Активация твердофазного диффузионного взаимодействия при формировании сварных соединений


АКТИВАЦИЯ ТВЕРДОФАЗНОГО ДИФФУЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ



Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.791
ББК 34.641
     А43


Авторы:
Муравьёв В. И., Бахматов П. В., Саблин П. А., Григорьев В. В.

Рецензент:
директор Института машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения Российской академии наук кандидат технических наук, доцент Комаров Олег Николаевич



А43       Активация твердофазного диффузионного взаимодействия при
     формировании сварных соединений : монография / [Муравьёв В. И. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 368 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1108-0

     Рассмотрены направления развития технологии сварки в твердофазном состоянии конструкционных материалов. Изложены теоретические основы взаимодействия однородных и разнородных материалов в условиях активационного воздействия среды. Исследовано влияние существующих видов раздела материалов на формирование структуры и рельефа поверхности и процессы адсорбции и десорбции загрязнений на этой поверхности. Исследованы процессы активации твердофазного поверхностного легирования металлами и металлоидами формирования твердофазного соединения порошковых частиц, холоднопрессованных порошковых частиц и листовых заготовок.
     Для специалистов в области сварки и аспирантов соответствующих специальностей. Может служить основой для разработки технологических рекомендаций, стандартов, определяющих содержание учебных планов, учебнометодических пособий для профессиональной подготовки инженерных и научных кадров.


                                                         УДК 621.791
                                                         ББК 34.641





ISBN 978-5-9729-1108-0

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ВВЕДЕНИЕ


     Конструкторская мысль всегда опережает разработку подходящих для ее реализации материалов и в особенности технологии изготовления изделий из них.
     Технологии изготовления деталей, узлов, механизмов и машин в целом определяют во многом ресурс изделия, его трудоемкость и себестоимость, стабильность и культуру производства. Существует постоянная взаимосвязь между конструкцией изделия и технологией его производства. Создание новых технологий, способных обеспечить получение деталей, удовлетворяющих высоким техническим требованиям, открывает дорогу для конструктивного совершенствования машин и механизмов.
     На современном этапе развития науки особенно остро ощущается потребность в создании теоретических основ разработки и получения новых материалов (или выбора среди известных) с заданными свойствами.
     Повышение требований к летным характеристикам современной авиакосмической техники привело к возрастанию потребности в материалах с улучшенным комплексом механических свойств. Титановые сплавы являются перспективным материалом для применения в различных областях машиностроения и особенно в авиакосмической технике благодаря их высокой удельной прочности, сопротивлению усталости, вязкости разрушения и коррозионной стойкости.
     Одним из важнейших показателей технологичности конструкции изделия и технического уровня производства является коэффициент использования металла (КИМ) - отношение чистой массы изделия, узла, детали к массе металла, необходимого для изготовления, по норме или фактически затраченного в производстве. КИМ как в целом по изделию, так и по отдельным видам применяемых материалов и заготовок зависят от технологичности конструкции (возможности применения прогрессивных заготовок с малыми припусками на окончательную обработку деталей), от технического уровня производства (наличия необходимого технологического оборудования), а также от возможностей металлургической промышленности по поставке рационального профиля и типоразмера проката.
     КИМ при изготовлении панелей вафельного типа из высокопрочных алюминиевых сплавов составляет всего 0,07.. .0,11, т. е. практически 90 % плиты перерабатывается в стружку.
     Трудоемкость механической обработки деталей и узлов самолетных конструкций составляет 25...35 % от общей трудоемкости изготовления изделий. Использование в конструкциях крупногабаритных монолитных деталей сложных форм и труднообрабатываемых материалов вызывает рост объема работ по механической обработке.
     Скорости резания, применяемые при обработке деталей из титановых сплавов без окисленного газонасыщенного слоя («корки»), в зависимости от их предела прочности в 1,5...4,0 раза ниже скоростей резания, применяемых при

