автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологии процесса диффузинной сварки титановых оболочек теплообменника энергетической установки

На правах рукописи

БЕСПЛОХОТНЫЙ Герман Петрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИННОЙ СВАРКИ ТИТАНОВЫХ ОБОЛОЧЕК ТЕПЛООБМЕННИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

УСТАНОВКИ

Специальность 05.03.06 - Технологии и машины сварочного

производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в Воронежском государственном

техническом университете

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Петренко Владимир Романович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гейкин Валерий Александрович; кандидат технических наук, доцент Мачнев Евгений Алексеевич

Ведущая организация - Воронежское акционерное

самолетостроительное общество (ВАСО) г. Воронеж

Защита состоится 23 июня 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.110.05 в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 505, корп. А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан «ЙЗ» МО, у 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Палтиевич А.Р.

¿о сы2>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Теплообменник энергетической установки - это тело вращения двойной кривизны с толщиной стенки 4,0 мм, в которой расположены тракты охлаждения сечением 2x4 мм Теплообменник изготавливают путем соединения двух коаксиально собранных оболочек: внутренней с оребренной стенкой и наружной с гладкой поверхностью

Основной проблемой при получении таких теплообменников является обеспечение высокого качества соединения оболочек, способного выдерживать давление жидкости в трактах охлаждения в несколько десятков МПа (сотни атмосфер).

В настоящее время для соединения оболочек теплообменников из сплава ОТ4 применяется диффузионная пайка через медное покрытие. Но после пайки, помимо относительно невысокой прочности соединения ст=(0,3. 0,5)ста, возможны осаждения меди и запаи трактов охлаждения, что приводит к нарушению теплового режима узла и выходу его из строя Помимо этого при многократном нагружении в интерметаллидных прослойках, формирующихся при пайке в зоне соединения, зарождается и накапливается большое количество микротрещин, что приводит к снижению прочности соединения до 21 . .80 МПа

Перспективным процессом для соединения оболочек теплообменников по поверхностям их контактирования является диффузионная сварка, обеспечивающая качество соединения на уровне основного материала, но в то же время диффузионная сварка является достаточно сложным прецизионным технологическим процессом, ири котором по сравнению с пайкой возрастает роль физико-химического состояния контактных поверхностей, защитной среды, параметров режима, повышаются требования к точности сборки свариваемых заготовок, подготовке контактных поверхностей, исходной микроструктуре заготовок

Следует отметить, что. несмотря на достигнутые успехи в области понимания сущности процесса образования соединения при диффузионной сварке металлов, в том числе и титановых сплавов, современный уровень знаний не позволяет однозначно выбирать технологические параметры процесса и прогнозировать свойства диффузионносварных конструкций

Поэтому тема диссертации, посвященной разработке технологического процесса диффузионной сварки оболочек теплообменника, является актуальной.

Цель работы. Разработка технологии процесса диффузионной сварки титановых оболочек теплообменника энергетической установки, обеспечивающей повышение качества их соединения

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи'

- исследовать влияние технологических параметров сварки - степени разрежения, времени, температуры, удельною сварочного давтсния - на качество (характеризуемое прочностью и накопленной деформацией) и процесс образования диффузионного соединения из сплава ВТ20,

- установить условия возможности и эффективности использования газообразного азота для создания сжимающего давления с целью уменьшения накопленной деформации оболочек при их ДИФфздеруууЩ|^|ркё,

I в"вЛНОТИСА" 7

разработать способ герметизации межоболочковой полос! и теплообменника, обеспечивающий развитие автовакуумирования в зоне сварки,

выбрать параметры и разработать технологический процесс диффузионной сварки оболочек теплообменника из сплава ВТ20 Научная новизна работы.

На основании учета двух процессов адсорбции титаном остаточных газов вакуумированного пространства и поступления новых порций газа из вакуумной системы, протекающих одновременно в межоболочковой полости теплообменника при диффузионной сварке, разработана физико-математическая модель процесса изменения давления газа при нагреве и установлены закономерности распространения фронта окисления в зоне сварки

Установлены кинетические закономерности развития процесса диффузионной сварки сплава ВТ20; получены зависимости, отражающие взаимосвязь между качеством диффузионного соединения, степенью развития физического контакта и технологическими параметрами процесса

С учетом действия сил поверхностного натяжения количественно обоснована гипотеза о роли внутренних напряжений в механизме формирования диффузионного соединения, заключающаяся в образовании на свариваемых поверхностях деформационных рельефов и формировании за счет этого в зоне соединения большого количества микроконтактов, вокруг которых будут развиваться процессы, характерные для спекания и протекающие без участия внешних сжимающих усилий.

Практическая значимость.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований явились основой для разработки нового технологического процесса получения соединения между оболочками теплообменника из сплава ВТ20.

Получены номограммы, позволяющие определить глубину распространения фронта окисления титана в межоболочковой полости теплообменника в результате его взаимодействия с остаточным газом вакуумированного пространства в зависимости от температуры, времени, величины контактного зазора.

