Введение к работе
Актуальность работы. В современных энергетических установках для вывода пучка ускоренных электронов в атмосферу или в газ повышенного давления используют выпускное окно, состоящее из тонкой фольги, вакуумшютно закрепленной между опорными решетками.
На сегодняшний день актуально применение титановых выпускных окон, так как данный материал обеспечивает конструкции высокую прочность, надежность и выносливость при одновременном снижении ее массы и повышении устойчивости к действию электронной бомбардировки, что, в свою очередь, обеспечивает сохранение свойств выпускного окнапри эксплуатации. При этом титановая фольга обладает большей электронной прозрачностью, по сравнению с алюминием и лавсановой пленкой, получившими распространение при изготовлении выпускных окон ускорителей электронов.
Перспективным процессом для создания тонкостенных слоистых конструкций является диффузионная сварка, которая, применительно к выпускному окну ускорителя электронов, позволит повысить такие характеристики, как надежность, прочность и герметичность соединения фольги с опорными решетками, а также теплопроводность и пропускную способность конструкции в целом, по сравнению с используемыми в настоящее время способами соединения заготовок выпускных окон (механическим - через резиновые уплотнители болтами, винтами, зажимами и тд., или пайкой).
Исследованиям в области диффузионной сварки посвящены работы таких ученых, как Н.Ф. Казаков, ЮЛ. Красулин, Э.С. Каракозов, Р.К. Мусин, Л.С. Киреев, В.П. Алехин, А.Ф. Третьяков, А.В. Люшинский, В.В. Пешков и др. Однако следует отметить, что, несмотря на достигнутые успехи в области исследования процесса диффузионной сварки титана и титановых сплавов, современный уровень знаний не позволяет осуществлять выбор технологических параметров режима сварки тонкостенных слоистых конструкций с нахлесточным типом соединения и прогнозировать с достаточной точностью свойства диффузионно-сварных конструкций, в том числе рассматриваемой нами конструкции выпускного окна ускорителя электронов.
Поэтому тема диссертации является актуальной.
Цель и задачи.Целью настоящей работы является разработка технологии диффузионной сварки титанового выпускного окна ускорителя электронов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- получение количественных зависимостей, отражающих развитие физического контакта, в условиях высокотемпературной ползучести при диффузионной сварке титана с учетом технологических параметров процесса (температуры, давления, времени, подготовки свариваемых поверхностей, исходной микроструктуры заготовок, скорости нагрева) и установление закономерностей влияния вышеперечисленных технологических параметров сварки на процесс и качество диффузионного соединения;
исследование закономерности формирования напряженного состояния и развития деформаций в зоне контакта титановых решеток со стальной технологической оснасткой;
исследование процесса развития деформации в условиях диффузионной сварки, титановой фольги с пластинчатой микроструктурой, находящейся между заготовками из сплава с глобулярной (равноосной мелкозернистой) структурой;
-разработка технологии, выбор режимов и оборудования для диффузионной сварки титанового выпускного окна ускорителя электронов и определение свойств полученной конструкции.
Методы исследования. Эксперименты проводили на серийно выпускаемых сплавах ВТ 14, ОТ4, ВТ5, ВТ6. Для решения поставленных задач использовали методы математического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных; микроструктуру и топографию разрушения сварных соединений и основного металла изучали с помощью оптической и растровой электронной микроскопии.Свойства сварных соединений определяли механическими испытаниями образцов-имитаторов.
Научная новизнаЛоказано, что при диффузионной сварке в качестве интегральной характеристики кинетики развития физического контакта в процессе высокотемпературной деформации микровыступов целесообразно использовать параметр t*, имеющий размерность времени, отражающий динамические свойства процесса и являющийся функцией температуры, давления, микроструктуры материала и микрогеометрии поверхности.
На основании проведенных исследований формирования напряженного состояния и развития деформаций в зоне контакта титановых решеток со стальной технологической оснасткой в условиях диффузионной сварки установлено влияние относительной толщины свариваемых заготовок на процесс их контактного упрочнения.
В условиях диффузионной сварки выпускного окна ускорителя электронов математическим моделированием установлены закономерности развития высокотемпературной деформации титановой фольги с пластинчатой микроструктурой в зависимости от ее относительной толщины в зоне соединения и приложенного давления.
С учетом развития высокотемпературного эффекта автовакуумирования сформулирован принцип проектирования пневмомагистрапн для диффузионной сварки тонкостенных конструкций, заключающийся в размещении внутри пневмомагистрали газоадсорбирующего вкладыша, выполненного в виде титанового патрубка.
Практическая значнмость.Определены численные значения коэффициентов уравнения для вычисленияпараметраг* для серийно выпускаемых титановых сплавов (ОТ4, ВТ5, ВТ6 и ВТ 14) при сочетании микроструктур свариваемых заготовок (крупное зерно с крупным; мелкое зерно с мелким; крупное зерно с мелким), в интервале температур от 800 С до 1050 С, позволяющие определять режимы диффузионной сварки.
Получено выражение, позволяющее определить с учетом коэффициента упрочнения давление, необходимое для сварки титановых заготовок с глобулярной микроструктурой, находящихся в стесненных условиях.
Получены номограммы, с помощью которых возможно прогнозировать величину относительной площади контакта, образующегося в процессе предварительного нагрева в зависимости от скорости нагрева, прикладываемого давления и микроструктуры свариваемых заготовок.
Предложена система обеспечения вакуума установки диффузионной сварки, включающая пневмомагистраль, с коаксиально размещенным внутри вкладышем. Получены соотношения, позволяющие определить геометрические параметры вкладыша (диаметр и длину), обеспечивающие предотвращение проникновения активных газов из пневмомагистрали в зону сварки при заданной температуре.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: Пути инновационного развития» (Курск, 2011); XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых: «Современные техника и технологии» (Томск 2011); XV Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2008» (Курск, 2008); Международной научно-практической конференции: «Славяновские чтения» (Сварка - XXI век) (Липецк, 2009); Ежегодных профессорско-преподавательских научно-технических конференциях ФБГОУ ВПО «ВГТУ» (2006-2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14научных работ, в том числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 10 патентов РФ, основные научные положения и результаты работы изложены в центральных российских изданиях. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат следующие результаты: [1, 20, 21] - обсуждение физической постановки задачи; [2-4] - проведение экспериментов, анализ и интерпретация полученных данных; [5, 22, 24] - проведение экспериментов ифрактографических исследований, построение и обработка кинетических кривых развития относительной площади контакта; [6, 7, 9] - формулирование постановки задачи, проведение экспериментальных исследований и получение аналитических выражений скоростей ползучести рассматриваемых сплавов; [8] - проведение экспериментов, обработка зксперимеїггальньїх данных, анализ полученных результатов; [23] - обсуждение и интерпретация результатов математического моделирования.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка литературы, включающего 105 наименований. Текст диссертации изложен на 160 страницах, содержит 62 рисунка и 2 таблицы.
Автор выражает искреннюю благодарность за систематические консультации и методическую помощь кандидату технических наук Булкову Алексею
Борисовичу, доктору физико-математических наук, профессору Батаронову Игорю Леонидовичу.
