ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Сотовые панели из титановых сплавов находят широкое применение при создании летательных аппаратов, в частности, в конструкциях сверхзвуковых самолётов. Одним из перспективных методов изготовления титановых сотовых пакетов является диффузионная сварка, имеющая ряд преимуществ по прочностным показателям и весовой отдаче перед пайкой и контактной сваркой.
Однако в настоящее время применение диффузионной сварки для изготовления сотопакетов из титановых сплавов сопряжено с рядом сложных технико-экономических проблем.
В частности, для получения надёжного диффузионного соединения необходимо прилагать достаточное сварочное давление, чему в ряде случаев препятствует потеря устойчивости сотового заполнителя. Это накладывает достаточно жёсткие требования к работе оборудования и вызывает необходимость применения специализированных печей с многосекционным регулированием температуры для обеспечения минимального разброса в рабочей зоне, что усложняет технологический процесс и повышает себестоимость готовой продукции.
Одним из нежелательных процессов, сопутствующим диффузионной сварке, является высокотемпературное взаимодействие титановых обшивок со стальными технологическими листами, что может приводить к насыщению поверхности титана железом, образованию новых фаз и химических соединений и т.д. В этом случае готовые сотопакеты, как правило, отбраковываются, что ведёт к серьёзным экономическим издержкам, учитывая высокую стоимость готовой продукции.
В процессе эксплуатации сотовые панели испытывают действие переменных нагрузок, поэтому важной задачей является повышение циклической прочности как отдельно элементов конструкции - обшивок и заполнителя, так и сварной конструкции в целом.
Настоящая работа направлена на решение актуальной задачи - совершенствование процесса изготовления диффузионно-сварных титановых сотопаке-тов.
ф Цель работы — повышение качества титановых диффузионно-сварных со-
w товых пакетов за счет увеличения устойчивости заполнителя и расширения зоны допустимых режимов сварки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить и разработать способы повышения качества диффузионной сварки сотопакетов и расширения зоны оптимальных режимов за счет применения предварительного насыщающего отжига заполнителя.
2. Исследовать закономерности влияния насыщающего отжига особотон-ф костенного заполнителя кислородом на его служебные характеристики.
3. Исследовать работоспособность диффузионно-сварных сотопакетов, полученных с применением предварительного насыщающего отжига в сопоставлении с базовыми вариантами изготовления.
4. Исследовать влияние регламентированного неполного съема поверхностного диффузионного слоя, формирующегося в процессе контактного взаимодействия титановых обшивок со стальными технологическими листами, на циклическую прочность и пластичность обшивок.
5. На основании полученных результатов разработать рекомендации по повышению качества титановых диффузионно-сварных сотопакетов.
• Научная новизна. Выявлен эффект существенного повышения высокотем-
щ пературной устойчивости особотонкостенного титанового сотового заполнителя в условиях диффузионной сварки без изменения уровня минимальных сварочных давлений за счёт предварительного насыщающего отжига сотоблоков.
Установлено, что эффект повышения высокотемпературной устойчивости заполнителя от предварительного насыщения кислородом в большей мере про-щ является для фольги заполнителя, характеризуемой более тонкой микроструктурой.
Показано, что термический цикл, включающий насыщающий отжиг и последующее рассасывание в процессе диффузионной сварки, значительно повышает циклическую прочность как материала сотового заполнителя, так и диффузионно-сварного соединения в целом.
Обнаружено, что для титановых листов, имеющих на поверхности насыщенный железом диффузионный слой, максимум циклической долговечности достигается при частичном сохранении данного слоя.
Установлены общие закономерности и построены математические модели, адекватно отражающие влияние факторов термической обработки и параметров диффузионного слоя на циклическую долговечность основного металла и сварных соединений.
Практическая значимость. Разработан процесс изготовления диффузионно-сварных титановых сотопакетов повышенной надёжности на основе предварительного регламентированного насыщения сотоблоков кислородом. Это позволяет за счёт получения 30...40% прироста высокотемпературной устойчивости существенно расширить зону допустимых режимов диффузионной сварки и при этом повысить долговечность диффузионно-сварных сотопакетов при повторно-статическом нагружении на 20...30%.
Предложен способ повышения качества диффузионного соединения титановых сотопакетов за счёт применения внешних технологических оболочек, наполненных инертным газом, что позволяет дополнительно более чем в 2 раза расширить зону допустимых режимов сварки, в том числе обеспечить возможность выполнения диффузионной сварки в вакууме.