Рассчитаны аналитические выражения, позволяющие оценивать кинетику развития физического контакта и время, необходимое для реализации процесса сварки в зависимости от технологических параметров' температуры, удельного сварочного давления и чистоты обработки контактных поверхностей. Построены зависимости, позволяющие определить области температур и времени сварки, обеспечивающие получение диффузионного соединения, равнопрочного по ударной вязкости основному металлу (сплаву ВТ20).

Сформулированы и экспериментально обоснованы способы уменьшения накопленной деформации оболочек теплообменников на неподкреплепных участках за счет использования сжимающего давления на начальном этапе; применения газообразного азота особой чистоты для создания сжимающего давления при сварке и повышения сопротивления оболочек высокотемпературной деформации.

Сформирован принцип герметизации межоболочковой полости теплообменника, при котором завершающая стадия сборки оболочек осуществляв 1ся в вакууме при температуре сварки, что обеспечивает создание

условий для автовакуумирования межоболочковой полости и активацию контактных поверхностей в результате их интенсивною взаимного перемещения

Разработан технологический процесс диффузионной сварки оболочек теплообменника из сплава ВТ20.

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

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 2003): научно- технической конференции «Повышение эффективности сварочного производства» (Воронеж, 2003); Всероссийской научно-технической конференции «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении» (Запорожье, 2004); XI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии-2004» (Курск, 2004), Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Сварка и контроль - 2004» (Пермь, 2004); ежегодных научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (2002-20051 г), научных семинарах кафедры сварки Воронежского государственного технического университета

Положения, выносимые на защиту. Физико-математическая модель процесса изменения давления газа в трактах охлаждения и контактных зазорах теплообменника энер! етической установки.

Закономерности влияния технологических параметров процесса диффузионной сварки на механические характеристики, развитие физического контакта и накопленную деформацию свариваемых заготовок.

Технологические приемы, обеспечивающие повышение качества диффузионного соединения оболочек из сплава ВТ20' нанесение в процессе сварки на внешнюю поверхность титановых оболочек азотированного слоя; приложение удельного сварочного давления на первом этапе диффузионной сварки; использование на заключительном этапе деформаций, возникающих под действием внугренних напряжений; способ герметизации межоболочковой полости теплообменника, обеспечивающий развитие автовакуумирования в зоне сварки.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 печатных работ, получены два патента РФ, основные научные положения и результаты работы изложены в центральных российских изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех 1лав, заключения, списка литературы, включающего 132 наименования. 1екс1 диссертации изложен на 178 сграницах, содержит 81 рисунок и 6 таблиц

Автор выражает искреннюю благодарность за консультации и методическую помощь доктору технических наук, профессору Пешкову Владимиру Владимировичу и доктору физико-математических наук, профессору Батаронову Игорю Леонидовичу

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы В первой главе дана общая характеристика объекта исследования, сформулированы требования, предъявляемые к нему, изложены сущеавующие методы изготовления, проанализированы факторы, влияющие на качество образования диффузионного соединения титановых оболочек теплообменника

Титановые сплавы благодаря сочетанию таких свойств, как высокая удельная прочность в области температур 300 500 °С и коррозионная сюйкость во многих агрессивных средах, нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе в производстве двигательных установок ракетно-космической и авиационной техники, где масса конструкции имеет первостепенное значение Необходимость се снижения и обеспечение условий охлаждения или обогрева узлов, шумопоглощения и т.п. привела к созданию тонкостенных слоистых конструкций, которые характеризуются малой толщиной входящих элементов, их большой протяженностью и развитой поверхностью контактирования К этим же конструкциям следует отнести и теплообменники энергетических установок.

Повышение качества соединения оболочек теплообменников энергетических установок может быть обеспечено применением диффузионной сварки взамен используемой в настоящее время пайки, а также применением сплавов с более высокими механическими свойствами Однако диффузионная сварка, хотя и обеспечивает более высокое качество соединения, является достаточно сложным прецизионным технологическим процессом, в котором по сравнению с пайкой возрастает роль физико-химического состояния контактных поверхностей; защитной среды при сварке, параметров режима сварки, повышаются требования к технологии и точности сборки свариваемых заготовок, подготовке контактных поверхностей В формировании диффузионного соединения участвуют деформации, развивающиеся как под действием внешних (сжимающих) напряжений, так и под действием собственных (внутренних) напряжений, возникающих в металле при сварке Следует отметить, что вопрос о кинетике развития деформации под действием внутренних напряжений остается открытым, а представле1гия о роли этой деформации в формировании соединения не являются однозначными.

Во многих работах на примерах сплавов ОТ4, ВТ5, ВТ6 показано, что одним из основных факторов, определяющих кинетику формирования диффузионного соединения, является физико-химическое состояние поверхностей, которое обусловлено не только предварительной обработкой (механической, химической и т.п.), а в большей степени взаимодействием в условиях сварки титана с газами окружающей среды, включающим образование химических соединений и растворение газа в металлической основе Перспективным способом создания эффективной защиты свариваемых поверхностей от окисления можно считать процесс автовакуумирования Однако на сегодняшний день эффект автовакуумирования исследовался примени 1ельно к пайке стальных изделий, и

прогнозировать как будет изменяться давление газа при диффузионной сварке в охлаждающих трактах теплообменника, подключенных через коллекторное кольцо к вакуумной системе, и зонах контакта (зонах диффузионной сварки) оболочек без проведения дополнительных теоретических исследований невозможно

Исходя из вышеизложенного, для достижения поставленной в работе цели -разработки технологии процесса диффузионной сварки титановых оболочек теплообменника энергетической установки для повышения качества соединения -были сформулированы задачи исследования.

