Введение к работе
Актуальность темы. Создание высокоэффективных малоразмерных газотурбинных двигателей и турбоагрегатов является актуальной проблемой в авиационной и ракетной технике, автомобилестроении и других отраслях машиностроения. Снижение массогабаритных характеристик, повышение долговечности деталей, ресурса, надежности и экономичности двигателей и турбоагрегатов неразрывно связано с использованием новых материалов со специальными свойствами (никелевых, кобальтовых и титановых сплавов, высоколегированных сталей, керамик и др.). При этом во многих случаях возникает необходимость получения неразъемных узлов и конструкций из разнообразных сочетаний материалов.
Диффузионная сварка в вакууме является одним из перспективных способов получения неразъемных соединений из разнообразных материалов. Наиболее ярко преимущества диффузионной сварки проявляются при соединении трудносвариваемых и разнородных материалов.
Одной из важных задач при изготовлении неразъемных конструкций из разнородных материалов является сохранение их физико-механических свойств после формирования соединения. Кроме того, учитывая особенности образования диффузионных соединений, необходимо создать условия, исключающие возможность образования хрупких интерметаллических прослоек в сварном стыке. Решение указанных задач непосредственно связано с оптимизацией основных параметров сварки и, в первую очередь, со снижением теплового воздействия на соединяемые материалы.
Несмотря на накопленный большой практический опыт по диффузионной сварке разнородных сочетаний материалов оптимизация параметров соединения является достаточно сложной и трудоемкой работой.
Анализ возможных направлений совершенствования технологий сварки узлов ГТД и турбоагрегатов показал на необходимость максимального использования доли механической энергии, вводимой в зону соединения. Однако сведения об оптимизации условий формирования соединений и управлении напряженным состоянием в контакте разнородных материалов разрознены-и-недоетаточно изучены, что существенно затрудняет создание надежных высокоэффективных узлов малоразмерных ГТД.
Цель работы. Создание высокопрочных сварных узлов ГТД и турбоагрегатов из разнородных материалов путем оптимизации параметров диффузионной сварки в вакууме.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:
анализ особенностей процесса формирования диффузионных соединений из разнородных материалов;
исследование закономерностей развития объемных и контактных деформаций сварных соединений из разнородных материалов в условиях локального индукционного нагрева при диффузионной сварке в вакууме; і
исследование влияния физико-механических свойств материалов и температуры на напряженное состояние в очаге пластической деформации при контактном взаимодействии микровыступов поверхности разнородных материалов в условиях диффузионной сварки в вакууме;
проведение комплексных исследований и оптимизация режимов диффузионной сварки жаропрочных никелевых и титановых сплавов со сталями;
разработка технологических процессов изготовления биметаллических сварных роторов турбин и элементов модулей уплотнения ГТД.
Автор выносит на защиту.
1. Математическую модель контактного взаимодействия отдельных мик
ровыступов шероховатой и гладкой поверхностей с учетом их физиче-
ских,- химических и механических свойств в условиях-диффузионной
сварки.
-
Аналитические соотношения и критерий, позволяющие объяснить экстремальный характер зависимостей коэффициента статического трения от температуры и свойств свариваемых материалов.
-
Расчетно-экспериментальную методику оптимизации основных параметров процесса диффузионной сварки разнородных материалов.
-
Установленные закономерности формирования диффузионных соединений жаропрочных никелевых и титановых сплавов со сталями.
-
Уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимость механических свойств сварных соединений от основных параметров процесса диффузионной сварки изучаемых материалов.
-
Технологии диффузионной сварки малоразмерных роторов турбин и элементов модулей уплотнения ГТД и турбоагрегатов.
Научная новизна.
-
Установлено, что при диффузионной сварке деталей цилиндрической формы из разнородных материалов прочность соединений зависит от отношения высоты зоны деформации соединения к его диаметру (фактора формы), которое в условиях локального индукционного нагрева определяется градиентом температуры в направлении оси соединения.
-
Получены аналитические соотношения, позволяющие объяснить экстремальный характер зависимостей коэффициентов статического трения от температуры и нормальной нагрузки взаимным влиянием физико-механических свойств контактирующих материалов и геометрией микровыступов.
-
Установлено, что критерием, характеризующим величину коэффициента статического трения в зависимости от свойств контактирующих материалов и температуры, может служить отношение теплосодержания материала при его нагреве до температуры контактного плавления к пластической постоянной.
4. Экспериментально установлено, что температура, при которой касательные напряжения в контакте разнородных материалов достигают максимальной величины, соответствует оптимальной температуре сварки.
Практическая ценность.
-
Разработаны способы регулирования отношения высоты зоны деформации сварного соединения к его диаметру в условиях локального индукционного нагрева.
-
Предложен простой критерий, позволяющий оценивать оптимальную величину температуры сварки в зависимости от физико-механических свойств соединяемых материалов.
-
Определены оптимальные толщины барьерных прослоев и режимы диффузионной сварки жаропрочных никелевых сплавов ВЖЛ12У и ЖС6К со сталями ЭИ961 и 45Х, соответственно, титанового сплава ВТЗ-1 со сталью ВНС-2.
-
Разработаны технологические процессы диффузионной сварки биметаллических роторов и элементов модулей уплотнений малоразмерных ГТД.
Реализация результатов работы. Разработаны технологические процессы диффузионной сварки в вакууме биметаллических роторов турбин малоразмерных ГТД и турбоагрегатов, элементов моделей уплотнения из титановых сплавов и сталей. Технологические процессы внедрены на предприятиях: НПО «Сатурн», г.Москва; СКБ «Турбина», г.Челябинск; в Корпорации-ЛИТА-Ltd,, г.Самара^Экономический эффект от внедрения составляет 630 тыс. руб. Реализация результатов работы подтверждена актами внедрения.
Апробация работы. По основным результатам работы сделаны доклады на: VIII Всесоюзной научно-технической конференции «Вибрационная прочность и надежность авиадвигателей», Куйбышев, 1981г.; Всесоюзной конференции "Проблемы технологии сварки теплоустойчивых, жаростойких и жаропрочных высоколегированных сталей и сплавов", Николаев, 1985 г.; Всесоюзном семинаре «Новые технологические процессы при ремонте авиационной техники», Москва, 1986г.; XI Всесоюзной научно-технической конференции по конструкционной прочности и надежности двигателей, Куйбышев, 1988г.; конференции «Концентрированные потоки энергии в технологии обработки и соединения материалов», Пенза, 1989г.; XIII Всесоюзной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития диффузионной сварки», Москва, 1991г.; IV международной конференции «Проблемы развития автомобилестроения в России», Тольятти, 1998г.; Объединенной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития дви-гателестроения в Поволжском регионе» (II) «Проблемы конструкционной прочности двигателей» (XIV), Самара, 1999г.
Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликованы: одна монография, 4 статьи, 8 тезисов докладов, получено 3 авторских свидетельств на изобретения.
Объем работы. Диссертация содержит 248 страниц машинописного текста, 81 рисунок, 21 таблицу и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений.
Похожие диссертации на Исследование процесса и разработка технологии изготовления узлов авиационных ГТД из разнородных материалов методом диффузионной сварки в вакууме