3

обработке деталей из стали 45. При работе по «корке» скорости снижаются соответственно в 2 раза.
     Высокая производительность процесса сварки, хорошее качество сварных соединений и экономичное использование металла способствовали тому, что сварочная техника развилась в ведущий технологический процесс производства конструкций всех видов благодаря подавляющему преимуществу сварных конструкций перед литыми, штампосварными, клепанными и др.
     Создание неразъемных соединений сваркой во многом упрощает задачу и позволяет изготавливать конструкции сложнейших форм и размеров. Разработка новых и усовершенствование предложенных ранее наукоемких технологий формирования неразъемных соединений в конструкциях и изделиях - одно из важнейших требований практически всех отраслей промышленности, особенно в производстве продукции машиностроения, авиации, космонавтики, энергетики, ядерной техники и др.
     Согласно принятой классификации, все виды сварки подразделяют на сварку плавлением, при осуществлении которой соединяемые материалы разогревают до температуры плавления или несколько более высокой температуры, и сварку в твердой фазе (без расплавления соединяемых материалов).
     Сварка плавлением имеет целый ряд особенностей, как металлургических, так и технологических: сопровождается образованием химической и физической неоднородности зоны соединения, что, как правило, ведет к снижению технологических и эксплуатационных характеристик. При этом искажаются геометрические размеры конструкции из-за возникновения сварочных напряжений, появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики и другие показатели.
     В работах, где приводится статистический анализ дефектов сварных соединений ребристых панелей и их имитаторов из титанового сплава ВТ20, показано, что из общего числа дефектов поры составляют от 43 до 56 %. Многочисленными исследованиями установлено существенное влияние пор на прочность и надежность сварных соединений из титановых сплавов.
     В условиях статического нагружения несущая способность сварных соединений, имеющих поры, снижается пропорционально уменьшению сечения шва от пор. Отрицательное воздействие пор максимально при работе конструкций в условиях циклического нагружения. Снижение усталостных характеристик связано не только с действием пор как геометрических концентраторов напряжений, но в основном с уменьшением запаса пластичности металла вблизи границ пор из-за увеличения в нем в несколько раз концентрации водорода. Поэтому эффективным средством увеличения надежности и ресурса летательных аппаратов будет исключение пористости и снижение остаточных сварочных напряжений в сварных титановых конструкциях.
     Сварка плавлением высокопрочных алюминиевых сплавов невозможна из-за их склонности к охрупчиванию и трещинообразованию.
     Технологический процесс формирования твердофазного соединения без расплавления соединяемых материалов позволяет вести процесс при темпера

4

турах не более 0,7...0,8 температуры плавления Тт и получать конструкции законченных форм и размеров. За счет этого преимущества перед сваркой плавлением можно исключить изменение свойств свариваемых материалов, повысить качество и надежность изделий, увеличить срок их эксплуатации и оптимизировать технологический цикл изготовления промышленной продукции.
     Значительный вклад в развитие теории твердофазного соединения и разработку соответствующей технологии внесли выдающиеся ученые М. X. Шоршоров, Ю. Л. Красулин, Э. С. Каракозов, Р. А. Мусин, А. С. Гельман, В. И. Виль и др.
     На сегодняшний день вопросом твердофазного формирования уделено особое внимание в учебных пособиях: В. А. Фролова и В. В. Пешкова «Специальные методы сварки в самолетостроении» (М.: Интермет Инжиниринг, 2003); Г. В. Конюшков, Р. А. Мусин «Специальные методы сварки давлением» (Саратов: Ай ПИ ЭР Медиа, 2), а также в справочнике «Сварка, резка и контроль» под ред. Н. П. Алёшина (М.: Машиностроение, 2004).
     Благодаря их усилиям это направление в сварочной науке и технике получило приоритетное развитие.
     Авторами рассмотрены современные направления развития технологии сварки в твердофазном состоянии конструкционных материалов. Изложены теоретические основы взаимодействия однородных и разнородных материалов в условиях активационного воздействия среды, деформации, температуры и др.
     В монографии приведены результаты исследований влияния существующих видов раздела материалов на формирование структуры и рельефа поверхности и процессы адсорбции и десорбции загрязнений на этой поверхности. Также исследованы процессы активации твердофазного поверхностного легирования металлами и металлоидами формирования твердофазного соединения порошковых частиц; холоднопрессованных порошковых частиц и листовых заготовок.
     Наиболее подробно изучено влияние процессов твердофазного диффузионного взаимодействия соединяемых заготовок перед фронтом расплавленной ванны при сварке плавлением на порообразование титановых конструкций, активации процессов взаимодействия твердой и жидкой фаз на кристаллизацию непрерывнолитых заготовок из сталей и сплавов и активации процессов твердофазного диффузионного взаимодействия при сварке трением с перемешиванием на свойства конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов.
     Уделено внимание повышению прочности, надежности и качества сварки на конкретных материалах и деталях путем активации процессов формирования соединений.
     Предлагаемые авторами исследования современных достижений в области усовершенствования существующих и разработки новых процессов активации формирования соединений из металлов и сплавов позволяют обеспечить функциональные возможности новой техники на уровне мировых достижений, снизить массу изделий, повысить КИМ и снизить материалоемкость, уменьшить себестоимость за счет более высокого уровня автоматизации производ

5

ства: экономии материалов и энергетических ресурсов, использовать совмещенные технологические процессы.
      Авторы выражают благодарность коллективам специалистов АО «Компания «Сухой» «КнААЗ им. Ю. А. Гагарина»», ФГБОУ ВО «КнАГУ», ФГБОУ ВО «ТОГУ», за ценные замечания, дополнения и помощь в проведении исследований, внедрении положительных результатов и написании монографии.

