Введение к работе
-3-
Актуальность работы. Современные отрасли промышленности, прежде ісего приборостроение, электронная и радиотехническая, авиационная, дви-^ателестроение и др., характеризуются все более интенсивным внедрением в ;феру своего производства керамических (оксидных, нитридных, карбидных) материалов. Поэтому эти отрасли испытывают потребность в надежных спо-:обах соединения керамических материалов между собой и с различными сонструкционными металлами.
Наиболее перспективным способом, позволяющем получать сварные :оединения разнородных материалов в твердой фазе, является диффузионная ;варка в вакууме (ДСВ). Целесообразность и преимущества использования :пособа ДСВ при изготовлении металл-керамических узлов (МКУ), например в электронной и радиотехнической промышленности, достаточно широ-со известны.
Однако, несмотря на очевидную целесообразность применения способа ДСВ, широта и обьемы его использования часто ограничиваются из-за зпа-штелыюй длительности и сложное собственно процесса образования сое-шнения и относительно невысоких значений прочности и іреіциносгойкосіи :оединений, эксплуатируемых в более жестких условиях.
Сложность процесса сварки керамик с металлами обусловливается рез-;им несоответствием физико-химических и механических свойств керамики і металлов. Это несоответствие накладывает существенное ограничение на ;овместную пластическую деформацию, активацию контактируемых поверх-юстен соединяемых материалов и соответственно на кинетику процесса об-тзования соединения. Значительная разница коэффициентов термического гинейного расширения (ТКЛР) керамики и металла обусловливает возникно-ение в сварном соединении остаточных напряжений, которые могут вызы-ать разрушение соединения в послесварочный период или резко снижать ксплуатациопную надежность. В этой связи проблема интенсификации провеса образования соединения и повышения прочностных характеристик варных металл-керамических соединений (МКС) остается актуальной.
Целью работы является разработка методов и способов интенсификации роцесса образования и повышения прочностных характеристик, в том числе рещиностойкости, диффузионносварных МКС.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следую-[ие задачи:
- разработать алгоритм и компьютерную программу для решения задач
по исследованию напряженно-деформированного состояния (НДС) диффузионно-сварных соединений;
на основе анализа НДС и экспериментально исследовать деформируемость прокладок сплошного и несплошного сечений в условиях диффузионной сварки;
исследовать влияние параметров процесса сварки, соотношений геометрических размеров и физико-механических свойств свариваемых материалов на НДС металл-керамических соединений различных типов;
исследовать влияние характера распределения остаточных напряжений на прочность и трещиностойкость диффузионно-сварных соединений и разработать методы повышения трещиностойкости;
разработать технологические процессы диффузионной сварки узлов из разнородных материалов для приборов и устройств различного назначения.
Методы исследования. Теоретической и экспериментальной основой проводимых исследований являлись разработки отечественных и зарубежных ученых в области: сварки материалов в твердом состоянии, материаловедения, конструирования композиционных, в том числе керамических, материалов, физике и механике деформирования и разрушения конструкций и струк-турнонеоднородных материалов.
Решаемые в работе задачи предопределили многоплановость инструментальных методов исследования. Был использован комплекс физико-механических методов исследования: численный метод механики деформируемого твердого тела - метод конечных элементов (МКЭ); поляризационно-оптический метод; методы линейной механики разрушения; металлографические методы - оптическая и растровая электронная микроскопия, микрорёнт-геноспектральный анализ; методы механических испытания сварных соединений; математическое моделирование, планирование эксперимента.
Научная новизна работы
1. На основе анализа характера распределения контактных напряжений и деформаций и прямыми экспериментальными исследованиями установлено, что интенсивность пластической деформации относительно тонких прокладок в условиях сварки существенно возрастает при их деформировании по схеме "давление + сдвиг". Такая схема реализуется при деформировании несплошных, в частности перфорированных, прокладок. Показано, что с увеличением коэффициента перфорации Кр деформируемость прокладок существенно возрастает по сравнению со сплошными. Скорость пластической деформации перфорированных прокладок в 15...30 раз выше, чем сплошных, а степень деформации в первые минуты сварки достигает 28...50 % в зависи
мости от коэффициента КР. Получены обобщенные выражения кинетики процесса деформации перфорированных прокладок.