Достигнутое расширение зоны допустимых режимов диффузионной сварки позволяет принципиально упростить технологический процесс в части требований к характеристикам термического оборудования, что даёт возможность использовать для осуществления диффузионной сварки вместо специализированных установок универсальные термические печи с разбросом температур в рабочей зоне до ±20 °С.
Обоснована практическая возможность доработки диффузионно-сварных сотопакетов в случае их схватывания с технологическими листами, при этом наряду с экономией от сохранения дорогостоящих титановых конструкций достигается повышение их эксплуатационной долговечности в условиях циклического нагружения.
Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в опытное производство на ВАСО. С использованием разработанных рекомендаций получены образцы диффузионно-сварных титановых сотопакетов, обладающие повышенными служебными характеристиками.
Положения, выносимые на защиту. Разработка технологических схем изготовления диффузионно-сварных титановых сотопакетов повышенной надёжности, основанных на увеличении высокотемпературной устойчивости сотового заполнителя за счёт регламентированного насыщения кислородом.
Характер воздействия насыщения кислородом на высокотемпературную устойчивость и свариваемость сотоблоков, изготовленных с применением контейнерного отжига на крупное зерно и отжига фольги на проход.
Особенности влияния термического цикла диффузионной сварки сотопакетов на технологическую пластичность и циклическую прочность титановой фольги с различными типами микроструктур.
Закономерности изменения циклической долговечности титановых обшивок при съёме поверхностного слоя, насыщенного железом.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается систематическим характером экспериментальных исследований, использованием методов математической статистики при обработке результатов экспериментов, а также практическим использованием полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 2003), Всероссийской (с междуна-
родным участием) научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения Н.Г.Славянова (Пермь, 2004), XI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2004), Международной научно-технической конференции «Славяновские чтения» (Липецк, 2004); ежегодных научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (2003-2005); научных семинарах кафедры сварки Воронежского государственного технического университета.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложенных на 156 страницах; содержит 61 рисунок, 10 таблиц, список литературы из 195 наименований и приложение.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НА КАЧЕСТВО И РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДИФФУЗИОННО-СВАРНЫХ СОТОВЫХ ПАКЕТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Тонкостенные слоистые конструкции из титановых сплавов, в том числе сотовые пакеты, находят широкое применение при создании летательных аппаратов, в частности, в конструкциях сверхзвуковых самолётов [1-3].
Такого рода конструкции состоят из двух тонких обшивок, или несущих слоев, и помещенного между ними заполнителя. Слоистые конструкции обладают высокой устойчивостью и значительной жесткостью на изгиб при относительно легком заполнителе [1].
Центральной проблемой в изготовлении тонкостенных слоистых конструкций до настоящего времени являлось получение надежного соединения между обшивкой и заполнителем. Соединение выполняют, в основном, тремя способами - пайкой, контактной и диффузионной сваркой.
Пайка сотовых панелей характеризуется достаточно низкой прочностью соединения (не более 30-35% от прочности металла заполнителя) при достаточно сложном технологическом процессе высокотемпературной пайки и относительно невысокой весовой отдаче конструкции из-за наличия припоя.
Довольно широко ранее применялся для создания сотовых конструкций метод контактной точечной сварки, разработанный фирмой "Stresskin" [4]. Прочность соединения обшивок и заполнителя здесь ещё ниже - не более 15-20% от прочности металла заполнителя. При этом для воспроизведения процесса требуется сложное дорогостоящее специализированное оборудование.
Перспективным методом изготовления титановых сотовых пакетов является диффузионная сварка, имеющая ряд преимуществ по прочностным показателям и весовой отдаче перед пайкой и контактной сваркой [5-7]. Например,
в работах [8-14] для изготовления тонкостенных слоистых титановых конструкций, и сотопакетов в частности, показана целесообразность использования диффузионной сварки с низкоинтенсивным воздействием.
Ф Диффузионная сварка как высокоэффективный способ создания неразъ-
I
емных соединении элементов конструкций из титановых сплавов широко используется за рубежом, в частности, в конструкциях сверхзвуковых самолетов типа "Боинг", "Конкорд" [15-20].
