автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка технологии диффузионной сварки титанового выпускного окна ускорителя электронов

На правах рукописи

БАЛБЕКОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ТИТАНОВОГО ВЫПУСКНОГО ОКНА УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ

Специальность 05.02.10- Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ОКТ 2013 005533916

Москва- 2013

005533916

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель Пешков Владимир Владимирович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»;

Официальные оппоненты: Конкевич Валентин Юрьевич,

доктор технических наук,профессор, главный научный сотрудник ОАО «Всероссийский институт легких сплавов»;

Третьяков Анатолий Федорович, доктор технических наук,профессор кафедры «Технология и обработка материалов» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Ведущая организация: «Воронежский механический завод» — филиал

ФГУП «ГКНПЦ имени М.В. Хруничева».

Защита состоится «24» октября 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.110.05 в МАТИ РГТУ им. К.Э. Циолковского по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. За. 523 А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАТИ.

Отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3.

Автореферат разослан «23» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Палтиевич А.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных энергетических установках для вывода пучка ускоренных электронов в атмосферу или в газ повышенного давления используют выпускное окно, состоящее из тонкой фольги, вакуумшютно закрепленной между опорными решетками.

На сегодняшний день актуально применение титановых выпускных окон, так как данный материал обеспечивает конструкции высокую прочность, надежность и выносливость при одновременном снижении ее массы и повышении устойчивости к действию электронной бомбардировки, что, в свою очередь, обеспечивает сохранение свойств выпускного окнапри эксплуатации. При этом титановая фольга обладает большей электронной прозрачностью, по сравнению с алюминием и лавсановой пленкой, получившими распространение при изготовлении выпускных окон ускорителей электронов.

Перспективным процессом для создания тонкостенных слоистых конструкций является диффузионная сварка, которая, применительно к выпускному окну ускорителя электронов, позволит повысить такие характеристики, как надежность, прочность и герметичность соединения фольги с опорными решетками, а также теплопроводность и пропускную способность конструкции в целом, по сравнению с используемыми в настоящее время способами соединения заготовок выпускных окон (механическим - через резиновые уплотнители болтами, винтами, зажимами и т.д., или пайкой).

Исследованиям в области диффузионной сварки посвящены работы таких ученых, как Н.Ф. Казаков, ЮЛ. Красулин, Э.С. Каракозов, Р.К. Мусин, J1.C. Киреев, В.П. Алехин, А.Ф. Третьяков, A.B. Люшинский, В.В. Пешков и др. Однако следует отметить, что, несмотря на достигнутые успехи в области исследования процесса диффузионной сварки титана и титановых сплавов, современный уровень знаний не позволяет осуществлять выбор технологических параметров режима сварки тонкостенных слоистых конструкций с нахлесточным типом соединения и прогнозировать с достаточной точностью свойства диффузионно-сварных конструкций, в том числе рассматриваемой нами конструкции выпускного окна ускорителя электронов.

Поэтому тема диссертации является актуальной.

Цель н задачн.Целью настоящей работы является разработка технологии диффузионной сварки титанового выпускного окна ускорителя электронов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- получение количественных зависимостей, отражающих развитие физического контакта, в условиях высокотемпературной ползучести при диффузионной сварке титана с учетом технологических параметров процесса (температуры, давления, времени, подготовки свариваемых поверхностей, исходной микроструктуры заготовок, скорости нагрева) и установление закономерностей влияния вышеперечисленных технологических параметров сварки на процесс и качество диффузионного соединения;

- исследование закономерности формирования напряженного состояния и развития деформаций в зоне контакта титановых решеток со стальной технологической оснасткой;

- исследование процесса развития деформации в условиях диффузионной сварки, титановой фольги с пластинчатой микроструктурой, находящейся между заготовками из сплава с глобулярной (равноосной мелкозернистой) структурой;

-разработка технологии, выбор режимов и оборудования для диффузионной сварки титанового выпускного окна ускорителя электронов и определение свойств полученной конструкции.

Методы исследования. Эксперименты проводили на серийно выпускаемых сплавах ВТ 14, ОТ4, ВТ5, ВТ6. Для решения поставленных задач использовали методы математического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных; микроструктуру и топографию разрушения сварных соединений и основного металла изучали с помощью оптической и растровой электронной микроскопии.Свойства сварных соединений определяли механическими испытаниями образцов-имитаторов.

Научная новизнаЛоказано, что при диффузионной сварке в качестве интегральной характеристики кинетики развития физического контакта в процессе высокотемпературной деформации микровыступов целесообразно использовать параметр I*, имеющий размерность времени, отражающий динамические свойства процесса и являющийся функцией температуры, давления, микроструктуры материала и микрогеометрии поверхности.

На основании проведенных исследований формирования напряженного состояния и развития деформаций в зоне контакта титановых решеток со стальной технологической оснасткой в условиях диффузионной сварки установлено влияние относительной толщины свариваемых заготовок на процесс их контактного упрочнения.

В условиях диффузионной сварки выпускного окна ускорителя электронов математическим моделированием установлены закономерности развития высокотемпературной деформации титановой фольги с пластинчатой микроструктурой в зависимости от ее относительной толщины в зоне соединения и приложенного давления.

С учетом развития высокотемпературного эффекта автовакуумирования сформулирован принцип проектирования пневмомагистрапи для диффузионной сварки тонкостенных конструкций, заключающийся в размещении внутри пневмомагистрали газоадсорбирующего вкладыша, выполненного в виде титанового патрубка.

Практическая значнмость.Определены численные значения коэффициентов уравнения для вычисленияпараметра!* для серийно выпускаемых титановых сплавов (ОТ4, ВТ5, ВТ6 и ВТ 14) при сочетании микроструктур свариваемых заготовок (крупное зерно с крупным; мелкое зерно с мелким; крупное зерно с мелким), в интервале температур от 800 °С до 1050 °С, позволяющие определять режимы диффузионной сварки.

Получено выражение, позволяющее определить с учетом коэффициента упрочнения давление, необходимое для сварки титановых заготовок с глобулярной микроструктурой, находящихся в стесненных условиях.

Получены номограммы, с помощью которых возможно прогнозировать величину относительной площади контакта, образующегося в процессе предварительного нагрева в зависимости от скорости нагрева, прикладываемого давления и микроструктуры свариваемых заготовок.

Предложена система обеспечения вакуума установки диффузионной сварки, включающая пневмомагистраль, с коаксиально размещенным внутри вкладышем. Получены соотношения, позволяющие определить геометрические параметры вкладыша (диаметр и длину), обеспечивающие предотвращение проникновения активных газов из пневмомагистрали в зону сварки при заданной температуре.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: Пути инновационного развития» (Курск, 2011); XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых: «Современные техника и технологии» (Томск 2011); XV Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2008» (Курск, 2008); Международной научно-практической конференции: «Славяновские чтения» (Сварка - XXI век) (Липецк, 2009); Ежегодных профессорско-преподавательских научно-технических конференциях ФБГОУ ВПО «ВГТУ» (2006-2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14научных работ, в том числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 10 патентов РФ, основные научные положения и результаты работы изложены в центральных российских изданиях. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат следующие результаты: [1, 20, 21] - обсуждение физической постановки задачи; [2-4] - проведение экспериментов, анализ и интерпретация полученных данных; [5, 22, 24] - проведение экспериментов ифракгографических исследований, построение и обработка кинетических кривых развития относительной площади контакта; [6, 7, 9] - формулирование постановки задачи, проведение экспериментальных исследований и получение аналитических выражений сюэростей ползучести рассматриваемых сплавов; [8] - проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ полученных результатов; [23] - обсуждение и интерпретация результатов математического моделирования.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка литературы, включающего 105 наименований. Текст диссертации изложен на 160 страницах, содержит 62 рисунка и 2 таблицы.

Автор выражает искреннюю благодарность за систематические консультации и методическую помощь кандидату технических наук Булкову Алексею

Борисовичу, доктору физико-математических наук, профессору Батароиову Игорю Леонидовичу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, определена новизна и практическая ценность результатов работы, приведены данные об апробации работы.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных изготовлению выпускных окон ускорителей электронов и подобных конструкций, приведены известные конструкции, технологии их изготовления и применяемые материалы. Обоснована перспективность применения титановой конструкции выпускного окна, изготовленной диффузионной сваркой.

Рассмотрены работы, связанные с диффузионной сваркой слоистых титановых конструкций со сверхтонкими элементами. Анализ литературных источников свидетельствует, что при диффузионной сварке титановых сплавов с низкоинтенсивным силовым воздействием процессом, контролирующим образование соединения, является стадия формирования физического контакта. Образование физического контакта может осуществляться в результате развития процессов ползучести и спекания, протекающих одновременно, но отличающихся механизмом и кинетикой. Однако приведенные в литературе кинетические кривые развития физического контакта носят частный характер и не позволяют выполнить количественный анализ влияния технологических параметров сварки на процесс формирования диффузионного соединения.

При этом все исследования кинетики развития физического контакта проводились только для изотермических условий, хотя реальный процесс сварки сопровождается некоторым временем предварительного нагрева, в течение которого также происходит формирование физического контакта. При определенных условиях, доля контакта, образовавшегося за этот промежуток, может составлять значительную часть всего контакта и должна учитываться при проектировании технологического процесса сварки.

Проведен анализ литературы, посвященной влиянию микроструктуры титановых сплавов, на их свойства в условиях диффузионной сварки. Имеющиеся на сегодняшний момент данные позволяют судить о влиянии микроструктуры на образование контакта между свариваемыми заготовками только на качественном уровне. Для количественной оценки влияния технологических параметров процесса сварки (температуры, давления, времени) и микроструктуры свариваемых заготовок на кинетику развития физического контакта необходимо проведение дополнительных исследований и получение аналитических выражений, позволяющих выполнять расчеты.

Получение качественных сварных конструкций связано с решением задачи создания технологической оснастки, обеспечивающей приложение давления к свариваемым заготовкам.

Biupau главаносвящена получению количественных зависимостей, отражающих развитие физического контакта в условиях высокотемпературной ползучести при диффузионной сварке титана с учетом технологических параметров процесса.

Проводились экспериментальные исследования и моделирование процесса деформации микровыступов на контактных поверхностях.Изучение кинетических закономерностей развития физического контакта проводилось на серийно выпускаемых титановых сплавах ВТ14, ОТ4, ВТ5 и ВТ6, химический состав которых соответствовал требованиям ГОСТ 19807-91, в интервале температур от 800°С до 1050 °С и давлений от 0,5 до 12 МПа.

Исследовали три варианта сочетания микроструктур свариваемых образцов: I вариант - оба образца имели исходную глобулярную (мелкозернистую) микроструктуру; II вариант - оба образца имели крупнозернистую пластинчатую микроструктуру; III вариант - образец, контактная поверхность которого обрабатывалась точением, имел крупнозернистую пластинчатую микроструктуру, а образец с полированной контактной поверхностью имел глобулярную микроструктуру.

Площадь образовавшегося физического контакта определяли по фракто-граммам с поверхностей разрушения сваренных образцов "полированный - точеный" после их испытания на статический разрыв.

В простейшем приближении скорость развития относительной площади физического контакта FOT„ в изотермических условиях может быть описана уравнением

dFOTH/dT = (l -F0TH)/t*, (1)

где t* - параметр, имеющий размерность времени и отражающий кинетические свойства процесса развития физического контакта (его запаздывания), являющийся функцией температуры, приложенного давления и микроструктуры материала; т-время.

Решение уравнения (1) при начальных условиях F0TH = 0 и т = 0 имеет вид Fe,™ = 1 - е . (2)

Выражение (2) отражает кинетику развития физического контакта в изотермических условияхи позволяет оценить время образования контакта (так, при FOT„= 1 время образования контакта т ~3 t*).

Анализ экспериментальных данных по кинетике развития физического контакта позволяет считать, что зависимость параметра t* от температуры Т и давления рможет быть описана выражением вида:

t*=kp"exp(Q/RT), (3)

где к - коэффициент пропорциональности; п - показатель степени; Q - эффективная энергия процесса развития физического контакта; R - газовая постоянная.

Для сплавов ВТ14, ОТ4, ВТ5, ВТ6 и размерности t* в с; рв МПа; Тв °К; R=8,314 Дж/К моль, численные значения к, пи Q, входящие в выражение (3), приведены в таблице 1:

Таблица 1

Марка сплава Вариант сочетания структуры обрашон к п Q, Дж/моль

ВТ 14 1* 7.5-10 1.2 221000

11* 1.510" 2.8 387000

III* 2.110" 1.5 265000

1** 1.3510- 2.8 146000

ОТ4 1* 1.810' 1.2 235000

И* 2.3-10'" 3.0 405400

I** 2.710- 3.3 140300

ВТ5 I* 1.5-10' 1.1 241200

11* 4-10" 3.0 385000

1** 8 10' 3.0 151000

ВТ6 I* 3.4-10' 0,9 287000

II* 1.2-10'4 2.8 481000

I** 5.6-10' 3.0 162300

* - испытания образцов ниже окончания а+р—>Р - превращения; ** - испытания образцов выше окончания а+р—>Р~ превращения;

О влиянии технологических параметров на развитие процесса сварки, судили по результатам механических испытаний сваренных образцов и фрактографи-ческихисследований поверхностей разрушения. При этом в качестве количественной характеристики прочности соединения использовали относительную прочность а,тн=Р1(Р- <гь), где Р - усилие разрушения при испытании на статический разрыв; Г - площадь сечения рабочей части "гагаринского" образца диаметром 8,0 мм; <тв - предел прочности при испытаниях на статический разрыв основного материала, предварительно отожженного по режиму диффузионной сварки.

