Введение к работе
з
Актуальность темы
В Послании Президента Российской Федерации Федеральному собранию, в частности, было отмечено, что для модернизации и технологического обновление всей производственной сферы необходимо формирование новой экономики, создающей уникальные технологии и инновационные продукты.
Пустотелые и ребристые сварные конструкции из титановых и алюминиевых сплавов типа панелей широко применяются в транспортных машинах, в частности в авиационной отрасли и др. В этом отношении они более технологичны перед монолитными конструкциями.
Одним из способов изготовления ребристых панелей является использование диффузионной сварки в вакууме как высокотехнологичного и легко-автоматизируемого процесса получения неразъемного соединения высокого качества. Однако сложность изготовления ребристых конструкций диффузионной сваркой заключается в том, что в процессе сварки под приложенным сварочным давлением поперечные ребра должны деформироваться в контакте с листами обшивки и при этом не терять устойчивости, что в условиях высокотемпературной ползучести является достаточно сложной задачей.
Перспективным решением этого вопроса является использование композиционных полуфабрикатов, состоящих из коробчатых профилей, например из титанового сплава, которые на стадии сварки будут предотвращать возможность потери устойчивости поперечных ребер из алюминиевого сплава и выполнять роль формирующей оснастки для образования плавных переходов от ребер к листам обшивки. Однако данных о ходе образования диффузионно-сварного соединения между титановыми и алюминиевыми сплавами крайне мало. Поэтому исследования в данном направлении позволят существенно расширить конструкторские возможности.
Исходя из вышеизложенного, исследование процессов взаимодействия титановых и алюминиевых сплавов и разработка технологии получения композитных материалов является актуальной задачей.
Диссертация выполнена по плану научно-исследовательской работы Курского государственного технического университета.
Цель работы; разработка технологии диффузионной сварки пустотелых композитных панелей из алюминиевых и титановых сплавов на основе исследования металлургических процессов в контактной зоне.
Задачи исследования:
Анализ и систематизирование научно-технической литературы по металлургии сварки алюминиевых и титановых сплавов.
Теоретический анализ и обоснование химического взаимодействия титановых и алюминиевых сплавов в контактной зоне при диффузионной сварке в вакууме.
Экспериментальное исследование металлургических процессов взаимодействия титановых сплавов с алюминиевыми при диффузионной сварке в вакууме.
Исследование механизма и изучение кинетики образования соединения алюминиевых сплавов и титана с алюминием.
Разработка научно обоснованных технологических рекомендаций по технологии изготовления титан-алюминиевых композитных панелей способом диффузионной сварки.
Объектом исследования является контактная зона диффузионно-сварного соединения алюминиевых и титановых сплавов.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в диссертации были использованы следующие методы исследования: оптическая и электронная микроскопия, металлографический и микрорентгеноспектральный анализ, методы электросопротивления и измерения микротвердости. Проводились механические испытания на отрыв и срез.
Научная новизна
Экспериментальными исследованиями установлено, что в зоне контактирования наблюдается взаимная диффузия титана и алюминия с образованием прослойки, состоящей в основном из ТіА13 и А1, при этом образование прослойки связано с преимущественной диффузией алюминия в микровыступы титана с последующим объединением образовавшихся участков и ростом ее толщины.
Выдвинуто, теоретически обосновано, исходя из двухстадийно-сти процесса сварки, и экспериментально доказано предположение, что на стадии образования активных центров при диффузионной сварке под воздействием энергии активации, выделяющейся преимущественно в процессе пластической деформации алюминия, происходит восстановление оксидной пленки алюминия титаном, растворение кислорода в титане с последующей диффузией кислорода в прилегающие участки титана.
Экспериментально показано, что прочность сварного соединения титан-алюминий зависит от размеров переходной зоны, и необходимо разрешить следующее противоречие: с одной стороны, следует обеспечить физический контакт между титаном и алюминием, но с другой стороны ограничить рост прослойки, что достигается при малом уровне общей пластической деформации алюминия путем увеличения размеров выступов (шероховатости) титанового сплава.
Теоретически обосновано наличие в прослойке толщиной более 5-6 мкм растягивающих остаточных напряжений и металлографическим анализом подтверждено, что это может приводить к появлению поперечных трещин при времени сварки более 20-30 минут.
Практическая значимость
Теоретические и экспериментальные данные, полученные в результате проведенной работы, существенно расширяют инженерные возможности, позволяя разрабатывать и проектировать принципиально новые, пустотелые титан-алюминиевые конструкции.
На основе комплексных исследований разработаны технологические рекомендации изготовления диффузионной сваркой в вакууме композитной
титан-алюминиевой панели.
Результаты работы приняты к внедрению на предприятии ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» и в учебный процесс подготовки студентов кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» КурскГТУ.
Достоверность результатов исследований, основных положений и
выводов определяется корректностью постановки задач, согласованностью с
результатами других ученых, работающих в данной области, и с общеприня
тыми представлениями; подтверждается воспроизводимостью
экспериментальных данных, проведением экспериментов с использованием
стандартных и аттестованных металлофизических методик, применением
независимых дублирующих экспериментальных методов, а также согласо
ванностью опытных данных с расчетами.
Апробация работы
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: XIV, XVI Российских науч.-техн. конф. с междунар. участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2007, 2009 гг.); I Междунар. науч.-практ. конф. «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009 г.); I Международной науч.-техн. конф. «Современные автомобильные материалы и технологии» (САМИТ-2009) (Курск, 2009 г.).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы