Исследование газопроницаемости электровакуумных материалов в режимах механической нагрузки и обработки по режиму диффузионной сварки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 620.179.18

В.Г. Конюшков, В.В. Вязовский ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМАХ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ И ОБРАБОТКИ ПО РЕЖИМУ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ

Проведено исследование газопроницаемости электровакуумных материалов с «наведенными» дефектами в режиме кратковременной прочности и ползучести в режимах механической нагрузки и обработки по режиму диффузионной сварки.

Диффузионная сварка, ползучесть, водород, газопроницаемость, вакуум, микродефекты структуры, вакуумная плотность, водородопроницаемость, удельная плотность

V.G. Konyuschkov, V.V. Vyazovsky ANALYSIS OF GAS PERMEABILITY IN THE VACUUM MATERIALS UNDER MECHANICAL LOADING AND TREATMENT BY DIFFUSION WELDING

Investigation of gas permeability in the vacuum materials with "induced" defects under short-term strength and creep modes through mechanical load and processing, and diffusion welding mode.

Diffusion welding, creep, hydrogen, gas permeability, vacuum, micro defects structure, the vacuum density of the hydrogen, the specific density

Использование электровакуумных приборов (ЭВП) в объектах оборонной и космической техники предъявляет особые требования к их надежности и работоспособности. Одним из важных условий надежности и долговечности ЭВП является способность их вакуумных оболочек сохранять высокую герметичность в процессе изготовления и эксплуатации. Наблюдаемые на практике натекания через сквозные неплотности в оболочках могут отличаться по скорости на несколько порядков - от 10-10 до 10-20 м3/с. Допустимая величина натеканий современных ЭВП СВЧ исходя из условий работоспособности в течение 10-12 лет не должна превышать 133.3-(10-2° 10-21) Па-м3/с.

В настоящее время газопроницаемость различных электровакуумных материалов при температурах, которым подвергается прибор в процессе изготовления и эксплуатации, изучена достаточно хорошо. Недостатком всех выполненных исследований является отсутствие данных по влиянию на их газопроницаемость механических напряжений. В реальных же условиях элементы вакуумной оболочки прибора всегда находятся в напряженном состоянии, вызванном действием статических (в том числе от собственного веса) или динамических нагрузок. Поэтому большой теоретический и практический интерес представляет изучение процесса зарождения и развития сквозных и скрытых дефектов в материале под воздействием термомеханических нагрузок. Технологические особенности режима диффузионной сварки (ДС) материалов таковы, что в процессе обработки детали подвергаются при температурах (0,5 - 0,9)Тпл в вакууме порядка 133,3 (10-3 - 10-8) Па воздействию сжимающих усилий. При этом возможно протекание физических процессов, улучшающих свойства исходных материалов. Нами исследовалась газопроницаемость металлов по водороду при испытании их на кратковременную прочность с заданной скоростью нагружений и при испытании на длительную прочность при статической нагрузке.

Авторы [1] впервые исследовали работоспособность сварных соединений из нержавеющей стали применительно к оболочкам ЭВП в термоциклических условиях. В [2] предложена схема испытания сварных соединений на вакуумную плотность при действии напряжений среза. Однако чувствительность регистрации сквозных натеканий в предложенной методике была невелика - 133,3^ 1012 Па-м3/с. Эта методика получила развитие в [3], где использовался метод течеискания с чувствительностью до 133,3^ 10-19 Па-м3/с по гелию.

Рис. 1. Схема установки для исследования вакуумной плотности и газонепроницаемости соединений и материалов: 1 - исследуемый образец; 2 - нагреватель; 3 -экспериментальная камера; 4 - накопительный баллон масс-спектрометра МХ-1302, 5 - источник ионов; 6 - камера анализатора; 7 - самопишущий потенциометр; 8 - азотная ловушка; 9 - ртутный насос; 10 - уравнительный баллон;

11 - форвакуумный насос; 12 - механизм сварки - растяжения

Исследования газопроницаемости металлов и их соединений проводились нами на установке, схема которой показана на рис.1. Образцы для исследования изготавливалась из меди МВ, сплава 29НК и нержавеющей стали 12Х18Н9Т (рис. 2). После установки образцов в приставку к масс-спектрометру МХ - 1302 внутренняя полость их откачивалась до высокого вакуума, затем они обез-гаживались в атмосфере азота при температурах 700-800 °С до установления стабильного фонового сигнала по водороду. Далее мы измеряли водородопроницаемость образца в диапазоне температур 300-700 °С при действии на него сжимающих или растягивающих напряжений величиной в пределах упругости. Затем проводили пластическое деформирование образца растягивающими усилиями с одновременным контролем герметичности по гелию и по водороду в изотермических условиях в диапазоне температур 400-1000 °С. При появлении сквозной течи, момент образования которой фиксировался по появлению пика гелия на выходном приборе анализатора, контролировали её величину в зависимости от величины нагрузки. Таким образом, принятая схема испытания материалов и их соединений является как бы синтезом механических испытаний и испытаний на вакуумную плотность. Основным измеряемым параметром была величина относительной водородопроницаемости - отношение проницаемости в напряженном состоянии Рс к проницаемости ненагруженного образца - Р0 .

При нагружении образцов исследуемых материалов по способу испытания на кратковременную прочность, как видно на рис. 3, наблюдается близкая к линейной зависимость водородопроница-емости от величины нагрузки. Однако можно видеть, что при действии растягивающих нагрузок имеет место увеличение водородопроницаемости, причем тем больше, чем выше температура.

аргоно.ди2а_ бая с bap к а

Рис. 2. Образцы исследования термомеханической вакуумной плотности: а - образец для холостых опытов или изучения «залечивания» из стали, б - образцы из ковара и стали, в - образцы из меди, г - образцы аргоно-дуговых соединений стали 12Х18Н9Т, сваренных вольфрамовым электродом при помощи коррозионностойкого хромоникелевого прутка

а)

SJ

Рис. 3. Изменение относительной водородопроницаемости меди МВ (а), сплава 29НК (б) и нержавеющей стали 12Х18Н9Т (с) при воздействии растягивающих и сжимающих напряжений: Ра/Ро - относительная водородопроницаемость, а - механическая нагрузка, действующая на образцы (положительная полуось -действие растягивающих напряжений, отрицательная - сжимающих напряжений), при этом нагрузка на сжатие производилась только при температуре 400 °С

Сжимающая нагрузка (в пределах упругой деформации образца) заметного влияния на проницаемость не оказывает. В [4, 5] авторы объясняют повышение водородопроницаемости металлов при действии растягивающих напряжений суммарным влиянием на процесс трех факторов:

- повышением растворимости Я , связанной с проницаемостью

Р=ЯБ,

где Б - коэффициент диффузии;

- тормозящим действием образующихся при деформации микродефектов структуры;

- увеличением активной площади поверхности образца в результате возникающих при пластической деформации металла микронеровностей на поверхности и образование дополнительного числа активных центров вследствие выхода на поверхность дислокаций и вакансий, что облегчает процесс диссоциации адсорбируемого металлом водорода.

Причем тормозящее проницаемость действие второго фактора уменьшается с повышением температуры. Поэтому наблюдается увеличение относительной проницаемости с температурой. При значительной пластической деформации (особенно в области предразрушения) в образце развиваются макродефекты, которые уменьшают эффективную толщину стенки образца.

Изучение микрошлифов показывает, что при испытании на кратковременную прочность из рассмотрения выпадает наиболее существенный с точки зрения нарушения вакуумной плотности фактор - образование и развитие макродефектов. Более того, при таком способе испытания ни на одном образце исследуемых материалов не удалось зафиксировать момент образования сквозной течи (по гелию) или измерить ее величину, так как разрыв стенки происходит очень быстро, а величина нагрузки практически совпадает с пределом прочности данного материала.

Анализ результатов экспериментов позволяет заключить:

- растягивающие или сжимающие (в области упругих деформаций) напряжения не оказывают существенного влияния на водородопроницаемость при пластическом разрушении испытываемых материалов;

- при макропластической деформации образца по способу испытания на кратковременную прочность момент образования сквозного дефекта практически совпадает с полным разрушением образца.

