К вопросу о кинетике развития физического контакта при диффузионной сварке титана Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 53.072:621.791.4

К ВОПРОСУ О КИНЕТИКЕ РАЗВИТИЯ ФИЗИЧЕСКОГО КОНТАКТА ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ТИТАНА

В.В. Пешков, А.Б. Булков, М.В. Семеноженков, С.А. Арсенов

По результатам экспериментальных исследований, выполненных на образцах из титановых сплавов ОТ4 и ВТ14 с модельными микровыступами, имитирующими шероховатость реальных поверхностей, установлено влияние высоты микровыступов на кинетику развития физического контакта при диффузионной сварке. Показано, что с увеличением высоты микровыступов уменьшается скорость развития физического контакта, что связано с деформационным упрочнением металла в зоне контакта, обусловленным локализацией напряжений и деформаций в вершинах микровыступов

Ключевые слова: диффузионная сварка, температура, давление, микровыступ, физический контакт

При диффузионной сварке металлов одним из основных условий получения соединения является формирование физического контакта, обеспечивающего сближение соединяемых поверхностей на расстояние при котором происходит образование химических связей и развитие объемного взаимодействия [1, 2].

Фактором, влияющим на кинетику развития физического контакта, является микрогеометрия свариваемых поверхностей, которая зависит от вида их финишной обработки.

Установление кинетических закономерностей влияния исходной микрогеометрии свариваемых поверхностей на развитие контакта в условиях диффузионной сварки позволяет обоснованно подходить к выбору как финишной обработки контактных поверхностей, так и технологических параметров процесса сварки (температуры, давления, времени).

В общем случае микрогеометрию поверхностей после их механической обработки можно охарактеризовать формой микровыступов, их высотой и расстоянием между ними (шагом). В работах [3-5] при анализе кинетики процесса развития физического контакта микрогеометрию контактных поверхностей моделировали в виде эквидистантно расположенных микровыступов с шагом 0,1 мм, имеющих в сечении форму равнобедренного треугольника, характеризуемого углом в между образующей и основанием. Выполненный анализ [5] показал, что с увеличением угла в от 15° до 60° при одних и тех же технологических параметрах (например, температуре 900 °С и сварочном давлении 2 МПа) время сварки, необходимое для развития физического контакта возрастает более чем в 4 раза. Однако вопрос о том, как влияет высота микровыступов (или, что тоже самое, расстояние между микровыступами) при постоянной величине угла в остается открытым.

Пешков Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: otsp@vorstu.ru

Булков Алексей Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: bulkov ab@mail.ru

Семеноженков Максим Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: otsp@vorstu.ru Арсенов Сергей Александрович - ВГТУ, магистрант, e-mail: otsp@vorstu.ru

Данная работа является продолжением ранее выполненных исследований [5], ее целью является установление закономерностей влияния высоты микровыступов на кинетику развития физического контакта в условиях диффузионной сварки.

Экспериментальные исследования проводили по методике [5] на образцах из сплава ОТ4, имеющего в исходном состоянии глобулярную микроструктуру. Контактные поверхности одной партии образцов были полированными, другой - обработанными на токарном станке и представляли собой эквидистантно расположенные микровыступы с шагом Ь: 0,08; 0,28, 0,5; 1,0 мм (соответственно высота выступов А: 00108; 0,0378; 0,0675; 0,135 мм). Сечение выступов представляло собой треугольник с углом между его образующей и основанием в= 15°. Сварку образцов выполняли в изотермических условиях в интервале температур 850-950 °С при давлении 2,0 МПа, котрое прикладывалось после достижения заданной температуры. Сваренные образцы испытывали на ударный изгиб и с предварительно полированной поверхности снимали фрактограммы (рис. 1).

Рис. 1. Типичный вид фрактограммы с поверхности разрушения образов, поверхность одного из которых полированная, а другая точеная, х150

Поскольку между высотой микровыступов А и шагом между ними Ь при постоянном значении угла в= 15° существует пропорциональная зависимость (h=tgв•b/2) и в процессе экспериментов более точно и просто измеряется величина шага Ь, то и

полученные результаты анализировались в зависимости от этого параметра.

По результатам экспериментальных исследований строили кинетические зависимости (рис. 2) FomH=y(T), при заданной величине b (FomH=F/FH, где FomH - относительная площадь физического контакта; FK - площадь образовавшегося контакта; FH - номинальная площадь контакта поверхности образца).

FomH определяли как среднее арифметическое результатов не менее 10-15 замеров на разных участках фрактограмм.

