Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
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 = 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:
