Введение к работе
Актуальность проблемы. Коренные изменения в деле ресурсос-берелсекня и обеспечения надежности конструкций ответственного назначения (авиакосмических комплексов, атомной энергетики, химиче-ского аппаратостроения, судостроения, спецмашиностроения, приборо-строенил и др.) связаны с созданием и использованием комбинированных соединений. Среди многообразия сочетаний разнородных композиций в последнее время все больший удельный вес приходится на комбинированные соединения титана, в которых вторым конструкционным материалом выступают стали, кобальтовые и никелевые сплавы, медь, алюминий и их сплавы, неметаллические конструктивные элементы, выполненные из керамик на различных основах.
Большой вклад в развитие этого направления внесли
СМ.ГЧрсвич, В.Р.Рябов. В.Н.За.мков, Г.К.Харченко. В.В.Ардентов,
В.Л.Руссо. Н.Ф.Казаков. М.Х.Шоршоров.И.В.Зуев, Э.С.Каракозов,
Э.Л.Млкаров.О.И.Стеклов,С.Н.Лоцманов,Ю.В.Найдич, С.В.Лашко,
Л.П.Монсов. Б.Н.Перевезенцев, Л.Г.Стргокевская, А.С.Михайлов, Д.Р.Мнтчел, Х.Д.Кесслер, А.Конно, С.Акицуки и др.
Для создания таких комбинированных соединений необходима разработка теоретических положений, базирующихся на современных фундаментальных представлениях о процессах взаимодействия твердой и жидкой фаз, условиях зарождения и формирования интерметаллидов, сведения о которых пока еще скудны. Стремление создавать комбинированные соединения вызвало к жизни в качестве основного направления получения таких соединений групп}' способов, использующих барьерные слон, переходники, вставки, прокладки и др. Однако несмотря на 30-летний срок существования этого направления, до сих пор нет надежной методики выбора материала тугоплавкого барьерного слоя, а возможность использования легкоплавких металлов в качестве барьеров вообше никем не рассматривалось. Разработка этих важных направлений позволит сделать прорыв в создании новых научных и техничеких решений при получении комбинированных соединений титана.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Координационного совета го сварке и Межвузовских программ "Сварочные процессы" и "Сварка".
Цель работы. Разработка теоретических и технологических основ получения высокоресурсных комбинированных соединений тіпана в условиях жидкофазного взаимодействия для изделий специального и общего машино- и приборостроения.
Для ее реализации были решены следующие основные задачи:
-
Установление природы хрупкости и других свойств интерметаллидов на основе зонной теории строения конденсированных веществ и реализация путей управления условиями их образования.
-
Теоретическое обоснование явления диспергирования в условиях жидкофазного взаимодействия при сварке плавлением, наплавке, сваркопайке и пайке.
-
Разработка методики выбора материала и способов формирования барьерных слоев для соединений титана с металлами, образующими с ним сплавы с ограниченной растворимостью.
-
Создание новых процессов и материалов для получения комбинированных соединений из разнородных материалов для различных отраслей промышленности.
-
Проекпгрование, изготовление и внедрение специализированного оборудования для реализации предложенных технических решений.
Методы исследований. Теоретическая часть работы базируется на применении методов математического моделирования. Обработка результатов выполнялась с использованием корреляционного и регрессионного анализа на персональных компьютерах семейства IBM PC 386,486. Экспериментальные исследования выполняли на специализированных экспериментальных лабораторно- промышленных газовакуумных установках, оснащенных современньши приборами. Кинетику формирования и свойства комбинированных соединений исследовали методами оптической (МИМ-8М) и электронной (РЭММА-200-1) микроскопии, микрорентгеноспектрального (Самевах MS), рентгенострук-турного (УРС-55ИМ, ДРОН-2М), и химического анализа, путем механических и спецнепытаний комбинированных соединений на отрыв, растяжение, изгиб, макро- (ТК-2) и микротвердость (ПМТ-3), коррозионную стойкость (П5827) и др.
