Влияние остаточных напряжений на сварные соединения из разнородных материалов, выполненные диффузионной сваркой в вакууме
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Состояние и перспективы применения диффузионной сварки в
двигателестроении 8
2 Проблемы обеспечения заданных свойств диффузионных соединений 15
3 Деформации и напряжения, возникающие во время сварки и их влияние на
сварные соединения 19
3.1 Природа и классификация остаточных напряжений 21
3.2 Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства деталей
и изделий в целом 36
3.3 Методы оценки работоспособности элементов конструкции ГТД с
позиции механики остаточных напряжений 37
4 Общие выводы и формулировка задач 41
5 Основные закономерности и особенности деформирования деталей из
разнородных материалов при диффузионной сварке 44
6 Выбор и оптимизация барьерных прослоек при диффузионной сварке
элементов конструкции ГТД из разнородных материалов 48
7 Разработка математической модели для теоретической оценки взаимной
диффузии в разнородных соединениях с прослойкой 56
8 Разработка технологии диффузионного соединения через расплавляющиеся
прослойки элементов конструкции ГТД 74
8.1 Применяемое оборудование и приборы 75
8.2 Технологическая оснастка для сварки узлов 78
8.3 Подготовка соединяемых поверхностей деталей узлов к сварке 81
8.4 Сварка роторов турбин из жаропрочных сплавов и сталей 82
8.5 Контроль качества сварного соединения 85
9 Общие выводы по результатам работы 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 90
1 Состояние и перспективы применения диффузионной сварки в
двигателестроении 8
2 Проблемы обеспечения заданных свойств диффузионных соединений 15
3 Деформации и напряжения, возникающие во время сварки и их влияние на
сварные соединения 19
3.1 Природа и классификация остаточных напряжений 21
3.2 Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства деталей
и изделий в целом 36
3.3 Методы оценки работоспособности элементов конструкции ГТД с
позиции механики остаточных напряжений 37
4 Общие выводы и формулировка задач 41
5 Основные закономерности и особенности деформирования деталей из
разнородных материалов при диффузионной сварке 44
6 Выбор и оптимизация барьерных прослоек при диффузионной сварке
элементов конструкции ГТД из разнородных материалов 48
7 Разработка математической модели для теоретической оценки взаимной
диффузии в разнородных соединениях с прослойкой 56
8 Разработка технологии диффузионного соединения через расплавляющиеся
прослойки элементов конструкции ГТД 74
8.1 Применяемое оборудование и приборы 75
8.2 Технологическая оснастка для сварки узлов 78
8.3 Подготовка соединяемых поверхностей деталей узлов к сварке 81
8.4 Сварка роторов турбин из жаропрочных сплавов и сталей 82
8.5 Контроль качества сварного соединения 85
9 Общие выводы по результатам работы 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 90
Современные турбоагрегаты, установки и газотурбинные двигатели (ГТД) нашли широкое применение в различных отраслях машиностроения Российской Федерации, таких как судостроение, нефтяное, нефтехимическое, взрывопожароопасное и газовое оборудование, аэрокосмической, авиационной, автомобильной и других (например, рисунок 1 [47]).
Повышение I эксплуатационных характеристик и экономической эффективности современных ГТД, установок и турбоагрегатов является одной из важнейших проблем в двигателестроении. В настоящее время в работе ГТД применяется топливо, которое сгорает при более высоких температурах, нежели его предшественники, что приводит к повышению мощности и коэффициента полезного действия, ресурса работы и эко логичности двигателей. Поэтому металлургической промышленности стало необходимо начать разработки над созданием новых материалов со специальными свойствами, например, новых конструкционных сталей и сплавов на различной основе, твердых сплавов, композиционных сплавов, а также металлокерамик и других современных материалов. Возможность реализации специальных свойств металлов и сплавов, к которым можно отнести электромагнитные, прочностные, химические, эрозионные, коррозионные и многие другие, предназначенные для использования в довольно экстремальных условиях эксплуатации, таких как максимальные и минимальные температуры с резкими температурными скачками, вакуум, целый ряд знакопеременных нагрузок и т.п., предполагает разработку новых комбинированных конструкций узлов и деталей с надежными и отвечающими эксплуатационным требованиям неразъемными соединениями, обладающими высокой прочностью [1].
В современном двигателестроении применению современных материалов со специальными свойствами, такими как - жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость, а также высокими механическими свойствами, отведено особое внимание, и они занимают лидирующие позиции по сравнению с более «простыми» металлами. Среди таких материалов можно особо выделить современные жаропрочные и жаростойкие никель-кобальтовые сплавы, а также сплавы, полученные на основе титана и алюминия, высокопрочные жаростойкие стали и сплавы, новейшие композиционные материалы и различные виды керамик.
