Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Титановый теплообменник энергетической установки, его конструкция и требования к изготовлению 11
1.2. Пайка оболочек теплообменника из сплава ОТ4 15
1.3. Применение диффузионной сварки для получения титановых конструкций 19
1.4. Образование соединения при диффузионной сварке титана.... 21
1.5. Факторы качества процесса диффузионной сварки титана 24
1.6. Основные задачи исследования 35
2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ИЗМЕНЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО ГАЗА В ТРАКТАХ ОХЛАЖДЕНИЯ И КОНТАКТНЫХ ЗАЗОРАХ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ОБОЛОЧЕК 37
2.1. Анализ топографии внутренних поверхностей оболочек после их диффузионной сварки 37
2.2. Моделирование массопереноса газа в плоскопараллельном канале в условиях поглощения кислорода его стенками 43
2.3. Общее решение сформулированной модели массопереноса 47
2.4. Геометрическая модель фронта газового потока в области коллектора теплообменника 49
2.5. Моделирование движения газа в канале постоянной ширины. 54
2.6. Моделирование движения газа в разветвляющемся канале 56
2.7. Экспериментальная проверка результатов теоретического
анализа процессов в контактном зазоре 67
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ. 69
3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СВАРКИ НА КАЧЕСТВО И ОБРАЗОВАНИЕ ДИФФУЗИОННОГО СОЕДИНЕНИЯ 71
3.1. Методика проведения исследований 71
3.2. Влияние защитных сред на качество диффузионного соединения... 75
3.3. Влияние режимов сварки на механические свойства соединений и накопленную деформацию свариваемых заготовок 82
3.4. Кинетика процесса развития физического контакта 93
3.5. К механизму образования диффузионного соединения при сварке титана 101
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 110
4. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ОБОЛОЧЕК ТЕПЛООБМЕННИКА ИЗ СПЛАВА ВТ20 112
4.1. Исследование процесса образования соединения с использованием сжимающего давления на начальном этапе 115
4.2. Исследование возможности использования при диффузионной сварке газообразного азота для создания сжимающего давления... 129
4.2.1. Кинетика взаимодействия сплава ВТ20 с газообразным азотом.. 129
4.2.2. Влияние азотирования сплава ВТ20 на его свойства 132
4.2.3. Восстановление пластичности и повышение долговечности азотированного сплава ВТ20 вакуумным отжигом 138
4.3. Разработка способа герметизации межоболочковой полости теплообменника 144
4.4. Влияние высокотемпературной деформационной обработки на микроструктуру сплава ВТ20 148
4.5. Выбор технологических параметров и разработка процесса диффузионной сварки оболочек теплообменника 151
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 159
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
- Титановый теплообменник энергетической установки, его конструкция и требования к изготовлению
- Анализ топографии внутренних поверхностей оболочек после их диффузионной сварки
- Методика проведения исследований
Введение к работе
Актуальность работы. Теплообменник энергетической установки -
У> это тело вращения двойной кривизны с толщиной стенки 4,0 мм, в которой
расположены тракты охлаждения сечением 2x4 мм. Теплообменник изготавливают путем соединения двух коаксиально собранных оболочек: внутренней с оребренной стенкой и наружной с гладкой поверхностью.
Основной проблемой при получении тонких теплообменников явля
ется обеспечение высокого качества и надежности соединения оболочек,
способного выдерживать давление жидкости в трактах охлаждения в не- у
^ сколько десятков МПа (сотни атмосфер).
В настоящее время для соединения оболочек теплообменников из
сплава ОТ4 применяется диффузионная пайка через медное покрытие. Но
после пайки, помимо относительно невысокой прочности соединения
о=(0,3...0,5)ав, возможны осаждения меди и запаи трактов охлаждения,
что приводит к нарушению теплового режима узла и выходу его из строя.
Помимо этого при многократном нагружении в интерметаллидных про
слойках, формирующихся при пайке в зоне соединения, зарождается и на-
^ капливается большое количество микротрещин, что приводит к снижению
прочности соединения до 21.. .80 МПа.
Перспективным процессом для соединения оболочек теплообменников по поверхностям их контактирования является диффузионная сварка, обеспечивающая качество соединения на уровне основного материала, но в то же время диффузионная сварка является достаточно сложным прецизионным технологическим процессом, при котором по сравнению с пайкой возрастает роль физико-химического состояния контактных поверхностей, защитной среды, параметров режима, повышаются требования к точности сборки свариваемых заготовок, подготовке контактных поверхностей, исходной микроструктуре заготовок.
7 Следует отметить, что несмотря на достигнутые успехи в области
понимания сущности процесса образования соединения при диффузионной сварке металлов, в том числе и титановых сплавов, современный уровень знаний не позволяет однозначно выбирать технологические параметры процесса и прогнозировать свойства диффузионносварных конструкций.