Механические нагрузки на оболочки ЭВП, близкие или равные пределу прочности конструкционного материала встречается практически редко. Однако микронапряжения (как от внешних, так и от внутренних сил), возникающие, в сварных соединениях и монолитных образцах могут в некоторых случаях превышать пределы текучести и прочности или приближаться к их значениям [6].

Известно, что любой материал при повышенных температурах под действием постоянного напряжения может деформироваться с течением времени. Эксперименты по влиянию длительных растягивающих нагрузок на вакуумную плотность проводились при температурах (0,4 ^ 0,6)-Тш, когда разрушение материала происходит по механизму высокотемпературной ползучести.

В процессе ползучести всех исследуемых материалов (рис. 4) можно отметить существенное (до 50%) возрастание относительной водородопроницаемости Рс/Р0 при напряжениях, близких к значениям пределов текучести. Обращают на себя внимание перегибы на кривых, более заметные при меньших значениях температуры опытов.

Появление этих перегибов можно объяснить следующим образом. В процессе ползучести металла происходит интенсивное зарождение и развитие микродефектов в кристаллической решетке и, прежде всего, возрастает плотность дислокаций. В первый момент времени они инициируют скорость диффузии по ним атомов водорода. В дальнейшем в связи с развитием макродефектов атомарный водород начинает ассоциировать на их стенках в молекулы и скапливаться в порах. Это уменьшает в конечном итоге водородопроницаемость. С ростом температуры роль этих эффектов в общем балансе факторов, влияющих на водородопроницаемость, снижается.

На микрошлифах образцов отчетливо видны поры и трещины, характерные для разрушения исследуемых материалов при ползучести. При этом сквозные течи появляются раньше полного разрушения образцов.

Микропоры появляются, как правило, на границах зерен. Причем количество и размеры их при повышении температуры с течением времени возрастают. Общепринятой в настоящее время схемой зарождения микропор на границах зерен является взаимодействие внутризеренного скольжения, вызывающего образование ступенек на границах зерен, и проскальзывание по границам, раскрывающего полости около этих ступенек. Зародыши микропор могут образовываться также при проскальзывании около частиц, имеющихся в сплаве и расположенных на границах зерен. Экспериментальное изучение кинетики образования пор при ползучести проводили авторы [6].

Ими установлено, что при одном и том же времени испытаний количество пор тем больше, чем выше температура и больше приложенные напряжения. Соответственно больше будет и величина Ро/Р0. В реальных конструкциях оболочек приборов детали не подвергаются заметной макропласти-ческой деформации. Нарушение герметичности чаще всего происходит от действия внутренних напряжений, возникающих из-за различия коэффициентов температурного линейного расширения, остаточных или временных напряжений в соединениях деталей и т.д.

Поэтому особый интерес представляют испытания образцов в условиях ползучести с предварительно «наведенными» макро- или микродефектами. С этой целью были проведены эксперименты на медных образцах, предварительно обработанных в двух режимах: проплавление образца в рабочей зоне по периметру на глубину 0,7 0,9 от толщины стенки и локальное (в точке) проплавление об-

разца в рабочей зоне. Проплавление осуществляли электронным лучом на установке А.306.05 в один проход луча по периметру. Результаты экспериментов по растяжению образцов из меди МВ с наведенными дефектами представлены в табл. 1.

Т=600°С

6=12%

о=19,6 МПа

Т=500°С 6=16,3% 0=30,3 МПа

Т=400°С

6=17%

0=38,2 МПа

5 10 20 30 40 50 60 70 80 90

а)

б)

в)

Рис. 4. Изменение относительной водородопроницаемости меди МВ (а), сплава 29НК (б) и нержавеющей стали 12 Х18Н9Т (в) в режиме ползучести с течением времени: штриховыми линиями отмечены моменты времени появления сквозной течи в образцах и соответствующие этим моментам значения температуры (Т),

деформации (5) и нагрузки на растяжение (а)

1,33:10 -1,33:10 -

1,33:10 -^ 1,33:10-

^ 1,33:10 - 9 ^ 1,ЗЗ:10~Ю ^ 1,ЗЗ:10-1 ^ 1,33:10-2 1,33:10 -З

0.01 0 1 1 10 100

диаметр, мкм.

