CC BY
23
УДК 621.983
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.К. Талалаев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Я.А. Соболев, д-р техн. наук, проф., (495) 760-67-12,
[email protected] (Россия, Москва, МАМИ)
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПАНЕЛЕЙ ВАФЕЛЬНОГО ТИПА
Приведены технологические рекомендации и типовые технологические процессы изготовления элементов панелей вафельного типа из высокопрочных листовых материалов.
Ключевые слова: высокопрочный материал, деформирование, диффузионная сварка, кратковременная ползучесть, давление, температура, лист.
Панели вафельного типа имеют широкое применение, так как из них образуют корпуса топливных отсеков, что составляет 50...70 % общей металлоемкости изделия. Штатные конструкции и техпроцессы предусматривают станочное фрезерование, вварку или пайку арматуры. Точность узлов при этом недостаточна, требуется слесарная пригонка, высокая трудоемкость [1, 2].
Новые конструкции корпусов вафельного типа предполагают их исполнение в двухслойном варианте - формообразованные листы с жестким (неподвижным) соединением. Такие конструкции имеют предпочтение перед традиционными в части обеспечения необходимой удельной прочности [1, 2]. Изготавливают их преимущественно из высокопрочных алюминиевых сплавов типа 1911, 1201 - термоупрочняемых, в связи с чем предлагаемые процессы формообразования рассматриваются применительно к этим материалам. Базовыми здесь являются операции формообразования и соединения полуфабрикатов на стадии изготовления.
Типовой вариант технологического процесса изготовления элементов панелей вафельного типа из высокопрочных листовых материалов приведен в таблице и на рис. 1. В таблице в числителе приведены значения технологических режимов для титановых сплавов, а в знаменателе - для алюминиевых сплавов.
Операция формообразования газом горячего листового материала протекает в условиях вязкого течения материала. В этом случае существенное влияние на устойчивое протекание процесса оказывает скорость роста давления. Свободная формовка переходит в стадию заполнения угловых элементов и начало диффузионного соединения. Соединение происходит в твердой фазе, что обеспечивает прочность на уровне основного металла соединяемых элементов, коррозионную стойкость и герметич-
155
ность. Это связано с тем, что:
- не происходит плавления и роста зерен в зоне соединения, как это имеет место при сварке плавлением;
- отсутствует низкопрочная зона припоя, обязательная при пайке;
- нет нарушений сплошности металла и концентрации напряжений, что неизбежно при клепке.
№ позиции
2
Эскиз операции
5
6
Рис. 1. Эскизы операций при изготовлении открытых
вафельных панелей
Состояние поверхностей, температура, контактное давление и, следовательно, деформация, время выдержки под давлением являются основными технологическими параметрами операции.
Состояние поверхностей, температура, контактное давление и, следовательно, деформация, время выдержки под давлением являются основными технологическими параметрами операции.
Температура устанавливается в пределах 0,5...0,7 температуры плавления соединяемых металлов. Ее повышение ускоряет процессы
диффузии атомов через поверхность контакта, позволяет снизить давление и деформации, но может приводить к росту зерен.
Таблица
Типовой технологический процесс деформирования открытых вафельных конструкций
№ Операции Технологические режимы
температура, 0 С давление, МПа время, мин
1 Подготовка исходных заготовок (резка, обезжиривание, травление, промывка, сушка) По отдельным технологическим процессам
2 Ионное травление поверхностей листовых заготовок в аргоне и вакуумное напыление меди (алюминий) То же
3 Установка пакета заготовок (лист - каркас - лист) в штамп и пресс-вакуумную камеру То же
4 Нагрев заготовок в вакууме 530 10-3 мм рт. ст. до 200
0,5х10-4 мм рт. ст.
5 Смыкание штампа, подача аргона, формообразование с закладным элементом 530 0,7... 1,0 20...30...
6 Диффузионная сварка газом 530 2,5...3 30
7 Охлаждение штампа в проточном аргоне при выключенной вакуумной системе до 300 до 200
8 Раскрытие штампа и съем изделия при 50...70 до 200
9 Обрезка по контуру По отдельным технологическим процессам
10 Подготовка к последующим операциям То же
Давление обеспечивает плотный контакт свариваемых элементов, заполняемость пустот, а также влияет на процессы диффузии и рекристаллизации. В зонах контакта происходит перемещение материала, что приво-
дит к разрыву пленки окислов. Время операции должно быть достаточным для протекания процессов диффузии и рекристаллизации. При изготовлении многоэлементных конструкций сложной геометрической формы невозможно в силу ряда причин создание достаточных контактных деформаций. Здесь удаление или разрушение пленки окислов достигается иным путем.
Наибольшие технологические проблемы возникают при соединении элементов конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов. Задача здесь сводится к удалению или, по крайней мере, разрушению пленки и обеспечению этим контакта основных металлов, что требует проведения технологического процесса в вакууме. При этом необходимо после удаления окисла закрывать поверхности деталей вакуумным напылением меди толщиной 0,5...0,7 мкм. Эти операции производят в одной камере за одну установку заготовок при переключении режимов работы по схеме: вакуу-мирование - напуск аргона - ионное травление - вакуумирование - напыление меди.
Выше было показано, что металлографический анализ подтверждает образование общих зерен на поверхностях соединений, а механические испытания показали прочность их, близкую к прочности исходного материала. Термообработка (закалка и старение) конструкции обеспечивает предел прочности материала до 4х10 МПа.
Таким образом, технология формообразования состоит из следующих основных операций [1, 2]:
- травление окисной пленки и вакуумное напыление меди, сборка пакета из листов (заполнитель и обшивка) и закладных элементов между ними (решетчатый каркас из пластин 0,5... 1,5 мм для вафельных панелей или трубки для охлаждаемых панелей);
- установка пакета в штамп и в вакуумную пресс-камеру, силовое смыкание оснастки давлением пресса, нагрев до температуры обработки с вакуумированием зазора между листами;
- формообразование полостей (ячеек) давлением газа, подаваемого на один лист (заполнитель) с одновременным вакуумированием полостей между заполнителем и обшивкой;
- калибровка ячеек и их диффузионная сварка давлением газа с обшивкой и закладными элементами при выдержке по времени; охлаждение под давлением газа;
- сброс давления и окончательное охлаждение при раскрытии штампа;
- извлечение изделия.
На рис. 2 представлен типовой график технологических давлений газа при изотермической пневмоформовке с последующей сваркой давлением газа для данных процессов, рассчитанный по методике, изложенной в работе [2].
Опытно-промышленные образцы изделий изготовлены из алюминиевых сплавов АМг6, 1911 и 1971. Габаритные размеры - до 500х500 мм, строительная высота 15...20 мм, толщина листа-заполнителя - 0,5...1 мм, листа-обшивки - 1...2 мм. Промышленные образцы изделий показаны на рис. 3 и 4.
га И 19
о Э а о
-е-
ч ч ч ч ч \
/ формо вка\ / / ч / ч / / / сварка |
1,5
20
40
60
I, мин
Рис. 2. Типовой график давления газа от времени деформирования при формовке и диффузионной сварке
Рис. 3. Промышленные образцы панелей вафельных (сплавы АМг6, 1911)
Оценка эффективности конструкций по расчетам на прочность и по результатам испытаний показала, что их удельная прочность увеличивается на 20 % по сравнению со штатными. При этом процессы изготовления медленным горячим деформированием с термофиксацией значительно увеличивает точность, что необходимо для последующей аргоно-дуговой или электронно-лучевой сварки корпусов. Трудозатраты производства снижаются в 1,3-1,5 раза.
Работа выполнена по государственным контрактам в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и грантам РФФИ.
159
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев, С.С. Яковлев, В.Н. Чудин, Я.А. Соболев. М.: Машиностроение, 2004. 427с.
2. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, Я.А. Соболев, С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, С.Н. Ларин. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
S.S. Yakovlev, A.K. Talalaev, Ya.A. Sobolev
THERMOMECHANICAL MODES OF DEFORMATION OF ELEMENTS OF PANELS OF WAFER TYPE
Technological recommendations and standard technological processes of manufacturing of elements of panels of wafer type of high-strength sheet materials are provided.
Key words: high-strength material, deformation, diffusive welding, short-term creep, pressure, temperature, leaf.
Получено 20.07.12
УДК 539.374.02; 574.4
Г.В. Малинин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Орел, Госуниверситет-УНПК)
СТРУКТУРНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ В КОНЦЕПЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ УРОВНЕЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ
Приведены результаты развития методов структурно-аналитической мезо-механики основанные на концепции взаимодействующего многоуровневого (микро-, ме-зо- и макро) пластического течения, эволюции структурных повреждений и фазовых превращений мартенситного типа. Впервые представлена система определяющих соотношений, учитывающих взаимовлияние пластических деформаций, процессов разрушения и структурных фазовых превращений мартенситной природы для материалов с эффектом памяти формы.
Ключевые слова: структурно-аналитическая мезомеханика, обратимые мар-тенситные превращения, сдвиговая пластическая деформация, механизмы микроразрушения, трансляционно-ротационные моды деформации, микро-, мезо- и макромас-штабные уровни, материалы с эффектом памяти формы.
Введение. В настоящей статье на основе [1-6] представлены результаты по развитию методов структурно-аналитической мезомеханики
160