Вышеупомянутые материалы для обеспечения своих специальных свойств содержат очень сложный состав и строение. И чтобы в полной мере раскрыть все свойства и преимущества данных материалов при изготовлении узлов и агрегатов современных газотурбинных двигателей, необходимо увеличивать их процентное содержание, в элементах конструкции применяя как в однородном, так и разнородном сочетании. В связи с этим появляется возможность реализовать ряд достоинств каждого материала и решить большой круг современных задач в области конструкторских и технологических разработок и инноваций [1, 50].
Но встает проблема в получении высокопрочных соединений из таких материалов, так как возникают определенные трудности, а именно, например, при сварке плавлением таких материалов возникают как горячие, так и холодные трещины, связанные с необратимыми структурными изменениями и фазовыми превращениями в металле, а также происходит выгорание основных легирующих элементов, что плохо сказывается на физико-механические свойствах сварного соединения. В связи с этим следует обратить внимание на такой способ сварки давлением, как диффузионная сварка в вакууме, которая является перспективной, а иногда и единственной при соединении элементов узлов конструкций газотурбинных двигателей и турбоагрегатов.
В настоящее время показана принципиальная возможность использования для соединения таких материалов способов диффузионной сварки. Однако, несмотря на достаточно широкое их распространение общих подходов по выбору той или иной технологии, оптимизации основных факторов процесса для конкретных составных конструкций нет.
Так как во многих случаях при соединении материалов со специальными свойствами необходимо ограничение теплового воздействия, что требует разработки способов сварки с большой локальностью нагрева и с оптимальными значениями температуры с точки зрения их минимизации. При этом, многие способы сварки давлением неэффективны, так как необходимы большие объемные деформации. В то время как рассматриваемые материалы, как правило обладают малой пластичностью [1, 50]. Использование диффузионной сварки в вакууме через «барьерные» и «мягкие» прослойки позволяет решать указанные выше технические трудности. Этот В способ позволяет достаточно хорошо регулировать процессы деформирования и массопереноса в зоне сварного соединения.
Для многих элементов В конструкций ГТД и турбоагрегатов предъявляются очень жесткие требования по их форме и размерам, что возможно обеспечить только при минимальных деформациях в зоне соединения. При этом перспективными технологиями являются диффузионная сварка через расплавляющиеся прослойки, при которой в контакте материалов протекают процессы образования химических связей на свариваемых поверхностях диффузионные процессы возникновения и роста химических соединений (интерметаллидов, I карбидов, боридов и т.п.) в переходной зоне как однородных, так и при разнородных сочетаниях материалов.
Перечисленные преимущества способов диффузионного соединения материалов со специальными свойствами создают предпосылки их успешного применения для получения работоспособных, прецизионных элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов. В данной работе предпринята попытка провести исследования по разработке научных основ для повышения эффективности, существующих технологий диффузионного соединения для различных сочетаний современных и перспективных материалов применительно к элементам конструкций газотурбинных двигателей и агрегатов
Повышение I эксплуатационных характеристик и экономической эффективности современных ГТД, установок и турбоагрегатов является одной из важнейших проблем в двигателестроении. В настоящее время в работе ГТД применяется топливо, которое сгорает при более высоких температурах, нежели его предшественники, что приводит к повышению мощности и коэффициента полезного действия, ресурса работы и эко логичности двигателей. Поэтому металлургической промышленности стало необходимо начать разработки над созданием новых материалов со специальными свойствами, например, новых конструкционных сталей и сплавов на различной основе, твердых сплавов, композиционных сплавов, а также металлокерамик и других современных материалов. Возможность реализации специальных свойств металлов и сплавов, к которым можно отнести электромагнитные, прочностные, химические, эрозионные, коррозионные и многие другие, предназначенные для использования в довольно экстремальных условиях эксплуатации, таких как максимальные и минимальные температуры с резкими температурными скачками, вакуум, целый ряд знакопеременных нагрузок и т.п., предполагает разработку новых комбинированных конструкций узлов и деталей с надежными и отвечающими эксплуатационным требованиям неразъемными соединениями, обладающими высокой прочностью [1].
В современном двигателестроении применению современных материалов со специальными свойствами, такими как - жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость, а также высокими механическими свойствами, отведено особое внимание, и они занимают лидирующие позиции по сравнению с более «простыми» металлами. Среди таких материалов можно особо выделить современные жаропрочные и жаростойкие никель-кобальтовые сплавы, а также сплавы, полученные на основе титана и алюминия, высокопрочные жаростойкие стали и сплавы, новейшие композиционные материалы и различные виды керамик.
