Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения
Описан многолетний опыт разработки комплексных технологий получения нового класса конструкционных материалов (слоистых композитов) с уникальным сочетанием жаропрочных и теплофизических свойств, включающих сварку взрывом для получения биметаллических и многослойных материалов в сочетании с родственны...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100975 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, В.Г. Шморгун // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 82-86. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100975 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Трыков, Ю.П. Гуревич, Л.М. 2016-05-28T16:03:25Z 2016-05-28T16:03:25Z 2009 Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, В.Г. Шморгун // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 82-86. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100975 621.791.13: 620.186.5:669.017.64 Описан многолетний опыт разработки комплексных технологий получения нового класса конструкционных материалов (слоистых композитов) с уникальным сочетанием жаропрочных и теплофизических свойств, включающих сварку взрывом для получения биметаллических и многослойных материалов в сочетании с родственными технологиями (различные виды термообработки и обработки давлением). The paper describes the experience of many years of development of integrated technologies of manufacturing a new class of structural materials (layered composites) with a unique combination of high-temperature and thermophysical properties, including explosion welding to produce bimetal and multilayer materials in combination with allied technologies (different types of heat treatment and plastic working). ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения Integrated technologies of producing multipurpose layered composite materials Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения |
| spellingShingle |
Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения Трыков, Ю.П. Гуревич, Л.М. Производственный раздел |
| title_short |
Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения |
| title_full |
Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения |
| title_fullStr |
Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения |
| title_full_unstemmed |
Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения |
| title_sort |
комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения |
| author |
Трыков, Ю.П. Гуревич, Л.М. |
| author_facet |
Трыков, Ю.П. Гуревич, Л.М. |
| topic |
Производственный раздел |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Integrated technologies of producing multipurpose layered composite materials |
| description |
Описан многолетний опыт разработки комплексных технологий получения нового класса конструкционных материалов (слоистых композитов) с уникальным сочетанием жаропрочных и теплофизических свойств, включающих сварку взрывом для получения биметаллических и многослойных материалов в сочетании с родственными технологиями (различные виды термообработки и обработки давлением).
The paper describes the experience of many years of development of integrated technologies of manufacturing a new class of structural materials (layered composites) with a unique combination of high-temperature and thermophysical properties, including explosion welding to produce bimetal and multilayer materials in combination with allied technologies (different types of heat treatment and plastic working).
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100975 |
| citation_txt |
Комплексные технологии получения слоистых композиционных материалов многоцелевого назначения / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, В.Г. Шморгун // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 82-86. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT trykovûp kompleksnyetehnologiipolučeniâsloistyhkompozicionnyhmaterialovmnogocelevogonaznačeniâ AT gurevičlm kompleksnyetehnologiipolučeniâsloistyhkompozicionnyhmaterialovmnogocelevogonaznačeniâ AT trykovûp integratedtechnologiesofproducingmultipurposelayeredcompositematerials AT gurevičlm integratedtechnologiesofproducingmultipurposelayeredcompositematerials |
| first_indexed |
2025-11-25T12:06:07Z |
| last_indexed |
2025-11-25T12:06:07Z |
| _version_ |
1850514355415678976 |
| fulltext |
УДК 621.791.13: 620.186.5:669.017.64
КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ
СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ю. П. ТРЫКОВ, д-р техн. наук, Л. М. ГУРЕВИЧ, канд. техн. наук, В. Г. ШМОРГУН, д-р техн. наук
(Волгоград. гос. техн. ун-т, РФ)
Описан многолетний опыт разработки комплексных технологий получения нового класса конструкционных мате-
риалов (слоистых композитов) с уникальным сочетанием жаропрочных и теплофизических свойств, включающих
сварку взрывом для получения биметаллических и многослойных материалов в сочетании с родственными тех-
нологиями (различные виды термообработки и обработки давлением).
К л ю ч е в ы е с л о в а : комплексные технологии, сварка
взрывом, горячая исходная прокатка, термообработка,
слоистые композиты
В статье приведены решаемые в последние годы
кафедрой материаловедения и композиционных ма-
териалов ВолгГТУ материаловедческие задачи по
созданию нового класса конструкционных матери-
алов — слоистых композитов (СК) с уникальным
сочетанием жаропрочных и теплофизических
свойств. Достигнутые успехи базируются на накоп-
ленном научно-технологическом опыте в исполь-
зовании сварки взрывом (СВ) для получения би-
металлических и многослойных соединений и
материалов из трудносвариваемых металлов и спла-
вов (Ti–Fe, Cu–Al, Ti–Al, Mg–Al и др.) в сочетании
с родственными технологиями (различные виды
термической обработки (ТО) и обработки давле-
нием). При разработке энергетических и металло-
физических представлений о кинетике формирова-
ния соединения при СВ и структурных изменениях
при последующих технологических переделах [1–
3], ставших научной основой проектирования кон-
струкции и технологии изготовления СК, решены
следующие задачи:
1) определены перспективные системы и со-
четания разнородных металлов и сплавов, обра-
зующие при термомеханическом взаимодействии
в различном агрегатном состоянии высокотвер-
дые интерметаллидные соединения;
2) усовершенствованы ранее предложенные и
разработаны новые комплексные технологичес-
кие процессы [4] получения на универсальном
оборудовании машиностроительных и металлур-
гических предприятий крупногабаритных загото-
вок многослойных интерметаллидных композитов
с заданными жаропрочными, теплофизическими,
износостойкими и специальными свойствами,
включающие СВ, горячую или холодную прокат-
ку (Пр), и специальные виды ТО в твердом сос-
тоянии, выше температур плавления легкоплав-
ких слоев композита или образующихся в зоне
контакта эвтектик;
3) разработаны расчетно-экспериментальные
методы определения оптимальных технологичес-
ких параметров применяемых операций (СВ, Пр,
ТО) [5–12], позволяющие научно обоснованно
назначать на этапе проектирования требуемые ко-
личество и толщины слоев исходных разнородных
металлов, обеспечивать необходимое качество
многослойных заготовок, сваренных взрывом,
осуществлять последующие технологические пе-
ределы получения листовых композитов с рас-
четным объемным содержанием интерметаллид-
ных слоев. На основе обобщения результатов на-
учных исследований сформулированы принципи-
альные положения, касающиеся формирования
структуры и свойств СК на различных стадиях
комплексных технологий:
— при упругопластическом деформировании
свариваемых взрывом СК в области малых де-
формаций формируются локальные зоны разуп-
рочнения по дислокационному механизму [2];
— энергетические условия СВ влияют на про-
цессы формирования структурной, фазовой и хи-
мической неоднородности при реактивной диф-
фузии в твердом состоянии: возрастание энергии
пластической деформации на границе соединения
W2 приводит к снижению латентного периода и
увеличению скорости роста толщины диффузион-
ной зоны [4];
— полученные уравнения [4] кинетики роста
диффузионных слоев в твердофазном состоянии
с учетом энергии W2 для перспективных систем
и сочетаний разнородных металлов и сплавов поз-
воляют при создании СК назначать оптимальные
параметры нагревов, обеспечивающие реализа-
цию требуемого соотношения основных и интер-
металлидных слоев, и определять режимы рек-
ристаллизационного отжига, исключающие обра-
зование «опасных» диффузионных прослоек;© Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, В. Г. Шморгун, 2009
82 11/2009
— формирование структуры и фазового состава
интерметаллидных слоев при температурах выше
точки плавления наиболее легкоплавкого слоя СК
происходит в три основные стадии, условно наз-
ванные «начальной», «роста» и «насыщения»
(рис. 1). Стадийность процессов взаимодействия
титана с расплавом алюминия в титано-алюмини-
евых композитах можно объяснить наличием на
границе соединения оксидных слоев с разрывами,
образовавшимися в процессе прокатки из-за разной
пластичности оксида и металла и последующей ТО
за счет различия коэффициентов линейного расши-
рения оксидов и металла [13];
— металлографический и рентгеноструктур-
ный анализы показали, что диффузионные зоны
СК имеют многослойное строение, зависящее в
основном от температурно-временных условий
нагревов [2–4]; получены обобщенные данные о
влиянии режимов СВ и ТО на формирование и
перераспределение элементов тонкой структуры
(напряжений второго рода, параметров кристал-
лической решетки) в околошовной зоне СК [4].
