Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Одним из перспективных и успешно развивающихся в мире направлений в области новых металлических материалов с высоким уровнем жаростойкости и термической стабильности, является создание интерметаллических сплавов различных систем и разработка технологий их получения
Дальнейшим развитием этого направления является создание слоистых ин-терметаллидных композитов (СИК), представляющих собой материалы, в которых чередуются металлические и интерметаллидные слои, являющиеся результатом химического взаимодействия и обладающие особыми, специфическими свойствами, близкими к свойствам керамических материалов
Наличие в СИК систем титан-сталь, медь-алюминий, алюминий-магний, алюминий-цинк, медь-цинк, алюминий-сталь, алюминий-титан, алюминий-никель и др слоев с большим градиентом физико-механических свойств обуславливает перспективу их применения в энергетических установках, криогенном и теплообменном оборудовании в качестве тепловых и теплозащитных барьеров, износостойких покрытий, жаропрочных и жаростойких материалов
Сварка взрывом (СВ) является эффективным методом создания качественных слоистых композиционных материалов (СКМ) различных типов и назначения Высокоэкономичный, производительный и управляемый процесс, не требующий дорогостоящего оборудования и оснастки, СВ, благодаря ее быстротечности, препятствующей развитию активных диффузионных процессов на границе раздела разнородных металлов и сплавов, позволяет получать равнопрочные соединения из практически любых сочетаний металлов и сплавов площадью до десятков квадратных метров
Отсутствие на современном этапе научно обоснованных рекомендаций по проектированию конструкции и технологии изготовления СИК, базирующихся на энергетических и металлофизических представлениях о кинетике формирования соединения при СВ и их структурных'4 изменениях при последующих технологических переделах, требует решения ряда задач, посвященных углубленному изучению кинетики диффузионных процессов на межслойньгх границах с учетом «деформационной наследственности» соответствующих операций комплексного технологического процесса (СВ, обработки давлением (ОД) и высокотемпературной термообработки (ВТО), их влияния на структуру и механические свойства СКМ и СИК на их основе различного состава и конструкции при нормальных и повышенных температурах
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтвер-
задается выполнением его части в рамках межвузовских, межотраслевых и федеральных целевых научно-технических программ по направлениям «Развитие научного потенциала высшей школы», «Интеграция науки и высшего образования России», «Научно-инновационное сотрудничество», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» и др
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка научных основ проектирования и изготовления нового класса конструкционных материалов - слоистых интерметаллидных композитов на базе исследования закономерностей формирования структурно-механической неоднородности СКМприСВ,ОДиВТО
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи
Раскрыты основные закономерности деформационного упрочнения металла околошовной зоны СКМ, полученных СВ
На основе комплексного исследования структуры, макро- и микромеханических свойств сваренных взрывом соединений развиты и уточнены существующие представления о влиянии неоднородности деформационного упрочнения на ударную вязкость характерных зон слоистых композитов, количества и твердости оплавленного металла на характер зависимости прочности соединения от режимов СВ
Определены условия формирования локальных зон разупрочнения в околошовной зоне (ОШЗ) сваренных взрывом СКМ при упруго-пластическом деформировании
Разработаны рекомендации по целенаправленному управлению процессом горячей (ГП) и холодной (ХП) прокатки для реализации пропорциональной деформации слоев и повышения качества прокатанных СКМ
На основе раздельного исследования кинетики образования и роста структурно-неоднородных диффузионных зон получены зависимости, позволяющие назначать оптимальные режимы высокотемпературных нагревов СКМ для реализации требуемого соотношения основных и интерметаллидных слоев в СИК с .учетом энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию при СВ (W2), знака и величины прилагаемой нагрузки при ОД и ВТО, управлять процессом формирования структурной, фазовой и химической неоднородности на межслойных границах
Предложена классификация СИК, основанная на использовании разработанной методики определения их жаропрочности с учетом объемного соот-
ношения основных и интерметаллидных слоев
Научная новизна. Новым положением работы, содержащим решение актуальной задачи современного материаловедения, является создание научных основ проектирования, изготовления и управления структурой и механическими свойствами принципиально нового класса конструкционных материалов -слоистых интерметаллидных композитов, базирующихся на системном подходе к учету выявленных деформационно-энергетических и температурно-временных условий и закономерностей формирования структурно-механической неоднородности при сварке взрывом, обработке давлением и высокотемпературной термообработке
На основе разработанной методики определены и обобщены основные закономерности деформационного упрочнения металла ОШЗ Доказано, что усредненная масса свариваемых элементов является параметром, контролирующим неоднородность деформационного упрочнения и анизотропию механических свойств СКМ, полученных на режимах, гарантирующих равно-прочность и обеспечивающих ввод в соединение оптимальной доли кинетической энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию
Показано, что зависимость относительной прочности свариваемых взрывом соединений от количества оплавленного металла на межслойных границах является многофакторной, а ее конкретный вид определяется микромеханическими свойствами оплавов, обусловленными, в свою очередь, физико-механическими свойствами исходных материалов и энергетическими условиями сварки взрывом, что открывает принципиальную возможность управлять структурой и свойствами СКМ
В результате выявления и обобщения основных закономерностей формирования и роста при температурах интенсивной диффузии на межслойных границах медно-алюминиевых и титано-стальньгх СКМ интерметаллидных прослоек экспериментально доказано, что толщина интерметаллидного слоя прямо пропорциональна количеству энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию при сварке, и степени общего высотного обжатия при холодной прокатке
На основе комплексного исследования структуры и жаропрочных свойств слоистых композитов в зависимости от температурно-силовых и конструктивно-технологических факторов предложена классификационная система, позволяющая научно обоснованно назначать оптимальный фазовый состав и объемное содержание интерметаллидов для реализации заданных служебных свойств практически актуальных титано-стальных и медно-алюминиевых СИК
Выявлен и изучен эффект локального разупрочнения сваренных взрывом двух и многослойных СКМ при их холодном деформировании прокаткой, растяжением и изгибом Установлено, что степень локального разупрочнения зависит от энергетических условий сварки, физико-химических свойств и структуры соединяемых металлов. Показано, что максимальное разупрочнение (до 15-20%), обусловленное изменением дислокационной структуры титано-стальных и медно-алюминиевых композитов, наблюдается в их ОШЗ при деформации растяжения 2-9%
Установлено, что неравномерность послойной деформации при прокатке СКМ зависит от величины предшествующей упруго-пластической деформации при сварке При прочих равных условиях снижение градиента деформационного упрочнения приводит к реализации пропорциональной деформации слоев при меньших степенях общего высотного обжатия
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований положены в основу разработки расчетно-экспериментальных методов определения оптимальных энергетических и технологических параметров применяемых операций (СВ, ОД, ВТО), позволяющих научно обоснованно назначать на этапе проектирования требуемое число и толщины слоев исходных разнородных металлов, сваривать взрывом качественные многослойные заготовки, осуществлять их последующий технологический передел и, в результате, получать листовые СКМ и СИК с расчетным соотношением основных и интерметаллидных слоев и стабильными физико-механическими свойствами
Разработаны комплексные технологические процессы, созданы соответствующие ТУ и ТИ и на их основе изготовлены партии СКМ и СИК, внедренные на ряде ведущих предприятий РФ (Подольский машиностроительный завод им Орджоникидзе, ПО «Каустик», Волжский трубный завод, НИИ гелиевой техники и др) Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационного исследования составил 13,5 млн руб в сопоставимых ценах 2006 г
Апробация работы. Материалы работы докладывались на 27 международных, всесоюзных и всероссийских конференциях и симпозиумах (Москва -1990, 1993, 1998, 2002, 2006, ЧССР, Пардубице - 1988, Саров - 2005, Киев -1987, 1989, 1990, Минск - 1987; Пермь - 1988, 2006; Ташкент - 1984, Екатеринбург - 2000, Волгоград - 1996, 1998, 2001, 2004, Барнаул - 2002, Пенза - 2003), а также на научных семинарах в ВолгГТУ, ЮРГТУ (НПИ), МАТШТТУ им. КЭ. Циолковского
Публикации. По теме диссертации опубликовано 190 работ, в том числе 3
монографии, 45 статей в рецензируемых российских и международных журналах, 10 изобретений
Структура работы. Диссертация написана на 275 страницах, состоит из введения, 5 глав и общих выводов В приложении содержатся копии актов внедрения и испытания, а также разработанных технических условий и технологических инструкций