Во второй главе для решения поставленных задач были проведены экспериментальные исследования на натурном узле, результаты которых позволили сформулировать представление о процессах изменения давления (концентрации) остаточных активных газов, протекающих в межоболочковой полости при диффузионной сварке теплообменников. Однако количественно оценить степень развития процесса автовакуумирования в межоболочковой полости теплообменника экспериментальным путем не представляется возможным. Поэтому задача анализа процесса изменения давления остаточных газов в межоболочковой полости теплообменника в условиях диффузионной сварки в работе решалась путем математического моделирования этих процессов

Для этого тракт охлаждения теплообменника рассматривался в виде плоскопараллельного канала прямоугольного сечения высотой А и переменной ширины, на входе которого поддерживается постоянная концентрация газа п0 (рис.1). Будем считать, что начальная концентрация газа в канале равна нулю. В условиях интенсивног о поглощения газа стенками канала в газовом потоке формируется четко выявляемый фронт окисления, определяемый как линия в плоскости канала, на которой концентрацию газа примем равной нулю.

Рис 1. Схема канала и формы линий тока и следов изоконцентрационных поверхностей

Так как поперечные потоки газа пренебрежимо малы по сравнению с продольными, распределение плотности газа вдоль произвольной линии тока газа можно считать одинаковым для всех линий. В таком случае при выборе оси координат ЯЛ'вдоль какой-нибудь линии тока получим одномерную задачу переноса, а геометрия канала войдет в задачу через длину 1(х) изоконцентрациошюй поверхности с координатой х (см. рис. 1). Тогда уравнение стационарного течения газа по каналу будет иметь вид

А-.А.ыыо^-ФД, 0)

Цх)еЬ сЬ

где О — коэффициент диффузии газа по каналу, ц — плотность стоков газа, численно равная скорости пот лощения газа единицей площади поверхности канала.

В условиях действия диффузионного механизма поглощения газа стенками плотность стоков

К 1{х) (2\

где в(х) - функция Хэвисайда, учитывающая, что механизм поглощения газа в точке х начинает действовать с момента достижения этой точки фронтом газового потока; тбс) -время достижения фронтом потока координаты х, К - кинетический коэффициент, определяемый экспериментально Если обозначить временную зависимость координаты фронта газового потока как х = Щ, то

Ф) -г'(0. Ф) ~ *'(<)

Подставляя затем выражение (2) в уравнение (1), получим основное уравнение модели переноса газа по каналу:

НР 1 й <Ь = Щ-т(х». (3)

К 1(х) сЬс сЬ ф-ф)

Граничными условиями к уравнению (3) являются определение фронта потока как поверхности нулевой концентрации газа и, соответственно, отсутствие потока газа через фронт

ах

а также условие постоянства давления газа на входе в канал

п(0)=по. (5)

Необходимость трех граничных условий для уравнения второго порядка (3) обусловлена тем, что уравнение содержит неизвестную функцию (является задачей с подвижной границей), для определения которой требуется дополнительное условие

Общее решение поставленной задачи может быть получено последовательным интегрированием уравнения (3) с учетом условий (4), (5) и сведением к интегральному уравнению Абеля, что в итоге дает

77777 • (6)

И 2лггсо/^)Ч| 2]<Ь 1 КУ)С1У • <7>

п0 п \ Л ) п I ф-Б^у)

Здесь введена вспомогательная функция

выражающая эффективную площадь газопоглощения, нормированную на с/2, а характеристическое время /„ определяется формулой

(9)

Для получения решения по формулам (6)— (9) аппроксимировали зависимость

l(x) 2,75(х-х0)в(х-х„)

(Ю)

¡дех0- координата начала разветвления канала.

Рассчитанные по этой зависимости кинетика движения фронта окисления по тракту охлаждения и номограмма втияния температуры и длительности нагрева на длину зоны окисления представлены на рис. 2 и 3

Данные номограммы позволяют прогнозировать глубину распространения фронта окисления в трактах охлаждения штанового теплообменника в зависимости от технологических параметров диффузионной сварки

10 20 30 40 50 ео

80 90 t. мим

Рис 2 Кинетика перемещения фронта

окисления по трактам охлаждения, связанным с коллекторным отверстием (Т равна 700 (1), 750 (2), 800 (3), 850 (4), 900 (5), 950 (6) и 1000 (7) °С соответственно)

700 fäO 600 850 SCO 050 1000 10501100

т, *с

Рис 3 Влияние температуры и длительности нагрева на глубину перемещения фронта окисления в охлаждающих трактах теплообменника а равно 15 (1), 30 (2) 45 (3) 60 (4), 90 (5) и 120 (6) мин соответственно)

Результаты теоретических и экспериментальных исследований дают основание утверждать, что в процессе диффузионной сварки в вакууме »1 Па в результате взаимодействия титана с остаточным кислородом разреженного воздуха в зоне коллектора (коллекторных отверстий) будет формироваться дефектная окисленная зона величиной до 70 мм.