Показана принципиальная возможность получе-
ния трех вариантов строения интерметаллидных
слоев: непрерывные прослойки, образующиеся
при ТО ниже температуры плавления исходных
слоев композита и возникающих структурных
составляющих (рис. 2, а); слои, состоящие из эв-
тектики и кристаллов интерметаллидов, образу-
ющиеся при контактном плавлении (рис. 2, б);
слои из дисперсных интерметаллидов с прослой-
ками твердых растворов, образующиеся при тем-
пературах выше температуры плавления легкоп-
лавких слоев композита (рис. 2, в);
4) исследована кратковременная прочность
при высокотемпературных испытаниях на растя-
жение СК (систем медь–алюминий, титан–сталь
и титан–алюминий [13–15]. Анализ полученных
результатов показал, что температурная зависи-
мость механических свойств СК определяется
объемной долей интерметаллидной составляющей
Рис. 2. Микроструктуры ( 100) основных структурно-
конструктивных типов слоев СК: а — титано-стальной
композит ВТ1-0+08кп+ВТ1-0 (950 оС, 4 ч); б — медно-
алюминиевый композит М1+АД1+М1 (570 оС, 5 ч); в —
титано-алюминиевый композит ВТ1-0+АД1+ВТ1-0
(750 оС, 2 ч)
Рис. 1. Зависимость изменения объемного содержания интер-
металлидов в композите ВТ1-0+АД1 (толщина АД1 0,4 мм)
при 750 оС на различном удалении от границы с титаном:
1 — 0…100; 2 — 100…200; 3 — 200…300; 4 — 300…400;
5 — 400…500 мкм
11/2009 83
и позволил разделить СК на две группы. К первой
отнесены композиты, прочность которых с по-
вышением температуры испытания постепенно
снижается. Объемная доля интерметаллидной сос-
тавляющей Vинт в них невысока, ее увеличение
сопровождается понижением прочности и отно-
сительного удлинения. Ко второй относятся ком-
позиты с высокой объемной долей интерметал-
лида, прочность которых с увеличением темпе-
ратуры повышается, достигает максимального
значения, а затем снижается. Созданные модели,
описывающие прочность СК, показали, что ис-
пользование СК системы медь–алюминий (рис. 3,
4) при температуре ниже 200 оС нерационально,
так как их прочность ниже прочности меди. Для
обеспечения высоких значений σв в интервале
температур 200…600 оС объемная доля интерме-
таллидов должна быть не менее 30 %. Титано-
стальные СК (рис. 5, 6) нерационально исполь-
зовать при температурах ниже 400 оС, при этом
минимальное объемное содержание интерметал-
лидов составляет 50 %;
5) благодаря исследованиям теплофизических
характеристик слоистых интерметаллидных ком-
позитов определены коэффициенты теплопровод-
ности трех основных типов интерметаллидных
слоев, формирующихся в перспективных сочета-
ниях разнородных металлов и сплавов, и разра-
ботаны методы прогнозирования теплопроводнос-
ти СК с различными структурно-конструктивны-
ми характеристиками.
Эксплуатационные и конструктивные особен-
ности энергетического и криогенного оборудова-
ния обусловили необходимость разработки тех-
нологических процессов получения четырех ви-
дов конструкционных и функциональных СК, ха-
рактеризующихся требуемыми жаропрочными,
теплофизическими, коррозионными и другими
специальными свойствами, максимальные габари-
ты которых определяются техническими возмож-
ностями термического и прокатного оборудова-
ния существующих металлургических и машинос-
троительных предприятий:
— многослойные листы с чередующимися ос-
новными и интерметаллидными слоями толщиной
каждого свыше 0,03 мм, изготавливаемые с по-
Рис. 3. Экспериментальная (1) и расчетные (2–5) зависимости
предела прочности от температуры испытаний при растя-
жении меди (1) и медно-алюминиевого СК с Vинт = 10 (2), 20
(3), 30 (4) 50 (5) %
Рис. 4. Теоретическая зависимость прочности медно-алюми-
ниевого СК от объемной доли интерметаллидной прослойки
при разной температуре: 1 — 300; 2 — 400; 3 — 500 оС
Рис. 5. Экспериментальная (1) и расчетные (2–5) зависимости
предела прочности от температуры испытаний при растя-
жении стали 08кп (1) и титано-стального СК с Vинт = 10 (2),
50 (3) и 70 (4) %
Рис. 6. Теоретическая зависимость прочности титано-сталь-
ного СК от объемной доли интерметаллидной прослойки при
разной температуре: 1 — 400; 2 — 500; 3 — 600 оС
84 11/2009
мощью комплексной технологии, которая вклю-
чает одновременную или последовательную СВ
до 30 и более пластин из разнородных металлов
и сплавов с параметрами, гарантирующими реа-
лизацию равнопрочности сварных соединений и
отсутствие опасных видов микронеоднородности;