Научная новизна.На основе современных представлений зонной теории строения конденсированных веществ впервые создана модель, описывающая электронные взаимодействия в металлидах типа интерметаллидов, и блок-схема алгоритма компьютерных расчетов их элек-
зонной энергетической структуры. На примере металлической системы гган-медь показано, что механизм хрупкости и ряда физико-еханических свойств интерметаллидных сплавов обусловлены наличи-II в них ионно-металлігческой связи с примесью ковалентной состав-яющеіі. доля которой может возрастать в результате поляризации свя-:й при деформации кристаллической решетки сплавов іштерметаллид-эго состава по мере возрастания в них концентрации меди.
В соответствии с установленным механизмом предложено за «т легирования интерметаллндов элементами с высокой концентраци-1 s-,p-. d-электронов, изменения характера электронных реакций в травлении увеличения доли металлической составляющей связи, дос-!чь эффекта пластифицирования как за счет электронных обменов, так направленного изменения фазово-структурного состава интерметал-[щных сплавов.
Развиты теоретические представления о явлении жидкофазного ііспергировлния поверхностного слоя твердых металлов и сплавов в мовиях жидкофазного взаимодействия, на базе модели вакансионно-(слокацнснных реакций в поверхностном слое, протекающих при вы-элненин термодинамического, топофизического, термодеформационно-) и термомеханического условий на фоне полного отсутствия или огра-иченной растворимости взаимодействующих твердой и жидкой фаз в гловпях наплавки и пайки.
Впервые показано, что в результате диспергирования поверхно-ного слоя основного металла при определенных условиях взаимодей-вия в одних случаях за счет увеличения суммарной поверхности кон-ікта днеперпфованных зерен с жидкой фазой не достигается критиче-сая концентрация, при которой было бы возможным образование ик-грметаллидов. в других - при наличии на твердой поверхности моно-ітного слоя интерметаллида - происходит его дкеперпгрование на рагменты при непосредственном воздействіпі жидкой фазы.
Установлено, что в условиях пайки, когда реализуется явление (спергировання, достигается образование работоспособных комбини-іванньїх соединений при использовании барьерных слоев из легко-іавкнх металлов.
Впервые предложена методика выбора материала барьерного юя. предотвращающего образование металлидов, в комбинациях ти-:и-мэталл д.1я работы при повышенных температурах, основанная на
статистическом подходе, использующая частичные и обобщенные функции желательности с учетом необходимого набора технологических факторов и разработаны нетрадиционные методы создания барьерных слоев на титане.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований легли в основу разработок технолопгческих процессов наплавки, свар-копайки и пайки титана и его сплавов с конструкционными металлами и сплавами как по схеме с барьерными слоями (титан-сталь, титан-стеллит, титан-медь, титан-никель, титан-цирконий), так и при непосредственном взаимодействии соединяемых металлов (титан-сплавы на основе титана, легированные карбидами вольфрама, титан-(ТІ-Си-№) сплавы, титан-цирконий, титан-сталь, титан- металлокерамический твердый сплав, титан-керамика, специальных металло- и стеклоприпо-св) и специализированного оборудования.
Разработки, выполненные в диссертационной работе, внедрены в судостроительной, машиностроительной и приборостроительной отраслях промышленности и принесли суммарный экономический эффект более 1.0 млн. 100 тыс.руб. (в ценах 1990 гола).
Основные положения, выносимые на защиту:
природа механизма хрупкости шггерметаллидов. новые пути управления их некоторыми свойствами на основе теоретической модели электронной энергетической структуры интерметаллидов;
феноменологическая модель явления диспергирования в условиях жидкофазных взаимодействий, учитывающая физические и термо-механичекие критерии на фоне ограниченной взаимной растворимости твердой и жидкой фаз;
расчетно-графическая методика выбора материала барьерного слоя для комбинированных соединений титана и способы создания слоев тугоплавких металлов нетрадиционными способами;
методы формирования структуры и получения комбинированных соединений титана с комплексом требуемых свойств;
комплекс тсхнологичеких процессов сварки, наплавки, сваркопайки и пайки комбинированных соединений титана для различных отраслей промышленности и оборудование для их реализации.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на II и III Всесоюзных конференциях по сварке цветных металлов (1982г.. Киев. 1986 г., Тольятти), на Всесоюзных и республнкан-
ких конференция по сварке, наплавке и пайке (1971 г., Пермь, 1975 г., иев. 1975г.. Харьков, 1989 г.. Пермь, 1990 г., Москва, 1991 г., Тольят-II. 1993г . Ростов-на-Дону, 1995г., Пермь), на Всесоюзных семинарах и эвещаниях по сварке и панке (1974г., Ростов-на-Дону, 1977г., Ленин-зад, 1979г.. Ленинград. 1979г., Ростов-на-Дону, 1982г., Киев, 1986 г., еннград. 1989г. и 1990г.. Киев. 1993г., Москва), а также на ежегодных пчно-техничсскнх конференциях ДГГУ.
Диссертационная работа в целом обсуждалась на объединенном :мннарс в С.-ПГТУ. г.Санкт-Петербург, на объединенном семинаре еисдународнон научно-технической конференции "Современные про-тсмы сварочной науки и техники". г.Ростов-на-Дону и на научно- тех-нческом семинаре в ДГТУ. г.Ростов-на-Дону.
DjP.JUliilli'llL По теме диссертационной работы опубликована 51 юота. получено 7 авторских свидетельств и один патент РФ.
Стрмчтура и объем работы. Диссертационная работа состоит из зсдсния, 7 глав, изложена на
Но гм'Ошиш обоснована актуальность проблемы создания номинированных соединений титана как с позиций различия свойств со-ншяемых материалов, особенностей кинетики образования соединена, так и конечных требований, предъявляемых к конструктивным іементам или конструкции в целом.
Приведена структурно-логическая схема диссертационной рабо-»!. которая отражает ее научную и практическую значимость.
Н персон гласе проведен анализ современного состояния спосо-")в получения комбинированных соединений титана, осуществляемых э технологнчекой схеме жидкофазного взаимодействия при сварке давлением, наплавке, сваркопайке и пайке.
Разработана классификация основных приемов создания ком-шнрованных соединений титана по трем основным направлениям: шетруктивно-технолошчеекому, физико-химическому и комбиниро-
1НН0М\.
Обоснована и сформулирована цель и задачи исследований.
Во второй главе приведено описание методігческого обеспече-1Я исследований, выполненных в диссертационной работе, современ-5і.\ методов расчетов термодинамических функций, описывающих
условняя образования интсрмсталлвдов, метода конечных элементов для аналитического исследования напряженного состояния комбинированных соединений, частных методов исследования физических характеристик, кинетики процессов и оценки специальных свойств комбинированных соединений, а также методов оценки результатов исследований.
В третьей главе впервые определены физико-химические и механические свойства большинства шиермсталлвдов титана, которые он образует с наиболее применимыми конструкционными металлами, и определены условия их возникновения. Наиболее подробно впервые исследованы в полном объеме свойства интерметаллвдов системы титан-медь. Предложена методика расчета и выполнен теоретический анализ электронной энергетической структуры интерметаллидов Ti„Cun... На основе анализа электронной энергетической структуры и комплексных исследований свойств объяснен механизм хрупкости интерметаллидов и показаны пути их пластифицирования.
В четвертой главе предложена расчетно-графическая методика выбора материала барьерного слоя для изготовления комбинированных соединений титана. Разработаны и исследованы методы создания барьерных слоев и*, тугоплавких металлов нетрадиционными способами при использовании порошковых, проволочных, ленточных, фольгироБанных и листовых тугоплавких металлов.
В пятой главе описаны теоретические основы диспергирования в условиях жидкофазных взаимодействий и результаты экспериментальных исследований влияния различных технологических факторов на явление диспергирования. Рассмотрены технологические приемы интен-спфикафпп и подавления диспергирования.
Впервые показана практическая возможность использования в совокупности с диспергированием барьеров из легкоплавких металлов.
В шестой главе кратко изложены результаты исследований по разработке способов и технологических схем получения комбинированных соединений титана со сталями — сваркопайкой и пайкой; специальными легированными титановыми сплавами — наплавкой их на титан; медью, никелем, цирконием, стеллитами, спеченими твердосплавными пластинами, алюмооксидной и иьезокерамиками — сваркой, сваркопайкой и пайкой. Приведены области применения научных разработок.
В сепьмой глапс рассмотрены особенности экспериментального и опытно-промышленного оборудования для исследований процессов, ответственных за формирование комбинированных соединений титана и их практической реализации для конкретных изделий различных отраслей промышленности.