Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 9
1.1. Влияние технологии изготовления на качество и работоспособность диффузионно-сварных сотовых пакетов из титановых сплавов 9
1.2. Взаимодействие титановых сплавов с газами при нагреве 18
1.3. Воздействие примесей внедрения на механические характеристики титановых сплавов 22
1.4. Влияние поверхностных диффузионных слоев на кратковременные и усталостные характеристики титановых сплавов 26
1.5. Заключение по литературному обзору и задачи работы 33
2. Материалы и методы исследования 36
2.1. Характеристика исходных материалов 36
2.2. Методы исследований 39
3. Отработка технологии диффузионной сварки сотопакетов 46
3.1. Отжиг на крупное зерно и регламентированное легирование заполнителя 47
3.1.1. Термообработка сотоблоков из неотожжённой фольги 47
3.1.2. Термообработка сотоблоков из фольги, прошедшей высокотемпературный вакуумный отжиг на проход 53
3.2. Диффузионная сварка сотопакетов 57
3.2.1. Диффузионная сварка сотопакетов с заполнителем, прошедшим контейнерный отжиг на крупное зерно 57
3.2.2. Диффузионная сварка сотопакетов с заполнителем из фольги, прошедшей высокотемпературный отжиг на проход 75
3.3. Выводы по главе 3 86
4. Влияние диффузионных слоев, формирующихся в процессе термического цикла изготовления, на характеристики работоспособности диффузионно-сварных титановых сотопакетов 88
4.1. Влияние регламентированного насыщения кислородом на характеристики работоспособности сотопакетов 89
4.1.1. Механические характеристики материала заполнителя 89
4.1.2. Механические характеристики диффузионно-сварных сотопакетов 97
4.2. Влияние регламентированного съёма диффузионного слоя, формирующегося в контакте титан-сталь, на циклическую долговечность обшивок из титановых сплавов 102
4.3. Выводы по главе 4 113
5. Разработка процесса изготовления диффузионно-сварных сотопакетов.... 115
5.1. Выбор оптимальных параметров операций изготовления сотового заполнителя и обшивок 115
5.2. Технологический процесс изготовления диффузионно-сварных сотопакетов 121
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 127
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 130
ПРИЛОЖЕНИЕ 148
- Влияние технологии изготовления на качество и работоспособность диффузионно-сварных сотовых пакетов из титановых сплавов
- Характеристика исходных материалов
- Отжиг на крупное зерно и регламентированное легирование заполнителя
Введение к работе
Актуальность темы. Сотовые панели из титановых сплавов находят широкое применение при создании летательных аппаратов, в частности, в конструкциях сверхзвуковых самолётов. Одним из перспективных методов изготовления титановых сотовых пакетов является диффузионная сварка, имеющая ряд преимуществ по прочностным показателям и весовой отдаче перед пайкой и контактной сваркой.
Однако в настоящее время применение диффузионной сварки для изготовления сотопакетов из титановых сплавов сопряжено с рядом сложных технико-экономических проблем.
В частности, для получения надёжного диффузионного соединения необходимо прилагать достаточное сварочное давление, чему в ряде случаев препятствует потеря устойчивости сотового заполнителя. Это накладывает достаточно жёсткие требования к работе оборудования и вызывает необходимость применения специализированных печей с многосекционным регулированием температуры для обеспечения минимального разброса в рабочей зоне, что усложняет технологический процесс и повышает себестоимость готовой продукции.
Одним из нежелательных процессов, сопутствующим диффузионной сварке, является высокотемпературное взаимодействие титановых обшивок со стальными технологическими листами, что может приводить к насыщению поверхности титана железом, образованию новых фаз и химических соединений и т.д. В этом случае готовые сотопакеты, как правило, отбраковываются, что ведёт к серьёзным экономическим издержкам, учитывая высокую стоимость готовой продукции.
В процессе эксплуатации сотовые панели испытывают действие переменных нагрузок, поэтому важной задачей является повышение циклической прочности как отдельно элементов конструкции - обшивок и заполнителя, так и сварной конструкции в целом.
Настоящая работа направлена на решение актуальной задачи - совершен
ствование процесса изготовления диффузионно-сварных титановых сотопаке-
тов.
ф Цель работы — повышение качества титановых диффузионно-сварных со-
товых пакетов за счёт увеличения устойчивости заполнителя и расширения зоны допустимых режимов сварки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить и разработать способы повышения качества диффузионной
сварки сотопакетов и расширения зоны оптимальных режимов за счет приме
нения предварительного насыщающего отжига заполнителя.
2. Исследовать закономерности влияния насыщающего отжига особотон-
ф костенного заполнителя кислородом на его служебные характеристики.
Исследовать работоспособность диффузионно-сварных сотопакетов, полученных с применением предварительного насыщающего отжига в сопоставлении с базовыми вариантами изготовления.
Исследовать влияние регламентированного неполного съема поверхностного диффузионного слоя, формирующегося в процессе контактного взаимодействия титановых обшивок со стальными технологическими листами, на циклическую прочность и пластичность обшивок.
На основании полученных результатов разработать рекомендации по повышению качества титановых диффузионно-сварных сотопакетов.
Научная новизна. Выявлен эффект существенного повышения высокотем-
щ пературной устойчивости особотонкостенного титанового сотового заполните-
ля в условиях диффузионной сварки без изменения уровня минимальных сварочных давлений за счёт предварительного насыщающего отжига сотоблоков.
Установлено, что эффект повышения высокотемпературной устойчивости
заполнителя от предварительного насыщения кислородом в большей мере про-
щ является для фольги заполнителя, характеризуемой более тонкой микрострук-
турой.
Показано, что термический цикл, включающий насыщающий отжиг и последующее рассасывание в процессе диффузионной сварки, значительно повышает циклическую прочность как материала сотового заполнителя, так и диффузионно-сварного соединения в целом.
Обнаружено, что для титановых листов, имеющих на поверхности насыщенный железом диффузионный слой, максимум циклической долговечности достигается при частичном сохранении данного слоя.
Установлены общие закономерности и построены математические модели, адекватно отражающие влияние факторов термической обработки и параметров диффузионного слоя на циклическую долговечность основного металла и сварных соединений.
Практическая значимость. Разработан процесс изготовления диффузионно-сварных титановых сотопакетов повышенной надёжности на основе предварительного регламентированного насыщения сотоблоков кислородом. Это позволяет за счёт получения 30...40% прироста высокотемпературной устойчивости существенно расширить зону допустимых режимов диффузионной сварки и при этом повысить долговечность диффузионно-сварных сотопакетов при повторно-статическом нагружении на 20...30%.
Предложен способ повышения качества диффузионного соединения титановых сотопакетов за счёт применения внешних технологических оболочек, наполненных инертным газом, что позволяет дополнительно более чем в 2 раза расширить зону допустимых режимов сварки, в том числе обеспечить возможность выполнения диффузионной сварки в вакууме.
Достигнутое расширение зоны допустимых режимов диффузионной сварки позволяет принципиально упростить технологический процесс в части требований к характеристикам термического оборудования, что даёт возможность использовать для осуществления диффузионной сварки вместо специализированных установок универсальные термические печи с разбросом температур в рабочей зоне до ±20 С.
Обоснована практическая возможность доработки диффузионно-сварных сотопакетов в случае их схватывания с технологическими листами, при этом наряду с экономией от сохранения дорогостоящих титановых конструкций достигается повышение их эксплуатационной долговечности в условиях циклического нагружения.
Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в опытное производство на ВАСО. С использованием разработанных рекомендаций получены образцы диффузионно-сварных титановых сотопакетов, обладающие повышенными служебными характеристиками.
Положения, выносимые на защиту. Разработка технологических схем изготовления диффузионно-сварных титановых сотопакетов повышенной надёжности, основанных на увеличении высокотемпературной устойчивости сотового заполнителя за счёт регламентированного насыщения кислородом.
Характер воздействия насыщения кислородом на высокотемпературную устойчивость и свариваемость сотоблоков, изготовленных с применением контейнерного отжига на крупное зерно и отжига фольги на проход.
Особенности влияния термического цикла диффузионной сварки сотопакетов на технологическую пластичность и циклическую прочность титановой фольги с различными типами микроструктур.
Закономерности изменения циклической долговечности титановых обшивок при съёме поверхностного слоя, насыщенного железом.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается систематическим характером экспериментальных исследований, использованием методов математической статистики при обработке результатов экспериментов, а также практическим использованием полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 2003), Всероссийской (с междуна-
родным участием) научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения Н.Г.Славянова (Пермь, 2004), XI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2004), Международной научно-технической конференции «Славяновские чтения» (Липецк, 2004); ежегодных научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (2003-2005); научных семинарах кафедры сварки Воронежского государственного технического университета.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложенных на 156 страницах; содержит 61 рисунок, 10 таблиц, список литературы из 195 наименований и приложение.