Пр сваренных взрывом многослойных заготовок
на листы толщиной до 0,5…1,0 мм с сохранением
исходного соотношения толщин слоев;
— высокотемпературную ТО прокатанных
листов для формирования на межслойных грани-
цах сплошных или дисперсных интерметаллид-
ных прослоек заданной толщины, температурно-
временные параметры которой учитывают систе-
му легирования и «историю нагружения» (тех-
нологические условия СВ и Пр);
— композиционные теплозащитные элементы
(КТЭ), представляющие двух- и трехслойные кон-
струкции из активных тепловых узлов (сквозные
каналы из разнородных металлов с циркулирую-
щим хладоносителем) и пассивных узлов из фор-
мируемых на границах разнородных металлов ин-
терметаллидных прослоек с теплопроводностью
многократно ниже теплопроводности металлов,
образующих КТЭ. Комплексная технология по-
лучения КТЭ включает нанесение по трафарету
противосварочной пасты на соединяемые повер-
хности пластин в местах формирования каналов
циркуляции хладоносителя; сборку и СВ пакета
на оптимальном режиме; раздутие каналов цир-
куляции хладоносителя жидкостью или газом вы-
сокого давления, высокотемпературную ТО для
создания диффузионной интерметаллидной прос-
лойки. Общий теплозащитный эффект КТЭ яв-
ляется результатом тепловых процессов в актив-
ных и пассивных узлах [16];
— композиционные многоканальные теплооб-
менники из различных сочетаний титана, алюми-
ния, меди, магния и стали (рис. 7), изготавлива-
емые с помощью комплексной технологии, вклю-
чающей деформирование труб для формирования
рабочих каналов нужной геометрии; заливку в них
наполнителя, предотвращающего недопустимые
деформации при СВ; предварительную сборку из-
делия из разнородных элементов, способных об-
разовывать между собой при последующей ТО
интерметаллиды; одно- или двухстороннюю СВ
собранной конструкции плоскими или кольцевы-
ми зарядами взрывчатых веществ; удаление напол-
нителя термическими, химическими или гидравли-
ческими способами; ТО теплообменника для фор-
мирования на границах соединения профилирован-
ных труб интерметаллидных прослоек с понижен-
ным коэффициентом теплопроводности;
— волокнистые интерметаллидные композиты
(ВИК) в виде многожильных кабелей (рис. 8) или
заготовок для последующего волочения или Пр,
комплексная технология производства которых
предусматривает получение трех-, четырех- или
шестигранных профилей проволочного типа и
профилированных труб из металлов и сплавов,
способных образовывать между собой интерме-
таллидные соединения; изготовление контейне-
ров, геометрия которых соответствует создавае-
мым ВИК; взрывное обжатие контейнеров с «на-
бивкой» из разнородных проволочных и трубча-
тых элементов для реализации физического кон-
такта и активации соединяемых поверхностей; об-
Рис. 7. Внешний вид цилиндрического композиционного
многоканального теплообменника
Рис. 8. Внешний вид волокнистого композита: а — темплет;
б — распределение волокон в пучке ( 50)
11/2009 85
работку давлением (протяжка, волочение) до дос-
тижения необходимых линейных размеров и по-
вышения прочности контакта элементов; высоко-
температурные нагревы обжатых заготовок для
создания на границах разнородных элементов
диффузионных интерметаллидных прослоек с
требуемыми теплофизическими свойствами.
Преимущества и области применения создан-
ных видов конструкционных и функциональных
СИК приведены в таблице.
Работа выполнена при финансовой поддержке
гранта РФФИ 08-08-00056 и проекта 2.1.2/573
целевой программы Рособразования «Развитие
научного потенциала высшей школы».
1. Трыков Ю. П., Шморгун В. Г. Свойства и работоспособ-
ность слоистых композитов. — Волгоград: ВолгГТУ,
1999. — 190 с.
2. Трыков Ю. П., Шморгун В. Г., Гуревич Л. М. Деформа-
ция слоистых композитов. — Волгоград: ВолгГТУ,
2001. — 242 с.
3. Трыков Ю. П., Гуревич Л. М., Шморгун В. Г. Слоистые
композиты на основе алюминия и его сплавов. — М.:
Металлургиздат, 2004. — 230 с.
4. Трыков Ю. П., Гуревич Л.М., Арисова В. Н. Диффузион-
ные процессы в слоистых композитах: Волгоград: Волг-
ГТУ, 2006. — 403 с.
5. Шморгун В. Г. Оценка затрат энергии на пластическую
деформацию в зоне волнообразования при сварке взры-
вом // Сварочн. пр-во. — 2001. — № 3. — С. 25–27.
6. Трыков Ю. П., Гуревич Л. М., Гурулев Д. Н. Влияние про-
катки при повышенных температурах на свойства титан-
алюминиевого композита, полученного сваркой взрывом
// Там же. — 1999. — № 6. — С. 6–10.
7. Трыков Ю. П., Шморгун В. Г., Епишин Е. Ю. Исследова-
ние влияния горячей и холодной прокатки на структуру
и свойства околошовной контактной зоны биметалла ти-
тан-сталь, полученного сваркой взрывом // Про-во про-
ката. — 2002. — № 8. — С. 35–39.
8. Трыков Ю. П., Шморгун В.Г., Слаутин О. В. Исследова-
ние влияния холодной прокатки на структуру и свойства
околошовной контактной зоны биметалла медь–алюми-
ний, полученного сваркой взрывом // Там же. — 2003. —
№ 11. — С. 23–27.
9. Трыков Ю. П., Гуревич Л. М., Гурулев Д. Н. Диффузион-
ные процессы при нагревах титано-алюминиевого ком-
позита, полученного сваркой взрывом // Свароч. пр-во.
— 2000. — № 12. — С. 19–21.
10. Трыков Ю. П., Шморгун В. Г., Епишин Е. Ю. Диффузион-
ные процессы в биметалле титан–сталь // Физ. и хим. обра-
ботки материалов. — 2004. — № 4. — С. 85–89.
11. Трыков Ю. П., Шморгун В. Г., Слаутин О. В. Кинетика
роста диффузионных прослоек в биметалле медь–алю-
миний, полученном по комплексной технологии // Перс-
пективные материалы. — 2003. — № 3. — С. 83–88.
12. Технология сварки взрывом магниево-алюминиевых
композиционных соединений / Ю. П. Трыков, В. Г.
Шморгун, В. Д. Рогозин, Ю. Г. Долгий // Свароч. пр-во.
— 2003. — № 3. — С. 38–41.
13. Структурообразование в титано-алюминиевых компо-
зитах в присутствии жидкой фазы / Л. М. Гуревич, Ю. П.
Трыков, А. Н. Жоров и др. // Журн. функциональных ма-
териалов. — 2008. — 2, № 4. — С. 153–157.
14. Механические свойства СИК системы Сu–Al при повы-
шенных температурах / В. Г. Шморгун, Ю. П. Трыков,
С. А. Абраменко, В. Н. Арисова // Изв. ВолгГТУ. Сер.
Материаловедение и прочность элементов конструкций.
— 2005. — № 3(12). — С. 12–16.
15. Слоистые интерметаллидные композиты системы Ti–Fe
с повышенными жаропрочными свойствами / В. Г.
Шморгун, Ю. П. Трыков, О. В. Слаутин, В. Н. Арисова //
Там же. — С. 16–21.
16. Трыков Ю. П., Шморгун В. Г., Проничев Д. В. Комплекс-
ные технологии изготовления композиционных теплоза-
щитных элементов // Свароч. пр-во. — 2000.— № 6. —
С. 40–43.
The paper describes experience of many years of development of integrated technologies of manufacturing a new class
of structural materials (laminated intermetallic composites) with a unique combination of high-temperature and thermophysical
properties including explosion welding to produce bimetal and multilayer materials in combination with allied technologies
(different types of heat treatment and plastic working).
Поступила в редакцию 05.08.2009
Преимущества и области применения созданных слоистых интерметаллидных композитов
Вид композита Свойства Область применения
Многослойные листы Высокие жаропрочностные свойства благо-
даря сохранению упорядоченной структуры
интерметаллидов вплоть до температуры
плавления
Летательные аппараты, термически напря-
женное оборудование, коррозионностойкая
баковая аппаратура, тяжелонагруженные уз-
лы энергетических и криогенных установок
Композиционные теплозащитные
элементы
Реализация теплозащитного эффекта за счет
взаимодействия системы каналов с охлаж-
дающей средой и интерметаллидных прос-
лоек с низкой теплопроводностью
Криогенное, химическое и энергетическое
оборудование с повышенными служебными
и технико-экономическими показателями
Композиционные многоканальные
теплообменники
Высокопрочное соединение элементов за
счет частичного расплавления металла труб,
многократное снижение теплопередачи ин-
терметаллидными прослойками
Химические и энергетические установки с
повышенными эксплуатационными и техни-
ко-экономическими показателями; криоген-
ная техника
Волокнистые интерметаллидные
композиты
Высокие жаропрочностные свойства, воз-
можность получения сверхпроводящих ка-
белей
Летательные аппараты, термически напря-
женное оборудование, тяжелонагруженные
узлы энергетических и криогенных устано-
вок, линии электропередач
86 11/2009
|