Исследование и разработка технологии получения разноструктурного особотонкостенного заполнителя для диффузионно-сварных титановых сотовых панелей способом лазерной термообработки

Актуальность темы

.

Одним из основных направлений в развитии транспортного машиностроения является увеличение соотношения массы перевозимого груза к собственному весу транспортной машины, что особенно актуально для летательных аппаратов.

Ребристые и сотовые конструкции широко применяются в авиастроении. Например, сотовые панели из титановых сплавов обладают минимальным весом при высокой прочности и, в этом отношении, значительными преимуществами перед монолитными конструкциями.

Сотовые панели могут быть изготовлены способом диффузионной сварки в вакууме, позволяющим получить высокие механические свойства изделия.

Сложность задачи заключается в том, что в целях экономии веса сотовый заполнитель должен иметь минимальную толщину, но в процессе диффузионной сварки тонкостенный заполнитель деформируется и может терять устойчивость, то есть для получения требуемого качества соединения сотоблока с обшивкой необходимо выполнение противоречивых условий: сочетание высокой деформационной способности материала заполнителя с сохранением его устойчивости при высокотемпературной деформации.

Для преодоления этого противоречия используются различные технологические приемы.

Предлагается использование комбинированной по структуре ленты сотового заполнителя, которая в зоне контакта обладает возможностью сверхпластического деформирования (имеет мелкозернистую структуру), и сохраняет высокотемпературную устойчивость в основном объеме в результате термообработки концентрированным быстродвижущимся источником теплоты — лазерным лучом.

Исходя из вышеизложенного, тема работы является актуальной.

Цель работы.

Повышение стабильности качества диффузионно-сварных сотовых панелей из титановых сплавов путем изменения микроструктуры материала заполнителя и придания ему специфических комбинированных свойств способом лазерной термообработки. Задачи исследования:

— изучить зависимость квазистационарных температур на кромке ленты от параметров режима лазерной термообработки;

— исследовать влияние лазерного нагрева при движении луча вблизи кромки ленты на структурный состав переходной зоны;

— провести микроструктурный и фрактографический анализ и определить оптимальные параметры температурного воздействия на материал;

— экспериментально подтвердить возможность повышения качества диффузионной сварки сотовых панелей в результате лазерной термообработки заполнителя;

— разработать оптимальную технологию лазерной термической обработки тонкостенного заполнителя из титанового сплава.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Лазерная термообработка позволяет управлять микроструктурой металла титановой ленты, получая участки с различной микроструктурой заданной конфигурации.

2. Двухфазные титановые сплавы с исходной мелкозернистой структурой при температуре на 40−50 °С ниже температуры завершения а+р— превращения имеют пики повышенной пластичности независимо от скорости деформирования, при этом размер зерна не должен превышать 4−6 мкм.

3. Максимальная квазистационарная температура кромки тонкой ленты при нагреве линейным быстродвижущимся источником теплоты определяется погонной энергией q/v и скоростью перемещения источника теплоты, которая является существенным фактором.

4. Прочность диффузионно-сварных соединений разноструктурного заполнителя с обшивкой, выполненных при температурах на 40.50 °С ниже температуры завершения ос+Р—"(3 превращения, в 1,5.2 раза выше прочности аналогичных соединений с полностью крупнозернистым заполнителем, что позволяет снизить сжимающее усилие при сварке на40.50%.

Достоверность основных положений и выводов диссертационной работы определяются согласованностью полученных результатов с общепринятыми представлениями теории термической обработки титановых сплавов и отсутствием противоречий с результатами работ других авторов. Достоверность результатов исследований основывается на комплексном использовании взаимодополняющих высокочувствительных методов исследования, применения их в соответствии с действующими государственными стандартами и с учётом особенностей исследуемых объектов.

Научная новизна работы заключается в управлении микроструктурой особотонкостенного заполнителя сотоблока способом лазерной термообработки, позволяющим регулировать структуру, комбинируя мелкозернистую, обладающую эффектом сверхпластичности, и крупнозернистую, устойчивую к высокотемпературному деформированию, на заданных участках ленты.

Установлено, что при сверхскоростном нагреве до температур 1000. 1100 °C и таком же охлаждении, в результате лазерного концентрированного теплового воздействия на поверхность тонкой ленты из двухфазного а+|3 — сплава не происходит интенсивного роста р-зерна и после охлаждения структура приобретает корзинчатое строение, состоящее из удлиненных пластин, в результате чего не ухудшаются механические свойства тонкой ленты, в отличие от подвергнутой такому же температурному воздействию в изотермических условиях, и при этом сохраняется повышенная сопротивляемость высокотемпературной деформации.

Показана возможность выполнения диффузионной сварки сотового заполнителя из двухфазного титанового сплава, имеющего комбинированную структуру, с обшивкой с реализацией эффекта сверхпластичности, что создает возможность получения качественного соединения при значительном снижении сжимающего усилия.

Практическая значимость.

Практическая значимость работы заключается в повышении стабильности качества диффузионно-сварных сотовых панелей в результате лазерной термической обработки элементов заполнителя, позволяющей получить разноструктурный по ширине заполнитель.

Разработан метод изготовления дренажных отверстий в лентах заполнителя непосредственно в процессе их термообработки, позволяющий получить отверстие высокого качества и увеличить прочность и циклическую долговечность сотового заполнителя.

Реализация работы в промышленности.

Разработанные технологические рекомендации по лазерной термообработке и диффузионной сварке сотовых панелей приняты к реализации в Воронежском акционерном самолетостроительном обществе.

Личный вклад автора.

1. Выдвинуто предложение о применении лазерного луча в качестве источника теплоты при термообработке ленты заполнителя для получения комбинированной микроструктуры металла.

2. Экспериментально доказана возможность управления микроструктурой титановой ленты способом лазерной термообработки.

3. Получены образцы заполнителя со сложной комбинированной микроструктурой и исследованы их свойства.

Полученные результаты являются новыми, что подтверждено патентной экспертизой Федерального института промышленной собственности.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: международной научно-методической конференции «Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствование подготовки кадров» (Мариуполь, 1996 г.) — V научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии-97» (Курск, 1997 г.) — Российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97» (Воронеж, 1997 г.) — VI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии-98» (Курск, 1998 г.) — Российской научно-технической конференции с международным участием «Славяновские чтения — сварка XXI век» (Липецк, 1999 г.), заседании научно-технического совета Воронежского акционерного самолетостроительного общества (Воронеж, 2002 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 8 печатных работ и получено 5 патентов Российской Федерации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Лазерная термообработка тонкой ленты из титановых а+Р-сплавов позволяет регулировать ее микроструктуру по заданным параметрам, на заданных участках ленты.

2. Выполненные тепловые расчеты для тонкой ленты при действии мощного быстродвижущегося источника теплоты и построенные номограммы распределения температур показывают, что температура на кромке ленты зависит не только от погонной энергии c=q/v, но и существенным образом от скорости движения источника.

3. Анализом макро — и микроструктур установлено, что при лазерной термообработке ленты в изотермических условиях на кромке наблюдается резкий переход от мелкозернистой глобулярной структуры к корзиночной, что согласуется с результатами теоретических расчетов температурных полей.

4. Установлено, что сплавы с исходной мелкозернистой структурой имеют пики повышенной пластичности при температурах на 40. .50 °С ниже температуры завершения полиморфного превращения, в то время, как величина деформации этих же сплавов с исходной крупнозернистой структурой в аналогичных условиях в 2−3 раза меньше, что подтверждает возможность получения качественного соединения сотоблока с обшивкой при значительном снижении сжимающего усилия.

5. Верхняя граница величины сварочного давления определяется условиями потери устойчивости тонкостенных элементов в результате ползучести, поэтому рекомендуется выполнять сварку с плавным снижением давления и соответственно скорости деформации от 10'3 до 10″ 5. с1.

6. В результате механических испытаний установлено, что прочность сварных соединений сплавов с комбинированной структурой при одних и тех же температурах сварки в 1,5−2 раза выше аналогичных с крупнозернистой, что позволяет выполнять сварку при снижении сжимающего усилия на 40−50%.

7. Разработаны технологические рекомендации по лазерной термической обработке ленты из титановых сплавов, включающие обработку ленты в свободном состоянии лазерным лучом с диаметром фокального пятна 0,2.0,3 мм при эффективной мощности 300.350 Вт, частота сканирования 100 Гц, скорость продольного перемещения 2. .3 см/с.

8. Разработан способ изготовления дренажных отверстий в лентах заполнителя методом лазерной пробивки с пневматической калибровкой, позволяющий получить отверстие высокого качества и увеличить прочность и циклическую долговечность сотового заполнителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе были проведены исследования, направленные на повышение стабильности качества диффузионно-сварных титановых сотовых панелей.

В целях предварительного определения параметров режима лазерной термообработки были проведены тепловые расчеты распределения температур в материале при различных граничных условиях (адиабатических и изотермических).

Установлено, что для тонкой ленты максимальная температура на кромке ленты достигается при перемещении источника теплоты вдоль ленты на расстояние 1,2. 1,25 от дистанции между источником и кромкой.

В результате расчетов выполнены номограммы, по которым можно ориентировочно назначать режимы термического воздействия (мощность излучения, скорость перемещения) для различных условий обработки.

Расчет, проведенный при изотермических краевых условиях, показал, что лазерная термообработка ленты с принудительным охлаждением кромок является предпочтительным способом термообработки, однако при использовании этого способа в серийном производстве могут возникнуть серьезные трудности, связанные с обеспечением надежного теплоотвода от кромки и с короблением ленты.

На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что лазерную термообработку возможно использовать для управления микроструктурой металла титановой ленты, получая участки заданной конфигурации с различной микроструктурой.

Установлено, что в процессе диффузионной сварки титанового сплава ВТ6С, имеющего различную исходную структуру, при одном и том же температурном режиме объем накопленной деформации будет различен, так для сплава ВТ6С при температуре на 40−50 ° С ниже температуры завершения полиморфного превращения соответственно 7% и 2%.

Доказано, что в случае сварки разноструктурной ленты, имеющей крупнозернистую структуру в основном объеме и мелкозернистую в приконтактной зоне, качественное сварное соединение можно получить при значительном снижении сжимающего усилия, что позволит сохранить высокотемпературную устойчивость заполнителя и обеспечить формирование соединения.

На основании проведенных исследований для изготовления сотовых панелей с разноструктурным заполнителем был рекомендован режим сварки с плавным снижением сжимающего усилия.

Установлено, что при лазерной термообработке ленты, в связи с очень высокой плотностью энергии, возможно выполнять не только сплошную обработку, но и по участкам, например, зигзагообразную или столбчатую.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность получения разноструктурной титановой ленты с сохранением участков, имеющих мелкозернистую глобулярную структуру.

Это имеет очень важное практическое значение для диффузионной сварки тонкостенного заполнителя с обшивкой.

При сварке ленты, имеющей крупнозернистую структуру в основном объеме и мелкозернистую в приконтактной зоне, качественное сварное соединение можно получить при значительном снижении сжимающего усилия, что позволит сохранить высокотемпературную устойчивость заполнителя и обеспечить нормальное формирование соединения.

Результаты исследований по диффузионной сварке тонкостенного заполнителя, термообработанного по предлагаемому способу, с обшивкой и испытания полученных образцов показывают, что в результате лазерной термообработки можно получить приконтактную зону, сохранившую исходную мелкозернистую структуру, способную к сверхпластическому деформированию, по необходимой ширине, например, от 0,4 до 0,1 мм.

При диффузионной сварке ленты, имеющей комбинированную структуру, на обозначенных выше режимах фактически осуществлялся процесс сварки двух образцов с исходной мелкозернистой структурой, и формирование соединения происходит как за счет металла ленты, так и обшивки. Следует отметить, что сварка проводилась с плавным снижением сжимающего усилия. Потери пластической устойчивости не происходит. Качество сварного соединения удовлетворительное, несмотря на наличие некоторых микроскопических дефектов в зоне контактирования.

Таким образом, результаты проведенных исследований подтверждают возможность повышения стабильности качества диффузионно-сварных сотовых панелей из титановых сплавов путем придания материалу заполнителя специфических комбинированных свойств с помощью лазерной термообработки.