Из данных приведенных на рис. 2, видно, что зависимости FomH= ф(т) имеют затухающий характер, при этом увеличение шага между микровыступами b (увеличение высоты микровыступов) сопровождается уменьшением относительной площади сформировавшегося контакта, хотя с увеличением b усилие, приходящееся на один микровыступ пропорционально возрастает. Так в условиях эксперимента при увеличении шага от 0,08 до 1,0 мм нагрузка на микровыступ возрастает в 12,5 раз.

Наблюдаемую закономерность изменения площади контакта при изменении шага между микровыступами можно объяснить тем, что с увеличением высоты выступов происходит локализация напряжений и пластической деформации в вершинах микровыступов. Это приводит к локальному деформационному упрочнению материала в вершинах выступов, и, следовательно, к снижению величины образующегося физического контакта.

Некоторым подтверждением этого является наблюдаемое изменение микротвердости материала в зоне контакта, которая при нагрузке на индентор прибора 50 г составляла 2980 МПа при b=0,08 мм и 3250 МПа при b=1,0 мм.

Как было показано в работах [2-5] кинетическая зависимость развития физического контакта в изотермических условиях может быть описана выражением:

F = 1 - e-T/t* (1)

1 omH ± с .

где t* - эмпирическая константа, имеющая размерность времени и отражающая кинетические свойства процесса развития физического контакта (его инерционность).

После логарифмирования (1) получим выражение:

ln(1 - FomH) = - T/t*, (2)

которое в координатах ln(1-FomH) - т является уравнением прямой линии.

Обработка экспериментальных данных (рис. 2) в этих координатах позволяет определить численные значения эмпирической константы t* как котангенс угла наклона прямых к оси абсцисс в зависимости от температуры и высоты (шага) микровыступов при постоянных значениях сжимающего давления, их формы и микроструктуры свариваемых заготовок.

Зависимость константы t* от температуры имеет нелинейный характер (рис. 3), а от шага выступов - линейный (рис. 4).

0 30 60 Г, мин

а

готн 0,8 0,6 0,4 0,2

5 4

/ / 3,

/ Г V

/ / 2 ,

1 у / / у

/ / 1

у

1

0,8 0,6 0,4 0,2

FomH 0,8 0,6 0,4 0,2

0 30 60 г, мин

б

5 .

3 ,

/ 2 j

/ /

/

( 4 / У

У, У

/

0 30 60 Г, мин

в

Ь

4^

1

0 30 _ 60 г, мин

г

Рис. 2. Кинетика развития контакта при температурах, °С: 1 - 850; 2 - 875; 3 - 900; 4 - 925; 5 - 950; величина шага Ь, мм: а - 0,08; б - 0,28; в - 0,5; г - 1,0

Поскольку в основе образования физического контакта при сварке в условиях низкоинтенсивного силового воздействия лежит высокотемпературная ползучесть [1, 2], являющаяся термически активируемым процессом, то можно предположить что ^ является экспоненциальной функцией температуры и пропорциональна некоторому эмпирическому коэффициенту С, линейно зависящему от шага между выступами:

^=Сехр{-ШТ), (3)

где Е - энергия активации процесса, контролирующего развитие физического контакта; R - газовая постоянная; Т - температура испытания; С - эмпирический коэффициент, отражающий зависимость

Г, мин

280

200

120

40

850 900 Т, °С

Рис. 3. Зависимости t*=f(T) при шаге выступов, мм: 1 -0,08; 2-0,28; 3-0,5; 4- 1,0 " f* МИН

280

200

120

40

0 0,4 0,8 Ь,мм

Рис. 4. Зависимости /*=ф(Ь) при температуре, °С: 1 - 850; 2 - 875; 3 - 900; 4 - 925; 5 - 950

После логарифмирования выражения (3) получим:

1п 1*=Ы С - Е/(Щ), (4)

Построение зависимостей 1п И*= ф(1/Т) позволяет определить численные значения Е и С и найти аналитическое выражение (3).

Значения ^ (приведенные на рис. 3, 4) в координатах 1п ^ - 1/Т ложатся на прямые линии (рис. 5) из угла наклона которых следует, что значения эф-

фективной энергии активации процессов, контролирующих развитие физического контакта в наших экспериментах практически не зависят от шага между микровыступами на контактных поверхностях и составляет 235 кДж/моль. Найденное значение Е близко к значению энергии активации высокотемпературной ползучести сплава ОТ4, имеющего в исходном состоянии мелкозернистую структуру в интервале температур ниже окончания а+в^в-превращения, которое составляет 230 кДж/моль [1].

