Сварка материалов взрывом

1. Разработка научных основ получения сваркой взрывом
многослойных металлических материалов

2. Разработка технологии получения композиционных
высокомодульных материалов на основе легких сплавов

3. Технология получения многослойных
металлических материалов повышенной
коррозионной стойкости

4. Ударно-волновая обработка порошковых материалов


1. Разработка научных основ получения сваркой взрывом
многослойных металлических материалов.

Целью работы является создание многофункциональных биметаллических материалов специального назначения и получение новых многослойных соединений с заданным комплексами свойств с применением энергии взрыва.
Сварка взрывом значительно отличается от других видов сварки малой длительностью процесса и высокими контактными давлениями, что позволяет соединять материалы, которые отличаются низкой свариваемостью либо совсем не способны образовывать соединения традиционными методами сварки. Данный процесс применяют для соединения разнородных и однородных материалов. Он обеспечивает прочную металлическую связь, возникающую в твердой фазе. Научно обоснованный выбор параметров позволяет исключить образование промежуточных фаз, которые способны снижать эксплуатационные характеристики изделия. Отличительной особенностью сварки взрывом является возможность получения плоских многослойных соединений большой площади (до 50 м2) и длинномерных цилиндрических типа "труба в трубе".
Ударно-волновое нагружение, сопровождающее сварку взрывом, воздействует на структуру и влияет на механические свойства соединяемых металлов и эксплуатационные характеристики многослойного материала в целом. Высокая степень деформации зоны сварки, вызывает наклёп, что приводит к повышению прочности и релаксационной стойкости материалов. Прочность сварного шва в этом случае оказывается выше предела прочности наименее прочного материала биметаллической пары.
Применение биметаллических материалов в качестве альтернативы дорогостоящим коррозионностойким нержавеющим сталям и цветным металлам существенно экономит расход последних не снижая, а иногда и превышая их основные технико-эксплуатационные характеристики.
При сварке материалов взрывом не требуется специальная технологическая оснастка и оборудование, что значительно удешевляет и упрощает саму технологию. Помимо этого поверхности подвергаемые сварке требуют минимальной механической обработки, заключающейся в очистке их от окалины, ржавчины и масляных пятен.
В процессе исследований установлены оптимальные параметры сварки взрывом сталь + нержавеющая сталь, сталь + медь, сталь + алюминий, сталь + титан, сталь + серебро, медь + алюминий и др. сочетания материалов, которые использованы в тяжелом, энергетическом и химическом машиностроении; в приборостроении; в авиа-, ракетостроении и др. отраслях техники и промышленности.
В 2007 году для моделирования процессов, происходящих при сварке взрывом, был закуплен программный продукт LS-DYNA. В частности, была решена трехмерная лагранжево-эйлеровая задача о метании металлической пластины на металлическое основание, исследованы качественные особенности и определены количественные характеристики деформационного процесса при соударении пластин из различных материалов и различных условиях соударения. Полученные расчётные значения хорошо совпали с экспериментальными данными.
По данному научному направлению коллектив принимал участие в выполнении 3-х грантов: Министерства образования РФ, государственного оборонного заказа Министерства обороны РФ, Федеральной космической программы. Работы по сварке взрывом выполняются на специальном полигоне в районе Иссинского карьера.
Научные исследования в области сварки взрывом проводят д.т.н., проф. Розен А.Е., к.т.н., доц. Лось И.С., к.т.н., доц. Крюков Д.Б., д.т.н., доц. кафедры «ПМиКМ» ПГУ Музеймнек А.Ю., аспирант Хорин А.В. Некоторые работы проводятся совместно с учёными Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН - д.ф.-м.н., проф. Гордополов Ю.А., д.т.н., проф. Первухин Л.Б., к.т.н., с.н.с. Первухина О.Л.

Наверх страницы


2. Разработка технологии получения композиционных
высокомодульных материалов на основе легких сплавов.
Технология направлена на получение легких армированных композиционных материалов с высокими значениями предела прочности и модуля упругости, предназначенных эксплуатации их в экстремальных условиях.
Принципиально новым в данной технологии является возможность получения материалов, физико-механические свойства которых формируются на конечной стадии технологического процесса. Указанные механические свойства могут варьироваться в широком диапазоне значений и быть заранее спрогнозированы в зависимости от нагрузок, действующих на конкретную деталь.
Сочетания компонентов подбирались таким образом, чтобы металл-основа (или матрица) и армирующий металл образовывали интерметаллиды. Армирующий металл располагается между слоями металла-основы сплошным слоем в виде отдельных фрагментов. Размеры фрагментов выбираются исходя из условия полного или частичного превращения армирующего металла в интерметаллиды. Фрагменты располагаются в зависимости от направления действующих на деталь нагрузок. Сварка взрывом выполняется по плоской или цилиндрической схемам. Параметры сварки выбираются таким образом, чтобы обеспечить минимальное тепловложение и сохранить металлическую структуру. После сварки материал сохраняет высокую пластичность и способность подвергаться различным видам технологического передела. После прокатки и штамповки полуфабрикат подвергается термической обработке, во время которой происходит образование интерметаллидов и формируется окончательная структура и свойства.
Эксперименты выполнены на алюминиево-медном материале. Листы из алюминия были армированы медной проволокой, а после сварки взрывом подвергались холодной прокатке с различной степенью деформации. Исследована кинетика образования интерметаллидов при термической обработке, изучена микроструктура и механические свойства.
По данному научному направлению работают д.т.н., проф. Розен А.Е., к.т.н., доц. Лось И.С., аспирант Хорин А.В.

Наверх страницы


3. Технология получения многослойных металлических
материалов повышенной коррозионной стойкости.
Технология направлена на получение многослойных металлических материалов, которые имеют повышенную коррозионную стойкость против точечной (питтинговой) коррозии.
Точечная коррозия поражает малые объемы материала, но приводит к разгерметизации рабочих зон, что вызывает необходимость остановки, ремонта или полной замены оборудования. Опасность точечной коррозии обусловлена также сложностью обнаружения очагов поражения до выхода их на наружную поверхность.
Многослойный материал получают по технологии сварки взрывом из металлов и сплавов различного состава. Принципиально новым в данной технологии является расположение протектора, который находится внутри и заключен между слоями более стойкого в коррозионном отношении сплава. Авторами это техническое решение названо метод «протекторной питтинг-защиты». Данное техническое решение запатентовано ПГУ и ИСМАН совместно с министерством обороны РФ.
Метод «протекторной питтинг-защитой» состоит в следующем. Вместо монометаллического или биметаллического материала применяют трехслойный или многослойный материал. Состав выбирается таким образом, чтобы слой, непосредственно контактирующий с агрессивной средой, имел высокую стойкость против общей коррозии и обладал достаточно высоким значением электрохимического потенциала. В процессе эксплуатации в силу объективных причин образуются участки питтинговой коррозии, которые распространяются вглубь первого слоя. Второй слой служит протектором (жертвенным материалом) и имеет более низкий потенциал по сравнению с первым. При достижении агрессивной средой второго слоя, в нем начинается общая коррозия. Зона развития общей коррозии во втором слое постепенно увеличивается и достигает некоторого критического значения, при котором возможным становится дальнейшее развитие питтинговой коррозии в наружном слое. Размеры участков общей коррозии таковы, что возможно их обнаружение методами неразрушающего контроля без остановки технологического процесса. Третий слой по составу аналогичен первому.
«Протекторная питтинг-защита» предполагает наличие в материале не менее трех слоев, отличающихся химическим составом и электрохимическим потенциалом. Причем состав сплавов слоев выбирается в зависимости от условий эксплуатации и состава агрессивной среды.
По технологии сварки взрывом получены трехслойные коррозионностойкие материалы 08Х18Н10Т - сталь 08кп - 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т - сталь 10 - 12Х18Н10Т, ХН65МВ - 08Х18Н10Т - ХН65МВ.
По данному научному направлению работают д.т.н., проф. Розен А.Е., д.т.н., проф. каф. «ОБХ» Перелыгин Ю.П., к.т.н., доц. Лось И.С., аспирант Денисов.

Наверх страницы


Ударно-волновая обработка порошковых материалов.

На протяжении нескольких последних десятилетий во всех индустриальных странах мира активно развиваются промышленные способы производства композиционных материалов, обладающих заданным комплексом свойств, существенно превосходящим свойства металлических и неметаллических мономатериалов.
К широко известным в настоящее время композиционным материалам можно отнести волокнисто-матричные, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами (стеклопластики, угле - и боропластики, металломатричные волокнистые композиты); дисперсноупрочненные, с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц; слоистые, армированные пленками, пластинками, слоистыми наполнителями (стеклотекстолиты, Аl-органопластики, слоистые металлические, слоистые керамические материалы); материалы с направленной кристаллизацией эвтектических структур; керметы; керамические материалы и др.
Возникновение и развитие данных материалов привело к созданию обширной группы высокоточной и высоконадежной элементной базы, аппаратных средств и приборов, оборудования и технических устройств нового поколения, несущих, силовых и защитных конструкций.
При этом для композиционных материалов с керамической основой или керамическими наполнителями технологии порошковой металлургии являются основными, а в ряде случае – единственно возможными способами производства.
Перспективными и быстроразвивающимися способами получения изделий из порошковых материалов являются взрывное прессование и ударно-волновая активация.
Взрывные технологии основаны на физико-химических и физико-механических процессах, протекающих в веществе под действием ударных волн. Ударные волны генерируются либо при детонации конденсированного взрывчатого вещества, находящегося в контакте с исходным материалом, либо при столкновении с ним ударника, разгоняемого до высоких скоростей продуктами детонации. В обоих случаях в материалах развивается высокое давление (до 10 ГПа), многократно превышающее их динамические пределы текучести, которое распространяется по веществу с высокой скоростью (скорость нагружения 200…800 м/с и выше).
Изменение формы заготовок (формование изделий) в этих условиях сопровождается химическими, структурными и фазовыми превращениями. При этом, вследствие малой длительности процесса (порядка -106 с) и тепловой инерции вещества, его нагрев, обусловленный сжатием и внутренним трением, как правило, не является физическим фактором, определяющим поведение вещества в этих условиях. Главную роль играет механическое активирование быстропротекающих физико-химических и механических процессов, которые, в основном, являются твердофазными.
В таких условиях даже инертные материалы демонстрируют необычные свойства и многие твердые тела ведут себя как "псевдожидкости".
На микроскопическом уровне ударно-волновое воздействие сопровождается быстрой эволюцией структуры. Наблюдается сильная деформация зерен (текстурирование), их дробление, образование большого числа дефектов атомно-кристаллического строения, динамическая рекристаллизация, способная измельчить структуру до субмикронного уровня, что приводит к совершенно новым физико-механическим свойствам материала.
Применение высокоскоростных методов ударно-волнового нагружения позволяет получать высокоплотные (с плотностью до 96-99% от теоретической) конструкционные элементы даже из труднопрессуемых порошковых материалов (керамические материалы на основе оксидов, боридов, силицидов, нитридов, карбидов металлов, высокодисперсные нанопорошковые материалы и др.), изготовление изделий из которых другими методами невозможно или сложно осуществимо.
Одной из важнейших задач при получении порошковых композиционных материалов является создание твердотельных монолитных конструкций, имеющих геометрическую форму в виде пластин, керамических цилиндров, дисков, трубок, треног, образованных ортогональными стержнями, балок переменного сечения, конусов, сфер, полусфер и др.
Это решается путем применения различных схем обработки при взрывном прессовании, когда форма изделия или заготовки для него формируется непосредственно на стадии взрывной обработки.
Однако, в некоторых случаях, когда изделие имеет сложную пространственную конфигурацию или большие размеры, взрывное прессование не позволяет получить заготовку, по форме максимально приближенную к форме изделия. Эффективным способом повышения свойств при этом является ударно-волновая активация, при которой материал не формуется, а лишь подвергается активирующему воздействию ударных волн с целью повышения технологичности и реакционной способности. Впоследствии, активированный взрывом материал, формуется в изделия традиционными способами порошковой металлургии
Механическая прочность порошковых композиционных материалов, прошедших ударно-волновую обработку, выше в 1,5-5,0 раз в сравнении с материалами, полученными другими способами.
Сегнетокерамические порошковые материалы, полученные с помощью ударно-волнового нагружения, обладают более высокими электрофизическими характеристиками. Так, пьезоэлектрический модуль у них выше на 15-30 %, стабильность пьезоэлектрического модуля при различных условиях эксплуатации больше в 1,5-3,0 раза, коэффициенты электромеханической связи и электрострикции выше на 30-40%, электрическое сопротивление повышено в 10-100 раз, электрическая прочность выше в 1,5-2,5 раза, электрическая долговечность увеличена в 2,0-2,5 раза.
Ударно-волновая технология демонстрирует существенное повышение жаропрочности и жаростойкости материалов данных групп. В среднем, повышение свойств наблюдается в диапазоне 30-50 %.
После ударно-волновой обработки существенно возрастает коррозионная и эрозионная стойкость материалов.
Как следствие, применение технологий ударно-волновой обработки – взрывного прессования и ударно-волновой активации – приводит к значительному увеличению показателей надежности функционирования изделий и повышению сроков их эксплуатации.

Наверх страницы