Полученные зависимости <тит„ =1/>(/г„т„)приведены на рис. 1 и 2.

Рис. 1.3ависимость аот„ =tp(Fom„) для области температур ниже окончания полиморфного превращения и вариантов сочетания микроструктур образцов: а -1, б - II, в - III

Видно, что совокупность точек, отражающих взаимосвязь между <т„„,. „н/7,,™,, образуют области, границы и размер которых зависят от температу ры сварки и исходного микроструктурного состояния свариваемых образцов.

Полученные результаты можно объяснить тем, что:

- при сварке заготовок с однородной структурой при температурах ниже начала полиморфного превращения

(Т<900°С) процесс формирования со- окончания ПШ]нморфНого превращения единения лимитируется активацией

контактных поверхностей и развитием стадии объемного взаимодействия; при температурах выше начала полиморфного превращения (Т>925...950 °С>- развитием физического контакта.

- при сварке заготовок, имеющих различную микроструктуру (равноосную мелкозернистую и крупнозернистую пластинчатую) в интервале температур ниже окончания полиморфного превращения (Т<950°С) процесс формирования соединения лимитируется стадией активации контактных поверхностей заготовок с крупнозернистой пластинчатой микроструктурой.

Что также подтверждается результатами фрактографических исследований.

Математическим моделированиемв среде АЫ8У5/ЕО 10 установлены закономерности процесса развития деформации в зоне контакта при диффузионной сварке.

Третья глава посвящена анализу развития деформации заготовок выпускного окна ускорителя электронов, расположенных между технологической оснасткой, обеспечивающей передачу давления в условиях диффузионной сварки.

При контакте титана со стальной оснасткой, обладающей большим сопротивлением высокотемпературной деформации, из-за наличия трения будет иметь место сдерживание сталью деформации титана, т.е. может происходить так называемое «контактное упрочнение» титана.

Влияние условий деформации металла на его высокотемпературную ползучесть можно характеризовать коэффициентом упрочнения*, =е/еу, где е -скорость ползучести титана в свободном состоянии; е, - скорость ползучести титана в стесненном состоянии.

Степень уменьшения деформации (контактного упрочнения) для случая сжатия «пластичного» слоя (титана), расположенного между двумя «жесткими» слоями (стали) будет зависеть как от технологических параметров испытания (температуры, приложенного давления), так и от геометрических размеров «пластичного» слоя - его относительной высоты X (А.=ЬЛ1, где И - высота, (1 -диаметр или ширина слоя).

Рис. 2. Зависимость аши, =<р(/г„„ш) для области температур выше

к,

Экспериментальные исследования проводили на цилиндрических образцах из сплава ОТ4, размешенных между образцами из стали 12Х18Н10Т, имитирующих технологическую оснастку. Образцы испытывали на ползучесть в условиях сжатия при постоянной температуре 950 °С и давлениях от 2 до 8 МПа

Из анализа зависимостей деформации образцов от времени (е=<р(х)) следует, что с уменьшением Х.(Х.<2,0)величина накопленной деформации е за одинаковый промежуток времени уменьшается.

Уменьшение скорости ползучести образцов с уменьшением их относительной высоты к обусловлено развитием эффекта контактного упрочнения, который, как видно из данных, приведенных на рис. 3, наиболее ярко проявляется при к< 0,5.

Исследование влияния давления на ползучесть образцов показало, что зависимость еу =ср(р) имеет нелинейный характер.

1

\

V

о 0,2 о.б 1,0

Рис. 3. Зависимость <р(А.) при 950 °С и р=4 МПа

Полученные значения скоростей ползучести достаточно хорошо ложатся на прямые линии в логарифмических координатах 1п ё у - 1п р с

тангенсом угла наклона 1,2, как для образцов с к=2,(), так и для образцов с Х=0,25, т.е. независимо от относительной высоты образцов к скорость ползучести ¿у~р".

Это дает основание считать, что при высокотемпературной деформации как в свободном состоянии (А.=2,0), так и в стесненном (Х=0,25) ползучесть развивается по одному из механизмов вязкого течения.

£10"

12 8 4

1/1

/ 2

<Л и*1*

0 2 4 6 8 р,МПа Рис. 4. Зависимость ^ у =<р(р) при 950 °С и относительной высоте образцов I —2,0;2—0,25

Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют определить давление ру, которое необходимо приложить к титановым заготовкам, находящимся в стесненных условиях (А,< 2,0), чтобы обеспечить их ползучесть со скоростью еу, равной скорости ползучести заготовок е, находящихся в свободном состоянии (к >2,0) при заданном р=2МПа. Учитывая одинаковую зависимость скоростей ползучести е и еу от приложенного давления ( ¿■-р1"2 и

V-2).

несложно получить выражение

Р,

(4)

где значения kv в зависимости от относительной высоты заготовок (при X от 0.125 до 1,0) можно вычислить по выражению ку = 0.954+ щ^ + д^ ,полученному путем аппроксимации экспериментальных данных (рис. 3).

В зоне соединения заготовок выпускного окна ускорителя электронов создается ситуация, когда тонкостенный элемент - фольга, имеющая пластинчатую микроструктуру (характеризующаяся высоким сопротивлением высокотемпературной деформации), с двух сторон зажимается и сваривается с более толстыми заготовками - опорными решетками из сплава с глобулярной (равноосной мелкозернистой) структурой, обладающим низким сопротивлением высокотемпературной деформации. Скорость ползучести при некоторой толщине элемента с пластинчатой структурой в таких стесненных условиях может оказаться выше, чем скорость его ползучести в свободном состоянии. Такое поведение в стесненных условиях заготовок с пластинчатой микроструктурой можно условно называть «разупрочнением». Изучение данного аспекта прямыми экспериментальными методами проблематично. Поэтому исследования проводились с помощью математического моделирования численными методами (методом конечных элементов) в среде ANSYS/ED 10.

Разупрочнение можно численно характеризовать коэффициентом, который будет равен отношению скоростей ползучести в стесненном (ест) и свободном (е ) состояниях:

kP=£je- (5)

Практический интерес представляет установление закономерности влияния относительной толщиныЛ. заготовкис пластинчатой структу-рой(фольги)(А=<5У, где 8 - толщина заготовки, d - характеристический размер заготовки, например, ширина, диаметр и т.д.) на развитие деформации в зоне контакта и установление зависимости кр=<р(А).

Для характеристики процесса развития высокотемпературной деформации заготовок с пластинчатой микроструктурой использовалось понятие средней скорости ползучести в стесненных условиях £tp, которая определялась по начальным линейным участкам кривых4е=^(г) (при Лес6,0 %) по выражению

Ае

^г (6)

О Т

где Ае ср - средняя величина утонения прослойки, которая определялась как средняя арифметическая величина, вычисленная по 10 равноотстоящим точкам, расположенным в радиальном направлении на поверхности заготовки, <5 - высота заготовки с пластинчатой структурой.