Механизм соединения металлов в твердой фазе достаточно хорошо изучен, и по современным представлениям [5, 6, 21-27] рассматривают следующие три основные стадии образования соединения:
щ - образование физического контакта, т.е. сближение атомов соединяемых
w материалов на расстояние, при котором возникает физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса, или возможно слабое химическое взаимодействие;
- активация контактных поверхностей, т.е. образование активных центров;
- объемное взаимодействие, наступающее с момента образования актив-t ных центров и при котором происходит взаимодействие соединяемых материалов как в плоскости контакта с образованием прочных химических связей, так и в объеме зоны контакта.
Вопрос образования физического контакта при диффузионной сварке освещен в ряде работ [24, 28-31], хотя по ряду принципиальных моментов единства взглядов авторов нет. Площадь микровыступов, по которым контактируют соединяемые заготовки в первоначальный момент, невелика [32]. Площадь контакта увеличивается в процессе сварки; сближение поверхностей происходит по мере пластической деформации микровыступов [24, 25, 33-35]. Есть мнение, что микровыступы, имеющие большую микротвердость после механической обработки, могут внедряться в сопрягаемую деталь [29].
Кроме того, при нагреве в металле возникают внутренние напряжения, Ф связанные с фазовыми превращениями, ведущие к образованию специфиче-
10
ского микро- и субструктурного рельефа. Этот микрорельеф играет особую полезную роль в образовании соединения. Зазоры в зоне контакта при этом перекрываются складками рельефа, дополнительно инициируя процесс образования физического контакта [36, 37].
При рассмотрении второй стадии образования диффузионно-сварного соединения - активации контактных поверхностей - следует отметить, что валентности поверхностных атомов заполнены связью с атомами атмосферных газов, т.е. в значительной степени поверхности инертны [23]. По современным представлениям [25, 26, 36, 38-40] активные центры создаются:
а) механически - в процессе пластической деформации, сопровождаемой зарождением и движением дислокаций; при механическом или химическом удалении поверхностного слоя металла;
б) термически - инициированием процессов само- и гетеродиффузии, движения вакансий, растворения оксидов, приводящих к разрыву части насыщенных химических связей поверхностных атомов. Данный механизм активации для конструкции сотопакетов является наиболее важным.
После активации поверхности начинается третья стадия образования соединения - объемное взаимодействие, сопровождаемое уменьшением свободной энергии и получением более стабильной системы.
Теоретически формирование соединения может происходить по разным механизмам: вязкое течение металла, объемная диффузия и перенос вещества через газовую фазу [42]. На заключительной стадии объёмного взаимодействия, когда в зоне соединения присутствуют поры, некоторую роль играют и процессы спекания [16, 38, 42-45], при которых происходит повакансионное растворение дефектов под действием сил поверхностного натяжения при одноосном сжатии.
Сообщается о явлении деформационного упрочнения приповерхностного слоя металла за счет пластической деформации микрорельефа [34, 46]. Отме-
11
чено, что данная зона имеет повышенную сопротивляемость пластической деформации.
Процесс диффузионной сварки титана и его сплавов достаточно подробно изучен и освещен в работах отечественных и зарубежных специалистов [56, 13, 36, 47-55]. Условно различают сварку с высокоинтенсивным (Р = 20... 100 МПа) и низкоинтенсивным (Р<2 МПа) силовым воздействием [56]. При диффузионной сварке с высокоинтенсивным силовым воздействием сварочное давление создают прессом, оснащенным вакуумной камерой и нагревательным устройством [5, 6, 28].
При сварке с низкоинтенсивным силовым воздействием, применяемой для создания тонкостенных титановых слоистых конструкций, усилие сжатия создается, как правило, за счет разности наружного атмосферного и внутреннего (в рабочем контейнере) давления [56].
Основной проблемой получения качественного соединения в слоистых титановых тонкостенных конструкциях является необходимость приложения достаточного сварочного давления, которое в то же время следует ограничивать из-за опасности потери устойчивости тонкостенного заполнителя [4].
Потеря устойчивости определяется процессом высокотемпературной ползучести и происходит при достижении критической величины накопленной деформации [И]. Для сотового заполнителя из сплава, например ОТ4-1, данная критическая деформация составляет 0,5-1,25% [10], что оказалось меньше расчетной величины объемной деформации, необходимой для формирования соединения [24] и больше, чем аналогичное значение, полученное авторами [4] - 6-12%. Для сотового заполнителя с ячейкой 14x8 мм и высотой 15 мм из фольги сплава ВТбчПС критическая величина накопленной деформации равна приблизительно 2,7% - далее потеря устойчивости становится видной невооружённым взглядом [108]. В целом в работах на основе анализа температурных зависимостей сварочного давления и критического давления, вызывающего потерю устойчивости заполнителя установлено [55, 57, 108], что возможности
12
получения качественных тонкостенных диффузионно-сварных конструкций достаточно ограничены.
Исследования последних лет показывают, что наиболее перспективным направлением для решения данной проблемы является повышение сопротивляемости заполнителя высокотемпературной деформации. На практике это наиболее просто достигается регулированием его исходной микроструктуры -применением высокотемпературного отжига для получения крупного зерна [13,58,50,51,53].
Длительный опыт технологической обработки титана и его сплавов показывает, что газонасыщение относится к числу главных негативных факторов, способных оказать существенное отрицательное влияние на качество и работоспособность диффузионно-сварного соединения [60-63]. На практике для снижения нежелательного газонасыщения при диффузионной сварке используют инертные газы, расплавы солей, флюсы, обмазки [4, 22, 64-68]; весьма часто используются вакуумные камеры и герметичные контейнеры [4, 5, 19, 69]. Предпринимаются попытки использовать явление автовакуумирования в стыке, когда за счёт геттерных свойств основного металла титана и ограничения доступа новых порций примесей достигается высокая степень вакуумиро-вания в сварном стыке [70, 71]. Наиболее универсальным же средством защиты металла и пространства в зоне сварного стыка соединяемых заготовок являются инертные газы, а именно аргон высшего сорта, содержащий минимум вредных примесей [72, 73].
На кинетику окисления титана парциальное давление кислорода оказывает существенное влияние [74-76], и изучению влияния давления кислорода на кинетику окисления титановых сплавов при температурах 650-1300 °С посвящено большое количество исследований [4, 20, 60, 77-80].
Принципиально важным для практики диффузионной сварки титановых сплавов является то обстоятельство, что при достаточно высоких температурах нагрева и низких остаточных давлениях кислорода поверхность металла очи-
13
щается от оксидов. Поэтому многие работы посвящены вопросу очистки поверхности титановых сплавов от оксидов в процессе диффузионной сварки [4, 6,21,24,36,38,52 70].
В работе [21] утверждается, что разрушение оксидов должно происходить при пластической деформации металла. Очистка поверхности титановых изделий от оксидов при наличии соответствующих условий происходит путем их диссоциации и растворения в металлической основе [38, 79, 81, 82, 83]. Температура начала заметного растворения кислорода в титане, фиксируемого методом микротвёрдости, составляет 550-600 °С при выдержке не менее 1-2 часов [84, 85] и 700 °С при выдержке не менее 0,5 часа [86]. В работе [56] указывается, что при безокислительном нагреве с Т > 800 °С (в условиях автова-куумирования) на поверхности титана наблюдается развитие микрорельефа, которое рассматривается как деформация поверхности под действием внутренних напряжений. Деформация поверхности способствует ее очистке и, как следствие, к повышению ее реакционной способности - высвобождаются поверхностные валентные связи поверхностных атомов металла, ранее затрачиваемых на соединение с атомами кислорода. В работе рассматриваются условия очистки поверхности металла от оксидов и приводятся значения парциальных давлений кислорода, при которых имеют место разные механизмы окисления.
В свете задач получения качественного диффузионного соединения важное значение имеет тип микроструктуры соединяемых деталей. Применяющиеся на практике заготовки из титановых сплавов по состоянию микроструктуры можно отнести к одному из двух типов: с глобулярной формой частиц а-фазы и с пластинчатой а-фазой, именуемой а'-фазой и являющейся превращенной
?-фазой, образовавшейся в результате охлаждения металла, нагретого выше
а+ ?—>? - превращения [39, 41, 87-90].
Применительно к проблеме получения качественного диффузионно-сварного соединения сотопакетов особое значение имеет воздействие величи-
14
ны зерна на сопротивление металла высокотемпературной деформации, что выражается в различной скорости ползучести и разной высокотемпературной устойчивости свариваемых заготовок [91- 97]. В работе [4], например, показано, что сплав ОТ4 с исходной мелкозернистой структурой имеет скорость установившейся ползучести на порядок выше, чем с крупнозернистой структурой. Это облегчает образование физического контакта и позволяет применять более низкие удельные давления сварки.