Рис. б. Зависимость пропускной способности капилляра от его диаметра (для воздуха):

Л - вязкостный режим; □ - молекулярный режим; ° - суммарная кривая

Таблица 1

Результаты экспериментов по растяжению образцов

Вид наведённого дефекта ,Т ° о Нагрузка растяжения а, МПа Время до появления течи t, мин Деформация к моменту появления течи б, % Поток гелия, Пам3/с

Проплавление лучом по периметру 500 40 30 3 410-10

Проплавление в точке 500 40 10 1,2 2,610-9

Контрольный бездефектный образец 500 40 4,3103 10 1,310-10

Величина течи (по гелию) у образцов с наведенным дефектом довольно велика - порядка 133,3 (10-10 - 10-12) Па-м3/с. Место натекания, как правило, локализовано в зоне проплавления.

Обращает на себя внимание большая величина сквозных микродефектов, образующихся у всех испытанных образцов при любых режимах испытания и предварительной обработки.

Некоторые отечественные и зарубежные авторы, длительное время работающие в электровакуумной промышленности, склонны считать так называемые «тонкие» течи, часто встречающиеся в вакуумных оболочках, по существу, крупными, но частично прикрытыми локальными загрязнениями [7-9]. С помощью различного рода термической или химико-термической обработок удается «раскрывать» эти «тонкие» течи до величин, поддающихся обнаружению с помощью обычных течеиска-телей.

В металлах величина сквозных дефектов не может быть сколь угодно малой. Величина дефектов в металлах имеет величину по потоку гелия порядка 133,3-10-14 Па-м3/с, что соответствует согласно рис. 5 сквозному каналу порядка 1 мкм. Наблюдаемые на практике более тонкие натекания действительно являются следствием закупорки каналов сквозной проводимости инородными частицами. В этом аспекте не случайными представляются часто наблюдаемые на практике натекания, имеющие характер внезапного прорыва газов в прибор, как если бы в их оболочках неожиданно возник сквозной дефект большой величины.

Как известно [10], проницаемость водорода через металлы осуществляется в пять последовательных этапов: адсорбция молекул на поверхности, диссоциация их на атомы, диффузия атомов через кристаллическую решетку, ассоциация молекул на внутренней поверхности образца и их десорбция. Поэтому любое воздействие, повышающее энергию активации каждого из этих пяти процессов или «тормозящее» их течение, будет уменьшать водородопроницаеиость металлов.

Пластическая деформация металлов в подавляющем большинстве случаев протекает по дислокационному механизму за счет движения дислокаций. Когда кристалл деформируется, плотность дислокаций в нем быстро возрастает с увеличением степени деформации. Новые дислокации вносят вклад в упрочнение кристалла и должны оказывать влияние на газопроницаемость металла. Атомы газа, диффундирующее через металл, будут интенсивно «оседать» на дислокациях, уменьшая в итоге общий поток газа через образец, подвергнутый термовакуумной обработке.

Установлено [10], что проницаемость водорода через металлы существенно уменьшается, если их поверхность покрыта пленкой углерода. Это явление объяснено отсутствием дислокации молекул водорода на такой поверхности. На поверхности металлов за время их обработки в технологической камере, откачиваемой «масляными» средствами, может образовываться пленка углерода. В установках УДС-2 вакуумный агрегат как раз и включает паромасляный и механический насосы.

Отметим, что при циклическом деформировании металлов в вакууме их долговечность выше, чем на воздухе. Исследованиями Конюшкова Г.В. установлено, что при воздействии на металлы параметров диффузионной сварки (ДС) происходит увеличение прочности при статическом нагружении. В нашей работе исследовалось влияние воздействия параметров процесса ДС на удельную плотность и газопроницаемость меди МВ, ковара и стали 12Х18Н9Т. Удельная плотность после термовакуумного воздействия проверялась на дисковых образцах диаметром 16 мм и высотой 2 мм и измерялась с помощью гидростатического взвешивания. Обработка металлов проводилась по режимам, обеспечивающим получение равнопрочных соединений в вакууме порядка 6,6-10-3 Па. Результаты исследований, приведенные в табл. 2, показывают, что удельная плотность возрастает для ковара на 5%, нержавеющей стали на 3%. Увеличение плотности медных образцов практически не обнаружено.

Анализ приведенных данных показывает, что водородопроницаемость медных образцов практически не изменяется, а для образцов из ковара и нержавеющей стали уменьшается во всем интервале температур на 1-1,5 порядка. Полученные данные свидетельствуют, видимо, о том, что исходные образцы ковара и стали имеют более высокую пористость, чем медь МВ, и более интенсивно подвергаются залечиванию.

Таблица 2

Изменение удельной плотности металлов в результате термовакуумной обработки

Режим обработки Деформация, 5 %

Материал химическая обработка

Р, МПа Т, °С ^ мин V, Па

Медь МВ 6,86 850 850 20 20 6,6-10'3 6,6-10'3 —

Сплав 29НК 1050 30 6,6-10'3

24,5 1050 20 6,6-10'3 1

Сталь 12Х18Н9Т 24,5 1050 1050 30 20 6,6-10'3 6,6-10'3 1,2

Таким образом, и в основном материале при действии сжимающей нагрузки в условиях вакуума и повышенных температур происходит залечивание пор, приводящее к уменьшению водородо-проницаемости металлов. В результате проведённой работы можно сделать выводы:

1. Исследование водородопроницаемости металлов с «наведенными» дефектами в режиме кратковременной прочности и ползучести показало, что при действии растягивающих нагрузок имеет место увеличение водородопроницаемости, причем тем больше, чем выше температура и нагрузка (вплоть до появления сквозных течей). Действие сжимающих нагрузок в упругой области незначительно уменьшает проницаемость.

2. При обработке металлов по режимам ДС наблюдается уменьшение их водородопроницае-мости на 1-2 порядка в диапазоне 200-700 °С, вызываемое адсорбцией водорода на возникающих при пластическом деформировании микродефектах структуры и уменьшением степени дислокации его молекул на поверхностях деталей после обработки в установках с «масляными» средствами откачки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев В. В. Исследование свойств сварных соединений стали Х18Н10Т применительно к оболочкам электровакуумных приборов / В. В. Андреев, В. И. Большаков, И. П. Борисов // Электронная техника. 1966. Сер. I. Вып. 6.

2. Борисов Н.П. Способ определения повреждаемости материалов при испытании на длительную прочность в вакууме / Н.П. Борисов // Заводская лаборатория. 1970. № 12.

3. Крипякевич Р.И. Влияние механических напряжений на водородопроницаемость хромоникелевой стали Х18Н10Т при повышенных температурах / Р. И. Крипякевич, Б. Ф. Качмар, В. М. Сидоренко // Физико-химическая механика материалов. 1970. № 5.

4. Крипякевич Р.И. Влияние напряжений на водородопроницаемость меди, ковара и их спаев с керамикой / Р.И. Крипякевич // Физико-химическая механика материалов. 1970. № 3.

5. Саксаганский Г. Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах / Г. Л. Сакса-ганский. М.: Атомиздат, 1980. 216 с.

6. Нестеров С.Б. Методы расчета вакуумных систем / С.Б. Нестеров, Ю.К. Васильев, А.В. Андросов. М.: Изд-во МЭИ, 2004. 220 с.

7. Системы неразрушающего контроля. Виды и технология неразрушающего контроля: справ. пособие. М.: ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора в России», 2003. 292 с.

8. Розанов Л.Н. Вакуумная техника / Л.Н. Розанов. М.: Высш. шк., 1990. 320 с.

9. Проницаемость водорода через металлы: учебное пособие / А.А. Писарев, И.В. Цветков, Е.Д. Маренков, С.С. Ярко. М.: МИФИ, 2008. 114 с.

10. Вакуумная техника: справочник. Разд. ГРНТИ / под ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. М.: Машиностроение, 1992. 546 с.

Вязовский Валерий Владимирович -

аспирант кафедры «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Конюшков Владимир Геннадьевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронное машиностроение и сварка»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 20.03.13, принята к опубликованию 20.05.13

Valery V. Vyazovsky -

Postgraduate,

Department of Electronic Engineering and Welding Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Vladimir G. Konyushkov -

Ph.D., Associate Professor

Department of Electronic Engineering and Welding Yuri Gagarin State Technical University of Saratov