Третья глава посвящена анализу влияния технологических параметров процесса диффузионной сварки на механические свойства и остаточную деформацию свариваемых заготовок из сплава ВТ20. Для решения поставленной задачи и получения достоверных данных при проведении экспериментов в работе применяли комплекс методов исследований и статистическую обработку экспериментальных данных Основные исследования выполнялись на образцах из сплава ВТ20.

Изучение влияния технологических параметров режима диффузионной сварки начинали с исследования влияния защитных сред на прочность диффузионного соединения В результат проведенных экспериментов были получены количественные зависимости прочности диффузионного соединения на разрыв от температуры сварки и применяемой защитной среды, из которых следует, что при повышении степени разрежения от 1,3 Па до 0,05 Па прочное гь соединения растет. Качество соединения, полученного диффузионной сваркой в среде аргоне, не хуже соединения, полученного в вакууме при разрежении 0,05 Па. Образцы, сваренные при 1000 °С в условиях автовакуумирования, при испытаниях на ста! ический разрыв разрушались по основному материалу.

О влиянии параметров режима диффузионной сварки (т. I. Р) на механические свойства соединения из сплава ВТ20 судили по резулыатам механических испытаний стандартных образцов на статический разрыв и ударный изгиб.

Результаты механических испытаний показали, что разрушение соединения при пределе прочности ег„ = 1 ООО 1100 МПа, равном пределу прочности основного металла могло происходить при очень низких значениях показателей пластичности (КСУс„ = 0 ..0,05) МДж/м2. Образцы в этом случае разрушались по зоне соединения При этом площадь физического контакта между свариваемыми поверхностями не превышало 0,6...0,7 от номинальной площади контактных поверхностей.

Повышение температуры сварки от 925 до 1000 °С сопровождалось ростом прочностных характеристик соединения и величины накопленной деформации образцов. При этом, если чистота обработки контактных поверхностей характеризовалась параметром шероховатости Яа « 6,8.. 7,0 мкм (чистовое точение), то получение соединения, равнопрочного основному металлу (сг„ > 1100 МПа; КСУ > 0,45 МДж/м2) при Р = 0,5 МПа достигалось только после сварки при 1000 °С в течение не менее 3 часов.

Испытания на статическое растяжение не в полной мере отражают развитие процессов, контролирующих формирование диффузионного соединения, в частности образования физического контакта. Так, при испытаниях на разрыв разрушение соединения при площади физического контакта, меньше номинальной, может происходить при величине предела прочности, равной пределу прочности основного металла. Более объективный критерий качества соединения - ударная вязкость, величина которой отражает завершенность процесса образования соединения.

Поэтому для возможности проведения количественного анализа влияния технологических параметров режима сварки на качество соединения была найдена путем аппроксимации экспериментальных данных зависимость относительной ударной вязкости КСУ (КСУ ~ КСУс/КСУ„, 1де КСУсв - ударная вязкость сварного соединения; КСУМ - ударная вязкость основного металла, принятая равной 0,5 МДж/м2) от параметров процесса сварки - г, Р, г и Ра. Исходя из характера зависимости параметра КСУ от времени будем строить аппроксимирующую формулу в виде

КСУ =

\п

г

,Г<Г0 01)

Здесь масштабный параметр т0 и показатель степени п являются функциями Р, Ра Величина т0 равна времени достижения предельного значения КСУ - 1,0, а значение п определяет динамику изменения КСУ при значениях КСУ < 1,0 и п А, Р, К,) раздельно Время сварки т0, необходимое для получения соединения, равнопрочного (по ударной вязкости) основному магериалу. рассчитывалось в виде мультипликативно-степенной модели, в результате аппроксимации которой была получена следующая зависимость:

X = 1п(ЮОООЛ)°'01237^ 629^°'0318Р . ^>0,000838(132-/) 0,2781п(Д) ^0,0566(890.4-1)

Согласно (11) при фиксированных значениях параметров t, Р Ra динамика изменения величины KCV oi времени определяется единственным параметром п. значение которого находилось методами нелинейного рефессионного анализа непосредственно но модели (11) В результате была получена зависимость

п 0,000369(1-1001,5/ + 0,1684(Р - 3,54)2 ^ 0,0722ln(800000RJ , (13) с характеристиками разброса СКО=0,19. максимальная относительная ошибка = 18 %, средняя относительная ошибка = 6 % Следует отметить, что полученная величина разброса обусловлена сравнительно слабым влиянием показателя п на вид зависимости в формуле (И) расчет разброса непосредственно величины KCV с использованием модели (13) дает СКО = 0,047.

Для прецизионных конструкций, к которым следует отнести и теплообменники энергетических установок, важным показателем качества является не только механическая прочность соединения, но и накопленная деформация заготовок, поскольку она может приводить к искажению размеров и формы изделия.

Нахождение деформации образцов, необходимой для получения равнопрочного (по ударной вязкости) основному материалу диффузионного соединения, можно осуществить по выражению

A £l=e(t,P)-ra, (14)

где s (t,P) - скорость ползучести металла при режимах диффузионной сварки; т0 - время сварки, необходимое для получения соединения, равнопрочного (по ударной вязкости) основному материалу (сплаву ВТ20).

