Исследование и разработка технологического процесса многоцикловой прокатки листов из композиционных материалов на основе алюминия и меди с комплексом повышенных конструкционных и функциональных свойств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат наук Евсеев, Павел Сергеевич

• Евсеев, Павел Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Евсеев, Павел Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Перспективы применения изделий и полуфабрикатов из композиционных материалов с функциональными свойствами

1.2 Способы производства листовых полуфабрикатов из композитов

1.3 Анализ процесса создания листовых полуфабрикатов из слоистых сборных заготовок

1.4 Влияние диффузионных процессов на состав и структуру получаемого композита

1.5 Методические основы проектирования процессов производства листовых изделий из композиционных материалов

1.6 Возможности математического моделирования при анализе напряженно-деформированного состояния гетерогенной заготовки

1.7 Предлагаемый способ получения листов с комплексом конструкционных

и функциональных свойств

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Применяемые материалы

2.2 Схема укладки компонентов и их сборка в пакетную заготовку

2.3 Прокатка слоистой заготовки

2.4 Методика оценки характеристик листовой заготовки после прокатки

2.5 Методика качественной оценки соединения между компонентами листовой заготовки после прокатки

2.6 Методика испытаний полученных полуфабрикатов

2.7 Методика конечно-элементного анализа и используемое программное обеспечение

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СЛОИСТОЙ ГЕТЕРОГЕННОЙ ЗАГОТОВКИ В ПРОЦЕССЕ ГОРЯЧЕЙ МНОГОЦИКЛОВОЙ ПРОКАТКИ

3.1 Классификация типов композитов, получаемых при многоцикловой прокатке

3.2 Совместимость компонентов гетерогенной заготовки

3.3 Анализ процесса деформирования гетерогенной заготовки с позиций критериального подхода

3.4 Практическое использование критериальной системы на примере создания супермногослойного материала

3.4.1 Построение математической модели процесса прокатки слоистой заготовки

3.4.2 Определение технологических параметров процесса многоцикловой прокатки при создании супермногослойного композита AI-A1 с помощью критериальной системы

3.5 Практическое использование критериальной системы на примере создания материала, армированного частицами

3.5.1 Построение математической модели процесса прокатки гетерогенной заготовки

3.5.2 Анализ напряженного состояния в компонентах слоистой заготовки при прокатке

3.5.3 Распределение температур в сборной заготовке при прокатке

3.5.4 Определение технологических параметров процесса многоцикловой прокатки при создании композита, армированного частицами, системы Al-Cu

с помощью критериальной системы

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ МНОГОЦИКЛОВОЙ ПРОКАТКИ СЛОИСТЫХ ЛИСТОВЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ СИСТЕМ Al-Al И Al-Cu НА БАЗЕ КРИТЕРИАЛЬНОГО ПОДХОДА

4.1 Экспериментальная проверка применения критериального подхода при получении листовых полуфабрикатов в процессе многоцикловой прокатки

4.1.1 Экспериментальная проверка применения критериального подхода при получении супермногослойных материалов системы Al-Al

4.1.2 Экспериментальная проверка применения критериального подхода при получении материалов, армированных частицами

4.2 Оценка механических характеристик полученных многослойных композитов и композитов, армированных частицами

4.2.1 Изучение прочностных свойств листов композиции системы Al-Al

4.2.2 Исследование пластических свойств композита системы Al-Al

4.2.3 Оценка прочностных свойств листов композита системы Al-Cu

4.2.4 Исследование пластических свойств композита системы Al-Cu

4.2.5 Сравнительный анализ механических характеристик полученных композитов

4.2.6 Характер распределения микротвердости в образцах композита системы Al-Cu

4.2.7 Изучение процессов диффузии между компонентами композита системы Al-Cu с помощью метода конечных разностей

4.2.8 Изучение функциональных свойств композита системы Al-Cu

4.3 Методика разработки технологических процессов многоцикловой прокатки листовых материалов

4.4 Разработка технологического процесса получения алюминиевых листов,

армированных частицами меди

Выводы по главе 4

Общие выводы

Библиографический список

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологического процесса многоцикловой прокатки листов из композиционных материалов на основе алюминия и меди с комплексом повышенных конструкционных и функциональных свойств»

Введение

Развитие машиностроения, авиационной, космической и других отраслей промышленности в той или иной мере связано с использованием полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением. К их числу можно отнести прутки, трубы, профили, листы и т.п. Наиболее широкое применение получили листы, производство которых составляет около 60% от всей выпускаемой металлопродукции. Из них почти 40% приходится на элементы конструкций и обшивку.

За последнее время в промышленности ощущается высокая востребованность в листах из композиционных материалов, обладающих комплексом повышенных конструкционных и функциональных свойств, к которым можно отнести композиты слоистого строения, а также композиты, армированные частицами. Перспективными материалами для изготовления таких композиций являются алюминий и медь, обладающие высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками. В настоящее время такие материалы уже изготавливаются с использованием жидкофазных и твердофазных методов. Из жидкофазных методов применяется наплавка, а из твердофазных - методы напыления и порошковой металлургии. Однако листы, получаемые перечисленными способами, имеют ряд недостатков. Малоэффективно производство крупногабаритных слоистых листовых композиций, что обуславливается невысокой производительностью данных процессов, особенно, когда речь идет о производстве листов, состоящих из большого количества слоев. В этом случае требуется применение специализированного вакуумного оборудования, с помощью которого достаточно сложно получать крупногабаритные листовые полуфабрикаты. Кроме этого, все эти способы требуют применения подложки (листа основного материала), которую покрывают наплавленным или напыленным слоем другого металла.

Относительно недавно получил свое распространение способ многоцикловой вакуумной прокатки, который может использоваться для

производства листов из слоистых заготовок. Данный способ позволяет получать супермногослойные материалы из слоистой сборной заготовки, состоящей из большого количества фольговых слоев, однако для его реализации также требуется дорогостоящее вакуумное оборудование.

Как известно, фольговые слои не дают возможность подвергать их интенсивным пластическим деформациям, вследствие чего они плохо соединяются между собой в композите, поэтому более перспективно использовать многоцикловую прокатку сборной заготовки, состоящей из относительно небольшого количества слоев, толщина каждого из которых достаточна для того, чтобы воспринимать интенсивные пластические деформации. За несколько технологических циклов прокатки из таких заготовок можно- создать супермногослойные композиции. В зависимости от состава сборной заготовки при многоцикловой прокатке можно получать листовые материалы как с ламинарным течением слоев, так и материалы, армированные частицами.

Данный способ позволяет получать крупногабаритные листовые полуфабрикаты на стандартном промышленном оборудовании. Готовые листы способны обладать комплексом повышенных конструкционных и функциональных свойств. Именно поэтому разработка новых технологических процессов многоцикловой прокатки листов из супермногослойных материалов и материалов, армированных частицами, является актуальной задачей для современной промышленности.

Исходя из этого, цель настоящей работы заключается в разработке научно-обоснованного технологического процесса многоцикловой прокатки листов из слоистых материалов на основе алюминия и меди с комплексом повышенных конструкционных и функциональных свойств.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Анализ совместимости компонентов, входящих в состав композита.

2. Разработка системы критериальных выражений, устанавливающих взаимосвязь между параметрами сборной заготовки, конечного изделия и режимами технологического процесса изготовления листов из супермногослойных композитов и композитов, армированных частицами.

3. Изучение влияния режимов прокатки на процесс формирования прочного соединения компонентов алюмомедного композита.

4. Математическое моделирование процесса прокатки, включающее определение напряженно-деформированного состояния (НДС) прокатываемой сборной заготовки.

5. Экспериментальная проверка расчетов по критериальной системе.

6. Разработка технологического процесса получения листов из композиции АД1-М1 методом многоцикловой прокатки.

7. Разработка методики проектирования технологических процессов производства листов из супермногослойных композитов и материалов, армированных частицами.

Научная новизна:

1. Разработана система критериальных выражений, которая позволяет анализировать процесс деформирования сборной заготовки с учетом характеристик входящих в ее состав компонентов и технологических режимов обработки.

2. Разработана методика проектирования технологических процессов многоцикловой прокатки листовых полуфабрикатов из супермногослойных композитов и материалов, армированных частицами, различных конструкций и составов.

3. С помощью метода конечных элементов установлена функциональная взаимосвязь между параметрами НДС в компонентах сборной заготовки.

4. Предложен и реализован способ многоцикловой прокатки листов из материалов, армированных частицами.

Практическая значимость работы:

1. Разработан технологический процесс получения алюминиевых листов (АД1), армированных частицами меди (М1).

2. На способ производства многослойных листов получено положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение № 2013130285.

Достоверность работы подтверждается применением апробированных методов исследования, соответствием данных, полученных в ходе математического моделирования, с результатами проведенных экспериментов.

Тематика работы обсуждалась на Международной научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия», Москва, 2011 г.; Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2011-2014г.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2012г.; Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва, 2011г.; Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством и сертификация», Москва, 2012г.

Основные положения диссертации опубликованы в 16 работах - в том числе в 3 статьях в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ. По результатам работы получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение № 2013130285/02(045123) от 03.07.2013г.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и перечня литературы, включающего 101 наименование. Материал работы изложен на 167 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 20 таблиц и приложение.

Стоит отметить, что первостепенная роль в создании технологии производства композитов, в изучении их структуры и свойств, а также внедрении с целью промышленного использования, принадлежит таким выдающимся деятелям науки, как: В. К. Королю, М. С. Гильденгорну, М. X.

Шоршорову, Ю. П. Трыкову, В. П. Коржову, М. И. Карпову, С. С. Дрюнину, В. Ф. Мануйлову, А. И. Колпашникову и др. В их трудах рассмотрены вопросы физико-химического взаимодействия, механической и химической совместимости компонентов композита, установлены закономерности формирования структуры и свойств композиционных материалов. Особое место занимают разработанные В. Ф. Мануйловым и А. С. Тихоновым критериальные выражения, позволяющие разрабатывать технологические процессы производства изделий из волокнистых композиционных материалов (ВКМ) твердофазными способами.

Несмотря на достигнутые успехи, до сих пор остаются недостаточно изученными вопросы, касающиеся закономерностей формирования структуры слоистых заготовок, влияния температурно-временных условий на протекание диффузионных процессов в зоне взаимодействия разнородных металлов, а также установления деформационных режимов, обеспечивающих качественное соединение компонентов. Изучение этих и других вопросов, связанных с воздействием на структуру и свойства композитов при их многоцикловом деформировании, представляет собой немаловажный научный и практический интересы.

Диссертация является продолжением систематических исследований технологий производства изделий из композиционных материалов, проводимых на кафедре «Технология обработки металлов давлением» МАТИ и выполнена в соответствии с планами проведения научно-исследовательских работ. В связи с этим автор считает своей обязанностью поблагодарить весь коллектив кафедры, и лично проф., д.т.н. Виктора Ивановича Галкина за научное руководство. Отдельно хотелось бы выразить признательность за ценные замечания и помощь, оказанную при проведении экспериментов, сотрудникам: к.т.н. Якушеву В. А., к.т.н. Еремееву В. В., к.т.н. Еремееву Н. В.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В современной промышленности возрастают требования к новым листовым материалам, возникает потребность в листах, обладающих комплексом повышенных свойств. Развитие машиностроения диктует необходимость получения изделий из материалов с комплексом повышенных конструкционных и функциональных свойств. Важнейшим вопросом в создании листов из материалов с сочетанием таких свойств, является разработка новых методов, методик и технологий, позволяющих получать на стандартном оборудовании полуфабрикаты высокого качества.

1.1 ПЕКСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ И ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

История развития теории и технологии композиционных материалов характеризуется непрерывным стремлением реализовать свойства, недостижимые для традиционных материалов. В связи с разработкой новых образцов техники и возросшими за последнее десятилетие требованиями к изделиям из композиционных материалов, не все из них уже способны обеспечивать должный уровень эксплуатационных свойств. Поэтому эффективным путем улучшения применяемых на сегодняшний день композиционных материалов является разработка принципиально иных технологических процессов, которые позволят получать из них листовые полуфабрикаты, обладающие комплексом повышенных конструкционных и функциональных свойств.

Наиболее часто в состав слоистых полуфабрикатов входит алюминий и его сплавы. Вызванный интерес со стороны конструкторов и технологов к алюминию обусловлен его относительно небольшим удельным весом и высокой технологической пластичностью.

Благодаря своим особенностям, и в настоящее время композиционные материалы на основе алюминия остаются весьма перспективными, что дает

возможность их применять практически во всех отраслях промышленности. Например, современные авиастроительные компании, такие как Airbus и Boeing, заменили традиционные алюминиевые сплавы при производстве деталей самолетов на композиты на основе алюминия, из которых изготавливают фюзеляжи, крылья, закрылки, стабилизаторы, люки, двери [1]. В ракетостроении алюминиевые композиты используют для производства оболочек головных обтекателей, приборных рам и воздуховодов ракет-носителей, труб, теплозащитных покрытий для космических аппаратов и т.д. [2]

Широкое распространение композиты также получили в автомобилестроении и сельскохозяйственном машиностроении при производстве деталей и узлов [3].

Учитывая, что материалы со слоистой структурой обладают помимо высоких прочностных характеристик, хорошей коррозионной стойкостью, это обуславливает их применение в судостроении и при производстве грузового подвижного состава, предназначенного для транспортировки агрессивных сред (вагоны, цистерны) [4].

С целью усиления защитных свойств композита, алюминий армируют частицами, что расширяет возможности его использования. Важное назначение в материале, армированном частицами, несет основа или матрица, цель которой заключается в передаче нагрузки армирующим частицам. Приложенная нагрузка в таких композитах распределяется между металлической матрицей и частицами. Объемное содержание второй фазы Va может превышать 25%, а диаметр частиц и средний свободный промежуток между частицами в матрице составляет ~1 мкм. Примером такого композита может служить материал системы алюминий-углерод.

В качестве уже производимых, так и находящихся на стадии промышленной разработки материалов, армированных частицами можно привести [5]:

• Материалы на основе алюминиевых сплавов или свинца, армированные карбидом бора - для защиты от нейронного излучения.

• Алюминиевые композиты, высоконаполненные карбидом кремния (60-70% об.) - для создания материалов с высокой теплопроводностью.

• Антифрикционные композиты на основе алюминия, меди и свинца, армированные микронными частицами квазикристалла системы А1-Cu-Fe.

• Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе меди, применяемые для электрических контактов с повышенной коррозионной стойкостью.

Одной из сфер применения дисперсно-упрочненных материалов на основе меди, является электротехника. Такие материалы, выпускаемые в виде полос, используют для производства электрических контактов [5,6].

Композиты, армированные частицами, могут применяться и в других сферах, в частности, листы на основе алюминия широко используют при изготовлении защитных контейнеров для перевозки радиоактивных материалов. Кроме того, существует и особая область их применения в качестве специальных датчиков или образцов-свидетелей, способных накапливать информацию о внешнем воздействии на изделие, конструкцию или техническое средство [5].

Композиты, армированные частицами, активно используются за рубежом в различных вариациях. Например, фирма Talon Composites, LLC выпускает листовой материал для защиты от нейронного излучения Talbor, представляющий собой композит на алюминиевой матрице, армированный карбидом бора (от 1 до 40% об.) [5].

Способности к отражению или поглощению электромагнитной волны делают эти материалы особенно привлекательными при их использовании в качестве защитных конструкций в виде экранов (рис. 1.1). К примеру,

широко используемые в качестве защиты от а —излучения свинцовые панели, могут быть с успехом заменены на альтернативные алюминиевые композиты, армированные частицами. Это позволит существенно снизить массу такой панели, что может оказаться весьма

актуальным при

изготовлении элементов

корпуса космических армирующих частиц композита при

воздействии на них электромагнитной волны

кораблей и т.п.

Перспективы использования слоистых композитов и материалов, армированных частицами, определяются совокупностью присущих им конструкционных и функциональных свойств, которые во многом превосходят характеристики традиционных конструкционных материалов (сплавов различных металлов) и открывают широкие возможности для внедрения в большинство сфер деятельности человека.

Анализ применяемых на сегодняшний день композитов в различных отраслях промышленности как в России, так и за рубежом, показывает, что. большая часть полуфабрикатов из них выпускается в виде листов и их производных. Особенно актуальным является производство листов на алюминиевой основе, используемых в тех областях техники, где требуется обеспечить высокую прочность конструкций при минимальной массе.

Необходимо отметить, что получение качественных листовых полуфабрикатов с комплексом конструкционных и функциональных свойств во многом зависит от выбора способа их производства.

Рис. 1.1 Отражающая способность

1.2 СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВЫХ

ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ КОМПОЗИТОВ

В зависимости от характера процессов, которые протекают по границам раздела компонентов при их соединении, в работе [7] предложено разделить все способы изготовления композитов на две основные группы:

1. Получение соединения без пластического деформирования: литье, наплавка, пайка, сварка плавлением, металлизация напылением; химические и электрохимические покрытия, осаждение из газовой фазы и др.

2. Получение соединения с применением пластического деформирования: прессовая сварка, волочение, прокатка, сварка трением, импульсная сварка, диффузионная сварка и др.

Каждый из перечисленных способов соединения не может быть универсальным и имеет свои определенные ограничения в области применения из-за ряда конструктивных, технологических, прочностных и других требований к соединяемым компонентам.

Так, методы получения соединения без пластического деформирования, преимущественно состоят из жидкофазных и твердофазных способов. Эти методы обладают рядом существенных преимуществ, главные из которых: возможность получения изделий со сложной конфигурацией и минимальной последующей обработкой или без. нее; ограниченное силовое воздействие на хрупкие компоненты; широкая номенклатура компонентов; упрощенное аппаратурное обеспечение; высокая производительность и возможность механизации; реализация непрерывных технологических процессов.

Жидкофазные методы включают использование следующих технологий:

1) Литейные технологии

С их помощью получают композиты путем соединения жидких фаз различных компонентов или, когда один из компонентов находится в жидком состоянии, а другой - в твердом.

Соединение жидких и твердых фаз в условиях производства осуществляется в следующем порядке [8,9]:

• укладка, установка армированных элементов в полость литейной формы перед заливкой матричным расплавом;

• заливка в литейную форму гетерогенного матричного расплава, содержащего армированные элементы;

• введение армированных элементов в матричный расплав в процессе заливки его в кристаллизатор или литейную форму;

• сборка (намотка армированных элементов в присутствии жидкого матричного сплава).

Одной из разновидностей литейных технологий является, так называемое литое плакирование, с помощью которого возможно получение многослойного композита [10].

2) Метод наплавки

Использование плакирующего слоя для покрытия поверхности композита с помощью наплавки, повышает его коррозионную стойкость. Процесс наплавки может осуществляться с помощью проволочных или ленточных электродов. Метод характеризуется высокой

производительностью, но при этом обеспечивает небольшую глубину проплавления основного металла [10].

3) Метод направленной кристаллизации

Получение микрогетерогенных композитов осуществляется методом направленной кристаллизации эвтектических расплавов: из расплава, кристаллизирующегося в условиях интенсивного направленного отвода тепла, выпадают параллельные направлению теплоотвода игольчатые или пластинчатые кристаллы, равномерно распределенные в матрице. Эти кристаллы (армирующая фаза) имеют механические свойства, близкие к свойству усов, хорошо связаны с матрицей, поэтому прочность волокнистых эвтектик достаточно высока [10].

С помощью направленной кристаллизации получают композиты на

основе А1, Си, N1, Со, ИЬ, Т1 и др. Эти новые материалы, состоящие из направленно расположенных взаимопроникающих друг в друга фаз, получили название естественных композиционных материалов. В отличие от обычных жаропрочных сплавов они являются анизотропными, характеризуются более высокими показателями прочности и жаропрочности. Использование литых эвтектических жаропрочных материалов перспективно в первую очередь в энергетическом машиностроении и космической технике, где требуется высокая жаропрочность (стойкость) изделия.

4) Методы осаждения

Создание композитов осуществляется путем нанесения на подложку чередующихся матричных и армирующих слоев. Существует несколько способов получения композитов нанесением покрытий: электролитическим осаждением, осаждением из газовой фазы, вакуумным, эмиссионным и др. методами [11].

Однако перечисленные методы получения композитов без пластического деформирования наряду с очевидными преимуществами имеют и определенные недостатки, среди них: невозможность изготовления крупногабаритных изделий; получаемые материалы не обладают должным уровнем механических характеристик, что не позволяет их использовать для производства высоконагруженных конструкций; технологические процессы достаточно сложны и требуют применения специализированного оборудования. Указанные недостатки возможно устранить, прибегая к твердофазным методам пластического деформирования. К ним относятся методы порошковой металлургии и обработки давлением.

Материалы, полученные с помощью порошковой металлургии, имеют одно из преимуществ, которое заключается в присущих им повышенных функциональных свойствах. В основном, к таким материалам относятся композиты, армированные частицами. В большинстве случаев, они производятся газотермическим способом, путем нанесения нагретого

порошка из упрочняющих частиц на поверхность основы. Основой материала является матрица, которая служит каркасом, связывающим частицы. Правильный подбор материала матрицы и частиц напыляемого слоя, а также их объемной доли, дают возможность получать композиции с такими функциями, как: электромагнитные, коррозионно-стойкие и др.[5,12,13] Примерами отечественных порошковых материалов, являются: ВД-1, ВДУ-2 и ВДУ-3. Основой в ВДУ-1 и ВДУ-2 является никель, дисперсными упрочнителями - частицы оксидов тория и гафния с содержанием частиц до 5% об. Зарубежным аналогом ВДУ-1 является ТД -никель, в котором никель упрочнен мелкодисперсным диоксидом тория ТЮ2 в количестве 2-4% об [5]. В ВДУ-3, основой служит сплав никель-хром, упрочнителем - диоксид гафния.

Методы порошковой металлургии позволяют получать композиты с заданной пористостью и многообразием функциональных свойств, но к существенным их недостаткам можно отнести низкую производительность, трудности, связанные с получением равномерно распределенной армируемой фазы в объеме матричного компонента, возможность повреждения армирующего компонента при компактировании, а также невозможность получения изделий больших габаритов [12,13].

В отличие от данных методов, способы обработки давлением лишены недостатков, присущих порошковой металлургии. Основное преимущество обработки давлением заключается в возможности производства композиционных материалов конструкционного назначения больших габаритов, обладающих высокой прочностью соединения компонентов на отрыв или срез. В основе этого метода лежит принцип совмещения (объединения) армированных элементов с матрицей и их последующего соединения в полуфабрикат с помощью сварки взрывом, ковки, диффузионной сварки, горячего прессования, прокатки и др. процессов [13-18].

Возможности использования энергии взрыва для соединения металлов

в твердой фазе были открыты практически одновременно в России и США еще в начале 60-х годов прошлого века. Так, например, в Волгоградском Государственном Техническом Университете (ВГТУ) за сравнительно короткий срок была образована целая научная школа этого направления. Согласно данной технологии, соединение материалов происходит за счет совместной пластической деформации в результате их соударения, вызванного взрывом. Принципиальная схема сварки взрывом представлена на рис. 1.2 [19-21,26].

Соединяемые слои металлов, один из которых неподвижен, располагают на некотором расстоянии (или под определенным углом) друг от друга. На подвижную заготовку кладут взрывчатое вещество с детонатором. При срабатывании детонатора происходит процесс распада взрывчатого вещества, создается давление, распространяющееся позади фронта детонации.

Сварка взрывом является известным способом

получения слоистых

композитов. При сварке взрывом не требуется предварительный нагрев

заготовки, тем самым сохраняется высокая

прочность армирующих

компонентов. Таким способом получают многослойные

листы, полосы,

цилиндрические заготовки и т.д. При этом, имеет место, значительная пластическая деформация поверхностных слоев и их локальный нагрев, приводящие под действием

Рис. 1.2 Схема сварки взрывом

1 -детонатор; 2-взрывчатое вещество; 3-верхний свариваемый слой; 4-нижний свариваемый слой

высокого давления к формированию прочного соединения с традиционной для сварки взрывом волнообразной зоной [22-25].

Процесс обработки взрывом позволяет соединять различные материалы с весьма широким диапазоном соотношения толщин слоев. Однако для обеспечения качественного соединения требуется высокий уровень отработки технологического процесса. Незначительные отклонения от оптимальных параметров приводят к существенной нестабильности качества соединения по площади и короблению соединяемых материалов, увеличивающейся с ростом площади их контакта, что ограничивает возможности использования данного метода. Как показано в работе [19], получить сплошность соединения между двумя слоями алюминиевого сплава АМгб не удается из-за образования в зоне контакта локальных оплавленных участков, хотя прочность соединения достигала прочности основного материала, образцы при всех видах испытаний не разрушались по зоне контакта. Применение оптимальной толщины плакирующего слоя из алюминия АД1, нанесённого на листы АМгб, обеспечило получение качественного соединения. Эта схема ведения процесса позволяет получить стабильное качество соединения при сварке взрывом крупногабаритных заготовок площадью до 4 м2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Евсеев, Павел Сергеевич, 2015 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бюшгенс Г.С., Кузнецов O.A., Ляпунов C.B. и др. Машиностроение. Энциклопедия в 40 томах. Раздел IV. Расчет и конструирование машин. Проектирование самолетов и вертолетов. T. IV-21. Кн. 1. Аэродинамика, динамика полета и прочность. -М.: Машиностроение, 2002, 800с.

2. В.Г. Дмитриев, В.М. Чижов. Основы прочности и проектирование силовой конструкции летательных аппаратов. - М.: Бумажная галерея, 2005,413с.

3. Заболоцкий С.А. Производство композитных материалов как элемент инновационного развития Российской промышленности. - М.: 2011, 152с.

4. Ушаков А.Е. Применение композиционных материалов в путевом хозяйстве. / АпАТэК - прикладная перспективная техника, 2012.

5. Абузин Ю.А. Функциональные металлические композиционные материалы и технологии в машиностроении. - Материалы в машиностроении. 2010, № 6, с. 52-54.

6. Загорянский В.Г., Пузырь Р.Г. Получение сваркой взрывом электротехнических медно-алюминиевых слоистых композитов. Кременчуг, 2008. с. 97- 103.

7. Король В.К., Гильденгорн М.С. Основы технологии производства многослойных металлов. - М.: "Металлургия", 1970.

8. Шоршоров М.Х., Алехин В.П. Влияние среды и состояния поверхности на процесс пластической деформации кристаллов (обзор). - Физика и химия обработки материалов. 1976, №1, с. 62-76.

9. Матусевич A.C. Композиционные материалы на металлической основе. Минск: Наука и техника, 1978, 305с.

10. Затуловский С.С., Кейзик В.Я., Иванова Р.К. Литые композиционные материалы/К.: Тэхника, 1990.

11. Comprehensive composite materials /под ред. A. Kelly, С. Zvveben. Vol.3 Metal Matrix Composites /ред. тома T.W. Clyne. UK: Cambridge University Press (ISBN 0-08-042993-9), 2000.

12. Кудинов B.B. Плазменные покрытия. M.: Наука, 1977, 184с.

13. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. -М.: Мет. 1976, 264с.

14. Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под ред. Н.Ф. Казакова. -М.: Машиностроение, 1981, 271с., ил.

15. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. — М.: Металлургия, 1982, 584с.

