CC BY
6
УДК 621.791
Гуськов Д.О.
студент магистратуры, гр. 16 МТм1 факультет «Машиностроения и транспорта»
Крюков Д.Б., к техн. н.
доцент
кафедра «Сварочное, литейное производство и материаловедение»
Егоршин П.Е. студент магистратуры, гр. 16 МТм1 факультет «Машиностроения и транспорта» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет»
Россия, г. Пенза АНАЛИЗ СПОСОБОВ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СПЛАВОВ ТИТАНА И АЛЮМИНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ
ВЗРЫВОМ
Аннотация: В статье рассматривается перспективность применения многослойных композиционных материалов на основе Ti-Al, полученных сваркой взрывом. Рассмотрены классические способы получения КМ.
Ключевые слова: сварка взрывом, композиционный материал; листовой прокат; способ получения.
Guskov D.O. Graduate student
gr. 16 МТм1, faculty of "Machine building and transport"
FSBEIHE "Penza State University"
Russia, Penza
Kryukov D.B., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of
the Department "Welding, foundry and
Materials Science" FSBEI HE "Penza State University"
Russia, Penza Yegorshin P.E. Graduate student
gr. 16 МТм1, faculty of "Machine building and transport"
FSBEI HE "Penza State University"
Russia, Penza
THE ANALYSIS OF THE METHODS OF CREATING COMPOSITE MATERIALS BASED ON ALLOYS OF TITANIUM AND ALUMINUM AND PROSPECTS OF APPLICATION OF TECHNOLOGY OF
EXPLOSION WELDING
Abstract: The article considers the prospects of using multi-layer composite materials based on Ti-Al, obtained by explosion welding. Classical methods for obtaining CM are considered.
Keywords: explosion welding, composite material; sheet rolling; method of obtaining.
Фундаментальной задачей материаловедения является создание новых конструкционных материалов, обеспечивающих их надежную работоспособность в условиях интенсивных тепловых воздействий, высоких давлений, скоростей нагружения, радиации, агрессивных сред, вибраций и т.д. Многослойные композиционные материалы (МКМ), важнейшее преимущество которых состоит в том, что для конкретных условий эксплуатации могут быть разработаны композиции с оптимальным комплексом служебных характеристик, с этой точки зрения являются особо перспективными. Использование МКМ позволяет:
- уменьшить расход дефицитных и дорогостоящих металлов и сплавов;
- существенно повысить в широком диапазоне температур надежность и долговечность конструкций, за счет увеличения удельной прочности и жесткости, жаропрочности, ударной вязкости, снижения чувствительности к концентраторам напряжений;
- обеспечить высокий уровень ряда специальных физических свойств материалов (тепло- и электропроводности, коррозионной стойкости, износостойкости) и др. [1]
Многослойные композиционные материалы на основе титановых сплавов находят всё большее применение в различных областях промышленности. Так в машиностроении их используют в качестве переходников, предназначенных для сварки конструкций из разнородных материалов. В автомобилестроении целесообразно использовать данные композиционные материалы для высоко нагруженных двигателей, несущих конструкции и ходовой части автомобилей. В авиа-, ракето- и судостроении слоистые композиционные материалы на основе титановых сплавов благодаря высоким удельнопрочностным, жаростойким и коррозионностойким показателям стремительно вытесняют дорогостоящие монометаллы [2].
Наиболее распространёнными способами получения подобного рода материалов является прокатка, прессование, диффузионная сварка и сварка взрывом.
Двухслойные листы композиционных материалов получают прокаткой несимметричных пакетов, состоящих из основного и плакирующего слоев, а также симметричных двойных или тройных пакетов. В последнем случае появляется возможность одновременно получать несколько биметаллических листов, разделенных прослойкой, предотвращающей сваривание составляющих пластин.
Для получения композиционного материала титан - алюминий, зарекомендовал себя метод прокатки в асимметричных пакетах.
Наибольшая прочность сцепления слоев достигается при обжатии пакета 68-70 % при 470-500 °С. Для получения прочного сцепления слоев
титан предварительно алитируют. Тонкий алюминиевый подслой позволяет снизить степень обжатия до 15-35 %, при этом прочность сцепления слоев достигает 170-200 МПа. В результате экспериментов было установлено, что дальнейшее увеличение толщины подслоя приведет к резкому снижению прочности сцепления слоев в целом.
Получение слоистого композиционного материала алюминиевый сплав - титан при температуре не выше комнатной - затруднительно, в связи с тем, что оба металла разрушаются раньше, чем образуется прочное сварное соединение. С повышением рабочей температуры пластичность материалов значительно возрастает, а требуемая деформация пакета для схватывания, наоборот, понижается. Однако при достижении температур свыше 400 С титан начинает окисляться и поглощать газы из окружающей атмосферы, и поверхностный слой его подвергается водородному охрупчиванию. Та же проблема присуща и алюминиевым сплавам, которые также окисляются и покрываются поверхностной окисной пленкой. Исходя из этого, несмотря на повышение внутренней энергии атомов с возрастанием температуры свыше 400 С, деформация схватывания остается на первоначальном уровне.