Поэтому тема диссертации, посвященной разработке технологического процесса диффузионной сварки оболочек теплообменника, является актуальной.
Цель работы. Разработка технологии процесса диффузионной сварки титановых оболочек теплообменника энергетической установки, обеспечивающей повышение качества их соединения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- исследовать влияние технологических параметров сварки - степени разрежения, времени, температуры, удельного сварочного давления - на качество (характеризуемое прочностью и накопленной деформацией) и процесс образования диффузионного соединения из сплава ВТ20;
установить условия возможности и эффективности использования газообразного азота для создания сжимающего давления с целью уменьшения накопленной деформации оболочек при их диффузионной сварке;
разработать способ герметизации межоболочковой полости теплообменника, обеспечивающий развитие автовакуумирования в зоне сварки;
выбрать параметры и разработать технологический процесс диффузионной сварки оболочек теплообменника из сплава ВТ20.
Методы исследования. Эксперименты проводили на серийно выпускаемом сплаве ВТ20. Для решения поставленных задач использовали методы математического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных, микроструктуру и топографию разрушения сварных соединений и основного металла изучали с применением оптической
8 и растровой электронной микроскопии, а также путем замера микротвердости. Свойства сварных соединений определяли механическими испытаниями стандартных образцов, образцов-имитаторов и натурных узлов.
Достоверность научных положений, выводов и практических ре-
~г) комендаций подтверждается достаточно хорошим совпадением экспери-
ментальных данных и теоретических расчетов, систематическим характером экспериментальных исследований, использованием методов математической статистики при обработке результатов, использованием независимых дублирующих экспериментальных методов, а также практическим использованием полученных результатов.
Научная новизна. На основании учета двух процессов адсорбции ти-
^ таном остаточных газов вакуумированного пространства и поступления
новых порций газа из вакуумной системы, протекающих одновременно в межоболочковой полости теплообменника, при диффузионной сварке, разработана физико-математическая модель процесса изменения давления газа при нагреве и установлены закономерности распространения фронта окисления в зоне сварки.
Установлены кинетические закономерности развития процесса диф
фузионной сварки сплава ВТ20; получены зависимости, отражающие
W взаимосвязь между качеством диффузионного соединения, степенью раз-
вития физического контакта и технологическими параметрами процесса.
С учетом действия сил поверхностного натяжения количественно
обоснована гипотеза о роли внутренних напряжений в механизме форми
рования диффузионного соединения, заключающаяся в образовании на
свариваемых поверхностях деформационных рельефов и формировании за
счет этого в зоне соединения большого количества микроконтактов, вокруг
1 которых будут развиваться процессы, характерные для спекания и проте-
кающие без участия внешних сжимающих усилий.
Практическая значимость. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований явились основой для разработки ново-
9 го технологического процесса получения соединения между оболочками
теплообменника из сплава ВТ20.
Получены номограммы, позволяющие определить глубину распространения фронта окисления титана в межоболочковой полости теплообменника в результате его взаимодействия с остаточным газом вакуумиро-ванного пространства в зависимости от температуры, времени, величины контактного зазора.
Рассчитаны аналитические выражения, позволяющие оценивать кинетику развития физического контакта и время, необходимое для реализации процесса сварки в зависимости от технологических параметров: температуры, удельного сварочного давления и чистоты обработки контактных поверхностей. Построены зависимости, позволяющие определить области температур и времени сварки, обеспечивающие получение диффузионного соединения равнопрочного по ударной вязкости основному металлу (сплаву ВТ20).
Сформулированы и экспериментально обоснованы способы уменьшения накопленной деформации оболочек теплообменников на неподкреп-ленных участках за счет использования сжимающего давления на начальном этапе; применения газообразного азота особой чистоты для создания сжимающего давления при сварке и повышения сопротивления оболочек высокотемпературной деформации.
Сформирован принцип герметизации межоболочковой полости теплообменника, при котором завершающая стадия сборки оболочек осуществляется в вакууме при температуре сварки, что обеспечивает создание условий для автовакуумирования межоболочковой полости и активацию контактных поверхностей в результате их интенсивного взаимного перемещения.
Разработан технологический процесс диффузионной сварки оболочек теплообменника из сплава ВТ20.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 2003); научно- технической конференции «Повышение эффективности сварочного производства» (Воронеж, 2003); Всероссийской научно-технической конференции «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении» (Запорожье, 2004); XI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии-2004» (Курск, 2004); Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Сварка и контроль - 2004» (Пермь, 2004); ежегодных научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (2002-2005гг.); научных семинарах кафедры сварки Воронежского государственного технического университета.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 печатных работ, получены два патента РФ, основные научные положения и результаты работы изложены в центральных российских изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 132 наименования. Текст диссертации изложен на 178 страницах, содержит 81 рисунок и 6 таблиц.