16. Теория пластических деформаций металлов. Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. - М.: Машиностроение, 1983, 598с., ил.

17. Шоршоров М.Х. Сварка давлением: Справочник, т. 1. Сварка в машиностроении. М.: Машиностроение, 1978, 357с.

18. Шоршоров М.Х., Дрюнин С.С. Кинетика соединения материалов в твердой фазе. Физика и химия обработки материалов. 1981, №1, стр.75

19. Трыков Ю.П., Гуревич J1.M., Шморгун В.Г. Слоистые композиты на основе алюминия и их свойства /- М.: Металлургиздат, 2004. — 230 с.

20. Шморгун В.Г., Трыков Ю.П., Богданов А.И. и др. Исследование теплофизических свойств слоистого интерметаллидного композита системы Al-Ni // Известия ВолгГТУ. Волгоград, 2010, №2. с. 22-26.

21. Шморгун В.Г., Трыков Ю.П., Слаутин О.В., Абраменко С.А. Механические свойства СИК системы Cu-Al с интерметаллидной прослойкой, сформированной в твердожидкой фазе // Известия ВолгГТУ. Волгоград, 2010, №3. с. 48-51.

22. Шморгун В.Г., Гуревич JT.M. Научные основы проектирования и изготовления нового класса конструкционных материалов - слоистых интерметаллидных композитов // Конструкции из композиционных материалов. - 2006. - № 4. - с. 133-134.

23. Шморгун, В.Г., Трыков Ю.П., Слаутин О.В. Комплексные технологические процессы получения слоистых интерметаллидных композитов // Конструкции из композиционных материалов. - 2005. — № З.-с. 3-9.

24. Шморгун, В.Г., Трыков Ю.П., Абраменко С.А. и др. Механические свойства СИК системы Cu-Al при повышенных температурах // Известия ВолгГТУ. № 3(12)/ ВолгГТУ. - Волгоград, 2005. - с. 12-16.

25. Абраменко С.А. Формирование структуры и свойств сваренных взрывом медно-алюминиевых слоистых металлических и интерметаллидных композитов. Диссертация. - Волгоград.: ВолгГТУ, 2009. 193с.

26. Люшинский A.B. Диффузионная сварка разнородных материалов : учеб. пособие. — М. : Издательский центр «Академия», 2006, 208 с.

27. Арефьев Б.А., Гурьев А.Н., Горина Н.Ф. и др. В кн. Композиционные материалы.-М.: Наука, 1981, с. 106-109.

28. Metal Matrix Composites: Status and Prospects. Reports of the Ad Hoc Committee on Metal-Matrix Composites. NMAB-313, National Academy of Sciences, Washington, D.C., 1974, 37p.

29. Меандров Л.В., Голованенко С.А. Производство биметаллов. - М.: "Металлургия", 1974.

30. Преображенский Е.В. Исследование и разработка технологического процесса производства оболочек из волокнистых композиционных материалов на примере композиции АД 1-Бор. Диссертация. — Москва.: МАТИ, 2011. 155с.

31. Колпашников А.И., Арефьев Б.А., Мануйлов В.Ф. Деформирование композиционных материалов. М.: Металлургия, 1982, 248с.

32. Машиностроение. Энциклопедия. /Ред. совет: К.В. Фролов и др. Том III-6: Технология производства изделий из композиционных материалов, пластмасс, стекла и керамики /Под общ. ред. B.C. Боголюбова. - М.: Машиностроение, 2006, 576с. ил.

33. Плохих А.И., Власова Д.В., Ховова О.М., Полянский В.М. Исследование влияния диффузионной подвижности легирующих элементов на стабильность структуры многослойных металлических материалов // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2011, №11, страница размещения: http://technomag.edu.ru/doc/262116.html

34. Дельгадо Рейна С.Ю., Табатчикова Т.И. Яковлева И.Л., Плохих А.И. Исследование структуры многослойного материала на основе нержавеющих сталей, полученного методом горячей пакетной прокатки. -Журнал Вектор науки ТГУ. 2013, № 3, с. 153-156.

35. Коржов В.П., Карпов М.И. Возможности пакетной прокатки и диффузионной сварки для получения многослойных микро- и нанокомпозитных функциональных материалов. Институт физики твёрдого тела РАН, г. Черноголовка, Московская обл., 2010

36. Коржов В.П., Карпов М.И., Некрасов А.Н. Структура и твердость многослойного микрокомпозита Ti-Ni, полученного прокаткой // Вестник ТГУ, 2010, т. 15, вып. 3. с. 945-946.

37. Карпов М.И., Коржов В.П., Внуков В.И., Терехова И.С. Механические свойства наноструктурных многослойных композитов Nb-Nb-3lMacc.% -Ti. // Вестник Новгородского Государственного Университета, 2010, №55. с. 6-9.

38. Плохих А.И., Путырский C.B. Моделирование процесса пластической деформации многослойных металлических материалов. - Журнал Известия ВолгГТУ. 2010 с. 25-30.

39. Колесников А.Г., Плохих А.И., Комиссарчук Ю.С., Михальцевич И.Ю. // МиТОМ. 2010, №6, с. 44-49.

40. Ильченко Н.И., Диденко С.Ю., Неклюдов И.М. Получение по методу горячей прокатки в вакууме толстых плит из биметалла медь-алюминий -Вопросы атомной науки и техники. 2002, № 6, с. 160—161.

41. Колесников А.Г., Плохих А.И., Шинкарев A.C., Миронова М.О. Прокатка стального многослойного материала // Заготовительные производства в машиностроении. 2013, №8, с. 39-43.