На основе экспериментальных данных была получена зависимость скорости ползучести сплава ВТ20 от температуры и давления

£ = 1,4 108 ■ Р12 ■ ехр(-318000 / RT) ,с 1. (15)

Результаты расчетов деформации, необходимой для образования соединения с KCV =1, показали, что уменьшение сварочного давления в 12 раз (от 6 до 0,5 МПа) хотя и приводит к увеличению т0. но сопровождается снижением Де, примерно в 2...3 раза. Повышение температуры сварки от 925°С до 1000°С сопровождается уменьшением т0 и в результате Де, уменьшается.

Полезные в практическом плане выводы позволяют сделать результаты сравнения деформаций, сопутствующих сварке при получении соединений, равнопрочных основному металлу по ударной вязкости (KCV= 1) и по пределу

прочности (ог„ = 1, KCV < 0,05 МДж/м2). Оценочные расчеты показывают, что

для получения соединения с ав = 1 при 925 °С требуется в 2 раза меньшая деформация, чем для получения соединения, характеризуемого KCV ~ 1; с повышением температуры сварки эта разница возрастает. То есть при диффузионной сварке по технологической схеме с постоянно приложенным давлением большое накопление деформации происходит на завершающем этапе формирования сварного соединения.

Поскольку в основе образования диффузионного соединения лежит развитие физического контакта, то в дальнейшем исследования были направлены

на нахождение кинетических зависимостей р^ — (р(т} (Рк = //"д > 1де Рк"

относительная площадь физического контакта; Гк - площадь образования физического контакта; 1-'н - номинальная площадь контактной поверхности) С

повышением температуры испытания рк монотонно возрастает Ход

кинетических кривых рк ~ Ф(т) свидетельствует о затухающем характере процесса

Поскольку относительная площадь физического контакта, образующаяся в условиях диффузионной сварки, стремится к 1, то выражение, описывающее кинетику этого процесса, можно представить в виде

где а - постоянная, имеющая размерность времени, являющаяся функцией температуры и приложенного сжимающего давления; г- время сварки.

Обработка экспериментальных данных показала, что зависимость а=(р(1, Р) может быть описана выражением

Полученные количественные характеристики процесса развития физического контакта позволяют решить практически важную задачу оценить деформацию свариваемых заготовок Де2, сопутствующую развитию физического контакта в зависимости от температуры сварки и приложенного сварочного давления.

Величину деформации заготовок Де2 определяли по выражению (14), а время, необходимое для образования заданной величины ¡.\, вычисляли из выражения (16).

Из анализа полученных зависимостей следовало, что по мере развития физического контакта величина необходимой деформации возрастает, так если для

образования рк = 0,4 требуется Лг2 » 2 . 2,6 %, то для дальнейшего образования

контакта Рк от0,4 до0,8требуется 4,6.. 8%,апри рк<* 1 Де2достигает 14-17%. Из сопоставления полученных расчетных значений деформации Ас, при

КСУ = 1 и Де2 при 1 следует, что для развития физического контакта по всей свариваемой поверхности требуется большая деформация, чем для получения соединения, равнопрочного основному металлу Такое соотношение расчетных

значений деформации можно обьяснить тем, что по мере развития и сближения контактных поверхностей существенную роль начинают играть процессы, протекающие без участия внешних сжимающих напряжений

Анализ литературных данных и экспериментальные исследования на образцах из сплава ВТ20 показали, что в условиях диффузионной сварки титановых сплавов развивается деформация не только в результате приложенного

F* = 1 — ехр(~—),

(16)

а

(17)

внешнего сжимающего давления, но и под действием собственных (внутренних) напряжений, приводящих к образованию на поверхности специфического рельефа Процесс деформации контактных поверхностей под действием внутренних напряжений сам по себе не может приводить к увеличению площади физического контакта при диффузионной сварке, так как геометрические размеры в принципе и изменяются на высоту образующихся микровыступов, но объем свариваемых заготовок в целом не увеличивается, остается прежним

При сближении контактных поверхностей в процессе ползучести под действием приложенных сжимающих давлений до некоторой величины /г, соизмеримой с величиной «микровыступов», формирующихся на поверхности, произойдет образование микроконтактов Эти образовавшиеся многочисленные микровыступы будут являться очагами спекания.

В области высоких температур, когда диффузионная подвижность атомов и упругость паров достаточно велики, наблюдаемый рост площади контакта «самопроизвольно» (т.е. лишь под влиянием давления, обусловленного кривизной поверхности приконтактного перешейка) может происходить за наблюдаемое время с помощью механизмов вязкого течения, объемной и поверхностной диффузии, переноса вещества через газовую фазу. Кинетика этих процессов, как было показано Я Гегузиныч, может быть описана уравнением вида

Х"(т) Л(0-т, (18)

где Х(0 - радиус площади контакта; АСО - функция, конкретный вид которой зависит от температуры, геометрии контакта, свойств материала.

В частности, если моделировать микроконтакт в виде полусфер радиусом Ко, при реализации механизма вязкого течения радиус площади контакта с течением времени будет изменяться по закону

х~г /7 г"

где а - удельная поверхностная энергия на границе фаз; г\ - коэффициент вязкости материала.

