент обладают теплопроводностью в 20-40 раз меньшей по сравнению с теплопроводностью исходных материалов, что обуславливается влиянием ЗМУ, образовавшихся при сварке взрывом и выполняющих роль запирающих слоев при передаче тепла через границу соединения. Выявленные закономерности подтверждены результатами исследования теплопроводности композитов, компоненты которых не взаимодействуют между собой или образую твердые растворы. Последующая термообработка, способствующая устранению ЗМУ, приводит к увеличению коэффициента теплопроводности пропорционально степени разупрочнения ОШЗ.

5. Для определения теплопроводности СКМ, компоненты которых образуют химические интерметаллндные соединения, исследована кинетика диффузионных процессов, что позволило в дополнение к известным данным получить достоверную количественную информацию о закономерностях формирования диффузионных прослоек в широком темпера гурно-временпом дняпаюче нагревов и связать их с теплопроводностью соответствующих композитов. Установлено, что диффузионная кпгермсталлидная прослойка обладает крайне низким коэффициентом теплопроводности н является. по существу, тепловым изолятором. . ¡'еп.'лчруемое изменение толщины прослойки позволяет в широких пределах варьировать коэффициентом теплопроводности.

6. Холодная прокатка биметаллических и многослойных' СКМ. подученных сваркой взрывом, снижает их геплопроводнос1ь пропорционально степени деформации вследствие .повышения структурной и механической неоднородности соединяемых металлов.

Процесс прокатки СИ К ¡ючг.оляет не только повышать их механические езой.егвз за счет залечивания .•¡окадышх дефехто» •:».арки. но и расширять диапазон регулирования их теидофизических характеристик.

7 Сварка взрывом и сочеошзн с родственными технологиями, позволяет создавать новые конструкционные материалы - слоистые . интерчеталлидиые композиты, обладающие уникальным сочетанием физнко-мсханическлх свойств. Сформулированы основные принципы их оптимального проектирования и шготовления, тнволяющие получап. и »делил с заданным уровнем свойств, а также ос.шестнлять их «онгролмрусмое регулирование варьированием основных параметров применяемых- операций: чнергин плаинчесюй деформации при сварке взрывом, гемиденуры и вре-'ои! стабилизирующей и мсскотгмпсрагурнэй

термообработки, количества проходов и степени обжатия при прокачке и др.

8. По заданию НИИ гелиевой техники, г. Москва разработана конструкция и / комплексная технология изготовления композиционных теплозащитных изделий, в которых за счет заполнения каналов циркуляции низкотемпературной средой реализованы преимущества активных тепловых элементов, а за счет применения СИК, . - преимущества пассивных элементов. Разработанная технология предусматривает сварку взрывом биметаллических заготовок М1+АЛ1 с предварительно нанесенной на их поверхность по форме каналов циркуляции про, иносварочной пасты, раздутие каналов закачкой жидкости высокою давления и ВТО с для создания диффузионной прослойки требуемой толщины. -

-Параметры технологических операций и выбранные толщины диффузионной прослойки обеспечивают реализацию коэффициента теплопроводности на заданном уровне.

Совместно с ТОО "Контем", i Y Москва разработано дм варианта получения тонколистовых биметаллов МЗ+ОТ-4 и АД1+ОТ-4: а) сварка взрывом биметаллических -заготовок толщиной 1,5 мм; б) сварка взрывом биметаллических листов толщиной 8 мм с последующей холодной прокаткой на листы толщиной 1,5 мч. Их опытные партии поставлены Воронежскому авиационному завол\ для отработки конструкции и изготовления шпиобледенительных узлов титановых воздухозаборником летательных аппаратов

9. Для повышения эффективности и ускорения промышленного внедрения слоистых интерметаллшшых композитов разработана научно-информационная документация в виде "Технических характеристик слоистых интерметаллшшых композитов", позволяющая определять тенлофизичсские характеристики СИК, и назначать оптимальные режимы применяемых технологических операций.

Практическая полезность данной документации подтверждена огзына.ми Всероссийского научно-исследовательского и конструкторско-технологического института оборудования нефгеперерабатываюшей и нефтехимической промышленности '.г. Волгоград) и Государственного п[>едприятия Волгофадский инженерный центр по новым материалами технологиям упрочнения "Ресурс".

Основное содержание работы изложено в публикациях:

1. Структура и свойства слоистых- интсрмсталлидных композитов / 1 рыков Ю.П., Проничев Д В.. Ярошенко А.Г1, Ткачев Р К". " Сварочное производство.- JV9" - .М-7 - с.5-8.

2. Слепокуров H.A., Прспнчгз Д.З., Трыкоз Ю.П. Тсплофизические свойства композиции алюминий-медь.// Металловедение и прочность мзтеряалоз: Метвуз. сб. научн. тр. -Волгоград, 1991.- с.92-97.

3. Теплофнзнческие свойства слоистых интерметаллидных композитов/ Трыков Ю.П., Проничев Д.В., Ярошенко А.П., Ткачев Р. К.II Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность детален машин: Сб. научн. тр. - Волгоград, 1996. -с. 58-59.

4. Влияние • разупрочняюшей термообработки на теплопроводность слоистых композитов / Трыков Ю.Л., Проничев Д.В., Ярошенко А.П., Ткачев Р.К. // Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Сб. научн. тр. -Волгоград. 1997 - с 18-19

5 Трыков Ю.П., Ярошенко А.П., Проничев Д.В. Оптимизация конструкции и технологии изготовления композитов с учетом напряженно-деформированного состояния/ Новые материалы и технолог ни: Российская науч.-техн. Конф.. тезисы докладов,-Москва, 1994,- с. 180

6. Трыкоз Ю.П., Проничев Д.В. Структура и свойства слоистых интерметаллидных композитов' Новые материалы и технологии, Российская науч -гехн конф., тезисы докладов. -Москва. 1997 - с.98

7. Проничев Д В. Теплопроводность ннтерметаллнднич композитов Al-Cu и Cu-Zii ! Тез локл Научн-практич Конф студентов и молодых ученых Волтградекой области Со научи статей- Волгоград, )W7 с 5?-5б

Личный вклад am opa

В работе /!/ авшром нре.ыожени основные принципы, кдг-ссифнкании факто[юв. окашвакчпич влияние на-теплопроводностъ слоистых металлических кочпо ш юн В работе 2/ обоснован р.ыбор методики 'женеричешальных исследований результаты проведенных экспериментальных исследовании теплопроводности слоистых металлических композиционных материалов, изложены положения классификационной системы, связывающей теплофизические характеристики СМК и копструктивно-технологическнс факторы, связанные , с их производством В работах '3-7/ изложены результаты проведенных автором исследований теплопроводности ряда практически актуальных материхзов.

Подписано в печать 13.05,38 г. Формат 60 х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0.

Уч изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №382 Бесплатно.

Волгоградский государственный технический университет 400066, г. Волгоград, просп. Ленина. 28

Типографии Волгофадского государственного технического университета.

400066. г. Волгоград, ул. Советская, 35