В работе [108] изучены технологические возможности одноступенчатой диффузионной сварки сотовых пакетов из титановых сплавов с исходным мелкозернистым заполнителем и выполнен статистический анализ качества серийных диффузионно-сварных сотопакетов. Установлено, что данный технологический вариант характеризуется весьма узкой областью оптимальных режимов и, как следствие, не обеспечивает в условиях многофакторного серийного производства получения качественных сотопакетов.
Исследован способ двухступенчатой диффузионной сварки сотопакетов с исходным мелкозернистым заполнителем с образованием физконтакта на первой ступени в сс-области и завершением образования соединения в ?-области [109]. Равнопрочное соединение реализуется при этом с меньшими осадками в сравнении с одноступенчатой сваркой, однако для серийного производства данный процесс не обладает достаточным запасом надежности.
В работе [98] указывается на полезный эффект от применения крупнозернистой структуры в одной из свариваемых заготовок. Сообщается, что наличие мелкозернистой структуры в контакте способствует росту потока вакансий и увеличению пористости. На этом основании делается вывод о том, что если крупное зерно имеется хотя бы в одной из заготовок, это способствует уменьшению разупрочнения.
Выше указывалось, что структура металла оказывает значительное влияние на сопротивление высокотемпературной деформации [91, 92, 96, 97], а это определяет скорость образования физического контакта [54, 99-103]. Этот
15
фактор имеет повышенное значение для изготовления тонкостенных сотовых конструкций: сотовый блок из титановой фольги при температурах в интервале сверхпластичности весьма склонен к потере устойчивости, что выражается в искривлении стенки заполнителя.
В однофазных низколегированных титановых сплавах с крупнозернистой пластинчатой структурой наблюдается явление снижения уровня пластичности металла и его усталостной прочности, которое называют ?-хрупкостью [56]. В процессе диффузионной сварки в титановых заготовках протекает ряд структурных изменений, описанных в той же работе [56]. Здесь также указывается, что качественное соединение легче образуется при наличии в металле мелкозернистой равноосной структуры.
В работах [110, 111] исследован и разработан технологический процесс изготовления диффузионно-сварных сотопакетов из титановых сплавов с предварительным отжигом особотонкостенного заполнителя для повышения его высокотемпературной устойчивости, обеспечивающий с достаточной надежностью для условий серийного производства получение равнопрочных сварных соединений без потери устойчивости заполнителя.
Исследованы варианты и отработаны параметры отжига заполнителя на стадии готового сотоблока при контейнерном отжиге в аргоне и на стадии фольги в рулоне при отжиге в вакууме методом протяжки [110, 112]. Область оптимальных режимов диффузионной сварки сотопакетов для варианта с предварительно отожженным заполнителем на порядок больше аналогичной зоны для варианта с исходным мелкозернистым заполнителем, что обеспечивает надежное получение качественных сотопакетов в серийном производстве.
Работоспособность титановых диффузионно-сварных конструкций определяется совместным влиянием двух факторов:
- качеством диффузионно-сварного соединения, определяемым степенью реализации стадий процесса формирования соединения;
16
- воздействием термического цикла диффузионной сварки на свойства тонкостенных элементов титановой конструкции.
Типичными дефектами диффузионно-сварных соединений являются не-провары, слипание, трещины [6].
Одной из проблем при диффузионной сварке титановых сплавов, и сотовых пакетов в частности, является периодическое схватывание свариваемых заготовок со стальной оснасткой [113, 114]. При этом в приповерхностных слоях титановых заготовок формируются достаточно протяжённые диффузионные слои с повышенным содержанием железа, что может вызывать охрупчивание и снижение усталостных характеристик конструкции в целом.
Результаты исследований работ [33, 34, 102, 104, 105] показывают, что показатели статической прочности диффузионно-сварного соединения относительно малочувствительны к дефектам типа непроваров. В работе [106] также сообщается, что разрушение по стыку при разрыве происходит только при доле контакта <80% от номинальной площади, если средний размер несплош-ностей, объединенных границей, превышает 2-3 мкм. Известно, однако, что такие дефекты являются эффективными концентраторами напряжений и весьма существенно снижают долговечность изделия при циклических нагрузках [107].
Изготовление сотопакетов с предварительным отжигом заполнителя позволяет существенно повысить характеристики работоспособности изделий за счет, во-первых, получения качественного диффузионно-сварного соединения и, во-вторых, сохранения мелкозернистой структуры металла обшивок, являющихся несущими элементами конструкции [110, 111].
17 |