Развитие процессов образования микроконтактов и последующего спекания может приводить к формированию в зоне стыка пор. Если радиус пор г значительно больше линейных размеров элементов микроструктуры I (зерна блока), то есть пора окружена большим количеством мелких зерен (блоков), то под влиянием лапласовского давления (Р = -2а/г) будет происходить диффузионно-вязкое течение вещества матрицы в пору и радиус поры будет изменяться по закону

(20)

4 V

где г0 - начальный радиус поры

Таким образом, основная роль процесса деформации контактных поверхностей под действием собственных (внутренних) напряжений в образовании диффузионного соединения заключается в создании в контактном зазоре центров (в разделении сплошного контактного зазора на ряд значительно более мелких пор), вокруг которых развиваются процессы, протекающие при спекании металлов

Оценка при 1=1000 °С времени т, (19), необходимого для увеличения радиуса н тощали микроконтактов до 5 10"4 см, показала, что оно составит 103 сек, а время т2 (20), необходимое для заращивания образующихся в результат развития микроконтактов пор г<у»5 105 см, будет равно 4,5-103 сск.

Вычисленные значения времени как развития очаюв спекания (~103 сек), так и заращивания пор (~4,5-103 сек) по порядку вполне согласуются с реальными временами, использованными при сварке.

Полученные результаты имеют не только научное, но и практическое значение, поскольку позволяют наметить пути, обеспечивающие снижение накопленной деформации свариваемых заготовок Например, использование сжимающих давлений только на начальном этапе сварки для сближения свариваемых поверхностей на расстояние, соизмеримое с высотой деформационных рельефов, образующихся под действием собственных (внутренних) напряжений.

В четвертой главе были разработаны технологические рекомендации по повышению качества диффузионного соединения оболочек теплообменника из сплава ВТ20, а именно: использование сжимающего давления на начальном этапе сварки для уменьшения накопленной деформации оболочек теплообменников на неподкрепленных участках; применение газообразного азота особой чистоты для создания сжимающего давления при сварке с целью повышения сопротивления оболочек высокотемпературной деформации; герметизация оболочек новым способом, обеспечивающим развитие автовакуумирования в зоне сварки.

Диффузионную сварку оболочек теплообменника следует осуществлять в интервале температур а+Р—>р-превращения, т. е при 1000 ± 10 °С, и для уменьшения деформации оболочек (в виде прогибов на неподкрепленных участках) использовать сжимающее давление газом только на первом начальном этапе. Исследования показали, что удельное сжимающее давление р на этом этапе и длительность его приложения г должны обеспечить развитие физического

контакта Гк >0,53, при котором произойдет сближение контактных поверхностей на расстояние, соизмеримое с величиной рельефа, образующегося при деформации под действием собственных напряжений, и «включения» механизма спекания

Учитывая, что высокотемпературная деформация свариваемых оболочек при диффузионной сварке во многом зависит от физико-химического состояния поверхности и поверхностных слоев, то, нанося упрочнители на внешнюю поверхность оболочек, можно управлять деформацией свариваемых заготовок.

Перспективным процессом с шчки зрения технологии нанесения на поверхность титановых оболочек [еплообменника слоев, обеспечивающих увеличение их сопротивления высокотемпературной деформации, является газовое азотирование. Поэтому в качестве газа, создающего сварочное давление, можно использовать азот.

Исходя из результатов проведенных экспериментальных исследований по влиянию толщины предвари 1ельно нанесенного азотированием слоя (6огр) на коэффициент вязкости сплава ВТ20 (7) можно сделать вывод, что с увеличением 8тр возрастает а это позволяет снизить величину прогиба оболочек

Однако результаты сравнительных усталостных испытаний образцов в состоянии поставки с образцами после азотирования (по методике Б А

Дроздовского) показали чю наличие на поверхности образца охр>пчениою слоя до ~12 мкм снижает количество циклов нагружения NT до появления трещины почти на 48 %

Воолановить пластичность и повысить долговечность титановых сплавов, содержащих на своей поверхности охрупченные слои, можно отжигом в вакууме или инертной среде, который обеспечивав перераспределение примесей, охрупчивающих cri гав в поверхностном слос

Экспериментальные исследования по определению температуры и длительности вакуучною отжига показали, что для удаления охрупченного слоя с поверхности титана за счет рааворения азота в его металлической основе, например, при 1 ООО °С. требуется около одно! о часа.