Таким образом, можно сделать вывод, что прокатка, как метод получения композиционного материала Т1-Л1, имеет ряд недостатков. Основным недостатком, является невозможность обеспечения равнопрочного высококачественного соединения по всей площади соединяемых листовых материалов, а также то, что совместной прокаткой в основном получают только тонколистовые титано-алюминиевые композиционные материалы, что существенно ограничивает эффективную область данного способа [2].
Способ получения композиционных материалов при помощи диффузионной сварки является одним из основных методов формирования листовых соединений титан - алюминий. Данный метод получения композиционных материалов основан на соединении титановых и алюминиевых фольг различной толщины. В зависимости от объемной доли интерметаллида в структуре материала можно регулировать комплексом его механических свойств. В подобных материалах весь объем алюминия расходуется на образование интерметаллического слоя.
Основным недостатком данного способа получения композиционного материала является потребность в высокотехнологичном оборудовании. Для получения материалов пары Т1-Л1 необходимо дополнительное оборудование, создающее вакуум, что бы обеспечить защиту поверхности титана от насыщения газами из воздуха. Также возникают трудности при обеспечении и поддержании требуемых технологических параметров при диффузионной сварке. Малейшее отклонение от заданных параметров ведет к изменению образования диффузионного слоя, что в свою очередь, значительно сказывается на физико-механических свойствах всего композиционного материала [2].
Самым перспективным направлением в получении композиционных
материалов на основе Ti-Al является способ получения КМ сваркой взрывом.
Вопросами получения композиционных материалов сваркой взрывом занимались как отечественные, так и иностранные ученые [3-5].
Номенклатура материалов полученных данным способом, достаточно велика и постоянно пополняется за счет открытия новых материалов. Скоротечность процесса ударно-волнового нагружения, распространение кумулятивной струи и образование высокого динамического давления, оказывают значительное влияние на структуру и свойства получаемого композиционного материала. При этом механические свойства металлов могут сильно различаться, в зависимости от стадийности процесса, по сравнению с исходными данными.
Воздействие ударных волн при ударно-волновом нагружении, существенно повышает износостойкость, прочность и твердость материалов, что связано с возникновением локальных напряжений и увеличением плотности дислокаций. При сварке материалов взрывом, образуются неограниченные твердые растворы и возникают прочные качественные соединения. Удовлетворительно свариваются металлы, имеющие ограниченную растворимость. Кроме того, сварка взрывом позволяет получать также материалы, в которых компоненты образуют различные интерметаллические соединения.
Основными существенными преимуществами, которые позволяют успешно соединять листовые материалы, являются:
- быстротечность процесса и значительные усилия давления;
- возможность получения соединений без образования хрупких литых структур;
- возможность получения листовых и трубных заготовок;
- возможность получения крупногабаритных заготовок;
- отсутствие необходимости применения сложной технологической оснастки.
Наряду с преимуществами существуют и некоторые недостатки. Основной недостаток заключается в необходимости проведения взрывных работ в условиях открытого полигона вдали от жилых строений или необходимости использования специальных взрывных камер [2].
Таким образом, существуют множество различных схем и способов получения многослойных композиционных материалов на основе Ti-Al. У каждого способа свои достоинства и недостатки, но, как отмечалось выше, метод соединения листовых и трубных заготовок сваркой взрывом является наиболее перспективным и дальнейшее его применение в различных отраслях промышленности (машиностроении, авиа- и ракетостроении, судостроении) доказано и обоснованно уже сейчас многими отечественными и зарубежными учеными. Одна только возможность получения крупногабаритных готовых изделий на основе Ti- Al с заданными физико-механическими свойствами за счет вариаций технологических,
кинематических параметров сварки взрывом и последующей термообработки с образованием интерметаллидного слоя, повышает прочность, существенно расширяет возможности применения многослойных композиционных материалов на основе Т1-Л1.
Использованные источники:
1. Шморгун, В.Г. Формирование структурно-механической неоднородности в слоистых металлических и интерметаллидных композитах, создаваемых с помощью комплексных технологий: диссер. [Текст] / В. Г. Шморгун; ВолгГТУ. - Волгоград : РПК «Политехник», 2007. - 299 с.
2. Гуськов, М. С. Создание высокопрочного композиционного материала титан - алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем и оксидо-керамическим покрытием: дис. канд. техн. наук : 05.16.09 / Гуськов М.С.; ПГУ. - Пенза, 2015. - 151 с.
3. Дерибас, А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом [Текст] / А. А. Дерибас. - 2-е изд., доп. и перераб. - Новосибирск : Наука, 1980. - 222 с.
4. Баум, Ф. А. Физика взрывом [Текст] / Ф. А. Баум, К. П. Станюкович, Б. И. Шехтер. - М. : Изд-во физико-математической литературы, 1959. - 256 с.
5. Лысак, В. И. Сварка взрывом: научная монография [Текст] / В.И Лысак, С.В. Кузьмин. - М. : Машиностроение, 2005. - 544 с.
