СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТЬЮ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ

Изобретение относится к технологии получения изделий цилиндрической формы с помощью энергии взрыва и может быть использовано для изготовления изделий с внутренней полостью, например, деталей термического, химического оборудования и т.п.

Известен способ получения изделий с внутренними полостями путем взрывного нагружения, при котором берут полостеобразующие элементы в виде труб с удаляемым наполнителем и располагают их пучком в трубчатой оболочке симметрично относительно ее продольной оси, на наружной поверхности стальной трубчатой оболочки располагают кольцевой заряд взрывчатого вещества (ВВ) и производят инициирование процесса детонации ВВ с помощью электродетонатора. Перед сваркой в полости центрального полостеобразующего элемента размещают симметрично его продольной оси удаляемый стальной стержень, зазор между стержнем и полостеобразующим элементом заполняют удаляемым водным наполнителем, располагают на наружной поверхности центрального полостеобразующего элемента из стали вплотную друг к другу наружные медные полостеобразующие элементы в виде труб со слоем из легкоплавкого материала, например из латуни, на их наружных поверхностях и размещают полученный пучок в трубчатой металлической оболочке из стали, удаляемой после взрывного воздействия. Процесс взрывного нагружения ведут при скорости детонации ВВ 3400-4060 м/с и отношении удельной массы ВВ к удельной массе стенки трубчатой оболочки, равном 0,72-0,86, причем после взрывного нагружения проводят термообработку полученной заготовки в течение 5-7 минут при температуре, превышающей на 5-15°C температуру плавления слоев из легкоплавкого материала на наружных полостеобразующих элементах с образованием при этом цельносварных соединений между всеми полостеобразующими элементами (Патент РФ №2373035, МПК B23K 20/08, опубл. 20.11.2009, бюл. №32).

Недостатком данного способа является низкая жаростойкость наружной и внутренней поверхности изделий, получаемых данным способом: предельная рабочая температура наружной поверхности в окислительных газовых средах в условиях теплосмен не превышает 500°C, внутренней - 800°C, что весьма ограничивает применение таких изделий в технике, где требуется высокая жаростойкость как снаружи, так и внутри изделия.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, при котором берут полостеобразующие элементы в виде труб с удаляемым наполнителем и располагают их пучком в трубчатой оболочке симметрично относительно ее продольной оси, при этом на наружной поверхности трубчатой оболочки располагают кольцевой заряд взрывчатого вещества (ВВ) и производят инициирование процесса детонации ВВ с помощью электродетонатора, центральный полостеобразующий элемент, удаляемый после сварки взрывом, выполняют из хрупкого материала - стекла, дробящегося в процессе взрывного воздействия, с отношением толщины его стенки к толщине стенок смежных с ним полостеобразующих элементов, составляющим (4-10):1, трубчатую оболочку выполняют из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана, между трубчатой оболочкой и пучком из труб располагают трубчатую промежуточную прослойку из металла с пониженной теплопроводностью - из аустенитной стали, а сварку взрывом осуществляют при скорости детонации ВВ 3270-3820 м/с, при этом отношение удельной массы ВВ к сумме удельных масс стенок трубчатой оболочки и трубчатой промежуточной прослойки, а также сварочные зазоры между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой, между трубчатой промежуточной прослойкой и пучком из труб выбирают из условия получения скорости соударения трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой в пределах 610-700 м/с, а скорости соударения трубчатой оболочки с полостеобразующими элементами - 480-680 м/с, после сварки полученную заготовку подвергают отжигу при температуре 850-900°C в течение 2-3,5 ч с формированием при этом между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки с пониженной теплопроводностью, с последующим охлаждением полученного изделия на воздухе. (Патент РФ №2425739, МПК B23K 20/08, B23K 101/04, опубл. 10.08.2011, бюл. №22 - прототип).

Недостатками данного способа являются: низкая жаростойкость наружной и внутренней поверхности изделий, получаемых данным способом (предельная рабочая температура в окислительных газовых средах в условиях теплосмен как наружных, так и их внутренних поверхностей не превышает 500°C), высокое термическое сопротивление стенки каждого такого изделия при направлении теплопередачи поперек слоев, а также возможность образования трещин в условиях частых теплосмен (термоциклирования) в зоне расположения интерметаллидной прослойки между титаном и сталью. Все это ограничивает применение таких изделий в аппаратуре ответственного назначения, где требуется высокая жаростойкость в окислительных газовых средах, как снаружи, так и внутри изделия, а также пониженное термическое стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом по новой технологической схеме взрывного воздействия на свариваемую заготовку в сочетании с отжигом сваренной заготовки, обеспечивающей получение за один технологический цикл качественного цельносварного изделия с осевой симметрией, с повышенной жаростойкостью наружной и внутренней поверхности в окислительных газовых средах, с пониженным термическим сопротивлением стенки каждого такого изделия при направлении теплопередачи поперек слоев, с полным исключением появления при сварке взрывом в зонах соединения металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, которые могли бы снизить долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен.

Техническим результатом заявленного способа получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом является создание новой схемы сварки взрывом, обеспечивающей за один акт взрывного воздействия на свариваемую заготовку с последующим ее отжигом создание изделия с осевой симметрией, с получением качественного сплошного сварного соединения никелевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди, а также качественного сварного соединения указанной прослойки с никелевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента в виде трубы без нарушений герметичности свариваемых металлов, с полным исключением возможности появления в процессе сварки взрывом в зонах соединения металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, снижающих долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен, с повышенной жаростойкостью его наружной и внутренней поверхности в окислительных газовых средах и с пониженным термическим сопротивлением стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом, при котором используют удаляемый после сварки взрывом центральный полостеобразующий элемент из хрупкого материала - стекла с водным наполнителем в его внутренней полости, трубчатую оболочку и трубчатую промежуточную прослойку, располагают на наружной поверхности трубчатой оболочки кольцевой заряд ВВ и инициируют процесс детонации ВВ с помощью электродетонатора, отжиг сваренной заготовки для формирования интерметаллидной прослойки, берут биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем толщиной 1,2-1,6 мм - из никеля, с внутренним слоем толщиной 1,5-2,5 мм - из алюминия и размещают внутри его соосно центральный полостеобразующий элемент из стекла с толщиной стенки 10-15 мм и с наружным диаметром, меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента, заполняют промежуток между ними водным наполнителем, после герметизации полученную сборку располагают соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки, выполненной с наружным слоем толщиной 1,5-2,5 мм - из алюминия и с внутренним слоем толщиной 1,2-1,6 мм - из никеля, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку из меди с толщиной стенки 2-4 мм, сварку взрывом ведут при скорости детонации ВВ 2150-2900 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирают из условия получения скорости соударения никелевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди в пределах 330-420 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки с никелевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах 320-380 м/с, после сварки взрывом полученную заготовку подвергают отжигу для образования сплошных интерметаллидных прослоек между слоями из никеля и алюминия при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч, затем нагревают ее до температуры 690-710°C, удаляют с ее наружной и внутренней поверхности расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч с образованием сплошных жаростойких покрытий на наружной и внутренней поверхности полученного композиционного изделия с внутренней полостью, после чего производят его охлаждение на воздухе.

Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по построению схемы сварки взрывом, так и по совокупности технологических приемов и режимов при его осуществлении. Так предложено использовать в схеме сварки взрывом биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем толщиной 1,2-1,6 мм - из никеля, с внутренним слоем толщиной 1,5-2,5 мм - из алюминия. Внутренний алюминиевый слой биметаллического полостеобразующего элемента выполняет вспомогательные функции: он необходим для формирования жаростойкого интерметаллидного покрытия на поверхности ее никелевого слоя при термообработке (отжиге) сваренной заготовки. Избыточное количество алюминия удаляют с поверхности образовавшегося интерметаллидного слоя при температуре, превышающей его температуру плавления. Предложено наружный слой биметаллического полостеобразующего элемента выполнять из никеля, поскольку в процессе технологической операции отжига при диффузионном взаимодействии с алюминием в зоне их соединения образуется интерметаллидный слой, обладающий повышенной жаростойкостью. Помимо этого, никелевый слой, совместно с другими металлическими слоями способствует формированию высокой прочности изделия при поперечных сжимающих нагрузках. Кроме того, как при сварке взрывом этого слоя с внутренней поверхностью трубчатой промежуточной прослойки из меди, так и в процессе последующего отжига сваренной заготовки, а также и при последующей эксплуатации полученного изделия, в зоне их соединения полностью исключается возникновение хрупких фаз, снижающих его служебные свойства в условиях частых теплосмен и поперечных сжимающих нагрузок. При толщине обоих слоев биметаллического полостеобразующего элемента ниже нижних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации при сварке взрывом, что приводит к снижению качества получаемых изделий. Толщина его слоев выше верхних предлагаемых пределов может привести к лишнему расходу металлов в расчете на одно изделие.

Предложено размещать соосно внутри биметаллического полостеобразующего элемента центральный полостеобразующий элемент из стекла с толщиной стенки 10-15 мм и с наружным диаметром, меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента, и заполнять промежуток между ними водным наполнителем. В процессе сварки взрывом центральный полостеобразующий элемент, совместно с водным наполнителем, выполняет функции динамической опоры, исключающей недопустимые радиальные по направлению к центру изделия деформации биметаллического полостеобразующего элемента, способствует формированию внутренней полости в изделии требуемого диаметра. При толщине стенки менее 10 мм возможно его преждевременное разрушение в процессе сварки взрывом, приводящее к снижению качества получаемых изделий. Толщина его стенки более 15 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу материала на изготовление центрального полостеобразующего элемента. Наружный диаметр центрального полостеобразующего элемента предложено выполнять меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента, что обеспечивает необходимый технологический промежуток между ними для заполнения его водным наполнителем, который выполняет функции среды, передающей давление и препятствующей преждевременному разрушению центрального полостеобразующего элемента при сварке взрывом. При диаметре центрального полостеобразующего элемента ниже нижнего предлагаемого предела возможно появление неконтролируемых деформаций его слоев, а это снижает качество получаемых изделий. При его диаметре выше верхнего предлагаемого предела затруднено заполнение водным наполнителем промежутка между ним и алюминиевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента, что также может привести к появлению неконтролируемых деформаций внутренней поверхности биметаллического полостеобразующего элемента и других металлических слоев свариваемой заготовки.

Предложено после герметизации полученную сборку располагать соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки, выполненной с наружным слоем толщиной 1,5-2,5 мм - из алюминия, с внутренним слоем толщиной 1,2-1,6 мм - из никеля, в зазоре между ними соосно размещать трубчатую промежуточную прослойку из меди с толщиной стенки 2-4 мм.

Соблюдение соосности способствует стабильности процесса сварки взрывом всех свариваемых металлических слоев. Наружный алюминиевый слой трубчатой биметаллической оболочки необходим для формирования жаростойкого интерметаллидного покрытия на наружной поверхности ее никелевого слоя при термообработке (отжиге) сваренной заготовки. Избыточное количество алюминия удаляют с поверхности образовавшегося интерметаллидного слоя при температуре, превышающей его температуру плавления. В процессе сварки взрывом алюминиевый слой выполняет также функции среды передающей давление остальным слоям, защищает никелевый слой трубчатой биметаллической оболочки от неконтролируемых деформаций и разрушения.

Предложено внутренний слой трубчатой биметаллической оболочки выполнять из никеля, поскольку в процессе технологической операции отжига при диффузионном взаимодействии с алюминием в зоне их соединения образуется интерметаллидный слой, обладающий повышенной жаростойкостью. Помимо этого, данный никелевый слой, совместно с другими металлическими слоями способствует формированию высокой прочности изделия при поперечных сжимающих нагрузках. Кроме того, как при сварке взрывом этого слоя с наружной поверхностью трубчатой промежуточной прослойки из меди, так и в процессе последующего отжига сваренной заготовки, а также и при последующей эксплуатации полученного изделия, в зоне их соединения полностью исключается возникновение хрупких фаз, снижающих его служебные свойства в условиях частых теплосмен и поперечных сжимающих нагрузок. При толщине обоих слоев биметаллического полостеобразующего элемента ниже нижних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации при сварке взрывом, что приводит к снижению качества получаемых изделий. Толщина его слоев выше верхних предлагаемых пределов может привести к липшему расходу металлов в расчете на одно изделие.

Предложено использовать в схеме сварки взрывом трубчатую промежуточную прослойку из меди, поскольку в зонах соединения этого слоя с обоими никелевыми слоями ни при сварке взрывом, ни при последующей эксплуатации не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих служебные свойства изделий, полученных по предлагаемому способу. Кроме того, она способствует выравниванию температуры по длине полученного изделия при воздействии на его внутреннюю, либо наружную поверхность концентрированных источников нагрева и тем самым исключает возможность появления в изделии участков с локальным перегревом металлических слоев, снижающих его прочностные свойства. Предложено трубчатую промежуточную прослойку выполнять с толщиной стенки 2-4 мм, поскольку ее толщина менее 2 мм при данной конструкции изделия является недостаточной для эффективного выравнивания температуры по длине полученного изделия при воздействии на его наружную или внутреннюю поверхность концентрированных источников нагрева. Кроме того, при слишком малой толщине трубчатой промежуточной прослойки возможны неконтролируемые деформации при сварке взрывом, затрудняющие получение качественных изделий. Ее толщина более 4 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу меди в расчете на одно изделие, а также это может привести к появлению непроваров в зоне сварки этой прослойки с никелевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента.

Использование в схеме сварки взрывом трубчатой биметаллической оболочки, а также биметаллического полостеобразующего элемента позволяет обеспечить высокое качество сварки на всех межслойных границах.

Предложено сварку взрывом вести при скорости детонации ВВ 2150-2900 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирать из условия получения скорости соударения никелевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди в пределах 330-420 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки с никелевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах 320-380 м/с, что обеспечивает получение качественных сварных соединений трубчатой промежуточной прослойки из меди с внутренним никелевым слоем трубчатой биметаллической оболочки и с наружным никелевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента. При скорости детонации ВВ и скорости соударения никелевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой, а также скорости соударения последней с никелевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента ниже нижних предлагаемых пределов возможно получение некачественных сварных соединений, что может существенно снизить служебные свойства полученных изделий. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения указанных выше составляющих схемы сварки взрывом выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации слоев трубчатой биметаллической оболочки, трубчатой промежуточной прослойки и трубчатого биметаллического полостеобразующих элемента, что может привести к нарушению герметичности металлических слоев, снижению качества получаемых изделий.

После сварки взрывом полученную заготовку предложено подвергать отжигу для образования сплошных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч (первая стадия отжига), что за сравнительно короткое время отжига позволяет получить сплошные жаростойкие интерметаллидные прослойки на межс-лойных границах необходимой толщины и высокого качества. При температуре и времени отжига ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек оказывается недостаточной, что снижает способность получаемых покрытий длительно сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку толщина интерметаллидных прослоек становится чрезмерной, при этом повышается вероятность появления трещин в жаростойких покрытиях при его дальнейшей эксплуатации в условиях частых теплосмен.

Предложено после завершения отжига (первой его стадии) нагревать заготовку до температуры 690-710°C, удалять с ее наружной и внутренней поверхности расплавленный алюминий, выдерживать при этой температуре 0,3-1 ч (вторая стадия отжига), что способствует окончательному формированию состава и свойств жаростойких покрытий на наружной и внутренней поверхности получаемого изделия, при этом значительно облегчается удаление избыточного алюминия с поверхностей покрытий, снижающего служебные свойства получаемых изделий. Нагрев заготовки до температуры ниже нижнего предлагаемого предела приводит к существенным затруднениям при удалении избыточного алюминия с поверхностей заготовки. Температура нагрева выше верхнего предлагаемого предела является избыточной, поскольку при этом неоправданно возрастают энергетические затраты на получение изделия. Выдержка менее 0,3 ч является недостаточной для перехода остатков алюминия в интерметаллидные слои, а это может привести к появлению локальных участков с пониженной жаростойкостью на наружной и внутренней поверхности получаемых изделий. Выдержка более 1 ч является избыточной, поскольку это не способствует улучшению качества изделий, но неоправданно увеличивает энергетические затраты. Последующее охлаждение предложено производить на воздухе, поскольку это наиболее дешевая технологическая операция, обеспечивающая высокое качество полученных изделий.

На фиг. 1 изображена схема сварки взрывом, ее продольный осевой разрез, на фиг. 2 - поперечное сечение А-А схемы сварки взрывом, на фиг. 3 - поперечное сечение сваренного композиционного изделия с внутренней полостью, где позиция 23 - сдеформированный никелевый слой трубчатой биметаллической оболочки; 24 - сдеформированная трубчатая промежуточная прослойка из меди; 25 - никелевый слой биметаллического полостеобразующего элемента; 26, 27 - жаростойкое покрытие из интерметаллидов системы алюминий-никель на наружной и внутренней поверхности изделия, соответственно; 28 - внутренняя полость изделия; 29, 30 - зоны сварки, полученные при осуществлении способа.

Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности. Берут предварительно изготовленный, например, с помощью сварки взрывом, биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем 1 толщиной 1,2-1,6 мм - из никеля, с внутренним слоем 2 толщиной 1,5-2,5 мм - из алюминия и размещают внутри его соосно удаляемый центральный полостеобразующий элемент 3 из стекла с толщиной стенки 10-15 мм, с наружным диаметром, меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента. Предварительно его внутреннюю полость заполняют водным наполнителем 4, а герметизацию с двух его сторон производят заглушками 5, 6, например, из резины.

Заполняют промежуток между внутренней поверхностью биметаллического полостеобразующего элемента и наружной поверхностью центрального полостеобразующего элемента водным наполнителем 7, герметизацию и соосность обеспечивают с помощью металлических втулок 8, 9, покрытых герметиком. Полученную сборку располагают соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки, выполненной с наружным слоем 10 толщиной 1,5-2,5 мм - из алюминия, с внутренним слоем 11 толщиной 1,2-1,6 мм - из никеля, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку 12 - из меди с толщиной стенки 2-4 мм, их соосность обеспечивают с помощью металлических втулок 13, 14, 15 и 16. Устанавливают направляющий конус 17, например из стали, с углом при вершине 90°, на наружной поверхности трубчатой оболочки размещают защитную прослойку, например, из резины (на чертеже не показана), защищающую наружную поверхность трубчатой оболочки от повреждений продуктами детонации ВВ, а на ее поверхности располагают контейнер 18 с основным кольцевым зарядом ВВ 19 и расположенным над ним вспомогательным зарядом ВВ 20 с повышенной скоростью детонации. Этот заряд способствует выравниванию фронта детонации в основном заряде ВВ. Размещают данную сборку на песчаном грунте 21 и инициируют процесс детонации в зарядах ВВ с помощью электродетонатора 22.

При осуществлении процесса сварки взрывом используют основной заряд ВВ со скоростью детонации 2150-2900 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирают из условия получения скорости соударения никелевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди в пределах 330-420 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки из меди с никелевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах 320-380 м/с.

При взрывном воздействии происходит высокоскоростная радиальная деформация трубчатой биметаллической оболочки, при соударении ее никелевого слоя с трубчатой промежуточной прослойкой никель сваривается с медью, затем происходит совместное деформирование образовавшегося трехслойного композита (КМ) и при его соударении с наружной поверхностью биметаллического полостеобразующего элемента медный слой КМ сваривается с никелевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента. Извлекают из внутренней полости сваренной заготовки материал раздробленного центрального полостеобразующего элемента, при этом водный наполнитель удаляется из полостей после взрывного нагружения самопроизвольно при разгрузке сжатой системы.

После сварки взрывом полученную заготовку подвергают отжигу для образования сплошных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч (первая стадия отжига), затем нагревают ее до температуры 690-710°C, удаляют с ее наружной и внутренней поверхности расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч (вторая стадия отжига) с образованием сплошных жаростойких покрытий на наружной и внутренней поверхности заготовки, после чего производят ее охлаждение на воздухе и удаление торцевых частей с краевыми эффектами.

В результате за один акт взрывного воздействия с последующим отжигом сваренной заготовки получают пятислойное цельносварное композиционное изделие с внутренней полостью с осевой симметрией, с жаростойкими покрытиями из интерметаллидов системы алюминий-никель на его наружной и внутренней поверхностях, с качественным сплошным сварным соединением никелевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди, а также качественного сварного соединения указанной прослойки с никелевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента в виде трубы без нарушений герметичности свариваемых металлов, с полным исключением возможности появления в процессе сварки взрывом в зонах соединения металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, снижающих долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен, с повышенной жаростойкостью его наружной и внутренней поверхности в окислительных газовых средах до температуры 1000°C, что в 2 раза больше, чем у изделий по прототипу, с обеспечением при этом в 4-6,9 раз более низкого, в сравнении с прототипом, термического сопротивления его многослойной стенки при теплообмене нагретых газов, подаваемых во внутреннюю полость изделия, с окружающей средой.

Пример 1 (см. также таблицу).

Биметаллический полостеобразующий элемент (БПЭ) в виде трубы изготавливают, например, с помощью сварки взрывом, с наружным диаметром D_б.н=88,2 мм, внутренним - D_б.в=80 мм, длиной 400 мм с наружным слоем толщиной δ₁=1,6 мм - из никеля марки НП1 (ГОСТ 623591), его коэффициент теплопроводности λ_Ni=92 Вт/(м⋅К). Его внутренний слой толщиной δ₂=2,5 мм изготавливают из алюминия АД1 (ГОСТ 21631-76).

Центральный полостеобразующий элемент (ЦПЭ), удаляемый после сварки взрывом, изготавливают из стекла (ГОСТ 15130-79) с наружным диаметром D_ц.н=78 мм, что на 2 мм меньше внутреннего диаметра D_б.в биметаллического полостеобразующего элемента. Его внутренний диаметр D_ц.в=58 мм, толщина стенки δ_ц=10 мм. Заполняют его внутреннюю полость удаляемым после сварки взрывом водным наполнителем, а герметизацию осуществляют с помощью резиновых заглушек. Полученную при этом сборку №1 размещают соосно внутри БПЭ. Заполняют промежуток между внутренней поверхностью БПЭ и наружной поверхностью ЦПЭ водным наполнителем, герметизацию и соосность обеспечивают с помощью металлических втулок, покрытых герметиком. Полученную при этом сборку №2 располагают соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки (ТБО), а в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку (ТПП). Наружный диаметр ТБО D_о.н=114,6 мм, внутренний - D_о.в=106,4 мм, длина - 405 мм. Наружный слой ТБО толщиной δ₃=2,5 мм - из алюминия АД1, ее внутренний слой толщиной δ₄=1,6 мм - из никеля марки НП1. Трубчатую промежуточную прослойку (ТПП) изготавливают из меди M1 (ГОСТ 859-78), имеющей коэффициент теплопроводности λ_Cu=410 Вт/(м⋅К). Ее наружный диаметр D_п.н=105 мм, внутренний - D_п.в=97 мм, толщина стенки δ_п=4 мм, длина - 400 мм. Соосность ТБО, ТПП, а также сборки №2 обеспечивают с помощью металлических втулок, например из алюминия. При выбранных диаметрах ТБО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТБО и наружной поверхностью ТПП h₁=0,7 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=4,4 мм. Устанавливают направляющий конус из стали Ст3, с углом при вершине 90°, на наружной поверхности ТБО размещают защитную прослойку из резины толщиной около 1 мм, защищающую наружную поверхность ТБО от повреждений продуктами детонации ВВ, а на ее поверхности располагают контейнер из электрокартона с основным кольцевым зарядом ВВ и расположенным над ним вспомогательным зарядом ВВ с повышенной скоростью детонации (аммонит 6ЖВ). Этот заряд способствует выравниванию фронта детонации в основном заряде ВВ. Размещают данную сборку на песчаном грунте и инициируют процесс детонации в зарядах ВВ с помощью электродетонатора.

При осуществлении процесса сварки взрывом используют основной заряд ВВ, в качестве которого использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:4. Его наружный диаметр d_н=317 мм, внутренний - d_в=117 мм, толщина в районе расположения трубчатой оболочки - Т_вв=100 мм, плотность П_вв=0,97-0,98 г/см³, скорость детонации Д_вв=2150 м/с, общая длина - 500 мм вместе с вспомогательным зарядом ВВ, имеющим толщину 20 мм. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения никелевого слоя ТБО с ТПП из меди оставляет V₁=330 м/с, а ТПП с никелевым слоем БПЭ V₂=320 м/с. Скорости соударения V₁ и V₂ определяются расчетным путем с помощью компьютерной технологии. Извлекают из внутренней полости сваренной заготовки материал раздробленного центрального полостеобразующего элемента. Водный наполнитель удаляется из полостей после взрывного нагружения самопроизвольно при разгрузке сжатой системы.

После сварки взрывом полученную заготовку подвергают отжигу для образования сплошных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, например, в электропечи при температуре t₁=600°С в течение τ₁=7 ч (первая стадия отжига), затем нагревают ее до температуры t₂=690°С, удаляют с ее внутренней поверхности расплавленный алюминий, например, металлической щеткой с электроприводом, выдерживают при этой температуре τ₂=1 ч для перехода остатков алюминия в интерметаллидные слои, с образованием при этом сплошного жаростойких покрытий из интерметаллидов системы алюминий-никель на наружной и внутренней поверхности заготовки (вторая стадия отжига). После охлаждения на воздухе удаляют механической обработкой торцевые части полученной заготовки с краевыми эффектами по 20 мм с каждой стороны.

В результате за один акт взрывного воздействия с последующим отжигом сваренной заготовки получают цельносварное композиционное пяти-слойное изделие (КИ) с центральной внутренней полостью цилиндрической формы, без нарушений осевой симметрии и герметичности металлических слоев, без появления в процессе сварки взрывом в зонах сварки металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз и других дефектов, которые могли бы снизить долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен. Наружный диаметр полученного изделия - D_и.н=100,4 мм, внутренний - D_и.в =85 мм, толщина наружного жаростойкого покрытия из интерметаллидов системы алюминий-никель - δ_ин.н=0,07 мм, смежного с ним никелевого слоя - δ_Ni=l,75 мм, смежного с ним медного - δ_Cu=4,35 мм, смежного с ним никелевого - δ_Ni=1,6 мм, толщина внутреннего жаростойкого покрытия - δ_ин.в=0,07 мм, длина изделия- 360 мм.

