Введение к работе
Актуальность темы. Титановые тонкостенные оболочковые конструкции, используемые в качестве теплообменников в энергетических установках, представляют собой усеченный конус с толщиной стенки 3,8 мм, в которой расположены тракты охлаждения высотой 2 мм. Для получения таких конструкций перспективна комбинированная обработка в смеси аргона с азотом, представляющая собой сочетание двух одновременно протекающих технологических процессов: азотирования и диффузионного соединения коаксиально собранных оболочек - внутренней, толщиной 3 мм с оребренной стенкой, и наружной, толщиной 0,8 мм с гладкой поверхностью.
При этом газовая смесь аргона с азотом выполняет две функции: повышение за счет азотирования сопротивления высокотемпературной деформации оболочек для уменьшения их прогибов на неподкрепленных межреберных участках; создание давления на поверхность соединяемых оболочек для развития процесса диффузионного соединения.
В литературе сообщается о перспективности процесса химико-термической обработки титана в газовой смеси аргона с азотом, но данных о кинетике развития этого процесса и его влиянии на сопротивление высокотемпературной деформации и свойства титана практически нет.
При изготовлении крупногабаритных тонкостенных конструкций оживальной формы для сохранения их макрогеометрии при термообработке необходимо использовать оснастку в виде посадочного места, наружный профиль которого повторяет внутренний профиль конструкции. Для изготовления оснастки используется сталь, как наиболее доступный и дешевый материал.
В контактном зазоре при нагреве между изделием и оснасткой может создаваться «микроклимат» и процесс азотирования на этих участках развиваться не будет, т.е. конструкция может быть «неравнопрочной» по своим свойствам.
Поэтому разработка процесса азотирования титановых оболочковых конструкций является актуальной задачей, в основе решения которой лежит исследование закономерностей азотирования титана в газовой смеси аргона с азотом и анализ процессов, протекающих в контакте изделия с технологической оснасткой.
Цель работы - разработка процесса термической обработки в смеси аргона с азотом титановых оболочковых конструкций из сплава ВТ6, обеспечивающего повышение их качества и служебных свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ процесса изменения состава газовой смеси в контактном зазоре между титановым теплообменником и стальной технологической оснасткой при высокотемпературной термообработке;
исследовать процесс азотирования в газовой смеси аргона с азотом сплава ВТ6 и влияние азотирования на его высокотемпературную ползучесть и служебные свойства;
исследовать процесс контактного взаимодействия титана со сталью в условиях термообработки и влияние этого процесса на служебные свойства сплава ВТ6;
разработать процесс азотирования поверхностей титановых изделий, находящихся при термической обработке в контакте со стальной оснасткой;
исследовать возможность повышения выносливости при повторно-статических испытаниях азотированного сплава ВТ6.
Объект исследования: процесс термической обработки в смеси аргона с азотом крупногабаритных оболочковых конструкций из сплава ВТ6 с использованием стальной технологической оснастки.
Научная новизна
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что при температурах термообработки выше 950 С и величинах зазора между поверхностями титановой оболочки и стальной технологической оснастки менее 0,1 мм глубина распространения фронта азотирования в зазоре при использовании смеси аргона (99 %) с азотом (1 %) не превышает 10 мм.
Установлено, что при термической обработке сплава ВТ6 в газовой смеси аргона с азотом в интервале температур 900-1000 С рост нитридных слоев подчиняется логарифмическому закону, а газонасыщенных и охруп-ченных слоев - параболическому закону.
Показано, что при испытаниях на ползучесть использование в качестве защитной среды вместо аргона его смеси с азотом повышает сопротивление высокотемпературной деформации сплава ВТ6, при этом если ползучесть в среде аргона осуществлялась по механизму вязкого течения, то в смеси аргона с азотом — движением дислокаций и их взаимодействием с поверхностью титана, заблокированной нитридами.
Установлено, что при термообработке процесс контактного взаимодействия сплава ВТ6 со сталью 30 (при ее многоразовом использовании) сопровождается образованием на поверхности титана карбидов после первых термических циклов, а при увеличении числа циклов до 4 и более в зоне контакта образуются интерметаллиды и развивается процесс схватывания; при этом образование карбидов контролируется диффузией углерода в слое карбида, а формирование интерметаллидов - диффузией железа в слое, содержащем интерметаллиды.
- Сформирован и обоснован принцип азотирования поверхностей
титановых конструкций, находящихся при термообработке в контакте со
стальной оснасткой, заключающийся в использовании оснастки, предвари
тельно насыщенной азотом.
Практическая ценность Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований явились основой новых технологиче-
і
ских решений в области получения титановых тонкостенных оболочковых конструкций.
Получены выражения и номограммы, позволяющие прогнозировать влияние технологических параметров на распространение фронта газовой смеси с исходной концентрацией азота в контактном зазоре между титановым изделием и стальной технологической оснасткой.
На основании экспериментальных данных получены зависимости, позволяющие анализировать влияние температуры и длительности термообработки в газовой смеси аргона с азотом на толщину образующихся на поверхности сплава ВТ6 нитридов, газонасыщенных и охрупченных слоев.
Получены номограммы, позволяющие анализировать степень снижения накопленной деформации в условиях высокотемпературной ползучести сплава ВТ6 за счет применения в качестве защитной среды вместо аргона его смеси с азотом.
При анализе влияния газонасыщенньгх и диффузионных поверхностных слоев на сплаве ВТ6 на его служебные свойства целесообразно использовать в качестве интегральной характеристики состояния поверхностных слоев глубину их охрупченной части - 5osp.
Установлено, что для восстановления циклической выносливости азотированного сплава ВТ6 до уровня основного материала достаточно удалить поверхностный слой толщиной равной (2,1 - 2,3) 50!ф, а для достижения уровня повторно-статической выносливости, превышающей уровень выносливости основного металла на 15 - 20 %, необходимо удалить слой толщиной равной (2,7 - 2,9) 5охр.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается достаточно хорошим совпадением экспериментальных данных и теоретических расчётов, 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 Международной конференции «Повышение эффективности сварочного производства» (Липецк, 1996); XII и XIII Российских научно - технических конференциях «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2005 и 2006, соответственно); 5-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаливаемые материалы и покрытия» (г. Москва, 2006).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 14 печатных работ, основные научные положения и результаты работы изложены в центральных российских изданиях.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы, библиографического
списка из 135 наименований. Работа изложена на 177 страницах, содержит 91 иллюстрацию и 5 таблиц.
