CC BY
7
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАПРАВОЧНЫХ ШТУЦЕРОВ
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ СИСТЕМ Муратов Владимир Сергеевич, д.т.н., профессор (e-mail: ftf@samgtu.ru) Казаков Михаил Сергеевич, аспирант (e-mail: kazakov.mishel@gmail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
Проанализированы особенности изготовления заправочных штуцеров, применяемых в термостабилизирующих системах космических аппаратов. При производстве штуцеров из прессованных прутков сплава АД31Т установлены причины трещинообразования в процессе обжатия после сварки. Выявлено охрупчивание сплава и снижение его способности к деформации в зоне термического влияния сварного соединения. Рекомендовано для исключения ухудшения деформируемости сплава использовать форсированное охлаждение области сварки , что сохраняет зоннососта-ренное состояние в зоне термического влияния сварного соединения.
Ключевые слова: заправочный штуцер, сварка, обжатие, алюминиевый сплав, деформируемость.
Введение
При производстве штуцеров для заправки и герметизации тепловых труб термостабилизирующих систем космических аппаратов используется сплав на алюминиевой основе АД31 (1310) системы легирования Al-Mg-Si. Достаточно высокая пластичность сплава делает возможным деформировать его на значительные величины. Сплав также хорошо сваривается и обладает высокой коррозионной стойкостью [1-8].
Изготовление штуцеров предусматривает получение горячепрессован-ных термоупрочненных ( состояние Т) прутков диаметром 25 мм, механическую обработку трубчатых частей штуцера , получаемых из прутка, сварку между собой отдельных трубчатых частей штуцера, соединение сваркой штуцера и тепловой трубы. После завершения заправки труб осуществляется их герметизация обжатием штуцера, что часто сопровождается образованием трещин на его боковой части.
Целью работы явилось выявление причин трещинообразования при обжатии сварных штуцеров из сплава АД31T и выработка рекомендаций по его предотвращению.
Методика исследований
Исследования предусматривали определение химического состава, особенностей макро- и микроструктуры, значений механических свойств го-рячепрессованных и термоупрочненных прутков сплава АД31Т. Процесс
обжатия штуцера изучался при сплющивании образцов- имитаторов ( рис 1) с последующим анализом изменений микроструктуры и состояния поверхности. Оценивалось также влияние нагрева сплава до температур 100-400 °С на его структурно-фазовое состояние и деформируемость. Исследовались химический состав, микроструктура , твердость и состояние поверхности штуцеров ( после сплющивания), срезанных с тепловых труб ( схема штуцера и области замеров твердости показаны на рис 2).
Сз- ж
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
30
Рисунок 1 - Образец - имитатор, используемый для сплющивания
2
у/1 Д, Лг;;_
Рисунок 2 - Схема штуцера с областями оценки микроструктуры и деформируемости ( 1,2 и 3). Правая граница 3 области - зона сварки двух частей штуцера. Окончание штуцера слева приваривается к тепловой трубе.
В процессе исследований выполнялась ручная аргонно-дуговая сварка составных частей штуцера и соединения штуцер - тепловая труба. Для определения химического состава сплава использовались спектрометры МФС-8 (Россия) и GNR ProSpector (Италия). Элементный состав поверхностей изломов определялся на оже-электронном спектрометре PHI 700 (США).
Результаты исследований и их обсуждение
В табл. 1 приведен химический состав прутков из сплава АД31Т двух поставщиков, используемых при производстве штуцеров. Выявлено, что содержание магния в прутках поставщика №1 составляет > 0,70 %, а в прутках поставщика №2 - < 0,70%, оставаясь в пределах указанных в табл.№1 интервалов. Механические свойства прутков : бв 195-225 МПа, б02 120-140 МПа, 5 13,0-26,0 %. Химический состав и значения механических свойств соответствуют нормативным документам.
1
Таблица 1 - Химический состав ( вес.%) исследуемого сплава АД31Т
А1 Mg Си Мп Бе 7п И Сг
Остальное 0,600,81 0,340,57 0,01 -0,02 0,040,06 0,170,24 0,01 0,04 <0,01
На рис.3 представлена макроструктура утяжинного конца прутков поставщиков №1( рис.За) и № 2( рис.Зб). Зерна прутков поставщика №1 мельче и имеют равноосную форму. Различия в зеренной структуре обусловлены как отличающимися условиями обработки сплава на предприятиях, так и различиями в содержании магния. При этом прутки поставщика №2 имеют значения бВ и б0,2 на нижнем уровне приведенных интервалов.
а б
Рисунок 3 - Макроструктура утяжинного конца прутков сплава АД31Т .
Микроструктурный анализ показал, что количество и размеры интерме-таллидных фаз в прутках разных поставщиков существенно не различаются.
Сплющивание образцов - имитаторов из прутков обоих поставщиков ( рис.1) под нагрузкой 5 и 20 тонн не привело к образованию трещин, течение металла равномерное, силуэт на торцах сплющенных образцов близок к прямоугольному, на боковых кромках выявляется " апельсиновая корка" визуально и тактильно более грубая на образцах поставщика № 2. Таким образом, выявленные ранее различия в содержании магния и зеренной структуре заметно не сказались на способности сплава подвергаться деформации без разрушения.
Измерение твердости в областях 1,2 и 3 ( рис. 2), срезанных с тепловых труб штуцеров, проводилось в их продольном сечении. При замерах слева на право по длине областей твердость составила: 1 область- 926, 709, 634 МПа; 2 область - 581, 619 , 636 МПа; 3 область - 561, 712 и 851 МПа. Установлена тенденция формирования повышенного уровня твердости в участках штуцера, прилегающих к зонам сварки (левый край 1 области -926 МПа и правый край 3 области - 851 МПа). При этом химический состав сплава, определяемый по длине штуцера, соответствует нормативным документам.
Исследования макро и микроструктуры вышеуказанных трех областей в поляризованном свете показали , что в участках штуцера, прилегающим к
зонам сварки , зеренная структура сплава не выявляется, в отличие от областей , отдаленных от них. В исходном состоянии ( пруток) зеренная структура сплава выявляется хорошо.
Из каждой области штуцера ( рис.2) вырезались трубчатые образцы и подвергались сплющиванию при нагрузке 5т до схлопывания стенок. На боковых поверхностях образцов, вырезанных из областей 1 и 3 , формировалась " апельсиновая корка" и образовывались трещины, а силуэт торца напоминал цифру "8", что соответствовало внешнему виду разрушившихся штуцеров при обжатии после заправки. Образец из зоны 2 при сплющивании не треснул , а силуэт образца имел прямоугольную форму.
Таким образом, трещинообразование при сплющивании связано с формированием в прилегающих к зонам сварки участках сплава структурного состоянии с повышенной твердостью и хрупкостью. Для такого структурного состояния характерна пониженная травимость зернограничных зон, что затрудняет выявление зеренной структуры сплава.
В дисперсионно-упрочняемых алюминиевых сплавах в зонах термического влияния сварки могут происходить растворение или образование упрочняющих выделений [8-10]. В зонносостаренном сплаве АД31Т при нагреве будет иметь место растворение зонных выделений или их преобразование в выделения фазового типа. Конечный результат изменения микроструктуры определяется температурой нагрева и временем ее воздействия. При нагреве зонносостаренных сплавов до температуры 230-270°С протекает явление термического возврата [11] и за время 30-120с сплав переходит в свежезакаленное состояние, а при увеличении выдержки происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием выделений фазового типа.
Затруднения в выявлении зеренной структуры сплава в участках штуцера, прилегающих к зоне сварки, связаны с растворением преимущественно образовавшихся здесь при естественном старении в виде непрерывных скоплений выделений зонного типа [11,12]. Кроме того, образование частиц фаз в сплавах системы A1-Mg-Si при старении приводит к росту твердости и охрупчиванию сплавов [ 13].
Исследование химического состава на поверхностях изломов, полученных после проведения обжатия штуцера, с использованием оже-электронной спектроскопии выявило наличие микрообластей с повышенной концентрацией магния, что также свидетельствует о процессах существенного распада твердого раствора в зоне термического влияния сварки.
Образцы - имитаторы были подвергнуты дополнительному нагреву длительностью 60 минут до температур 100-400°С и последующему сплющиванию при нагрузке 5т. Появление развитой трещины на боковых поверхностях выявлено в образцах, нагретых до 200 °С; при температуре 150 °С удалось выявить зарождающийся дефект типа надрыва. При остальных температурах нагрева образование трещин не установлено. Отсутствовали трещины и при сплющивании сваренных между собой образцов- имитато-
ров с удаленной зоной термического влияния. Зона термического влияния на образце- имитаторе удалялась пропилом шириной 15 мм.