Влияние технологии изготовления на качество и работоспособность диффузионно-сварных сотовых пакетов из титановых сплавов
Тонкостенные слоистые конструкции из титановых сплавов, в том числе сотовые пакеты, находят широкое применение при создании летательных аппаратов, в частности, в конструкциях сверхзвуковых самолётов [1-3].
Такого рода конструкции состоят из двух тонких обшивок, или несущих слоев, и помещенного между ними заполнителя. Слоистые конструкции обладают высокой устойчивостью и значительной жесткостью на изгиб при отно
сительно легком заполнителе [1].
Центральной проблемой в изготовлении тонкостенных слоистых конструкций до настоящего времени являлось получение надежного соединения между обшивкой и заполнителем. Соединение выполняют, в основном, тремя способами - пайкой, контактной и диффузионной сваркой.
Пайка сотовых панелей характеризуется достаточно низкой прочностью соединения (не более 30-35% от прочности металла заполнителя) при достаточно сложном технологическом процессе высокотемпературной пайки и относительно невысокой весовой отдаче конструкции из-за наличия припоя.
Довольно широко ранее применялся для создания сотовых конструкций метод контактной точечной сварки, разработанный фирмой "Stresskin" [4]. Прочность соединения обшивок и заполнителя здесь ещё ниже - не более 15-20% от прочности металла заполнителя. При этом для воспроизведения процесса требуется сложное дорогостоящее специализированное оборудование.
Перспективным методом изготовления титановых сотовых пакетов является диффузионная сварка, имеющая ряд преимуществ по прочностным показателям и весовой отдаче перед пайкой и контактной сваркой [5-7]. Например, в работах [8-14] для изготовления тонкостенных слоистых титановых конструкций, и сотопакетов в частности, показана целесообразность использования диффузионной сварки с низкоинтенсивным воздействием.
Диффузионная сварка как высокоэффективный способ создания неразъемных соединении элементов конструкций из титановых сплавов широко используется за рубежом, в частности, в конструкциях сверхзвуковых самолетов типа "Боинг", "Конкорд" [15-20].
Механизм соединения металлов в твердой фазе достаточно хорошо изучен, и по современным представлениям [5, 6, 21-27] рассматривают следую щие три основные стадии образования соединения: образование физического контакта, т.е. сближение атомов соединяемых
материалов на расстояние, при котором возникает физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса, или возможно слабое химическое взаимодействие;
-активация контактных поверхностей, т.е. образование активных центров;
-объемное взаимодействие, наступающее с момента образования активных центров и при котором происходит взаимодействие соединяемых материа
лов как в плоскости контакта с образованием прочных химических связей, так
и в объеме зоны контакта.
Вопрос образования физического контакта при диффузионной сварке освещен в ряде работ [24, 28-31], хотя по ряду принципиальных моментов
единства взглядов авторов нет. Площадь микровыступов, по которым контак-I
тируют соединяемые заготовки в первоначальный момент, невелика [32]. Площадь контакта увеличивается в процессе сварки; сближение поверхностей происходит по мере пластической деформации микровыступов [24, 25, 33-35]. Есть мнение, что микровыступы, имеющие большую микротвердость после механической обработки, могут внедряться в сопрягаемую деталь [29].
Характеристика исходных материалов
В качестве материалов для исследований использовали листы титанового сплава ВТбч толщиной 0,8 мм, фольгу титанового сплава ВТбчПС толщиной 0,08 мм, а также листы технического титана ВТ 1-0 толщиной 2 мм. Две первых марки титановых сплавов получили распространение в промышленности при изготовлении сотовых панелей, а технический титан широко распространён как конструкционный материал в различных отраслях промышленности, в том чис ле и аэрокосмической.
Химический состав использованных материалов в соответствии с требова ниями стандартов и технических условий на поставку удовлетворял значениям, приведенным в табл. 2.1.
Сварные швы на листовых образцах имитировали сквозным проплавлени-ем на аппарате АРК-2 неплавящимся электродом без присадки с местной защитой аргоном (ААрДЭС). При сварке использовали аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-75. Режимы автоматической сварки титановых сплавов указаны в табл. 2.2.
