Регистрация / Вход
Прислать материал

Технологические возможности диффузионной сварки (ДС) в условиях горячего изостатического прессования (ГИП) и исследование диффузионных соединений разнородных металлов, полученных этим методом.

Сведения об участнике
ФИО
Медведев Денис Андреевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования«Московский технологический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Композитные материалы
Тема
Технологические возможности диффузионной сварки (ДС) в условиях горячего изостатического прессования (ГИП) и исследование диффузионных соединений разнородных металлов, полученных этим методом.
Резюме
В настоящей работе рассмотрены технологические возможности ГИП для осуществления ДС деталей из разнородных материалов на примере теплообменников сложной сварной конструкции, изготовленных из БрХЦр, сталей и Cu, и узлов дивертора из сталей 316L и XM16 с площадью соединения одной заготовки ~ 540см2 и массой заготовок около 1 тонны применительно для ИТЭР. Показана возможность получения биметаллов ВТ6с - 12Х18Н10Т через прослойки меди (0,5мм) и ниобия (0,3мм) для РКТ; с помощью микрорентгеноспектрального анализа показан характер распределения химических элементов в трех диффузионных зонах: ВТ6с - Nb, Nb - Cu, Cu - 12Х18Н10Т. Исследованы прочностные свойства всех полученных соединений.
Ключевые слова
Диффузионная сварка; сварка в твердом состоянии; горячее изостатическое прессование; сварочное давление; диффузионная зона; разнородные материалы; промежуточные прослойки
Цели и задачи
Целью настоящей работы является:
- изучение и опробование технологических возможностей горячего изостатического прессования (ГИП) для диффузионной сварки (ДС) различных пар разнородных металлических материалов применительно к некоторым деталям и узлам интернационального термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) и Ракетно-космической технике (РКТ).
- исследование диффузионных соединений разнородных материалов, полученных ДС в условиях ГИП
Введение

Создание новых сварных узлов из разнородных металлов и сплавов является актуальной задачей, необходимой для развития новых технологий, позволяющих изготовлять не только принципиально новые конструкции и детали, но и удешевлять конструкции, применяя дорогостоящие материалы, отличающиеся высокой прочностью, жаропрочностью и/или жаростойкостью, только в ответственных и особо нагруженных местах, в узлах, работающих в условиях повышенных температур, ударных нагрузок, под огромными растягивающими или сжимающими напряжениями и т.д. Настоящая работа относится к области сварки в твердом состоянии однородных и разнородных металлических материалов, не поддающихся сварке плавлением напрямую.

Методы и материалы

При классической ДС сварочное усилие, например пресса , обеспечивает создание физического контакта между соединяемыми поверхностями, но в большинстве случаев давления и времени выдержки недостаточно для получения качественного соединения. Реализовать более высокое сварочное усилие можно в газостате посредством воздействия высокого давления всестороннего сжатия инертного газа на свариваемые материалы в процессе ГИП (до 200 МПа), обеспечивающего основные технологические эффекты и преимущества:

- одинаковое сварочное усилие в любой точке зоны соединения, независимо от ее геометрии и размеров;

- сохранение  исходных геометрических размеров и формы обрабатываемого объекта;

- создание абсолютного физического контакта соединяемых поверхностей.

Использование данной разновидности ДС позволяет получать материалы с наилучшими свойствами, высокую степень однородности структуры по всему соединению при диффузионной сварке; детали получаемые диффузионной сваркой в условиях ГИП обладают максимальным значением прочности, соизмеримой с прочностью основного металла, изотропией свойств, и не имеют в зоне соединения пор и трещин. Кроме того возможные поры и микротрещины соединяемых материалов залечиваются при ГИП, тем самым улучшаются их механические характеристики и устраняется возможный брак.