42. Колесников А.Г., Плохих А.И., Миронова М.О. Исследование структуры и свойств многослойных материалов на основе алюминиевых сплавов // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2011, №11

43. Борц Б.В., Ванжа А.Ф., Лопота А.Т., Неклюдов И.М., Шевченко C.B. Исследование процессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химического состава с помощью горячей прокатки в вакууме // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 2005, №5, с. 156-158.

44. Борц Б.В. Создание композиционных материалов методом горячей прокатки в вакууме // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 2009, №2, с. 128-134.

45. Счастливая И.А., Мулюков P.P., Лысак В.И., Кузьмин C.B., Иголкина Т.Н. Применение наноструктурированных материалов для создания

соединений и слоистых композитов на основе титановых сплавов // Известия ВолгГТУ. Волгоград, 2008, №2, с. 97-105.

46. Неклюдов И.М., Белоус В.А., Воеводин В.Н. и др. Перспективы производства и использования металлических микроламинатов, получаемых вакуумной прокаткой // Вопросы атомной науки и техники. Харьков, 2010, №5, с. 89-94.

47. Неклюдов И.М., Белоус В.А., Воеводин В.Н. и др. Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо // Вопросы атомной науки и техники. Харьков, 2010, №5, с. 95-101.

48. Колесников А.Г., Шинкарев A.C. Моделирование прокатки многослойных композитов на основе разнородных металлов //

■ Студенческая научная весна. Машиностроительные технологии. Москва, 2011. с. 1-6.

49. Карпов М.И., Внуков В.И., Волков К.Г., и др. Возможности метода вакуумной прокатки как способа получения многослойных композитов с нанометрическими толщинами слоев // Материаловедение. - 2004. - № 1. с. 48-53.

50. Колесников А. Г, Мечиев Ш. Т., Панова И. Ю. Состояние и перспективы применения многослойных металлических заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008. - №1. с. 42-43

51. Композиционные металлические материалы. Труды научно-технической конференции. ВИАМ ОНТИ, 1972г.

52. Астров Е.И. Плакированные многослойные металлы. - М.: "Металлургия", 1975, 141 стр. с илл.

53. Справочник «Авиационные материалы». Том 4. Алюминиевые и бериллиевые сплавы. Часть 1. Деформируемые алюминиевые сплавы и сплавы на основе бериллия. В двух книгах. /Под общ. ред. P.E. Шапина — М.: ОНТИ ВИАМ, 1983.

54. Композиционные материалы: в 8-ми т. Пер. с англ. / Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. Т.4. Композиционные материалы с металлической матрицей / Под ред. К. Крейдера. М.: Машиностроение, 1978. 503 е., ил.

55. Структура и свойства композиционных материалов / Портной К.И., Салибеков С.Е., Светлов И.Л. и др. - М.: Машиностроение, 1979, 255с., ил.

56. ГОСТ 4784-97 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые.

57. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение: Учебник для высших технических заведений. - 3-е изд., М.: Машиностроение, 1990.

58. Справочник металлиста. В 5-ти томах. Том 2. Под ред. А.Г. Рахштадта и В.А. Брострема. М.: «Машиностроение», 1976, 720с.

59. Голованенко С.А. Сварка прокаткой биметаллов. - М.: "Металлургия", 1977, 233 стр. с ил л.

60. Семенов А.П. Схватывание металлов. М.: Машгиз, 1958, 280с.

61. Айнбиндер-С. Б., Клокова Э. Ф. Некоторые вопросы теории сцепления металлов при совместной пластической деформации // Изв. АН Латв ССР.— 1958. —№ 12. —с. 141-154.

62. Айнбиндер С. Б. Холодная сварка металлов. — Рига: Изд-во АН Латв ССР, 1957. —162 с.

63. Красулин Ю. Л., Шоршоров М. X. О механизме образования соединения разнородных материалов в твердом состоянии // Физ. и хим. обработки материалов. — 1967. — № 1. — С. 89-97.

64. Галкин В.И., Евсеев П.С., Анохин А.О. Исследование возможностей получения супермногослойных материалов системы алюминий - медь с помощью горячей прокатки // Технология машиностроения. Москва, 2014, №7, с. 5-10.

65. Галкин В.И., Евсеев П.С., Галкин Е.В. Экспериментально-аналитическое определение условий получения качественных многослойных металлических материалов при прокатке // Технология легких сплавов. Москва, 2014, №4, с. 88-96.

66. Воеводин В.Н., Ильченко Ю.Н., ДиденкоЮ.С., Диденко С.Ю., Ильченко Н.И., Рыбальченко Н.Д. Влияние параметров термомеханической обработки биметаллов Cu-Al на их структурно-фазовое состояние. — Журнал Вопросы атомной науки и техники. 2007, №6, с. 139-141.

67. Трыков Ю. П., Гуревич Л. М., Арисова В. Н. Диффузия в слоистых композитах: Монография/; ВолгГТУ. Волгоград, 2006. 403 с.

68. Фридлянд Д. А. Сварка алюминия с титаном / Д. А. Фридлянд, Т. Н. Зиновьева, Ю. К. Кононов // Сварочное производство. 1963. - № 11. - с.

5-8.

69. Седых, В. С. Факторы, определяющие надежность свариваемых взрывом композиционных соединений / В. С. Седых, Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. Волгоград, 1986.- с. 3-34.

70. Лариков, Л. Н. Диффузия в металлах и сплавах: справочник / Л. Н. Ла-риков, В. И. Исайчев. Киев: Наукова думка, 1987. - 512 с.

71. Мануйлов В.Ф., Смирнов В.И., Галкин В.И. Расчеты процессов деформации композиционных материалов. М.: Металлургия, 1992, 208с.