Из полученных расчетным путем зависимостей £iP=qXA) для температуры 950 °С и давлений рот 1,0 до 5,0 МПаследует, что с уменьшением X и увеличением р скорость ползучести прокладок с пластинчатой структурой возрастает.

Используя выражение (5), в котором скорость ползучести в стесненном состоянии <„ приравнивалась к средней скорости ползучести заготовки с пластинчатой структурой , вычисленной по выражению (6), рассчитаны значения коэффициентов разупрочнения кр (рис. 5)

Полученные расчетным путем кривые кр=Щл) могут быть аппроксимированы выражением

0,11

¿„ = 1 +--(7)

(»„ + Л)1'

где а,, - коэффициент, зависящий от приложенного давления.

Величина коэффициента ар может быть найдена из условий: при л>0,5 (к„~ 1,0), т.е. средняя скорость ползучести материала

прокладки близка к скорости ползучести образцов с крупнозернистой структурой в свободном состоянии;

при Я—»0 , т.е. средняя скорость ползучести материала прокладки

стремится к скорости ползучести образцов с мелкозернистой структурой. Тогда выражение (5) принимает вид

к„=£,„/£,

Кр—^ш ' Си ■

Подставляя это значение кр в выражение (7) и считая, что /=0, получим

У £.„-£„

(8)

Также проводились экспериментальные исследования влияния относительной высоты прокладок на процесс формирования диффузионного соединения между заготовками.

Результаты механических испытаний показывают, что относительная прочность диффузионного соединения (<т„„„,) зависит от относительной высоты прокладок с пластинчатой микроструктурой. При этом <тшш заметно возрастает с уменьшением Л <0,15 для всех используемых давлений сварки (от 1,0 до 5,0 МПа).

Из проведенных фрактографических исследований следует, что фактором, влияющим на развитие процесса взаимодействия контактных поверхностей свариваемых образцов и, как следствие этого, строение поверхностей их разрушения, является высота прокладок с пластинчатой микроструктурой.

Рис. 5. Зависимости*,,^!) при 7=950 °С и р, МПа: 1 - 1,0; 2-2,0; 3-3,0; 4-4,0; 5-5,0

В четвертой главеопределены технологические параметры и разработана технология изготовления модельного образца выпускного окна ускорителя электронов.В качестве материалов для изготовления модельного образца выпускного окна ускорителя электронов использовали листы толщиной 0,8 мм из титанового сплава ВТ14по ГОСТ 22178-76, с мелкозернистой равноосной структурой и фольгу титановую толщиной 0,08 мм сплава ВТбч, которую отжигали при 950°С для получения крупнозернистой пластинчатой структуры. Крупнозернистая пластинчатая структура обеспечивает титановой фольге повышенное сопротивление деформации в условиях диффузионной сварки, предотвращая образование морщин в окне на стадии изготовления(патент № 128056 РФ).

Предложена схема сборки заготовок рассматриваемого выпускного окна ускорителя электронов, в которой решетки разъединены жесткими перемычками с образованием зазора, необходимого для повышения реакционной способности соединяемых поверхностей в процессе развития деформационного рельефа перед образованием физического контактом (патент № 122933 РФ).

Выбрана технологическая схема диффузионной сварки выпускного окна ускорителя электронов, при которой заготовки, заключенные между технологическими стальными листами, размещаются в тонкостенной герметичной оболочке из пластичного тонколистового металла (контейнере), который в свою очередь помещается в термокомпрессионную камеру. Внутреннюю полость контейнера вакуумируют до степени разряжения 0,1-1,0 Па, при этом сжимающее усилие обеспечивается за счет создаваемого давления газа на внешнюю поверхность оболочки (контейнера) и, соответственно, на стальные технологические листы. Регулирование сварочного давления осуществляется путем изменения давления газа в термокомпрессионной камере.

Технологические стальные листы, обеспечивающие передачу сжимающего давления на изделие, в области контакта со свариваемой конструкцией предложено предварительно покрывать мелкодисперсной суспензией нитрида или карбида бора на основе этанола. В процессе сварки покрытие препятствует схватыванию оснастки с изделием и обеспечивает уменьшение контактного трения между стальной оснасткой и титановыми решетками, а также снижение газонасыщения материала титановой фольги. Это обеспечивает повышение качества сварного соединения и сохранение физико-механических свойств фольги.

С учетом эффекта автовакуумирования разработана система обеспечения рабочего вакуума установки диффузионной сварки(патент№ 108331 РФ), включающая форвакуумный насос и пневмопровод с газоадсорбирующим вкладышем, выполненным в виде патрубка, например, трубы из титанового сплава. Патрубок установлен с зазором коаксиально в отводе, соединяющем пневмопровод с герметичной оболочкой, и размещен в термокомпрессионной камере с целью предотвращения проникновения

активных газов из пневмопровода в полость герметичной оболочки (контейнера) в процессе сварки. Проведен расчет глубины проникновения газа по трубке в условиях его поглощения стенками, в результате которого получены соотношения, позволяющие определить геометрические параметры патрубка (диаметр - du длину - 1), обеспечивающие предотвращение проникновения активных газов из пневмопровода в зону сварки при заданной температуре.

Также в этой главе проводился анализ влияния микрогеометрии на кинетику развития контакта, в ходе которого установлено, что увеличение угла при вершине микровыступа - ß сопровождается уменьшением площади образующегося контакта и относительной прочности соединения при прочих одинаковых технологических параметрах. При этом более низкие значения прочности и наименьшее влияние изменения угла ß на качество соединения наблюдается при использовании образцов с III вариантом сочетания микроструктур, что объясняется тем, что развитие контакта и формирование соединения происходит не за счет смятия микровыступов, имеющих крупнозернистуую пластинчатую микроструктуру, а за счет деформации поверхностных слоев образцов с глобулярной микроструктурой при вдавливании в нее микровыступов; микровыступы с углом при вершине не менее 150° (или углом в основании не более 15° соответственно) обеспечивают при одинаковых температурных и силовых условиях более интенсивный рост относительной площади физического кон-такта(патент№ 121766 РФ).

Вышеполученные выражения для t* позволяют решить задачу по анализу влияния скорости нагрева на развитиефизического контакта:

Г2

г =-:---, (9)

-/ (/>,7")ln(l-F„,J

где 7' - скорость нагрева,К/о Г - температура, К; £„-энергия активации процесса, выраженная в температурных единицах; t*(p,T) - параметр, имеющий размерность времени; FürH - относительная площадь физического контакта.

На основе соотношения (9)были построены кинетические диаграммы, позволяющие определить величину относительной площади контакта, образующегося вна стадии нагрева, в зависимости от скорости нагрева, прикладываемого давления и микроструктуры.