- 2. Установлена закономерность" характера распределения остаточных напряжений, вшіяния физико-механических свойств и соотношений геометрических размеров соединяемых материалов на уровень и характер распределения остаточных напряжений в осесимметричных металл-керамических соединениях компенсированного и некомпенсированного типов.
-
Впервые для диффузионно-сварных соединений, с позиций линейной механики разрушения, проведено исследование влияния остаточных напряжений на параметр трещиностойкости - коэффициент интенсивности напряжений (КИН) Кі соединений компенсированного и некомпенсированного типов и установлено, что трещиностойкость соединений некомпенсированного типа существенно ниже трещиностойкости компенсированных, если последние выполнены с относительной толщиной прокладки или металлического элемента в зоне контакта х < 0.10. Трещиностойкость компенсированного соединения резко снижается в сравнении с некомпенсированным при наличии непроваров, несплопшостей в центральной зоне контакта {x/R < 0.90) и с увеличением х > 0.10.
-
Установлено, что в композитном слое приконтактного объема керамического материала, вокруг армирующих волокон возникают области остаточных сжимающих напряжений, являющиеся основным фактором повышения трещиностойкости и прочности соединения. Получено выражение, определяющее связь между параметрами композитного слоя, свойствами свариваемых материалов и параметром трещиностойкости Лт.
Практическая цепкость выполненной работы
Разработана компьютерная программа расчета полей напряжений и деформаций, возникающих в свариваемых материалах на стадии формирования физического контакта и в сварном соединении на стадии его охлаждения. Программа позволяет в диалоговом режиме формировать реальные форму и размеры исследуемой области (сварного узла), назначать и присваивать элементам узла материалы и их свойства, визуализировать результаты расчега в виде базы данных и ірафических иллюстраций.
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны способы диффузионной сварки МКС позволяющие:
- получать более прочные (в 1.5...2.0 раза) соединения при меньших гемпературно-временных воздействиях, по сравнению с необходимыми при варке со сплошными прокладками, вследствие применения перфорирован-ых прокладок;
- повысить характеристики прочности и трещиностойкости сварных
МКС путем формирования, непосредственно в процессе сварки, в прикон-
тактной зоне керамики композитного слоя, состоящего из хрупкой матрицы и
пластичных волокон из того же металла, что и промежуточная прокладка.
Разработаны и внедрены технологические процессы ДСВ применительно к изготовлению:
гг многослойного, на основе алюмооксидной керамики ВК94-1 и ковара 29НК, МКУ, содержащего компенсированное и некомпенсированное соединения;
, .:: - пьезоэлектрического преобразователя прецезионного перемещения на основе пьезокерамического материала - ЦТС-19;
ситалл-металлического узла (СОП5М + АД1), являющегося элементом гироскопического прибора.
биметаллического (ВК20М + 5ХНМ) вырубного штампа, что позволяет экономить дорогостоящий вольфрамокобальтовый сплав ВК20М.
Апробация работы и публикации. Результаты проведенных исследований докладывались: на Всесоюзной научно-технической конференции "100-летие изобретения сварки по способу Н. Г. Славянова и современные проблемы развития сварочного производства", Пермь, 1988 г.; на Научно-технической конференции "Достижения и перспективы развития диффузионной сварки", Москва, 1990 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы сварки в машиностроении", Красноярск, 1991 г.; на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники", Ростов-на-Дону, 1993 г.; на Научно-технической конференции стран СНГ "Производство и надежность сварных конструкций", Калининград (Московской обл.), 1993 г.; на Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в машино- и приборостроении", Саратов, 1993 г.; на Российской научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-95"", Пермь, 1995 г.;
. По теме диссертации опубликовано 11 научно-технических статей, 16 тезисов докладов, получено 2 авторских свидетельства на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, б глав, общих выводов по работе и приложения. Изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 10 таблиц и 129 наименований использованных литературных источников.