Введение к работе
Актуальность проблемы
Повышение требований к летным характеристикам современной авиакосмической техники привело к возрастанию потребности в материалах с улучшенным комлексом механических свойств. Титановые сплавы являются перспективным материалом для многих областей применения в авиакосмической технике благодаря их высокой удельной прочности, сопротивлению усталости, вязкости разрушения и коррозионной стойкости.
Титановые сплавы менее технологичны по сравнению со сталями и алюминиевыми сплавами из-за низкой теплопроводности, высокой химической активности, ограниченных возможностей холодной деформации. Это является одной из причин повышенного расхода материалов (титана, вольфрама, гелия, аргона и др.) при обработке титановых сплавов.
Некоторые технологические операции, и, прежде всего, сварка, термическая резка, связаны со структурными изменениями металла и появлением в нем дефектов.
Сопоставление стоимости материалов и технологии изготовления конструкций из титановых сплавов показывает, что экономическая целесообразность применения титановых сплавов в авиакосмической технике определяется затратами на их производство. Свойства сварных соединений титановых сплавов ниже, чем у основного деформируемого металла. Кроме того, титановые сплавы склонны к порообразованию при сварке и образованию холодных трещин после сварки.
Существует много работ по улучшению металла шва, особенно тонкостенных конструкций, с использованием высококонцентрированных источников энергии. Но на сегодняшний день бездефектное получение металла шва крупногабаритных конструкций очень трудоёмко и дорогостояще.
Поэтому актуально совершенствование существующих и разработка новых эффективных технологических процессов изготовления и термической обработки с использованием высококонцентрированных источников энергии (лазерный, плазменный, электронно-лучевой и др.) при изготовлении штам-посварных конструкций из титановых сплавов летательных аппаратов (ЛА).
Цель работы. Повышение качества, снижение трудоёмкости изготовления высоконагруженных титановых конструкций за счет разработки и промышленного внедрения перспективных технологий формирования металла шва с механическими свойствами, обеспечивающими высокую надеж/
ность силовых конструкций.
Для достижения цели решались следующие задачи:
-
Аналитическая оценка уровня дефектности высоконагруженных титановых конструкций летательных аппаратов.
-
Исследования причин появления пористости в металле шва и влияния вольфрамовых включений и нерасплавленной проставки на свойства и надежность конструкций.
-
Металлографические и электронно-микроскопические исследования формирования поверхности раздела и её влияние на структуру металла шва крупногабаритных титановых конструкций.
-
Оптимизация формирования структуры металла шва повышенной толщины.
-
Экспериментальные исследования свойств металла шва высоконагруженных титановых конструкций, изготовленных по разработанным технологическим процессам их изготовления.
-
Производственные испытания и внедрение технологических процессов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выявлены закономерности влияния величины вольфрамовых включений и нерасплавленной проставки на малоцикловую усталость сварных титановых конструкций;
впервые установлена причина образования пор в металле шва из-за неполного расплавления проставки;
установлена принципиальная возможность получения высококачественного металла шва при сварки погруженным вольфрамовым электродом (СПВЭ) по необработанным кромкам, подготовленным гидроабразивным раскроем;
разработана новая технология многопроходной СПВЭ, обеспечивающая проплавление свариваемых заготовок толщиной 110-120 мм, защищенная патентом;
экспериментальными исследованиями установлено, что вид сварки оказывает влияние на механические свойства металла шва титановых конструкций: временное сопротивление разрыву для СПВЭ при статических испытаниях меньше, чем при электронно-лучевой сварке (ЭЛС), а ударная вязкость значительно выше;
электронно-микроскопическими исследованиями макро- и микроструктуры установлены размеры зон термического влияния металла шва, величина столбчатых кристаллов и размеры площади ее- и Р-пластин по зонам
металла шва, что позволило выявить причину различия значений механических свойств металла швов, выполненных СПВЭ и ЭЛС. Показано, что чем больше скорость охлаждения литого метала тем меньше а-пластины в первичном зерне и выше предел прочности у титанового сплава ВТ20.
Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью принятых допущений, обоснованностью методов расчета и моделирования и положительной оценкой экспертизы, связанной с признанием изобретением предложенного технического решения.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработаны технологические процессы изготовления штампосвар-ных конструкций из титановых сплавов, исключающие металлические включения и порообразование в металле шва, обеспечивающие высокую надежность конструкций, обеспечивающие снижение трудоемкости изготовления, повышение КИМ и получение деталей с новым комплексом свойств;
разработана и внедрена в производство усовершенствованная технология получения высококачественного (без пор и вольфрамовых включений) металла шва в титановых конструкциях толщиной 60-120 мм за счет использования неплавящегося тороидального электрода;
разработана технология формирования структуры поверхности кромок заготовок с использованием высококонцентрированных источников энергии, обеспечивающая высокое качество металла шва, повышение КИМ и снижение трудоёмкости;
технологические процессы нашли своё применение на ОАО «КнАА-ПО», разработаны рекомендации по внедрению их в отрасли;
результаты работы включены в учебный процесс выполнения курсовых и дипломных проектов в ГОУВПО КнАГТУ на кафедрах ТСП, КМТНМ и ТС.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Анализ дефектов металла шва сварных соединений, их влияние на свойства и надёжность титановых конструкций, обоснование методов их устранения на базе известных теоретических закономерностей порообразования и достижений в решении проблемы.
-
Результаты исследования формирования поверхности раздела в зависимости от вида раскроя и последующей обработки заготовки, её влияние на структуру металла"шва.
-
Экспериментально установленные и научно обоснованные условия формирования структуры металла шва повышенной толщины в толстостенных титановых конструкциях;
4. Результаты сравнительных испытаний механических свойств, химического состава и усталостной прочности сварных конструкций, выполненных по разработанным технологическим процессам.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования; анализе дефектов сварных титановых конструкций; анализе литературных источников; в проведении аналитической оценки рельефа поверхности раздела кромок; в проведении экспериментов, получении данных и обработке их результатов; в проведении оптических, металлографических, физико-механических исследований и формулировании выводов.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Всероссийская научно-техническая конференция МАТИ - сварка XXI века «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве», Москва, 2003 г.; Дальневосточный инновационный форум «Роль науки, новой техники и технологии в экономическом развитии регионов», г. Хабаровск, 2003 г.; III конкурсная конференция молодых специалистов авиационных, ракетокосмических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике», г. Королёв. 2004 г.; II научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОКБ «Сухого», г. Москва, 2004 г.; XX научно-техническая конференция ОАО «КнААПО» «Созданию самолётов высокие технологии», г. Комссмольск-на-Амуре, 2005 г. Международная научно-техническая конференция, посвященная 75-летию ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ «Вопросы авиационного материаловедения», г. Москва, 2007.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, подана заявка на изобретение и получен патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 136 страницах, содержит 24 таблиц и иллюстрированы 46 рисунками. Список литературы содержит 60 наименований.
Автор искренне признателен всем коллегам за содействие в выполнении настоящей.работы, лично научному руководителю к.т.н., доценту Б.И. Долотову и научному консультанту д.т.н., профессору В.И. Муравьёву за консультации, поддержку и внимание к работе.
