Введение к работе
Актуальность работы. Разработка новых материалов, предназначенных для работы в условиях агрессивных сред, повышенных температур, давления, износа является актуальной задачей современного материаловедения. Возможность создания высоколегированных сталей и сплавов, имеющих высокую коррозионную стойкость, практически исчерпана, на передовые позиции выдвигается задача конструирования новых композиционных материалов. В сложных условиях эксплуатации композиционные материалы способны обеспечить более высокие эксплуатационные показатели. Широко применяются в различных областях машиностроения биметаллы, из которых производят оборудование для химической отрасли и смежных производств. Использование биметаллов позволяет снизить стоимость оборудования, при этом коррозионная стойкость плакирующего слоя полностью определяет показатели и применимость биметалла.
Известны способы получения и использования многослойных материалов и покрытий, однако отсутствует общий подход к формированию слоистой структуры, которая обеспечивала бы заданные механические свойства и высокую коррозионную стойкость. Основу настоящей работы составляет разработка многослойного материала высокой коррозионной стойкости, который сочетает стойкость против общей и питтинговой коррозии и высокую прочность, и технологии его производства с применением сварки взрывом.
Работа была выполнена в рамках Государственного оборонного заказа НИР «Разработка научных основ получения сваркой взрывом многослойных композиционных металлических материалов для создаваемых и модернизируемых образцов вооружения, военной и специальной техники», шифр «Уведомление», по заказу Министерства обороны РФ (государственный контракт № 1385 от 22.03.2004), Федеральной целевой программы «Разработка технологий, обеспечивающих ликвидацию различных химически опасных отходов, находящихся на территории накопителей, свалок и захоронений, на основе методов сверхкритического водного окисления и пиролиза в восстановительной среде без процесса горения», шифр «Сверхкрит», по заказу Министерства промышленности и торговли РФ (государственный контракт № 94111007500.13.1007 от 23.07.2009), Госбюджетной НИР «Разработка теоретических основ новых многослойных металлических материалов повышенной коррозионной стойкости» (№ 1.16.09, номер государственной регистрации № 0120095067).
Объект исследования – многослойные материалы и технология их получения сваркой взрывом.
Предмет исследования – принцип и условия обеспечения высокой коррозионной стойкости многослойных материалов и усовершенствование технологии их производства сваркой взрывом для получения заданных механических свойств и коррозионной стойкости.
Цель работы – создание многослойных материалов высокой коррозионной стойкости и усовершенствование опытно-промышленной технологии их получения на основе исследования деформации при сварке взрывом.
Задачи исследований:
1 Разработать принцип создания многослойного материала, стойкого к питтинговой коррозии, на основе комбинирования в определенном порядке слоев с различной коррозионной стойкостью и различными электрохимическими потенциалами.
2 Разработать состав многослойных металлических материалов в зависимости от показателей агрессивной среды.
3 Изучить закономерности изменения структуры и свойств многослойных материалов и установить их взаимосвязь с технологическими параметрами сварки взрывом.
4 Исследовать особенности деформации крупногабаритного многослойного листа в процессе сварки взрывом методом конечных элементов по программе LS-DYNA и экспериментально методом реперных меток.
5 Разработать опытно-промышленные технологии производства крупногабаритных многослойных материалов с применением сварки взрывом.
Методы исследований. Теоретические исследования базировались на положениях теорий упругости, теории коррозии и теории сварки взрывом. Экспериментальные исследования включали: микроанализ на инверторном металлографическом микроскопе Axiovert 200 MAT, метод реперных меток, механические испытания на разрывной машине Instron 1195, электрохимические испытания с использованием потенциостата pH-340, компьютерное моделирование с помощью программы LS-DYNA. Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных и аттестованных средств измерений.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются результатами теоретических и экспериментальных исследований, их сходимостью, результатами моделирования с применением метода конечных элементов, а также результатами измерения деформации в процессе производства более 200 крупногабаритных многослойных листов.
Научная новизна.
По специальности 05.16.09:
1 Разработан принцип создания многослойного материала, стойкого к питтинговой коррозии, на основе комбинирования в определенном порядке слоев (не менее трех) с различной коррозионной стойкостью и электрохимическим потенциалом, что приводит к изменению характера коррозионного разрушения в средах, анионы которых являются и не являются окислителями.