Имитацию ААрДЭС сквозным проплавлением осуществляли с целью исключения влияния на работоспособность таких факторов, присущих сварке, как неточность подгонки свариваемых кромок, попадание в стык загрязнений и пр.
Неполный воздушный отжиг листовых сварных образцов из титана ВТ 1-0 и сплава ВТбч при температуре 450 С с выдержкой 1 час проводили в лабораторной шахтной печи.
Для формирования диффузионных слоев, обогащенных железом, на поверхности листовых титановых сплавов ВТбч и ВТ 1-0 листовые заготовки габаритами 200x200 мм подвергали термодеформационному циклу в рабочих контейнерах для диффузионной сварки по режимам соответственно 950 С; 0,2 МПа; 90 мин. и 850 С; 0,4 МПа; 90 мин. При этом заготовки листов прокладывали специальными технологическими вставками из стали 20 (см. рис. 2.1).
Облагораживающее травление образцов производили в смеси НЫОз (600-750 мл/л, плотность 1,40 г/см ) и HF (180-220 мл/л, плотность 1,13 г/см ) при 20-23 С в течение различного времени, необходимого для регламентированного съёма диффузионного слоя.
Диффузионную сварку образцов сотопакетов осуществляли в герметичных контейнерах из нержавеющей стали 12Х18Н10Т в лабораторной шахтной печи с использованием вакуумной системы, состоящей из форвакуумного насоса НВР-5Д и паромасляного агрегата АВП250/630, обеспечивающей остаточное давление на входе в контейнер не более 1,3-10 2 Па (1-Ю"4 мм рт. ст.). Обшивки перед сборкой в пакет проходили облагораживающее травление со съемом 25-50 мкм на сторону.
Характеристика исходных материалов
Вначале исследовали вариант термообработки сотоблоков из неотожжён-ной фольги в среде аргона высшего сорта.
Отфрезерованные образцы сотоблоков габаритами 100x100x15 мм из фольги ВТбчПС с содержанием легирующих элементов: А1 3,2%; V 2,6% отжигали в жестких (давление на сотоблоки в процессе вакуумирования исключалось) герметичных контейнерах из стали 12Х18Н10Т по 16 образцов за одну садку с экранированием титановой фольгой по периметру. Для исключения вмятин на рабочих поверхностях сотоблоков между этажами сотоблоков прокладывали титановые листы, прошедшие предварительно для пассивации поверхности высокотемпературный (1000 С) отжиг.
В каждый контейнер помещали образцы-свидетели фольги сплава ВТбчПС для последующих сравнительных замеров микротвёрдости, проведения испытаний на перегиб и определения концентрации примесей.
Сотоблоки термообрабатывали по циклу: вакуумирование — нагрев в вакууме до 530 С — напуск Аг — нагрев до 1000 С и выдержка 60 мин.— охлаждение с печью до Тнас = 650-750 С — вакуумирование — напуск воздуха до давления в контейнере 5 КПа — выдержка при Тпас в течение 15 мин. — вакуумирование — напуск Аг — охлаждение с печью до 200-250 С (см. рис. 3.1).
После такой термообработки сотоблоки имели р - превращенное зерно 6 балла по шкале микроструктур ВИАМ, а характер распределения кислорода по сечению фольги заполнителя показан на рис. 3.2 (кривая 1). В процессе диффузионной сварки в среде аргона при температурах 930-950 С в течение 90 мин. происходит диффузионное выравнивание (рассасывание) кислорода по практически всему сечению фольги (толщиной 80 мкм), при этом градиент концентрации кислорода от поверхности к сердцевине существенно снижается.
Насыщение кислородом производилось при остаточном давлении воздуха 5 КПа в течение 15 мин. при температурах Тпас. = 650, 700 и 750 С. Диапазон температур для насыщения (650-750 С) был выбран несколько выше использованного в работе [115] - 600-750 С. Это было сделано из тех соображений, что цикл диффузионной сварки (900-950 С, 90 мин.) обеспечивает более интенсивное рассасывание в сравнении с режимом рассасывания 850 С, 60 мин., использованным в работе [115].
Среднее содержание примесей в фольге сотоблоков результате термообработки после насыщающего отжига показано в табл. 3.1.