Исследования показали, что для исключения разрушения штуцеров при обжатии следует исключить снижение деформируемости сплава в зонах термического влияния сварки из-за формирования выделений упрочняющих фаз. Это может быть достигнуто форсированием охлаждения металла размещением на штуцере медных накладных теплосъемных колец по обе стороны от сварного шва. Апробация данного метода показала, что в этом случае в прилегающих к зонам сварки участках отсутствует повышенный уровень твердости и трещины при сплющивании образцов и обжатии штуцеров отсутствуют. В данных участках также хорошо выявляется зеренная структура сплава.
Заключение
Выявленные случаи разрушения штуцеров из сплава АД31Т в процессе их обжатия при герметизации тепловых труб после окончания заправки вызваны охрупчиванием сплава в зонах термического влияния сварки. Это обусловлено переходом зонносостаренной структуры сплава в структуру с выделениями упрочняющих фаз.
Форсирование охлаждения зон термического влияния сварки использованием накладных медных теплосъемных колец предотвращает формирование выделений фаз и исключает трещинообразование при сплющивании образцов и обжатии штуцеров.
Список литературы
1. Г.Г.Клочков, Ю.Ю. Клочкова, В.А.Романенко Влияние температуры деформации на структуру и свойства прессованных профилей сплава В-1341 системы Al-Mg-Si //Труды Виам.- 2016. -№9. [ viam.works.ru].
2. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., ТкаченкоЕ.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы// Авиационные материалы и технологии. - 2012. -№5.-С. 167-182.
3. Sherstnev P.,Zamani A. Modeling of static and geometric dynamic recrystallization during hot extrusion of Al-Mg-Si alloy// Materials Science Forum/-2014. V.794-796. P. 728-733.
4. William D.Callister. Fundamentals of Materials Science and Engineering. JohnWiley &Sons,Inc.- 2008.- 911p.
5. Гуреева М.А., Грушко О.Е., Овчинников В.В. Свариваемые алюминиевые сплавы в конструкциях транспортных средств // Заготовительные производства в машиностроении .- .2009. -№3.- С. 11-20
6. F.C.Campbell. Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials. Elsevier Ltd.-2006.-593 p.
7. Н.И.Колобнев, Л.Б.Бер, Л.Б.Хохлатова, Д.К.Рябов Структура, свойства и применение сплавов системы Al-Mg-Si (Cu). Металловедение и термическая обработка ме-таллов.-2011.-№ 9. -С. 40-45.
8. Rometsch P.A.,Cao L., MuddleB.C. Strengthening of 6XXX Series Sheet Alloys During Natural Ageing and Eearly-stage Artificial Ageing// Procceedings of the 12th Internaional Conference of Aluminium Alloys. 2010, Yokohama. P.389-394.
9. А.А.Наумов, Ю.Ф.Исупов, Ю.А. Голубев, Ю.М.Морозова Влияние температуры при сварке трением с перемешиванием на микроструктуру и механические свойства сварных соединений из Al-Cu-Mg сплавов. Металловедение и термическая обработка металлов. 2018.№ 11(761).С. 8-13.
10. Nandan R., DcbRoyT., Bhadeshia H.K.D.H. Recent advances in friction -stir welding-Process, weldment structure and properties// Progress in Materials Science. 2008.v.53,№ 6.P.980-1023.
11. Анисович А.Г.,Андрушевич А. А. Микроструктуры черных и цветных металлов. -Минск, Беларуская навука, 2015.-131с.
12. Шестопалова Л.П., Лихачева Т.Е. Металловедение: макро- и микроскопический анализ металлов.- М.,МАДИ, 2017.- 56с.
13. Колачев Б. А., Елагин В.И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов.- М., МИСиС, 2005.-432с.
Muratov Vladimir Sergeevich, Grand PhD in Engineering sciences, Professor (e-mail: ftf@samgtu.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russian Federation Kazakov Mikhail Sergeevich, PhD student. (e-mail: kazakov.mishel@gmail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russian Federation
FEATURES OF MANUFACTURING FILLING NOZZLES MADE OF ALUMINUM ALLOYS FOR THERMAL STABILIZATION SYSTEMS
Abstract. The features of the filling nozzles manufacture used in thermostabilizing systems of spacecraft have been analyzed. In the production of filling nozzles from extruded bars of Al-Mg-Si alloy, the causes of cracking in the process of reduction after welding have been established. The embrittlement of the alloy and a decrease in its ability to deform in the heat-affected zone of the welded joint are revealed. It is recommended to use forced cooling of the welding area to avoid the deterioration of the alloy deformability, which preserves the zone-aged state in the heat-affected zone of the welded joint.
Keywords : aluminum alloy, filling nozzles, welding, reduction, deformability