Титановый теплообменник энергетической установки, его конструкция и требования к изготовлению
Теплообменник энергетической установки - это крупногабаритная двухслойная конструкция (рис. 1.1), состоящая из внутренней оболочки с оребренной стенкой- 2 и гладкой наружной оболочки (рубашки)- 1. Он представляет собой тело вращения сложной геометрической формы с трактами охлаждения.
Оболочки в настоящее время выполняют из листового титанового сплава ОТ4 путем совместной штамповки и термофиксации конусных сварных заготовок. Внутреннюю оболочку -2 формуют из листа толщиной 3 мм, а наружную -1 - из листа толщиной 0,8 мм. Ребра на внешней поверхности оболочки -2 изготавливают фрезерованием.
Рис. 1.1. Схема теплообменника (а), его сечения (б) и условная проекция оребрения поверхности внутренней оболочки (в): 1- внешняя оболочка; 2- внутренняя оболочка; 3- верхнее кольцо; 4-коллекторное кольцо; 5- нижнее кольцо; 6,7- швы аргонно-дуговой сварки; 8, 9- обечайки коллекторного кольца; 10- коллекторное отверстие; 11- технологический штуцер; 12- кольцевой коллекторный канал
13 Оболочки имеют сварные швы аргонно-дуговой сварки (АрДС)-б, полученные в процессе изготовления конусных заготовок и их стыковки между собой через коллекторное кольцо- 4 и соединении с верхним- 3 и нижним- 5 кольцами рубашки- 1. Герметизация внутренней полости теплообменника осуществляется технологическими кольцевыми швами АрДС-7. Коллекторное кольцо (рис. 1.1,6) представляет собой замкнутую сварную конструкцию из двух обечаек 8 и 9. Обечайка- 8 изготавливается из поковки точением, а обечайка- 9 - из листового материала. По центру образующей обечайки- 8 по всему периметру равномерно выполняются коллекторные отверстия- 10 диаметром 6 мм с шагом 20 мм. Эти отверстия предназначены для подачи охлаждающей среды при работе двигательных установок и используются для создания защитной среды (разряжения) при вакуумировании межоболочковой полости в процессе получения неразъемного соединения оболочек.
Основной проблемой при получении титановых теплообменников является обеспечение высокопрочного надежного соединения оболочек, способного выдерживать при испытаниях давление жидкости в межоболочковой полости до 36 МПа (360 ат).
Оценочные расчеты теплообменников на прочность при рассмотрении прямоугольного тракта охлаждения (рис. 1.2), находящегося под давлением жидкости Р, показали, что наиболее опасным местом является точка А, результирующее напряжение стр в которой можно оценить по выражению [13]:
Анализ топографии внутренних поверхностей оболочек после их диффузионной сварки
Как было отмечено в обзоре литературы (см. разд. 1.5), важным фактором, определяющим качество диффузионного соединения, является защита свариваемых поверхностей от окисления. При диффузионной сварке оболочек теплообменника в качестве защитной среды используется вакуум, и давление остаточного газа в межоболочковой полости (трактах охлаждения и зазорах между поверхностями контакта внешней и внутренних оболочек, см. рис. 1.1) может существенно отличаться от давления газа на входе коллектора, которое определяется откачивающей способностью вакуумной системы. Такое различие давлений будет связано с развитием процесса автовакуумирования.
Экспериментальное исследование, выполненное на натурном узле, показало, что при создании разрежения на входе коллектора порядка 1 Паи последующей диффузионной сварке при 980 С ± 10 С в течение 60 мин. происходит окисление поверхностей трактов охлаждения, непосредственное связанных с коллекторными отверстиями (рис.2Л, темные горизонтально расположенные участки). Эти темные участки при большом увеличении имеют типичную структуру оксидов титана (рис.2.2,а).
По мере удаления от коллекторных отверстий размеры глобул оксидов уменьшаются (рис.2.2, б), и поверхности трактов приобретают типичный металлический цвет. Аналогичный цвет имеют поверхности трактов, непосредственно не связанных с коллекторными отверстиями (рис.2.1, светлые горизонтально расположенные участки). Топографии этих поверхностей приведены на рис.2.3; на фрактограммах видны элементы микроструктуры, типичные для титановых сплавов после их нагрева выше температуры полиморфного превращения.
В процессе сварки окислялись и поверхности кольцевого коллектор ного канала (рис.2.1, темная вертикально расположенная полоса), топография поверхности которого приведена на Результаты анализа поверхностей разрушения диффузионного соединения оболочек (светлые узкие горизонтальные полосы на рис.2.1) показали, что участки, расположенные в зоне коллекторных отверстий, характеризуются наличием очень слабых очагов взаимодействия (рис.2.5,а, б). Это очевидно связано с проникновением кислорода в контактный зазор и окис лением свариваемых поверхностей (хотя и в значительно меньшей степе- Ч7 ни, чем окисление примыкающих к ним стенок охлаждающих трактов и кольцевого коллекторного канала). На участках же, значительно (на 40...50 мм) удаленных от коллекторных отверстий или отделенных от них стенка ми (ребрами) охлаждающих трактов, развивается процесс диффузионной сварки, о чем свидетельствуют топографии поверхностей разрушения со единения (рис.2.5, в, г). Поверхности разрушения характеризуются нали чием гребней отрывов (хотя и очень мелких), что свидетельствует о раз рушении соединения по механизму зарождения и слияния .ми кронес плотностей.
Результаты проведенных фрактографических исследований позволяют сформулировать следующее представление о процессах изменения давления (концентрации) остаточных активных газов, протекающих в межоболочковой полости при диффузионной сварке теплообменников.
С помощью вакуумной системы, подсоединенной к теплообменнику через коллектор (и коллекторные отверстия в оболочке, см. рис.1.1), создается в межоболочковой полости разрежение. В начальный момент остаточное давление газов (в том числе и кислорода) в любой точке межоболочковой полости равно его давлению на входе коллектора и определяется откачивающей способностью вакуумной системы.
Методика проведения исследований
Исследования проводим на серийно выпускаемом сплаве ВТ20 системы Ti-Al-V-Mo. Химический состав используемого сплава приведен в табл. 3.1.
Собранные для сварки титановые образцы помещали в герметичный контейнер, подключенный к вакуумной системе. Контейнер устанавливали в муфельную печь СУОЛ-044. Сжимающее давление создавалось за счет перепада давлений в нижней (ниже мембраны) и верхней полостях контейнера.
Испытания диффузионно-сварных соединений проводили по стандартной методике на растяжение и ударный изгиб. На растяжение испыты-вались гагаринские образцы с диаметром рабочей части 8 мм на разрывной машине Р-10, Ударную вязкость образцов, полученных диффузионной сваркой, определяли на маятниковом копре КМ-1. Для испытаний использовали образцы, изготовленные в соответствии с ГОСТ 9454-78, общей длиной 55 ± 0,6мм с концентратором V-образной формы, выполненным в месте диффузионного соединения.
Металлографические исследования проводили по методике, описанной в работе [39]. Наиболее ответственной операцией в металлографических исследованиях является подготовка шлифов. Поскольку в процессе механической обработки (шлифования, полирования) титана происходит наклеп и «наволакивание» поверхностного слоя, то при изготовлении шлифов использовали комбинированную обработку, состоящую из механического шлифования и полирования с последующим электролитическим полированием. Для выявления микроструктуры после полирования применяли химическое травление в реактиве: 50 мл молочной кислоты; 30 мл азотной кислоты и 2 мл плавиковой кислоты.
Металлографические исследования выполняли на оптических микроскопах МБС-2 и «Neophot».
Изучение поверхности изломов, образующихся после механических испытаний образцов, проводили с помощью оптической и растровой электронной микроскопии по методике [47].
Рис. 3.2. Установка для диффузионной сварки: 1 — титановые образцы; 2 — стальные образцы; 3 - металлический шток; 4 - контейнер из нержавеющей стали; 5 - индикатор часового типа; 6 — направляющие втулки; 7 - алюминиевый грибок; 8 - резиновая мембрана; 9 - муфельная печь СУОЛ-044; 10 — вакуумметр ВИТ-2А; 11 - нихромо-вая спираль; 12 — термопара; 13-15 — система автоматического регулирования температуры; 16 - вакуумный вентиль; 17 - редуктор; 18 — вакуумный насос; 19 — баллон с аргоном.
С помощью оптической микроскопии при увеличениях от 10 до 300 крат оценивали степень шероховатости излома.
Анализ топографии поверхности титана после его взаимодействия с газами изучали при увеличениях до 10000 раз, с поверхности изломов -при увеличениях до 5000 раз, что позволяло изучать тонкие рельефные составляющие излома.
Фрактографические исследования проводили на микроскопе AMR-1000 при ускоряющем напряжении 10 кВ в режиме вторичных электронов, что обеспечивало получение лучшего разрешения поверхности объекта.
При анализе экспериментальных результатов использовали среднеарифметические значения опытных данных получаемых физических величин. При этом необходимое число опытов (замеров) на каждую точку, обеспечивающее требуемую точность (отклонение средней арифметической не более 5% от истинного значения с вероятностью р = 0,9 - 0,95), определяли на основании результатов предварительных экспериментов по зависимости [118]:
