CC BY
5
Chetverikov Boris Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, await_rescue@mail.ru, Russia, Belgorod Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov,
Minasova Victoria Evgenievna, engineer, vika314tm@yandex.ru, Russia, Belgorod Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Chelyadinov Dmitry Vadimovich, candidate of technical sciences, lecturer, chelyadinov_dv@mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod Law Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia named after I.D. Putilina
УДК 621.791.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-58-63
ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ ТИТАНО-АЛЮМИНИЕВЫХ ПАНЕЛЕЙ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ЕЕ ДЕФЕКТНОСТИ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, И.А. Коваленко, К.В. Жилина, А.А. Калинин
В статье выполнены расчеты и представлен анализ изменений напряжений и деформаций ин-терметаллидной прослойки в переходной зоне титано-алюминиевых панелей при диффузионной сварке. Представлены рекомендации по получению качественных диффузионно сварных Ti-AI-соединений, обеспечивающих оптимальную толщину прослойки на границе контактирования титана и алюминия при диффузионной сварке.
Ключевые слова: диффузионная сварка, титан, алюминий, напряжения и деформации, модель, прослойка, толщина, конструкция, панель.
Пустотелые конструкции из титановых и алюминиевых сплавов в виде панелей имеют широкое применение в авиации и космической технике, а также в других отраслях, где требуется высокая прочность и работоспособность, т. е. исполнение эксплуатационных требований при минимальном весе и энергозатратах. В связи с этим, проблеме изготовления подобных изделий посвящено большое количество разработок [1-21]. Однако поведение прослоек при диффузионной сварке титана с алюминием мало изучено.
Материалы и методы исследования. Для уточнения роли интерметаллидной прослойки необходимо провести исследование ее напряженно-деформированного состояния методом математического моделирования в переходной зоне титано-алюминиевой конструкции при диффузионной сварке, а также применить для оценки остаточных напряжений современную аналитико-расчетную математическую платформу.
Металлографическим методом исследовать структуру переходной зоны на предмет появления в ней трещин. Проанализировать влияние толщины прослойки на величину в ней остаточных растягивающих напряжений и их роль в образовании трещин.
Результаты и их обсуждение. Прослойка на границе контактирования Ti-AI представляет собой плоский слой переменной толщины в зависимости от времени выдержки при температуре сварки [35].
В связи с разностью коэффициентов температурного расширения титана и алюминия
( 6 1 6 1 ^ -
а = g 5. 1 о~6 а = 25 10 в прослойке возникает сложное напряженное состояние,
Ii ' \' Al \
град град J
точное описание которого представляет значительные трудности из-за нестабильности поведения металла при нагреве и охлаждении.
Процесс изменения напряжений и деформаций можно представить следующей упрощенной
схемой:
- в процессе нагрева в результате разности an и cui] и в предположении, что образцы Ti и Al находятся в свободном состоянии (до образования физического контакта), температурная деформация в поперечном направлении составит:
s А1нагр =а Al ' AT, гТтагр = aTi ' AT, где ДТ - разность температур AT = T^ - Tq ;
- к°нечшя разность деформаций Агнагр = в А1нагр — в
- после приложения давления данное состояние фиксируется и в процессе последующей выдержки образуется прослойка.
В процессе охлаждения до комнатной температуры
вА1охл = —вА1нагр; вТ1охл = —вТгнагр; впросл = —апрослАТ . В общем случае схему нагружения прослойки после охлаждения образца можно представить следующим образом (рис. 1).
Рис. 1. Схема нагружения прослойки
На границе алюминия и прослойки, а также прослойки и титана при охлаждении, вследствие разных коэффициентов линейного расширения возникают касательные напряжения, действие которых эквивалентного приложению к прослойке нормальных напряжений сх и су, сг = 0.
В классической теории упругости соотношения между напряжениями и деформациями выражается системой дифференциальных уравнений, решение которой для данного случая можно представить в виде [15, 16]:
Е
(1)
с У =
1 + ц
Е / 1 + ц' Е 1 + ц'
где д - коэффициент Пуассона.
Таким образом, прослойку можно представить в виде тонкого листа в предположении, что напряжения сх и сУ равномерно распределены по толщине и имеет место плоское напряженное состояние. Приняв в соотношение (1), что напряжения сг = 0, можно записать:
х-"1 (ах — у) ву = Е(ау — х
Ву =
), в* = х — у)
Е^ у' у Е^ ' Е
или разрешив первые два соотношения относительно напряжений сх и су:
Е "(вх — вЦу), ау =—(ву — вЦх).
1 — Ц 4 ' 1 — Ц
Относительная деформация со стороны алюминия составит: Ав
Со стороны титана:
Ав„„осл — Т1 = ВТ — В
А1—просл впросл в А1 I апросл
просл
просл
(
= —ат +а
+ а А1) АТ. )АТ.
просл
Итоговая деформация: Ав = (а
просл
+ аА1 — аТ + апросл ) АТ = (аА1 — аТ +) АТ '
где
аА1 = 25•10—6-1; аТ = 8,5•10—6-Ь АТ = 550 — 20 = 530°С; Ав = 8,7-10—3.
Таким образом, можно утверждать, что в прослойке образуется плоское напряженное состоя ние (рис. 2), при котором:
Е
_ _ ^просл =а =
а х = ау =
(Ав + цАв), а2 = 0.
(2)
Энергетическая теория пластичности принимает, что пластические деформации при сложнона-пряженном состоянии возникают при а у = (от - предел текучести), тогда:
= )>/СУ2 +сх2 = сx = • (4)
В соответствии с формулой (2) остаточное напряжение в плоском слое алюминия при относительной
_3
деформации As = 8,7 -10 составляет üxäi = 880 МПа. В аналогичном слое титана — Охп = 1280 МПа.
Рис. 2. Схема нагружения прослойки
Интенсивность напряжений:
Напряжения рассчитаны в предположении модели плоского напряженного состояния и равномерного распределения напряжений по толщине прослойки и носят сравнительный характер.
Указанные напряжения значительно превышают пределы текучести сплавов, и следует ожидать, что в результате пластической деформации алюминия они останутся на уровне предела текучести алюминиевого сплава От = 150... 170 МПа.
Следует иметь в виду, что в процессе нагрева предварительно сжатых образцов, возможно, схватывание в отдельных точках, и, за счет сдерживающего влияния титана, температурная деформация алюминия будет значительно меньше.
В соединениях с разной толщиной прослойки процесс образования остаточных напряжений будет значительно отличаться. Так в соединениях с тонкой прослойкой сдерживающее влияние титана будет распространяться на приконтактную зону алюминия, вызывая пластическую деформацию этой зоны, и растягивающие напряжения в тонкой прослойке (плоском слое) будут незначительными. С ростом толщины прослойки влияние остаточных растягивающих напряжений в прослойке возрастает и, начиная с некоторой толщины прослойки, растягивающие напряжения в ней вызовут образование трещин, что подтверждается металлографическим анализом (рис. 3).
Исходя из вышеизложенного, для получения качественного сварного Ti-Al-соединения, необходимо ограничить рост интерметаллидной хрупкой прослойки, причем при значительной ее толщине следует ожидать не только поперечного растрескивания, но и отслоения под действием касательных напряжений на границах алюминий-прослойка, титан-прослойка.
Выводы:
1. Предложена модель изменения напряжений и деформаций при диффузионной сварке образцов, при которой после приложения давления фиксируется состояние объекта, и в процессе последующей выдержки образуется прослойка.
2. Установлено, что в прослойке в виде тонкого листа, образуется плоское напряженное состояние; на границе А1 и прослойки, а также прослойки и Т при охлаждении, в связи с разностью коэффициентов линейного расширения Т и А1, возникают касательные напряжения, действие которых эквивалентно приложению к прослойке нормальных напряжений ох и оу, сг = 0.
3. Приведены расчетные значения остаточных напряжений в плоском слое А1 при относитель-
—3
ной деформации Ав = 8,7 • 10 составляют Схлг = 880 МПа, а в аналогичном слое Т - Охп = 1280 МПа, которые носят сравнительный характер. Вышеуказанные напряжения намного превышают пределы текучести сплавов, поэтому можно ожидать, что под действием пластической деформации алюминия их значения останутся на уровне предела текучести А1-сплава - от ~ 150.. .170 МПа.
4. Установлено, что толщина прослойки в соединениях Т с А1, определяется процессом формирования остаточных растягивающих напряжений; с ростом толщины прослойки влияние остаточных растягивающих напряжений в прослойке увеличивается.
5. Металлографическими исследованиями подтверждено, что, начиная с некоторого значения толщины интерметаллидной прослойки, в ней обнаружено образование трещин, вызванных растягивающими напряжениями.
6. Показано, что в соединениях с тонкой прослойкой сдерживающее влияние Т будет распространяться на приконтактную зону А1, вызывая пластическую деформацию этой зоны, и растягивающие напряжения в «плоском» слое - тонкой прослойки.
7 Установлено, что в процессе нагрева предварительно сжатых образцов титана с алюминием отмечается их схватывание в отдельных местах по границе раздела; учитывая сдерживающее влияние титана, температурная деформация алюминия проявляется в меньшей степени.
Полученные результаты согласуются с исследованиями, описанными в наших и других работах в соавторстве [1-21] и не противоречат им.
Работа выполнялась в рамках задания Минобрнауки РФ (Проект 2116А).
Список литературы
1. Петренко В.Р., Киреев Л.С., Пешков В.В. Сварка титана со сталью. Воронеж: ВГТУ, 2004.
173 с.
2. Теория сварочных процессов / А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 752 с.
3. Исследование переходной зоны титан-алюминий при диффузионной сварке / Д.В. Пономарев, С.Г. Емельянов, А.В. Батурин, В.Н. Гадалов // Технология металлов. 2008. № 9. С. 12-15.
4. Гадалов В.Н., Шишков А.С. Диффузионная сварка слоистых титано-алюминиевых панелей // Технология металлов. 2009. № 10. С. 28-31.
5. Изготовление пустотелых биметаллических титано-алюминиевых панелей диффузионной сваркой в вакууме / С.Г. Емельянов, В.Н. Гадалов, Д.В. Пономарев, А.С. Шишков // Технология металлов. 2010. № 5. С. 30-34.
6. Диффузионная сварка титановых слоистых конструкций аэрокосмической техники / В.В. Пешков, А.Б. Булков, И.Л. Батаронов, В.Ф. Селиванов, А.И. Стрыгин. Воронеж: ВГТУ. 2012. 312 с.
7. Оценка трещиностойкости изделий, наплавленных износостойкими сплавами с одновременным формированием подслоя / В.Н. Гадалов, Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко, А.А. Давыдов, Р.В. Бобрышев, В.В. Горецкий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 11 (95). С. 11-14.
8. Повышение эксплуатационной надежности и качества тяжело нагруженных деталей износостойкой наплавкой / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, Ю.В. Скрипкина, О.А. Бредихина, Е.В. Иванова, В.В. Горецкий // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 112. № 1. С. 140-144.
9. Сварка: введение в специальность: учебное пособие / В.А. Фролов, В.В. Пешков, А.Б. Коломенский, В. А. Казаков; под ред. В.А. Фролова. 4-е изд., перераб. М.: Альфа-М: НИЦ ИНФРА-М, 2015. 384 с.
10. Теория сварочных процессов / В.М. Неровный А.В. Коновалов, Б.Ф. Якушин и др.; под ред. В.М Неровного. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 704 с.
11. Влияние структуры на характер разрушения свариваемых литейных никелевых сплавов / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, Р.Ю. Киреев, Д.Н. Романенко // Сварочное производство. 2017. № 12. С. 2632.
12. Применение эффекта сверхпластичности при диффузной сварке конструкций из титановых и алюминиевых сплавов / В.Н. Гадалов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, А.А. Калинин, И.В. Ворначева, И.А. Макарова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 112. С. 164-170.
13. Диффузионные процессы и их физико-математическое описание при сварке порошковых материалов / В.Н. Гадалов, Е.В. Скрипкина, А.Г. Беседин, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, О.В. Пантюхин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 7. С. 65-77.
14. Макаров Э.Л. Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 551 с.
15. Назаров С.А. Асимптоматический анализ тонких пластин и стержней. Новосибирск: Научная книга, 2002. 408 с.
16. Каюмов Р.А. Основы теории упругости и элементы теории пластин и оболочек: учебное пособие. Казань: Изд-во Казанского государственного архитектурно-строительного университета, 2015. 111 с.
17. Применение поляризационно-оптического метода для оценки напряжений в неоднородных моделях наплавленных комбинированных покрытий / В.Н. Гадалов, Ю.В. Скрипкина, О.М. Губанов, И.А. Макарова // Сварка и диагностика. 2021. № 2. С. 25-29.
18. Материаловедение и металловедение сварки / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, С.В. Сафонов, Е.А. Филатов, А.В. Филонович. М.: Инфра-Инженерия, 2021. 308 с.
19. Феклистов С.И., Овчинников В.В., Ершов А.А. Напряженно-деформированное состояние сварочных соединений узлов энергетического оборудования. Инфра-Инженерия, 2021. 164 с.
20. Мониторинг особенностей формирования соединения тонкостенных конструкций из листовых титановых сплавов диффузионной сваркой / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 12. С. 639643.
21. Технология и оборудование, металловедение спечённого титана и его сплавов. Синтез, структура, фазовый состав, свойства, применение: монография / В. Н. Гадалов, В. Р. Петренко, О. М. Губанов, В. В. Пешков, А. В. Филонович. М.: Аргамак-Медиа, 2022. 272 с.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, gadalov-vn@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, доцент kutepovsn@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Коваленко Ирина Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, cubik368@mail. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Жилина Кира Викторовна, канд. техн. наук, доцент, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства ТулГУ, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INVESTIGATION AND ANALYSIS OF STRESSES AND DEFORMATIONS IN THE TRANSITION ZONE OF TITANIUM-ALUMINUM PANELS DURING DIFFUSION WELDING TO ASSESS ITS DEFECTIVENESS
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, I.A. Kovalenko, K.V. Zhilina, A.A. Kalinin
The article calculations have been made and analysis of changes in stresses and deformations of the intermetal layer in the transition zone of titanium-aluminium panels during diffusion welding has been presented. Recommendations are presented for the receipt of high-quality diffusionly welded Ti-AI compounds, providing optimal thickness of the layer at the boundary of contact titanium and aluminum in diffusion welding.
Key words: diffusion welding, titanium, aluminum, tension and deformation, model layer, thickness, design panel.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, kutepovsn@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
62
Kovalenko Irina Anatolyevna, candidate of technical science, docent, cubik368@mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Zhilina Kira Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of TulSU Publishing House, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.833
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-63-67
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССАХ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ И РЕМОНТА ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
А.М. Кошелев, В.В. Хрячкова
Рассмотрены возможности компьютерного моделирования в специализированных программах для процессов обеспечения долговечности и ремонтопригодности механических передач, оценки целесообразности ремонта в зависимости от условий работы и материала.
Ключевые слова: оценка, условия, расчёт, проверка.
Во время работы механические передачи испытывают различные нагрузки, которые могут привести к уменьшению производительности или полной поломке передачи в результате деформаций элементов передачи.
По этой причине одним из важнейших вопросов при проектировании механических передач является повышение их долговечности, а в случае поломки - оценка целесообразности ремонта.
Чаще всего на практике приходится иметь дело с фрикционной усталостью и абразивным износом. Абразивным материалом в большинстве случаев служат частицы материала зубчатых колес, которые были образованы из-за усталостного выкрашивания. В этой роли выступают и продукты износа. В силовых зубчатых передачах абразивный материал - это размалываемый продукт.
Абразивный износ опасен тем, что характеризуется высокой скоростью деформации поверхностного слоя зубьев материала и его механического разупрочнения (развитие дефектов структуры, повышение внутренних напряжений, охрупчивание материала). На подвергнутой такому износу поверхности также появляется спектр контактных напряжений, связанный с неравномерным распределением нагрузок в тех зонах, которые связаны с большим количеством различных по своим характеристикам абразивных частиц. В результате форма зубчатых поверхностей изменяется, что приводит к снижению КПД [1].
Для выяснения целесообразности ремонта в зависимости от приложенной нагрузки мы можем использовать современное программное обеспечение. К примеру, модуль APM FEM в KOMnAC-3D позволяет произвести анализ приложенных нагружений к червячному колесу, колебания из-за приложенных нагрузок (рис.1).
Для анализа на нагружение колеса с нестандартной конструкцией зуба мы можем использовать ^MnAC-3D и АРМ FEM в связке с KISSoft Для этого мы можем начертить профиль зуба в КОМПАС-3D и перенести его в программу KISSoft. После этого появляется возможность получить 3D-модель червячного колеса, которую затем возможно перевести в формат, доступный для открытия в КОМПАС-3D. Это позволяет учесть возможные погрешности, а возможности KISSoft и КОМПАСа позволяют провести проверку интерференции и пятна контакта (рис.2).
Доступная пользователю функция анимации позволяет оценить работу передачи и устранить проблемы с зацеплением и пятном контакта ещё на стадии проектирования [2, 3].
При помощи комплекса программ КОМПАС-GEARS мы можем проверить качество зацепления теоретической червячной передачи (рис.3). Это позволяет ещё на стадии проектирования исключить заострение и подрезание зубьев, обойдясь без создания тестовой модели и применения специальных устройств.
В этом же модуле мы можем провести стандартный расчёт на прочность и на теплостойкость.
Данный набор возможностей позволяет найти наиболее нагруженные части передачи, что позволяет проанализировать их ремонтопригодность, исходя из ожидаемых материальных затрат и затрат времени, а также повысить общую ремонтопригодность и надёжность на стадии проектирования.
63