Вышеупомянутые материалы для обеспечения своих специальных свойств содержат очень сложный состав и строение. И чтобы в полной мере раскрыть все свойства и преимущества данных материалов при изготовлении узлов и агрегатов современных газотурбинных двигателей, необходимо увеличивать их процентное содержание, в элементах конструкции применяя как в однородном, так и разнородном сочетании. В связи с этим появляется возможность реализовать ряд достоинств каждого материала и решить большой круг современных задач в области конструкторских и технологических разработок и инноваций [1, 50].
Но встает проблема в получении высокопрочных соединений из таких материалов, так как возникают определенные трудности, а именно, например, при сварке плавлением таких материалов возникают как горячие, так и холодные трещины, связанные с необратимыми структурными изменениями и фазовыми превращениями в металле, а также происходит выгорание основных легирующих элементов, что плохо сказывается на физико-механические свойствах сварного соединения. В связи с этим следует обратить внимание на такой способ сварки давлением, как диффузионная сварка в вакууме, которая является перспективной, а иногда и единственной при соединении элементов узлов конструкций газотурбинных двигателей и турбоагрегатов.
В настоящее время показана принципиальная возможность использования для соединения таких материалов способов диффузионной сварки. Однако, несмотря на достаточно широкое их распространение общих подходов по выбору той или иной технологии, оптимизации основных факторов процесса для конкретных составных конструкций нет.
Так как во многих случаях при соединении материалов со специальными свойствами необходимо ограничение теплового воздействия, что требует разработки способов сварки с большой локальностью нагрева и с оптимальными значениями температуры с точки зрения их минимизации. При этом, многие способы сварки давлением неэффективны, так как необходимы большие объемные деформации. В то время как рассматриваемые материалы, как правило обладают малой пластичностью [1, 50]. Использование диффузионной сварки в вакууме через «барьерные» и «мягкие» прослойки позволяет решать указанные выше технические трудности. Этот В способ позволяет достаточно хорошо регулировать процессы деформирования и массопереноса в зоне сварного соединения.
Для многих элементов В конструкций ГТД и турбоагрегатов предъявляются очень жесткие требования по их форме и размерам, что возможно обеспечить только при минимальных деформациях в зоне соединения. При этом перспективными технологиями являются диффузионная сварка через расплавляющиеся прослойки, при которой в контакте материалов протекают процессы образования химических связей на свариваемых поверхностях диффузионные процессы возникновения и роста химических соединений (интерметаллидов, I карбидов, боридов и т.п.) в переходной зоне как однородных, так и при разнородных сочетаниях материалов.
Перечисленные преимущества способов диффузионного соединения материалов со специальными свойствами создают предпосылки их успешного применения для получения работоспособных, прецизионных элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов. В данной работе предпринята попытка провести исследования по разработке научных основ для повышения эффективности, существующих технологий диффузионного соединения для различных сочетаний современных и перспективных материалов применительно к элементам конструкций газотурбинных двигателей и агрегатов
Несмотря на интенсивное развитие диффузионной сварки, возникает много довольно сложных научно-технических задач, которые связанны со сдерживанием «вредного» влияния термодеформационных процессов соединения на механические характеристики основных материалов, переходной зоны и самого сварного соединения, которое отвечало бы заданным техническим требованиям.
В первую очередь, это связано с уменьшением температурного воздействия на основные материалы и зону сварного соединения для устранения «вредных» химических соединений, например таких как прослойки интерметаллидов, карбидов и т.п., а также возникновение остаточных напряжений в сварных соединениях и конструкциях в целом. Иногда для сохранения формы и размеров элементов конструкции и/или изделия в целом нужно ограничить давления сжатия.
Выбор способа диффузионной сварки в вакууме с оптимизацией его основных параметров при решении вышеизложенных задач является вполне закономерным, так как он дает возможность прийти к положительному результату и получить высокотехнологичные соединения удовлетворяющие эксплуатационным требованиям.
В первую очередь, это связано с уменьшением температурного воздействия на основные материалы и зону сварного соединения для устранения «вредных» химических соединений, например таких как прослойки интерметаллидов, карбидов и т.п., а также возникновение остаточных напряжений в сварных соединениях и конструкциях в целом. Иногда для сохранения формы и размеров элементов конструкции и/или изделия в целом нужно ограничить давления сжатия.
Выбор способа диффузионной сварки в вакууме с оптимизацией его основных параметров при решении вышеизложенных задач является вполне закономерным, так как он дает возможность прийти к положительному результату и получить высокотехнологичные соединения удовлетворяющие эксплуатационным требованиям.