Проведенные исследования позволили разработать технологический процесс, по которому был изготовлен опытный образец.

Гидравлические испытания показали, что выпускное окно ускорителя электронов, выполненное диффузионной сваркой по выбранным режимам, выдерживает давление до 1,6 МПа.

Пластичность фольги оценивали числом перегибов до появления трещины согласно ГОСТ 13813-68 «Метод испытания на перегиб листов и лент толщиной менее 4 мм». Результаты испытаний показали, что пластические свойства фольги

в отожженном состоянии и в состоянии поставки не меняются, число перегибов в среднем составляет 42 цикла, при испытании не менее 5 образцов.

Результаты испытаний на циклическую долговечность показали, что циклическая долговечность для фольги после отжига по режиму диффузионной сваркисоставляет 5200 циклов, а в исходном - 5720 циклов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные результаты исследований и вытекающие из них выводы заключаются в следующем:

1. Установлено, что в качестве интегральной характеристики развития контакта между соединяемыми заготовками в условиях диффузионной сварки можно использовать параметр, имеющий размерность времени, отражающий кинетические свойства процесса и являющийся функцией температуры, давления, микроструктуры материала и микрогеометрии поверхности.

2. Получено выражение вида 1*=кр пехр(С)/КТ), позволяющее оценивать величину параметра I* при диффузионной сварке.

Определены численные значения коэффициентов уравнения для вычисления параметра 1* для серийно выпускаемых титановых сплавов (ОТ4, ВТ5, ВТ6 и ВТ14) при сочетании микроструктур свариваемых заготовок (крупное зерно с крупным; мелкое зерно с мелким; крупное зерно с мелким), в интервале температур от 800 °С до 1050 °С, позволяющие определять режимы диффузионной сварки.

3. Проведено исследование формирования напряженного состояния и развития деформаций в зоне контакта титановых решеток со стальной технологической оснасткой, получено выражение, позволяющее определить сварочное давление , необходимое для сварки титановых заготовок, находящихся в стесненных условиях.

4. Проведено исследование процесса развития деформации, в условиях диффузионной сварки, титановой фольги с пластинчатой микроструктурой, находящейся между заготовками из сплава с глобулярной (равноосной мелкозернистой) структурой, получены выражения для оценки коэффициентов разупрочнения прокладок с пластинчатыми структурами в зависимости от их относительной толщины Я и приложенного давления.

5. Экспериментально установлено и теоретически обосновано, чтопри сварке заготовок:

- с однородной структурой при температурах ниже начала полиморфного превращения процесс формирования соединения лимитируется активацией контактных поверхностей и развитием стадии объемного взаимодействия; при температурах выше начала полиморфного превращения - развитием физического контакта.

-с различной микроструктурой (равноосной мелкозернистой и крупнозернистой пластинчатой) в интервале температур ниже окончания полиморфного превращения процесс формирования соединения лимитируется стадией актива-

цпи кон I акт пых поверхностей заготовок с крупнозернистой пластинчатой мик-рост руктурой.

6. Проведен анализ влияния микрогеометрии на кинетику развития контакта; установлено, что микровыступы с углом при вершине не менее 150° (или углом в основании не более 15° соответственно) обеспечивают при одинаковых температурных и силовых условиях более интенсивный рост относительной плошади физического контакта. Указанные выше величины углов микровыступов возможно получить путем обработки свариваемых поверхностей дробью до шероховатости не более Ra = 10 мкм.

7. Получены номограммы, позволяющие прогнозировать величину относительной площади контакта, образующегося в процессе предварительного нагрева, в зависимости от скорости нагрева, прикладываемого давления и микроструктуры свариваемых заготовок.

8. Предложена система обеспечения вакуума установки диффузионной сварки, включающая пневмомагистраль с коаксиально размещенным внутри вкладышем. Проведен расчет глубины проникновения газа по магистрали в условиях его поглощения стенками, в результате которого получены соотношения, позволяющие определить геометрические параметры вкладыша (диаметр и длину), обеспечивающие предотвращение проникновения активных газов из пневмомагистрали в зону сварки при заданной температуре.

9.Разработан и экспериментально опробирован технологический процесс диффузионной сварки выпускного окна ускорителя электронов, опорные решетки которого и фольга выполнены из сплава ВТ14 и ВТбч соответственно.

Разработанный технологический процесс принят к внедрению в ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводникового машиностроения», в рамках НИОКР «М-ПМ» при изготовлении титанового выпускного окна вакуумной камеры электронно-лучевого испарителя для нанесения тонкопленочных покрытий в полупроводниковых структурах.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Материалы, опубликованные в изданиях, утвержденных ВАК РФ:

1. Взаимодействие титана со стальной технологической оснасткой при диффузионной сварке [Текст] / ИЛ. Батаронов, A.B. Пешков, В.Р. Петренко, Д.Н. Бал-беков, J1.C. Киреев // Сварочное производство. - 2011. - №2. - С. 14-19.

2. Моделирование процесса высокотемпературной деформации металла при диффузионной сварке в условиях ползучести [Текст] / А.Б. Булков, В.В. Пешков, В.Р. Петренко, Д.Н. Баюеков И Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т.7. -№8. - С.4-8.

3. Моделирование кинетики изменения контактного зазора в процессе высокотемпературного нагрева титановых изделий [Текст] / И.Л. Батаронов, В.Р. Петренко, В.В. Пешков, Д.Н. Баюеков //Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т.7. - №11.3. - С.4-7.

4. Моделирование процесса развития физического контакта при высокотемпературной термодеформационной обработке титана [Текст] / В.В. Пешков, C.B. Сафонов, А.Б. Булков, А.И. Стрыгин, Д.Н. Бшбеков II Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т.8. - №5. - С. 108-114.

5. Механизм образования соединения при диффузионной сварке [Текст] / В.В. Пешков, А.Б. Булков, C.B. Сафонов, В.Р. Петренко, Д.Н. Натеков II Сварочное производство. - 2012. - №12. - С. 23-28.

6. Деформация заготовок с пластинчатой микроструктурой при диффузионной сварке титановых слоистых конструкций [Текст] / В.В. Пешков, А.Б. Булков. Д.Н. Бшбеков, С.М. Небольсин, Г.В. Мальцев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т.9. - №2. - С.60-66.

7. Влияние микрогеометрии поверхности на кинетику развития контакта при диффузионной сварке титана [Текст] / А.Б. Булков, C.B. Сафонов, Д.Н. Бшбеков. В.Р. Петренко, В.В. Пешков // Сварочное производство. - 2013. - № 1. - С. 14-17.

8. Влияние технологических параметров на процесс диффузионной сварки титана [Текст] / А.Б. Булков, В.В. Пешков, В.Р. Петренко, Д.Н. Бшбеков,

A.И. Стрыгин // Сварочное производство. - 2013. -№3. - С. 15-20.