Описание и обсуждение результатов

Методика выполненных экспериментов разрабатывалась с учетом особенностей технологий ГИП и традиционной ДС. В результате этого были разработаны и опробованы новые технологические приемы получения сложных сварных конструкций способом ДС в условиях ГИП. Этим методом были получены различные пары разнородных металлов, а полученные соединения исследовались с помощью оптической и электронной микроскопии, подвергались механическим испытаниям. Были испытаны биметаллические образцы бронза БрХЦр - сталь 12Х18Н10Т, БрХЦр - сталь 316L, сталь 316L - сталь XM19 и титан ВТ6с - сталь 12Х18Н10Т через промежуточные прослойки меди (0,5 мм) и ниобия (0,3 мм). Установлено, что максимальная величина временного сопротивления растяжению соединения БрХЦр - 12Х18Н10Т, полученного ДС в условиях ГИП составляет при 20°С - 457 МПа, при 250°С - 370 МПа (разрушение по зонам соединения); величина временного сопротивления растяжению соединения сталь 316L - сталь XM19, полученного ДС в условиях ГИП составляет при 20°С - 600 МПа, что соответствует прочности стали 316L (разрушение произошло по стали 316L); максимальная величина временного сопротивления растяжению ВТ6с - 12Х18Н10Т через промежуточные прослойки меди и ниобия составила 493 МПа.

​Показаны технологические возможности ДС в условиях ГИП на примере теплообменников сложной сварной конструкции для ИТЭР, изготовленных из бронзы БрХЦр, стали 12Х18Н10Т и меди, и крупногабаритных узлов дивертора ИТЭР из сталей 316L и XM16 с площадью соединения одной заготовки ~ 540см2 и массой заготовок около 1 тонны.

Одна из технологических особенностей ДС в условиях ГИП состоит в необходимости герметизации зоны сварки, что обеспечивает трансформацию  давления газа в сварочное усилие. Для этого в классическом варианте свариваемые детали помещают в герметичную металлическую капсулу, которую перед ГИП вакуумируют. На примере теплообменника со сквозным каналом охлаждения для ИТЭР, состоящий из бронзы и стали, была опробована технология изготовления без наружного контейнера, с промежуточной пайкой бронзовых составляющих. 

Было опробовано получение соединения ВТ6с - 12Х18Н10Т через промежуточные прослойки меди и ниобия методом сварки взрывом, и результат оказался неудовлетворительным. Сравнительный анализ соединений ВТ6с - 12Х18Н10Т, полученных сваркой взрывом и ДС в условиях ГИП показал, что ДС в условиях ГИП отличается стабильностью механических свойств по всей зоне соединений, отсутствием макродеформаций и растрескивания соединяемых материалов и получением надежных работоспособных сварных конструкций для ответственных изделий.

Показано, что применение технологии ГИП позволяет осуществлять диффузионную сварку различных разнородных металлических материалов в виде конструкций сложной формы, любых размеров и массы, ограниченных рабочим пространством газостата, с формированием надежных соединений высокого качества.

Используемые источники
1. Диффузионная сварка разнородных материалов/ А. В. Люшинский//М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 208с.
2. Диффузионная сварка материалов: Справочник/ под редакцией Д50 Н. Ф. Казакова - М: Машиностроение, 1981. - 271с.
3. Конюшков Г. В., Мусин Р. А. Специальные методы сварки давлением. Учебное пособие. - Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2009. - 632с.
4. Диффузионная сварка титана. Каракозов Э. С., Орлова Л. М., Пешков В. В., Григорьевский В. И. М., "Металлургия", 1977. - 272с.
Information about the project
Surname Name
Medvedev Denis
Project title
The technological capabilities of diffusion welding in process hot isostatic pressing and investigate diffusion bonding of dissimilar metals, produced by this method.
Summary of the project
The present study examined the technological capabilities of the hot isostatic pressing for diffusion welding parts of dissimilar materials on the example heat exchangers complex welded construction made of bronze, steel, and copper and diverter assemblies of steel 316L and XM16 with a connections area of one specimen ~ 540sm2 and specimen the weigh of 1 ton as applied for International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Tried out obtaining bimetal titanium alloy - steel through a layer of copper and niobium for; with the help of electron microprobe analysis (EMPA) shows the distribution of chemical elements in the three areas of diffusion: titanium alloy - niobium, niobium - copper, copper - steel. Investigated the strength properties of the produced bonding.
Keywords
Diffusion welding; hot isostatic pressing; welding pressure; a diffusion joint; dissimilar metals; intermediate layers