{п

5

4

3

8 8,5 9,0 10 /7"

Рис. 5. Зависимости 1п Р - 1/Т. Обозначения соответствуют рисунку 3

На рис. 6 приведена зависимость С=ф(Ь), которую можно аппроксимировать уравнением прямой линии

С=(1,1+2,7й)10"9. (5)

СЮ"9

3

2

1

0 0,4 0,8 Ь,мм

Рис. 6. Зависимость С=ф(Ь)

Приведенные результаты позволяют получить для сплава ОТ4 аналитическое выражение, отражающее связь эмпирической константы ^ с микрогеометрией контактных поверхностей (характеризуемой шагом Ь между микровыступами) и температурой в изотермических условиях диффузионной сварки при сжимающем давлении р=2,0 МПа, использованном в эксперименте

^=(1,1+2,7Ь)10-9ехр(-28506/Т). (6)

г

/

/ /

/

/

Если считать, что зависимость ^~р~1'2 [2] будет справедлива и в рассматриваемом случае, то выражение (6) можно представить в более общем виде:

^=(2,53+6,2- Ь) 10-9 р"1'2 ехр(-28506/Г). (7)

Учитывая приведенную выше зависимость между шагом и высотой микровыступов выражение (7) можно представить в виде зависимости ^=ф(И)

^=(2,53+46,3Л) 10-9 •р-1'2 ехр(-28506/Т). (8)

Используя выражение (8) можно дать количественную оценку наблюдаемому деформационному упрочнению материала в зависимости от высоты микровыступов, определив его как отношение

к = ^^ *

^■упр 1 ' 1 о 1

где tо* - значение константы при Л=0.

Тогда

купр= 1+18,3Л, (9)

т.е. при увеличении высоты микровыступов в 12,5 раз от 0,0108 до 0,135 мм скорость развития физического контакта, обратно пропорциональная ^ [2] уменьшается в 2,9 раза.

Аналогичные исследования, выполненные на сплаве ВТ14 с исходной глобулярной микроструктурой, показали, что эмпирическая константа ^ для этого сплава с учетом высоты микровыступов на контактных поверхностях может быть оценена по выражению:

^=(1,38+29,9Л)10-8р-1'2ехр(-26582/7). (10)

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования показали, что в качестве интегральной характеристики процесса развития контакта между соединяемыми заготовками в условиях диффузионной сварки можно использовать некоторую постоянную имеющую размер-

Воронежский государственный технический университет

ность времени и отражающую кинетические свойства процесса.

2. С увеличением высоты микровыступов при постоянном угле между его образующей и основанием величина t* возрастает (увеличивается время, необходимое для образования физического контакта), что обусловлено локальным деформационным упрочнением материала в вершинах выступов.

3. Путем аппроксимации результатов расчета получены выражения для оценки коэффициента упрочнения материала свариваемых заготовок в зависимости от высоты микровыступов.

Литература

1. Диффузионная сварка титана [Текст] / Э.С. Каракозов, Л.М. Орлова, В.В. Пешков, В.И. Григорьевский. -М.: Металлургия, 1977. - 272 с.

2. Диффузионная сварка титановых слоистых конструкций аэрокосмической техники [Текст] / В.В. Пешков, А.Б. Булков, И.Л. Батаронов и др.; под ред. В.С. Рачука. - Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет". - 2012. - 312 с.

3. Моделирование процесса развития физического контакта при высокотемпературной термодеформационной обработке титана [Текст] / В.В. Пешков, С.В. Сафонов, А.Б. Булков, В.Р. Петренко, Д.Н. Балбеков, Л.С. Киреев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8, №5. - С. 108-114.

4. Кинетика развития физического контакта при диффузионной сварке титана [Текст] / А.Б. Булков, Д.Н. Балбеков, В.В. Пешков, А.И. Стрыгин // Сварочное производство. - 2013. - №10. - С. 20-27.

5. Влияние микрогеометрии поверхности на кинетику развития контакта при диффузионной сварке титана [Текст] / А.Б. Булков, С.В. Сафонов, Д.Н. Балбеков, В.Р. Петренко, В.В. Пешков // Технология машиностроения. -2013. - № 2. - С. 14-19.

FOR THE KINETICS OF DEVELOPMENT OF PHYSICAL CONTACT WHEN DIFFUSION

BONDING OF TITANIUM

V.V. Peshkov, A.B. Bulkov, M.V. Semenozhenkov, S.A. Arsenov

According to the results of experimental studies carried out on samples of titanium alloy VT14 and OT4 microprojection with model simulating the roughness of real surfaces, set the height of the microprojections influence on the kinetics of physical contact with the diffusion bonding. It is shown that an increase in the height of the microprojections decreases the speed of the physical contact, which is associated with deformation hardening of metal in the contact zone, due to localized stresses and strains in the tops of the microprojections

Key words: diffusion bonding, temperature, pressure, microprojection, physical contact