9. Высокотемпературная ползучесть сплава ОТ4 в условиях диффузионной сварки [Текст] / В.В. Пешков, А.Б. Булков, Д.Н. Бшбеков, Г.В. Мальцев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т.9. - №3.1. - С. 69-72.

Патенты:

10. Пуансон для изготовления слоистых титановых тонкостенных оболочковых конструкций диффузионной сварки: пат. №75168 на полезную модель: МПК В23К20/00 / Бшбеков Д.Н., Пешков A.B., Селиванов В.Ф., Пешков

B.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет".-№ 2007147883/22, заявл. 21.12.2007, опубл. 27.07.2008 Бюл. №21.

11. Способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов: пат. № 2318077 РФ на изобретение: МПК С23С8/06 / Пешков A.B., Бсп-беков Д.Н, Петренко В.Р. Селиванов В.Ф., Пешков В.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет". - № 2006124054/02, заявл. 04.07.2006, опубл. 27.02.2008 Бюл. № 6.

12. Способ диффузионной сварки тонкостенных слоистых конструкций из титановых сплавов: пат. № 2319589 РФ на изобретение: МПК В23К20/14, С23С8/24 / Пешков A.B., Булков А.Б., Селиванов В.Ф., Усачева Л.В., Бшбеков Д./i.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессиональ-

ного образования "Воронежский государственный технический университет". -№ 21)06110810/02, заявл. 03.04.2006, опубл. 20.03.2008 Бюл. № 8.

13. Способ упрочнения титановых сплавов в газовой среде: пат. № 2365671 РФ на изобретение: МПК С23С8/24, С23С8/80 / Пешков A.B., Балбеков Д.Н., Булков А.Б., Селиванов В.Ф. Усачева J1.B.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет". - № 2007145303/02, заявл. 06.12.2007, опубл.

27.08.2009 Бюл. № 24.

14. Заготовка для изготовления сотового заполнителя: пат. № 89434 РФ на полезную модель: МПК B21D47/04 / Пешков A.B., Батеков Д.Н., Пешков В.В., Селиванов В.Ф.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет". -№ 2008152630/22, заявл. 29.12.2008, опубл. 10.12.2009 Бюл. № 34.

15. Способ изготовления сотового заполнителя из титановых сплавов диффузионной сваркой: пат№ 2397054 РФ на изобретение: МПК В23К20/18, B23KI01/02 / Пешков A.B., Баюеков Д.Н., Пешков В.В., Селиванов В.Ф.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет".- № 2008150980/02, заявл. 22.12.2008, опубл.

20.08.2010 Бюл. №23.

16. Установка для диффузионной сварки слоистых титановых конструкций: пат № 108331 РФ на полезную модель: МПК В23К20/22 / Баюеков Д. Н., Пешков A.B., Петренко В.Р., Батаронов И.Л., Пешков В.В; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет".- № 2011115453/02, заявл.

19.04.2011, опубл. 20.09.2011, Бюл № 26.

17. Заготовка для диффузионной сварки слоистой тонкостенной титановой конструкции из листового материала: пат№ 121766 РФ на полезную модель: МПК B23K20/I4 / Петренко В.Р., Пешков В.В., Балбеков Д.Н., Булков А.Б., Небольсин С.М; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет".-№ 2011148522/02 заявл. 29. ] 1.2011, опубл. 10.11.2012, Бюл № 31.

18. Заготовка для изготовления диффузионной сваркой выпускного окна ускорителя электронов: пат № 122933 РФ на полезную модель: МПК В23К20/14 / Сафонов C.B., Бапоеков Д.Н., Булков А.Б., Петренко В.Р., Пешков А.В; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования" Воронежский государственный технический университет".- № 2012124414/02 заявл.

13.06.2012, опубл. 20.12.2012, Бюл №35.

19. Выпускное окно ускорителя (варианты): пат № 128056 РФ на полезную модель: МПК Н05Н5/02 / Сафонов C.B., Бапбеков Д.Н., Булков А.Б., Петренко В.Р., Пешков A.B., Батаронов И.Л., Стрыгин А.И; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет".- № 2012149483/07 заявл. 20.11.2012, опубл. 10.05.2013, Бюл № 13.

Материалы, опубликованные в других изданиях:

20. Анализ процесса взаимодействия титана с азотированной сталью [Текст] / И.Л. Батаронов, A.B. Пешков, В.Ф. Селиванов, Д.Н. Балбеков И Материалы упрочняющие технологии - 2008: материалы XV Российской научно-технической конференции с международным участием. - Курск, 2008. -

21. Моделирование процесса контактного взаимодействия титана с азотированной сталью [Текст] / И.Л. Батаронов, A.B. Пешков, В.Ф. Селиванов, Д.Н. Балбеков II Славяновские чтения - «Сварка - XXI век»: сборник научных трудов, Липецк 4-5 июня 2009 г. - Липецк, 2009. - С. 167-176

22. Балбеков Д.Н. Об образовании физического контакта при диффузионной сварке [Текст] / Д.Н. Балбеков., В.В. Пешков // Техника и технологии: пути инновационного развития: материалы Международной научно-практической конференции, Курск 1 июля 2011 г. - Курск, 2011. - С. 39-42.

23. О применении двухслойных композитов при диффузионной сварке титановых оболочковых конструкций [Текст] / А.Б. Булков, В.В. Пешков, В.Р. Петренко, Д.Н. Балбеков II Техника и технологии: пути инновационного развития: материалы Международной научно-практической конференции, Курск 1 июля 2011 г. - Курск, 2011. - С. 48-51.

24. Балбеков Д.Н. К механизму образования соединения при диффузионной сварке титана [Текст] / Д.Н. Балбеков, В.В. Пешков // Современные техника и технологии: сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 18-22 апреля, г. Томск. - Томск, 2011. - С. 295-296.

С. 32-39.

Подписано в печать 17.09.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. Печ. Л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № 173

ФБГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский проспект., 14

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

04201362532

БАЛБЕКОВ Дмитрий Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ТИТАНОВОГО ВЫПУСКНОГО ОКНА УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.В. ПЕШКОВ

ВОРОНЕЖ 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫПУСКНОГО ОКНА УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ 10

1.1.1. Существующие конструкции выпускных окон для вывода пучка

электронов, технологии изготовления и применяемые материалы 10

1.2. Титановая конструкция выпускного окна ускорителя электронов 13

1.3. Применение диффузионной сварки для получения титановых слоистых конструкций со сверхтонкими элементами 16

1.4. Механизм образования соединения при диффузионной сварке 20

1.5. Микроструктура и ее влияние на свойства титановых сплавов 3 3

1.5.1. Микроструктура титановых сплавов 3 3

1.5.2. Зависимость механические свойств от микроструктуры титановых сплавов 36

1.5.3. Зависимость высокотемпературной деформации от микроструктуры титановых сплавов 3 6

1.6. Процессы, протекающие в контакте и контактных зазорах титана

со стальной технологической оснасткой при диффузионной сварке 3 8

1.7. Цели и задачи исследования 40

2. КИНЕТИКА РАЗВИТИЯ ФИЗИЧЕСКОГО КОНТАКТА И ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ 42

2.1. Методика проведения исследований 42

2.1.1. Методика экспериментальных исследований 42

2.1.2. Моделирование процесса развития физического контакта при диффузионной сварке 46

2.1.3. Обработка результатов экспериментов 50

2.2. Влияние температуры сварки на кинетику развития физического контакта 51

2.3. Влияние давления на кинетику развития физического контакта 61

2.4. Влияние технологических параметров на процесс диффузионной сварки 66

2.5. Выводы по главе 78

3. РАЗВИТИЕ ДЕФОРМАЦИИ ЗАГОТОВОК ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ВЫПУСКНОГО ОКНА УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ 80

3.1. Методика проведения исследований 80

3.2. Исследование процесса развития деформации и напряженного состояния в зоне контакта титановых решеток со стальной технологической оснасткой 82

3.3. Исследование процесса развития деформации прокладок с пластинчатой микроструктурой, находящейся между заготовками с глобулярной микроструктурой в условиях диффузионной сварки 87

3.4. Экспериментальные исследования влияния относительной высоты прокладок на процесс формирования диффузионного соединения между заготовками 101

3.5. Выводы по главе 107

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ВЫПУСКНОГО ОКНА УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ 109

4.1. Выбор технологической схемы сварки и оснастки 111

4.1.1. Выбор материала конструкции 111

4.1.2. Сборка конструкции 112

4.1.3. Установка для диффузионной сварки выпускного окна ускори-

теля электронов 113

4.1.3.1. Расчет глубины проникновения газа по магистрали 116

4.2. Влияние микрогеометрии поверхности на кинетику развития контакта и прочность соединения 119

4.3. Выбор режимов диффузионной сварки выпускного окна ускорителя электронов 129

4.3.1. Выбор температуры сварки 129

4.3.2. Исследование кинетики развития физического контакта на стадии нагрева 130

4.3.3. Выбор давления сварки 138

4.3.4. Выбор времени сварки 139

4.4. Технология диффузионной сварки выпускного окна ускорителя электронов 139

4.5. Испытания 141 4.5.1. Гидравлические испытания конструкции 141 4.5.2 Испытание фольги на пластичность и циклическую долговечность 141

4.6. Выводы по главе 142

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 145

ЛИТЕРАТУРА 148

ПРИЛОЖЕНИЯ 158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В современных энергетических установках для вывода пучка ускоренных электронов в атмосферу или в газ повышенного давления используют выпускное окно, состоящее из тонкой фольги вакуумплотно, закрепленной между опорными решетками.

На сегодняшний день, актуально применение титановых выпускных окон, так как данный материал обеспечивает конструкции высокую прочность, надежность и выносливость при одновременном снижении ее массы и повышении устойчивости к действию электронной бомбардировки, что, в свою очередь, обеспечивает сохранение свойств выпускного окна при эксплуатации. При этом титановая фольга обладает большей электронной прозрачностью по сравнению с алюминием и лавсановой пленкой, получившими распространение при изготовлении выпускных окон ускорителей электронов.

Перспективным процессом для создания тонкостенных слоистых конструкций является диффузионная сварка, которая применительно к выпускному окну ускорителя электронов, позволит повысить такие характеристики, как надежность, прочность и герметичность соединения фольги с опорными решетками, а также теплопроводность и пропускную способность конструкции в целом, по сравнению с используемым в настоящее время способами соединения заготовок выпускных окон (механическим - через резиновые уплотнители болтами, винтами, зажимами и т.д., или пайкой).

Исследованиями в области диффузионной сварки посвящены работы таких ученых, как Казаков Н. Ф., Красулин Ю. JL, Каракозов Э. С., Мусин Р. К., Киреев JI. С., Алехин В. П., Третьяков А. Ф., Люшинский A.B., Пешков В. В. и др. Однако следует отметить, что, несмотря на достигнутые успехи в области исследования процесса диффузионной сварки титана и титановых сплавов, современный уровень знаний не позволяет осуществлять выбор технологических параметров режима сварки тонкостенных слоистых конструкций с нахлесточным типом соединения и прогнозировать с

достаточной точностью свойства диффузионно-сварных конструкций, в том числе рассматриваемой нами конструкции выпускного окна ускорителя электронов.

Таким образом, тема диссертации является актуальной.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка технологии диффузионной сварки титанового выпускного окна ускорителя электронов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- получение количественных зависимостей, отражающих развитие физического контакта, в условиях высокотемпературной ползучести при диффузионной сварке титана с учетом технологических параметров процесса (температуры, давления, времени, подготовки свариваемых поверхностей, исходной микроструктуры заготовок, скорости нагрева) и установление закономерностей влияния вышеперечисленных технологических параметров сварки на процесс и качество диффузионного соединения;

- исследование закономерности формирования напряженного состояния и развития деформаций в зоне контакта титановых решеток со стальной технологической оснасткой;

- исследование процесса развития деформации, в условиях диффузионной сварки, титановой фольги с пластинчатой микроструктурой, находящейся между заготовками из сплава с глобулярной (равноосной мелкозернистой) структурой;

-разработка технологии, выбор режимов и оборудования для диффузионной сварки титанового выпускного окна ускорителя электронов и определение свойств полученной конструкции.

Методы исследования. Эксперименты проводили на серийно выпускаемых сплавах ВТ14, ОТ4, ВТ5, ВТ6. Для решения поставленных задач использовали методы математического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных; микроструктуру и топографию разрушения сварных соединений и основного металла изучали с помощью оптической и растровой электронной микроскопии. Свойства сварных соединений определяли механическими испытаниями образцов-имитаторов.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается достаточно хорошим совпадением экспериментальных данных и теоретических расчетов, систематическим характером экспериментальных исследований, использованием методов математической статистики при обработке результатов, использованием независимых дублирующих экспериментальных методов, а также практическим использованием полученных результатов.

Научная новизна. Показано, что, при диффузионной сварке в качестве интегральной характеристики кинетики развития физического контакта в процессе высокотемпературной деформации микровыступов, целесообразно использовать параметр V*, имеющий размерность времени, отражающий динамические свойства процесса, и являющийся функцией температуры, давления, микроструктуры материала и микрогеометрии поверхности.

На основании проведенных исследований формирования напряженного состояния и развития деформаций в зоне контакта титановых решеток со стальной технологической оснасткой в условиях диффузионной сварки, установлено влияние относительной толщины свариваемых заготовок на процесс их контактного упрочнения.

В условиях диффузионной сварки выпускного окна ускорителя электронов, математическим моделированием установлены закономерности развития высокотемпературной деформации титановой фольги с пластинчатой микроструктурой в зависимости от ее относительной толщины в зоне соединения и приложенного давления.