2 Установлено, что для сред, не содержащих анионы окислителей, происходит последовательный переход от питтинговой коррозии в первом слое к общей коррозии во втором (протекторном) и создаются условия, препятствующие сквозному разрушению третьего слоя до достижения критического объема коррозии в протекторе.
3 Установлено, что для сред, содержащих анионы окислителей, вследствие протекторного воздействия второго слоя происходит замедление сквозного коррозионного разрушения при условии, что объем коррозии первого слоя не достигнет критического значения.
4 Выявлена взаимосвязь между параметрами взрывного нагружения и структурой межслойных границ многослойных материалов при условии обеспечения заданной величины прочности соединения слоев.
По специальности 05.02.10:
5 Впервые смоделирована деформация крупногабаритных заготовок при сварке взрывом с применением программного продукта LS-DYNA на основе двух моделей: учитывающей упругопластическое поведение свариваемых листов и не учитывающей сопротивление сдвиговым деформациям. Показано, что вторая модель дает результат, соответствующий экспериментальным данным.
6 Установлено, что при сварке взрывом крупногабаритных биметаллических заготовок деформация растяжения плакирующего стального листа отсутствует, а деформация растяжения плакируемого листа сосредоточена на участке протяженностью ~20 % от длины листа со стороны, противоположной точке инициирования заряда, и протекает впереди точки контакта.
Практическая значимость:
1 Разработан и запатентован многослойный металлический материал повышенной коррозионной стойкости и способы его получения (заявка № WO 2010/036139 A1 от 01.04.2010).
2 Предложен и обоснован выбор состава многослойных металлических материалов, которые предназначены для эксплуатации в средах, содержащих и не содержащих окислители.
3 Установлена возможность повышения ресурса работы химической аппаратуры, работающей в агрессивной среде при использовании многослойных металлических материалов в качестве покрытия от 4 до 15 раз.
4 Разработаны рекомендации и усовершенствована опытно-промышленная технология получения сваркой взрывом многослойных металлических материалов требуемого качества.
5 Разработана опытная технология и получены образцы многослойного материала, что подтверждено актами сдачи-приемки НИР «Уведомление», ОКР «Сверхкрит» и НИР «Разработка теоретических основ новых многослойных металлических материалов повышенной коррозионной стойкости».
Реализация и внедрение результатов. Результаты работы внедрены в виде усовершенствованной технологии промышленного производства крупногабаритных многослойных и биметаллических листов, с применением которой на ООО НТЦ «Сварка» и ООО «Битруб Интернэшнл» в период с марта 2008 по март 2009 г. произведено свыше 2900 м2 листов средним размером 8 м2.
На защиту выносятся:
1 Разработанный принцип создания многослойного материала, стойкого к питтинговой коррозии, на основе комбинирования в определенном порядке слоев с различной коррозионной стойкостью и различными электрохимическими потенциалами.
2 Составы многослойных металлических материалов, предназначенных для эксплуатации в средах, содержащих и не содержащих окислители, обеспечивающие повышение коррозионной стойкости от 4 до 15 раз по сравнению с монометаллами, равными по толщине многослойному материалу.
3 Результаты экспериментальных исследований по определению максимально допустимой зоны действия протектора, а также результаты расчета коррозионной стойкости изделий многослойного металлического материала.
4 Результаты исследований процесса деформации крупногабаритных листов при сварке взрывом методом конечных элементов по программе
LS-DYNA и экспериментальных исследований процесса деформации данных листов по методу реперных меток.
5 Усовершенствованная опытно-промышленная технология производства сваркой взрывом многослойных металлических материалов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях: «Композиты –
в народное хозяйство» («Композит-2005») (Барнаул, 2005); III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2005); IV и VII Всероссийских школах по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка, 2006, 2009); «Shock-assisted materials synthesis and processing: science, innovations and industrial implementation»: VIII, IX, X International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations (Moscow, 2006; Lisse 2008; Bechichi, 2010); V Международной научно-технической конференции (Санкт-Петербург, 2006); I Международной научно-технической конференции (Пенза, 2006); «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (НПМ-2007) (Волгоград, 2007); ХIV симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2008); Международной конференции
(XI Харитоновские чтения) «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (Саров, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе пять статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено положительное решение на изобретение (международная заявка № WO 2010/036139 A1).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и трех приложений. Работа изложена на 155 страницах основного текста, включает
42 рисунка и 14 таблиц. Список литературы содержит 138 наименований. Общий объем диссертации – 214 страниц.