6

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ

1.1. Основы физики процессов формирования соединения

     Современное представление о процессах [5], протекающих при диффузионной сварке, базируется на достижениях в области физики и химии твердого тела, а также смежных отраслей науки. Несмотря на очевидные значительные успехи в развитии процессов формирования твердофазных неразъемных соединений, еще имеется множество нерешенных вопросов, которые сложно, а в ряде случаев и невозможно решить в рамках традиционных схем и подходов. Поэтому основным направлением исследований в области разработки технологий является поиск методов интенсификации процесса диффузионной сварки, которые позволили бы получать высококачественные сварные соединения при температурах (0...0,3) Тпл и сварочных давлениях, исключающих макропластиче-скую деформацию приконтактных областей.
     При всех способах сварки без расплавления соединение образуется в результате деформационного воздействия на соединяемые материалы. В существующих гипотезах по-разному объясняется процесс формирования соединения, в частности придается неодинаковое значение реальной структуры соединяемых поверхностей.
     Пленочная гипотеза холодной сварки заключается в образовании соединения в процессе совместной пластической деформации при сближении соединяемых поверхностей свободных от оксидных и жировых пленой на расстояния действия межатомных сил. Процесс схватывания основывается на представлении об уменьшении свободной энергии системы при исчезновении двух свободных поверхностей, при этом не учитываются природа соединяемых материалов, роль структурных дефектов, энергетическое состояние атомов в процессе пластического деформирования и другие факторы.
     Для объяснения физических явлений при схватывании контактирующих твердых тел предложено несколько моделей: межфазного взаимодействия; растворения; электростатического взаимодействия и хрупкого разрушения.
     Модель межфазного взаимодействия учитывает лишь энергетический баланс исчезновения свободных поверхностей твердых тел, что не дает количественной оценки схватывания металлов даже с ювенильными поверхностями, атомы которых имеют ненасыщенные связи.
     Модель растворения, построенная на термодинамических критериях смещения взаимодействующих фаз по равновесным диаграммам состояний, не позволяет установить принципиальную возможность и температурную область схватывания твердых тел при взаимодействии между тонкими приповерхностными слоями, энергетические и структурные характеристики которых при любом состоянии поверхности (ювенильная, химически адсорбированная атомами другого вещества, окисленная и др.) существенно отличны от таковых в объеме твердого тела.


7

     Слабые дисперсионные и электростатические силы между атомами контактирующих поверхностей не могут обеспечить соединения, прочность которого сопоставима с прочностью одного из соединяемых материалов. Поэтому модель электростатического взаимодействия не правомерна.
     Без образования в зоне контакта прочных химических связей невозможны дальнейшие процессы - диффузия и связанные с ней рекристаллизация, образование новых фаз и др.
     Наиболее близкой попыткой подхода к явлению схватывания с позиции химической кинетики является модель хрупкого разрушения, основанная на учете энергии, необходимой для распространения трещины через среду, имеющую самую низкую поверхностную энергию.
     Рекристаллизационная гипотеза, основанная на факте снижения при больших деформациях температуры рекристаллизации металлов и именно в зоне контакта, рассматривает процессы структурных изменений в зоне соединения после завершения схватывания контактных поверхностей.
     Объяснение образования твердофазного соединения процессами гетеродиффузии, протекающими в зоне контактирования соединяемых материалов, не рассматривает активацию и схватывание контактных поверхностей в качестве возможных лимитирующих составляющих общего процесса образования высококачественного соединения. Диффузионные процессы являются сопутствующими и, конечно, происходят после схватывания контактных поверхностей хотя бы на отдельных участках. И наконец, электронная гипотеза непосредственного контакта соединяемых материалов, при котором расстояние между атомами соединяемых поверхностей равно по порядку величины параметру кристаллической решетки, не достаточна для проявления схватывания. Необходимо, чтобы энергия атомов, находящихся в контактирующих металлах, превысила определенный для каждого металла уровень - энергетический порог схватывания. Это приводит к возникновению металлических связей и исчезновению поверхности раздела.
     Таким образом, предложено рассматривать процесс образования соединения в энергетическом аспекте, пользуясь понятиями активированного состояния и активного комплекса.
     Исследованиями [6] показано, что процесс образования соединения при любом способе сварки без расплавления следует рассматривать как топохимическую реакцию, в которой можно выделить три основные стадии.
     На первой стадии формируется физический контакт - сближение атомов в процессе деформации соединяемых металлов на расстояние, при котором возникает либо физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса, либо слабое химическое взаимодействие.
     Образование физического контакта при сварке давлением в результате микропластической деформации контактных поверхностей сопровождается вовлечением в пластическую деформацию приконтактных объемов и целиком свариваемого изделия.

8

     Полный физический контакт не может образоваться за счет микропласти-ческой деформации из-за наличия полостей от впадин между микровыступами, которые не исчезают вследствие пластической деформации.
     Большие скорости микропластической и пластической деформаций могут привести к прекращению развития физического контакта из-за высокого уровня упрочнения приконтактного объема металла.
     Чем грубее поверхностная обработка и выше микровыступы на контактной поверхности, тем значительнее деформационное упрочнение микровыступов и, наоборот, чем меньше степень локализации деформации (меньше микровыступы), тем с большей интенсивностью образуется физический контакт.
     Упрочнение является структурочувствительным процессом, поэтому, подбирая соответствующую исходную структуру, можно предотвратить или хотя бы уменьшить деформационное упрочнение приконтактного объема.
     Результатом пластической деформации, обусловленной движением дислокаций, является образование на поверхности характерного рельефа - следов скольжения как по границам зерен, так и в их объеме.
     Образующиеся микронесплошности при формировании физического контакта (сближение контактных поверхностей на расстояния валентного межатомного взаимодействия) микропластической деформацией можно заполнить веществом только за счет диффузионных процессов, так как микронесплошности даже атомного размера уменьшают фактическую площадь физического контакта.
     При достижении порогового механизма пластической деформации зона соединения представляет собой структуру, в которой дефекты находятся в плоскости первоначального контакта. В зависимости от движущейся силы миграции такой границы физический контакт может образоваться за счет растворения дефектов, расположенных внутри зерна либо на межзеренной границе [7].
     Формирование деформационного рельефа приводит за счет деформации микровыступов к расширению зоны контактирования и улучшению формирования физического контакта. Еще больший эффект достигается при повышении температуры.
     Наличие на свариваемых поверхностях слоя оксидов сдерживает развитие деформационного рельефа [6, 7].
     Термически активируемый процесс микропластической деформации металла интенсифицирует образование физического контакта и диффузию кислорода из приповерхностного слоя в глубь металла.
     За счет увеличения сварочного давления интенсифицируются процесс микропластической деформации микровыступов и развитие деформационного рельефа.
     На второй стадии происходит активация контактных поверхностей - образование активных центров, т. е. происходит валентное межатомное взаимодействие, при котором между атомами соединяемых поверхностей образуются химические связи - процесс, называемый схватыванием.

9

     Схватывание - бездиффузионный процесс, происходящий при любых температурах, если возможна микропластическая деформация, обуславливающая образование физического контакта.
     Примеры схватывания: при резании металлов, обработка давлением, подшипники скольжения, поршни и т. д.
     Известно [8], что для образования химической связи (элементарный акт схватывания) между атомами двух металлов необходимо, чтобы химические связи между атомами каждого из них на поверхности с атомами кислорода должны бы разорваны.
     По данным [7], способами активации разрыва химических связей между атомами металла и атомами кислорода в условиях термодеформационного взаимодействия являются: термический, энергетический, механический и химический.
     В реальных условиях контактные поверхности соединяемых материалов имеют атомную и геометрическую неоднородности, наличие оксидных и хемо-сорбционных слоев и схватывание происходит на активных центрах, которыми являются участки поля упругих искажений вокруг вышедших в зону физического контакта отдельных дислокаций или их скоплений.
     На кинетику активации контактных поверхностей оказывают влияние температура, сварочное давление, время выдержки и др. При повышении температуры увеличивается частота выхода дислокаций в зону физического контакта, возрастает скорость движения дислокаций, уменьшается модуль сдвига металла, снижается прочность связей между атомами кислорода и металла в оксидном и хемосорбционном слоях, изменяется площадь активного центра, уменьшается высота потенциального энергетического барьера, ограничивающего формирование химических связей.
     Критерием полноты процесса активации контактных поверхностей может служить прочность сварного соединения, зависящая от наличия на поверхности максимально возможного числа активных центров или их максимальной площади.
     Третья стадия - объемное взаимодействие наступает с момента образования активных центров на соединяемых поверхностях, т. е. развитие взаимодействия происходит как в плоскости контакта (образование прочных химических связей), так и в объеме зоны контакта.
     Критерием окончания третьей стадии процесса схватывания может служить рекристаллизация, приводящая к образованию общих зерен в зоне контакта.
     Развитие диффузионных процессов, сопутствующих термодеформационным воздействиям, связано с процессами упрочнения, разупрочнения или охрупчивания соединения.
     Наличие взаимодействия с образованием прочных химических связей между атомами соединяемых поверхностей, находящимися на активных центрах, которыми являются дислокации с полями упругих напряжений, выходящие в зону контакта, впервые было установлено Ю. Л. Красулиным [6] на при-

10