С учетом развития высокотемпературного эффекта автовакуумирования, сформулирован принцип проектирования пневмомагистрали для диффузионной сварки тонкостенных конструкций, заключающийся в размещении внутри пневмомагистрали газоадсорбирующего вкладыша, выполненного в виде титанового патрубка.

Практическая значимость. Определены численные значения коэффициентов уравнения для вычисления параметра 1;* для серийно выпускаемых титановых сплавов (ОТ4, ВТ5, ВТ6 и ВТ14), при сочетании микроструктур свариваемых заготовок (крупное зерно с крупным; мелкое зерно с мелким; крупное зерно с мелким), в интервале температур от 800 °С до 1050 °С, позволяющие определять режимы диффузионной сварки.

Получено выражение, позволяющее определить, с учетом коэффициента упрочнения, давление, необходимое для сварки титановых заготовок, с глобулярной микроструктурой, находящихся в стесненных условиях.

Получены номограммы, с помощью которых можно прогнозировать величину относительной площади контакта, образующегося в процессе предварительного нагрева, в зависимости от скорости нагрева, прикладываемого давления и микроструктуры свариваемых заготовок.

Предложена система обеспечения вакуума установки диффузионной сварки, включающая пневмомагистраль, с коаксиально размещенным внутри вкладышем. Получены соотношения, позволяющие определить геометрические параметры вкладыша (диаметр и длину), обеспечивающие предотвращение проникновения активных газов из пневмомагистрали в зону сварки при заданной температуре.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: Пути инновационного развития» (Курск 2011); ХУП-й Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых: «Современные техника и технологии» (Томск 2011); ХУ-й Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2008» (Курск 2008); международной научно-практической конференции: «Славяновские чтения» (Сварка - XXI век) (Липецк 2009); Ежегодных профессорско-преподавательских научно-технических конференциях ВГТУ (2006-2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных

работ, в том числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 10 патентов РФ, основные научные положения и результаты работы изложены в центральных российских изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 105 наименований. Текст диссертации изложен на 160 страницах, содержит 62 рисунка и 2 таблицы.

Автор выражает искреннюю благодарность за систематические консультации и методическую помощь кандидату технических наук Булкову Алексею Борисовичу, доктору физико-математических наук, профессору Батаронову Игорю Леонидовичу.

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫПУСКНОГО ОКНА УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ

1.1. Существующие конструкции выпускных окон для вывода пучка электронов, технологии изготовления и применяемые материалы

При использовании ускорителей электронов в современных технологиях с выводом пучка ускоренных электронов в атмосферу или в газ повышенного давления используют выпускное окно, состоящее из тонкой фольги, вакуумп-лотно закрепленной между опорными решетками [1].

Материал и геометрические параметры фольги должны обеспечивать прозрачность окна для высокоэнергетичного электронного пучка и представлять физический барьер, отделяющий рабочую среду от окружающей атмосферы, а также обеспечивать наибольшую устойчивость к действию электронной бомбардировки, достаточную прочность и выносливость.

Этим требованиям отвечает фольга из титана, алюминия, а также полимерные материалы, в виде пленки, устойчивые к действию электронной бомбардировки, обладающие достаточной прочностью и выносливостью для сохранения своих свойств [2].

Различия в материалах используемой фольги существенно влияют на эффективность и мощность энергетических установок.

Параметры фольги (толщина, заряд ядер материала, плотность материала) рассчитываются исходя из допустимой потери энергии пучка по существующим закономерностям, описанным в работе [3].

Так, согласно расчетным данным фольга из титана толщиной 50 мкм для электрона с Ек = 511кэВ имеет прозрачность около 90% [4].

Плотность мощности, снимаемой с фольги атмосферой, пропорциональна теплопроводности фольги и допустимой рабочей температуре, при которой нет заметного снижения механических свойств фольги. Если допустимую величину тока через фольгу для алюминия, рассчитанную исходя из этих пара-

метров, принять за единицу измерения таких величин, то для применяемых в выпускных окнах титановой фольги, она вдвое больше.

Применение вместо титановой фольги пленки из лавсана, расположенной поверх металлической решетки, выполняющей функцию анода в вакуумном диоде сечением 13x150 см, приводит к снижению эффективности генерации энергии в 1,7 раз. Последнее объясняется различным уровнем вложенной в газ энергии [5].

Традиционной планарной формой опорных решеток (рис. 1.1) выпускных окон ускорителя электронов, начиная с первых конструкций электронных пушек, являются фланцы или рамки и их комбинации с решетками, отверстиями, прорезями или перемычками.

в г

Рис. 1.1. Конструкции окон для выпуска электронов: 1 - фольга; 2 - опорные решетки в форме: а - фланцы; б - фланец и круглая с решетка с отверстиями; в - фланец и круглая решетка с прорезями; г - прямоугольная рамка и прямоугольная рамка с прорезями [6].

Известна конструкция (рис. 1.2) аксиального выпускного окна, предназначенного для вывода широкоапертурных, интенсивных, радиально сходящихся пучков ускоренных электронов в атмосферу или газ повышенного давления для накачки газовых лазеров [7]. Она содержит объединяющую опорную решетку в виде цилиндрического каркаса, в котором вырезаны прямоугольные отверстия, и решетку, набранную из нескольких решеток с овальными отверстиями, между которыми закрепляют фольгу прямоугольной формы с размерами большими, чем отверстие.

3

Рис. 1.2. Аксиальное окно для выпуска пучка электронов: 1 - цилиндрический каркас с прямоугольными отверстиями; 2 - фольга; 3 - опорная решетка с овальными отверстиями; 4 - крепежные болты [7].

В описанных ранее конструкциях выпускных окон, как планарных, так и аксиальных, фольгу традиционно закрепляют между опорными решетками механическим путем через резиновые уплотнители болтами, винтами, зажи-

мами и т.д., или пайкой. Недостатками такого окна является невысокая надежность соединения фольги с опорной решеткой, низкая теплопроводность, обусловленная наличием резинового уплотнителя.

Наиболее перспективным видится способ соединения фольги с опорными решетками диффузионной сваркой, которая позволяет соединять детали выпускного окна, обеспечивая ряд требуемых комплексных свойств, которые нельзя получить механическим креплением или пайкой.

Невысокая надежность конструкции и потери энергии пучка вследствие выбранных средств уплотнения и фиксации фольги в опорных решетках поставили задачу разработки принципиально новой конструкции и технологии изготовления выпускного окна ускорителя электронов диффузионной сваркой.

1.2 Титановая конструкция выпускного окна ускорителя электронов

Для решения задачи увеличения выходной мощности излучения, повышения надежности, увеличения ресурса и упрощения конструкций планарного выпускного окна ускорителя электронов и выпускного окна ускорителя электронов с радиально сходящимся пучком нами предложено и запатентовано техническое решение [8].

В пр