Разработка технологических процессов изготовления листовых пористых сетчатых материалов с заданными свойствами

Язык труда и переводы:
УДК:
12.621.791
Дата публикации:
27 мая 2022, 20:04
Категория:
Кузнечно-штамповочное
Авторы
Аннотация:
Рассмотрены пористые сетчатые материалы, обладающие организованной структурой, стабильными и воспроизводимыми свойствами, предназначены для изготовления фильтрующих элементов, систем теплозащиты, ракетных и турбореактивных двигателей и других изделий с заданным комплексом свойств. Показано значительное влияние на межслойную прочность пористых сетчатых материалов как режимов пластической деформации и сварки, так и технологии предварительной химической очистки поверхности проволок сеток. Установлено, что на повышение прочности соединений проволок при изготовлении, пористых сетчатых материалов оказывают влияние условия удаления оксидных слоев путем выбора оптимальной защитной газовой среды и температуры нагрева при сварке. Сварка прокаткой брикета сеток в зависимости от химического состава проволок реализована на вакуумных прокатных станах, в среде аргона контролируемой чистоты и в вакуумированных конвертах. Определены режимы технологических процессов изготовления пористых сетчатых материалов из стали 12Х18Н10Т сваркой прокаткой и диффузионной сваркой.
Ключевые слова:
пористый сетчатый материал, травление, прочность, вакуум, сварка, аргон, прокатный стан, сварное соединение
Основной текст труда

Пористые сетчатые материалы (ПСМ), изготавливаемые сваркой давлением металлических тканых проволочных сеток с применением горячей деформации в контролируемой газовой среде, представляют значительный интерес для проницаемых изделий с требуемыми характеристиками. Благодаря организованной структуре и сварке проволок сеток между собой, эти материалы обладают стабильными и воспроизводимыми свойствами [1].

ПСМ применяют при изготовлении фильтрующих элементов для очистки жидкостей и газов от механических примесей [2, 3], а также в системах теплозащиты жидкостных ракетных двигателей [4] и капиллярных заборных устройств [5]. Кроме того, проводятся работы по созданию и испытанию лопаток высокотемпературных газовых турбин с оболочками из ПСМ [6, 7].

Экспериментальные исследования штампуемости и свариваемости ПСМ показали, что более технологичными являются заготовки с высокой межслойной прочностью. При этом установлено, что формоизменение лимитируется не только опасностью разрушения в плоскости листа, но и возможностью расслоения заготовки в процессе листовой штамповки [8]. При этом значительное влияние на межслойную прочность оказывают как режимы пластической деформации и сварки, так и технология подготовки поверхности проволок сеток.

Анализ публикаций и результатов выполненных исследований показали, что повышение качества сварных соединений может быть достигнуто путем установления оптимальных значений технологических параметров таких, как температура и время нагрева, величина и скорость деформации, состав контролируемой газовой среды. Кроме того, значительное влияние на качество изготавливаемого ПСМ оказывает предварительная химическая очистка поверхности соединяемых проволок в процессе сварки прокаткой, ударной и диффузионной сварки [8–10].

Для образования сварных твердофазных соединений проволок при изготовлении ПСМ помимо образования пластического контакта необходима активация атомов на поверхности и объемное взаимодействие в зоне соединения, в результате которого между атомами соединяемых поверхностей образуются химические связи, а также протекают процессы релаксации напряжений, рекристаллизации и диффузии.

Химическая активация предполагает утонение или удаление оксидного слоя на поверхности соединяемых элементов при нагреве в контролируемой среде либо путем предварительного химического травления. В результате чего снижается высота потенциального энергетического барьера, при превышении которого происходит образование межатомных связей на фактической площади контакта (ФПК).

Анализ кинетических зависимостей удаления поверхностных слоев заготовок из титана ВТ1-0 в процессе травления позволил установить, что при обработке в комплексоне ИСБ-М (МЧ-3) практически через 5…15 мин прекращается удаление оксидов без съема нижележащих слоев и их наводороживания. Образующаяся в процессе травления органическая пленка, покрывая поверхность, предотвращает рост оксидов. Поэтому качество твердофазных соединений проволок практически не зависит от времени между операциями травления и сварки.

Показано, что применение комплексонов для подготовки под сварку поверхности проволок из стали 12Х18Н10Т малоэффективно. Более эффективным процессом, повышающим качество сварных соединений, являются: травление в растворе, состоящим из смеси HNO3 + H2 SO4+ KF.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил установить, что при диффузионной сварке и сварке прокаткой прочность сварных крестообразных соединений проволок возрастает с увеличением температуры процесса, глубины вакуума и времени деформирования (диффузионная сварка). Изучение влияния величины относительной деформации проволок (eп) на прочность сварных соединений позволило выявить наличие максимума при  eп = 0,1…0,2, величина которого возрастает с увеличением температуры и глубины вакуума, а при диффузионной сварке и времени процесса. Снижение прочности при  eп> 0,2 вызвано увеличением той части площади контакта, на которой значения нормальных и касательных напряжений ниже уровня, необходимого для образования твердофазного соединения.

Показано, что низкое качество сварных соединений, полученных при скоростях деформации \epsilon _{p}^{'} = 10–2…1 с–1, объясняется высоким сопротивлению деформированию микронеровностей на контактных поверхностях проволок и низкой скоростью диффузионного массопереноса в зоне соединения. Проведенные эксперименты показали, что в результате непровара соединений, полученных сваркой прокаткой в вакуумированных конвертах, образуются концентраторы напряжений, которые снижают пластичность ПСМ при растяжении и прочность их на отрыв.

Исследование процесса образования сварных соединений проволок в условиях ударной сварки в вакууме позволило установить, что с увеличением и температуры процесса происходит повышение относительной прочности сварного соединения. Полученные результаты, очевидно, можно объяснить тем обстоятельством, что в условиях оптимального динамического нагружения возрастает не только ФПК, но и более интенсивно протекает объемное взаимодействие в зоне соединения путем аномального массопереноса по межузельному механизму. Поэтому сварное соединение образуется и на периферии макроконтакта, где значения деформации и контактных напряжений значительно ниже, чем в центральной зоне.

Установлено, что в условиях диффузионной и ударной сварки в вакуумер = 1×10–2 Па возможно образование твердофазного соединения на всей поверхности макроконтакта. При этом в процессе ударной сварки влияние величины температуры в исследуемом интервале на качество сварных соединений значительно ниже, чем для процессов с более низкими скоростями нагружения.

Проведенный анализ процессов, протекающих на границе металл-оксид и оксид-газовая фаза, позволил установить, что в зависимости от структуры сплава, температуры нагрева, состава и парциального давления компонентов контролируемой среды возможно не только дополнительное окисление или утонение оксидных пленок, но и газонасыщение проволок.

Сварка прокаткой брикета сеток в зависимости от химического состава материала проволок и имеющегося на предприятии оборудования может быть реализована по трем технологическим схемам: на вакуумных прокатных станах, в среде аргона контролируемой чистоты и в вакуумированных конвертах.

Сварка прокаткой в вакуумированных конвертах брикета сеток из стали I2XI8HI0T позволяет получать пористые элементы, обладающие достаточно высокими механическими и технологическими свойствами. Существенным преимуществом этого процесса является возможность реализации на любом стане для листовой прокатки.

Газовый анализ образцов из титанового сплава ВТ2 после нагрева в печи при температурах 1123, 1173 и 1223 К в вакуумированных конвертах показал, что при нагреве  до температур Т ≥ 1173 К содержание O2 в проволоках возросло в 1,5… 2 раза, а H2 — более чем в 10 раз. В образцах, которые были нагреты в индукторе установки для диффузионной сварки (СДВУ-2), в печах вакуумного стана и в камере, заполненной аргоном («Атмосфера-I»), обнаружено меньшее насыщение кислородом. При этом, нагрев в вакуумированных конвертах приводит к существенному снижению пластичности проволок во всем диапазоне исследуемых температур в результате насыщения их водородом и кислородом.

Вакуумный стан, относящийся к типу «валки–камера» и установка «Атмосфера-I», заполненной аргоном контролируемой чистоты и снабженной реверсивным станом ДУ0-90, обеспечивают необходимые условия для изготовления сваркой прокаткой ПСМ из титанового сплава ВТ2.

Проведенные исследования влияния состава контролируемой газовой среды и температуры на качество твердофазных соединений проволок при изготовлении пористых сетчатых материалов позволили сделать следующие выводы:

  • для изготовления ПСМ из титанового сплава ВТ2 на вакуумном стане и диффузионной сваркой необходимо обеспечить глубину вакуума не ниже 1×10–2 Па, а температура в процессе сварки должна составлять Т = 1170…1200 К;
  • сварку прокаткой сеток из ВТ2 на установке «Атмосфера-1» необходимо выполнять в камере с предварительным вакуумированием до степени разряжения не ниже 1Па и последующим заполнением аргоном, содержащем: 0,001 % O2, 0,005 % H2, 0,01 % N2, и 0,005 % H2O, при температуре Т=1170…1200 К;
  • диффузионную сварку сеток из стали 12Х18Н10Т целесообразно осуществлять на стандартном оборудовании (СДВУ-2) при температуре Т=1370…1420 К в вакууме не ниже 10–2Па, а сварку прокаткой в конвертах — при температуре Т = 1450…1470 К в вакууме не ниже 1 Па.

 

Литература
  1. Синельников Ю.И., Третьяков А.Ф., Матурин Н.И., Колесников А.Г., Панов А.Д., Макарочкин В.И. Пористые сетчатые материалы. Москва, Металлургия, 1983, 64 с.
  2. Белов С.В., ред. Пористые проницаемые материалы: справочник. Москва, Металлургия, 1987, 338 с.
  3. Sparks T., Chase G. Filters and Filtration. Handbook. Elsevier, 2013, 444 p.
  4. Пелевин Ф.В., Аврамов Н.И., Орлин С.А., Синцов А.Л. Эффективность теплообмена в пористых элементах конструкций жидкостных ракетных двигателей. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 4. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocet/698.html (дата обращения: 20 марта 2016). https://doi.org/10.18698/2308-6033-2013-4-698
  5. Новиков Ю.М., Большаков В.А. Инженерная школа МГТУ им. Н.Э. Баумана: комбинированные пористые сетчатые материалы. Эффективные, безопасные и экологичные изделия на их основе. Безопасность жизнедеятельности, 2015, № 11, с. 53–56.
  6. Зейгарник Ю.А., Поляков А.Ф., Стратьев В.К. Третьяков А.Ф. Испытания пористого сетчатого материала в качестве оболочки лопаток высокотемпературных газовых турбин. Препринт ОИВТ РАН, 2010, № 2-502, 64 с.
  7. Xu G., Liu Y., Luo X., Ma J., Li H. Experimental investigation of transpiration cooling for sintered woven wire mesh structures. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, vol. 91, pp. 898–907.
  8. Третьяков А.Ф. Исследование механических и технологических свойств листовых пористых сетчатых материалов из стали 12Х18Н10Т. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, вып. 6. URL: http://engjournal.ru/articles/1498/1498.pdf (дата обращения: 15.04.2022). http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-06-1498
  9. Фролов В.В., Лозеев Г.Е., Третьяков А.Ф., Харитонова Л.К., Жуков Б.М. Травление титана под диффузионную сварку в вакууме. Сварочное производство,1985, № 6, с. 6–7.
  10. Третьяков А.Ф. Влияние предварительной химической обработки на качество твердофазных сварных соединений проволок при изготовлении пористых сетчатых материалов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, вып. 2. URL: http://engjournal.ru/articles/2156/2156.pdf?ysclid=l3ookfq2jw (дата обращения: 15.04.2022). http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2022-2-0000
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.