72. Колпашников А.И., Мануйлов В.Ф., Ширяев Е.В. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами. М.: Металлургия, 1975, 58с.

73. Соколов A.B. Разработка и исследование процесса однопроходной прокатки листов из волокнистых композиционных материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МАТИ, 1999, 22с.

74. Галкин В.И. Новые эффективные методы производства изделий из волокнистых композиционных материалов. - М.: МАТИ, 1997, 68с.

75. Арефьев Б.А., Мануйлов В.Ф., Тихонов A.C., Колпашников А.И. и др. К вопросу о получении ВКМ с металлической матрицей методами обработки металлов давлением. - Технология легких сплавов, 1977, №11, с. 68-71.

76. Композиционные материалы: Справочник/ В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольскога -М.: Машиностроение, 1990. - 512 е.; ил.

77. Архангельский A.B., Полухин П.И., Кнышев Ю.В. и др. Расчет деформаций биметаллического пакета при прокатке. В сб. МИСиС: Пластическая деформация металлов и сплавов. - М.:Металлургия, 1968, №47, с.141-146.

78. Корщиков В.Д., Засуха П.Ф., Ещенко В.Ф. и др. Получение плакированной алюминием тонколистовой стали для глубокой вытяжки. - Сталь, 1968, № 5, с.441-444.

79. Мастеров В.А., Барыкин II.П., Архангельский A.B. Расчет обжатий при двустороннем плакировании. - В сб. МИСиС.: Пластическая деформация металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1968, № 47, с. 152-158.

80. JT.B. Меандров, A.A. Бычков, B.B. Зайцев и др. Теоретическое определение послойной деформации при обработке давлением биметалла с прочным сцеплением слоев. Технология легких сплавов, 1973, № 5, с.74-78.

81. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. Пер. с англ. — М.: Мир, 1979. 392 с.

82. Белоцерковский, О. М. Численное моделирование в механике сплошных сред / О. М. Белоцерковский. - М. : Наука, 1984. - 520 с.

83. Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures / M. J. Turner, R. W. Clouhg, H. C. Martin, L. J. Topp // Journal of the Aeronautical Sciences. -1956. -№23.-P. 805-824.

84. Галкин В.И., Петров А.П., Палтиевич A.P. Особенности применения конечно-элементного анализа процессов обработки металлов давлением и перспективы прогнозирования структуры и свойств изделий. Технология машиностроения, № 9, 2007.

85. Галкин В. И., Палтиевич А. Р., Паршиков А. Н., Соколов А. В. Практика применения математического моделирования при решении технологических задач обработки металлов давлением. Технология легких сплавов №1, 2000.

86. Харламов A.A., Латаев А.П., Галкин В.В., Уланов Л.В. Моделирование обработки металлов давлением к помощью комплекса DEFORM. -Журнал САПР и графика, №5, 2005. с. 2-4.

87. Губкин С. И. Пластическая деформация металлов. Том II. Москва. ГНТИ. 1960 г.-376 е., с ил.

88. ANSYS, Inc. Theory Manual. Release 5.7. Изд. 12-е. Под ред. Peter Kohnke, Ph.D. SAS IP, Inc., 2001. 1266 с.

89. Лежнев С., Панин Е. Использование программного комплекса DEFORM 2D/3D в научной работе и учебном процессе. - Журнал САПР и графика. 2009, №5, с. 2-3.

90. Якушев В.А., Евсеев П.С., Шаронова Е.О., Суржок Е.И. Использование современных CAE-систем при моделировании технологии прокатки многослойных композитов из алюминиевых сплавов //Девятая Всероссийская научно-практическая конференция "Применение ИПИ-технологий в производстве". М.: МАТИ, 2011. с. 28-32.

91. Евсеев П.С., Суржок Е.И., Пименов С.С. Реализация метода конечных элементов прй моделировании процесса прокатки // XXVIII Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции. М.: МАТИ, 2012.

92. Евсеев П.С. Методы получения супермногослойных композиций на основе алюминиевых сплавов. Быстрозакаленные материалы и покрытия // Труды 10-й Юбилейной Всероссийской с международным участием научно-технической конференции: М.: МАТИ, 2011. с. 345-351.

93. Галкин В.И., Евсеев П.С. Методика получения супермногослойного листового композиционного материала, легированного в твердой фазе // XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции. М.: МАТИ, 2013. том 1. с. 198-199.

94. Колесников А.Г., Шинкарев A.C. Разработка технологии прокатки наноламинатов на основе железа // Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии. Москва, 2010.

95. ГОСТ 1173-2006 Фольга, ленты, листы и плиты медные. Технические условия.

96. Гуляев А.П. Металловедение./ Учебник для вузов 6-е изд. М.: Металлургия 1986. 544с.

97. Jeffrey Fluhrer DEFORM 2D Version 8.1 users manual. 276 c.

98. Целиков А.И., Гришков А.И. Теория прокатки M.: 1970. 358 с.

99. Справочник металлиста. В 5-ти томах. Том 1. Изд. 3-е, перераб. Под ред. С.А. Чернавского и В.Ф. Рещикова. М.: «Машиностроение», 1976, 768с.

100. Колобов Ю.Р., Липницкий А.Г., Иванов М.Б., Голосов Е.В. Роль диффузионно-контролируемых процессов в формировании структуры и свойств металлических наноматериалов // Композиты и наноструктуры. Белгород, 2009, №2, с. 5-24.

101.Toth I.J., Brentnall W.D., Menke G.D. Making product from composites. Journal of Metals, 1972, v.24, №10, p. 37-42.