Сравни 1ельные испытания образцов на циклическую усталость изгибом после их азотирования и последующего вакуумного отжша при 1000 °С в 1ечение 60 мин показали, что котичество циклов нагр>жения N до появления трещины возрастает в 1,3 1,5 раза по сравнению с образцами, не подвергавшимися вакуумному отжигу

Недостатком применяемой в настоящее время технологической схемы диффузионной сварки является также наличие кольцевых аргонодуговых швов и невозможность создания условий бсзокислительного Haï рева (в области коллекторного кольца)

Учитывая результаты проведенных экспериментальных исследований по сварке в условиях автовакуумирования, о i меченные выше недостатки технологической схемы могут быть устранены, если в загоювке теплообменника оболочки собраны коаксиально в два этапа На первом э>апе оболочки собирают, размещая одна в другой до упора Наружная оболочка размещается на расстоянии 3 4 мм 01 кольцевой линии границы )ракюв охлаждения со стороны большого торца Внуфенняя оболочка внешней торцевой поверхностью контактирует с внутренней поверхностью наружной оботочки Блаюдаря выбору величины h, равной ширине -фактов охлаждения (т с 3 4 мм), тракты охлаждения остаются открытыми, что позволяет совмещать ваку>мирование пространства между оболочками с процессом вакуу.мирования сварочной камеры Разрежение в сварочной камере в производственных условиях с использованием серийного оборудования может быть обеспечено до 10 2 Па Такое же разрежение будет и в межоболочковой полости теплообменника

Завершаюi сборку теплообменника в сварочной камере ири нагреве до температуры фазовою превращения, когда сплав обладает наименьшим сопротивлением высокотемпературной деформации, а при деформации со скоростью порядка 104 с"1 - и эффектом сверхпластичноаи На этапе окончательной сборки в результате интенсивного взаимного перемещения контактных поверхностей оболочек подлежащих диффузионной сварке, происходит их эффективная очистка Образуются ювенильные поверхности, обладающие высокой реакционной способностью к схватыванию и обеспечивающие высокое качество сварных соединений готовому изделию

На основании проведенных экспериментальных исследований был разработан технологический процесс диффузионной сварки теплообменника из гплава ВТ20 энергетической установки коюрый включает в себя следующие эперации

1 Входной контроль структуры поковок сплава ВТ20 для изготовления колец (верхнего коллекторного нижнего) наружной оболочки При наличии крупно ¡ернистой плаиинчатой структуры с видимыми границами (3-зерен необходима проковка при 1000 °С со степенью деформации не менее 60 %

2 Подготовка свариваемых поверхностей оболочек зачистка наждачной шкуркой, обезжиривание, обезвоживание

3 Выполнение первого этапа сборки оболочек теплообменника

4 Размещение собранною по первому этапу теплообменника в термокомпрессионную печь и создание разрежения в сварочной камере не ниже 2 10 2 Па, нагрев теплообменника до температуры 1000°С

5 Выполнение второго этапа сборки оболочек теплообменника.

6 Заполнение сварочной камеры термокомпрессиопной печи азотом особой чистоты до 3 105н/м2 (3 атм ) и выдержка в течение 45 минут Затем с помощью вакуумного насоса о i качка азота из сварочной камеры и заполнение ее аргоном высшего сорта до давления 1-105н/м2 (1 атм) Повышение температуры теплообменника до 1050 °С (со скоростью натрева - 2,5 град/мин ) и выдержка в течение 30 минут.

7 Охлаждение теплообменника в среде аргона до температуры не выше 300 °С

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований является научной базой для разработки технологии процесса диффузионной сварки тонкостенных оболочковых конструкций из сплава ВТ20

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

I. Разработана физико-ма1ематичсская модель процесса изменения давления iача в трактах охлаждения и контактных зазорах в межоболочковой полости титанового теплообменника в условиях его диффузионной сварки В основу модели положен учет процессов диффузионного проникновения газа из вакуумной системы в межоболочковую полость и взаимодействия i ;иа с поверхностью межоболочковой полости

2 Установлено, что при диффузионной сварке в вакууме в результате проникновения разреженного воздуха из вакуумной системы в межоболочковую полость формируется окисленная зона, тлубина распространения которой зависит от температуры, сечения тракта охлаждения (контактного зазора) и времени Получены номограммы, позволяющие прогнозировать глубину распространения фронта окисления в контактных зазорах и трактах охлаждения теплообменника в зависимости от технологических параметров сварки

3 Экспериментальные исследования показали, что эффективными средствами зашиты зоны соединения от окисления при диффузионной сварке могут быть экраны, препятствующие поступлению новых порций таза из сварочной камеры (вакуумной системы) в зону сварки и создающие условия для развития автовакуумирования

4 Статистической обработкой результатов механических испытаний диффузионно-сварных образцов из сплава ВТ20 получены эмпирические выражения, позволяющие оценивать кинетику развития физического контакта и время, необходимое для реализации процесса сварки в зависимости от

технологических параметров температуры, удельного сварочного давления и чистоты обработки контактных поверхностей Для сплава ВТ20 построены номограммы, позволяющие определить области температур и времени сварки (при заданных удельных давлениях и чистоте обработки контактных поверхностей), обеспечивающие получение соединения, равнопрочного по ударной вязкости основному металлу.

5 Количественно обоснована гипотеза о роли внутренних напряжений в механизме образования диффузионного соединения, заключающаяся в образовании под действием собственных напряжений деформационных рельефов на контактных поверхностях и формировании за счет ri ого на завершающем этапе микроконтактов, вокруг которых будут развиваться процессы, характерные для спекания и протекающие без участия внешних сжимающих напряжений.

6 Анализ значений эффективной энергии активации процесса роста прочности в условиях вакуумного отжига без приложения сжимающих давлений

дает основание считать, что прирост прочности при рк = 0,23...0,31 происходит за счет переноса вещества через газовую фазу на участках образовавшегося

контакта; а при fk > 0,52 - за счет высокотемпературной деформации контактных поверхностей под действием внутренних напряжений

7. Для уменьшения величины прогибов оболочек из сплава ВТ20 на неподкрепленных участках при диффузионной сварке предложено и обосновано нанесение на внешние поверхности дополнительного слоя из материала, скорость ползучести которого в условиях сварки на несколько порядков меньше, чем у материала оболочки, например, нитрида титана.

8. На основании экспериментальных исследований разработана технология процесса диффузионной сварки теплообменника из сплава ВТ20 энергетической установки, который предполагает сварку при 1000 °С в условиях автовакуумирования с созданием сжимающего давления р = 1,5 МПа азотом и выполнение цикла сварки в два этапа, на втором этапе давление уменьшается до 0,5 МПа, а азот заменяется аргоном и температура повышается до 1050 °С.

Разработанный процесс получил золотую медаль на 5-м Московском международном салоне инноваций и инвестиций и прошел апробацию в условиях опытного производства на Воронежском механическом заводе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Батищев A.A., Бесплохотный Г.П., Пешков В.В Расчет соединений оболочек теплообменников энергетических установок на прочность // Повышение эффективности сварочного производства: Сб. материалов науч.- техн. конф -Воронеж, 2003. - С. 89-94.

2. Пешков В.В., Батищев A.A., Бесплохотный Г П. О механизме образования соединения при диффузионной сварке титана // Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве: Сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф - М., 2003. - С. 65-68.

3. Пешков В В., Шурупов В.В . Бесплохотный Г.П Диффузионная сварка тонкостенных конструкций из титановых сплавов И Сварка и родственные

технологии в машиностроении и электронике Peí ион сб науч тр - Курск, 2003 -С 227-233

4 Моделирование процесса изменения давления кислорода в контактном зазоре при диффузионной сварке / В.Ю Полевин. МН Ш>шпанов. Г.П Бесплохотный, В В Пешков // Компьютерные технологии в соединении материалов Сб тез докл 4-й Всерос науч-техн конф - Т>ла, 2003 -С 62-63

5 Моделирование процесса изменения давления газа в трактах охлаждения теплообменников при их диффузионной сварке / Г П Бесплохотный, ВР Петренко. С С Доронкин. ИЛ Батаронов, В В Пешков // Славяновские Ч1ения Сварка - XXI век Сб докл науч-техн конф - Липецк. 2004 -С 487-491.

6 Влияние материала технологической оснастки на прочностные характеристики титана и его соединений при диффузионной сварке / JI С. Киреев, В В Шурупов, В В Пешков, Г П Бесплохотный // Автоматическая сварка -2004 - № 1 - С 27-29

7 Анализ процесса изменения давления газа в трактах охлаждения теплообменников при диффузионной сварке в вакууме / В Р Петренко. Г П Бесплохотный, С С Доронкин, ИЛ Багаронов В В Пешков // Технология машиностроения - 2005 - № 1 - С 38-41

8 Петренко В Р , Бесплохотный Г П , Пешков В В Восстановление пластичности и повышение долговечности азотированного става ВТ20 вакуумным отжигом // Материалы и упрочняющие технологии Сб материалов XI Российской науч - гехн конф - Курск, 2004 -С 21-25

9 Пешков В В , Бесплохотный Г П . Усачева Л В. Автовакуумирование в контактном зазоре при диффузионной сварке титана // Сварочное производство -2004 -№11.-С 15-20

10 Диффузионная автовакуумная сварка сплава ВТ20 / Л В Усачева. Г П Бесппохогный, В В Пешков, В Р Петренко // Сварочное производство - 2004 -№ 12 - С.11-15

П. Пат. RU 38663, U1, 7 В23К 20/00, В 23Р 11/00 Заготовка слоистой тонкостенной сварной конструкции / Г П Бесплохотный, А А Батищев, В В.Шурупов, В В Пешков // Заявлено 08 01 2004 Опубл 10 07 2004 Бюл № 19

12 Паг RU 41659, U1, 7 В23К 20/00, В 23Р 11/00 Заготовка слоистой тонкостенной сварной конструкции / А А Багищев, Г П.Бесплохотный, В.В Шурупов, В В Пешков //Заявлено 08 01 2004, Опубл 10 11 2004 Бюл № 31. 4

Личный вклад автора в полученных научных и практических результатах заключается в постановке задач исследований [2.5,7,8], в моделировании и .

теоретическом анализе физико-химических процессов, протекающих в зоне диффузионного соединения [2,4,5,9,7], в разработке методик, проведении экспериментов и обработке опытных данных [1,3,6 10,8], в формировании и экспериментальном обосновании принципа герметизации внутренней полости теплообменника и способов уменьшения накопленной деформации оболочек ту*-'" их диффузионной сварке [10,11,12] ^^

Подписано в печать 16 05 2005 Формат 60 х 84/16 Бумага для множительных аппаратов Усл. печ л 1,0. Тираж 90 экз Заказ № «иьУ

Воронежский государственный технический университет 394026 г Воронеж, Московский просп ,14

»1 096$

РНБ Русский фонд

2006-4 6613