Предельная рабочая температура наружной и внутренней поверхности такого изделия в окислительных газовых средах достигает 1000°С, что в 2 раза больше, чем у изделий, изготовленных по прототипу. Термическое сопротивление его пятислойной стенки (R_сум) при направлении теплопередачи поперек слоев, определяемое как сумма термических сопротивлений каждого из слоев (отношение толщины слоя к коэффициенту его теплопроводности), равно: R_сум=67,7⋅10^-6 К/(Вт/м), что в 4-4,6 раза меньше, чем у изделий, полученных по прототипу.

Пример 2 (см. также таблицу).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.

БПЭ в виде трубы изготавливают, с наружным диаметром D_б.н=96,8 мм, внутренним - D_б.в=90 мм, с наружным слоем толщиной δ₁=1,4 мм, с внутренним - δ₂=2 мм.

ЦПЭ изготавливают с наружным диаметром D_ц.н=87 мм, что на 3 мм меньше внутреннего диаметра D_б.н биметаллического полостеобразующего элемента. Его внутренний диаметр D_ц.в=63 мм, толщина стенки δ_ц=12 мм.

ТБО изготавливают с наружным диаметром D_о.н=115,8 мм, внутренним - D_о.в=109 мм. Наружный слой ТБО выполняют толщиной δ₃=2 мм, у внутреннего слоя толщина δ₄=1,4 мм.

ТПП изготавливают с наружным диаметром D_п.н=107,8 мм, внутренним - D_п.в=101,8 мм, толщина ее стенки δ_п=3 мм.

При выбранных диаметрах ТБО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТБО и наружной поверхностью ТПП h₁=0,6 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=2,5 мм. При осуществлении процесса сварки взрывом в качестве основного заряда ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:3. Его наружный диаметр d_н=318 мм, внутренний - d_в=118 мм, толщина Т_вв=100 мм, плотность П_вв=0,96-0,97 г/см³, скорость детонации Д_вв=2420 м/с. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения никелевого слоя ТБО с ТПП из меди оставляет V₁=380 м/с, а ТПП с никелевым слоем БПЭ V₂=350 м/с.

Отжиг сваренной заготовки для образования сплошной интерметаллидной прослойки между слоями из алюминия и никеля проводят при температуре t₁=615°С в течение τ₁=3,5 ч, затем нагревают ее до температуры t₂=700°С и выдерживают при этой температуре после удаления избыточного алюминия в течение τ₂=0,6 ч.

Результаты те же, что в примере 1, но получают цельносварное композиционное изделие с наружным диаметром - D_и.н=106 мм, внутренним - D_и.в=94 мм, толщина наружного жаростойкого покрытия- δ_ин.н=0,06 мм, смежного с ним никелевого слоя - δ_Ni.тбо=1,5 мм, смежного с ним медного - δ_Cu=3,1 мм, смежного с ним никелевого - δ_Ni..бпэ=1,4 мм, толщина внутреннего жаростойкого покрытия- δ_ин.в=0,06 мм, длина изделия - 360 мм. Термическое сопротивление его пятислойной стенки R_сум=55⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 5-5,7 раза меньше, чем у изделий, полученных по прототипу.

Пример 3 (см. также таблицу).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.

БПЭ в виде трубы изготавливают, с наружным диаметром D_б.н=105,4 мм, внутренним - D_б.в=100 мм, с наружным слоем толщиной δ₁=1,2 мм, с внутренним - δ₂=1,5 мм.

ЦПЭ изготавливают с наружным диаметром D_ц.н=96 мм, что на 4 мм меньше внутреннего диаметра D_б.в биметаллического полостеобразующего элемента. Его внутренний диаметр D_ц.в=66 мм, толщина стенки δ_ц=15 мм.

ТБО изготавливают с наружным диаметром D_о.н=117,8 мм, внутренним - D_о.в=112,4 мм. Наружный слой ТБО выполняют толщиной δ₃=1,5 мм, у внутреннего слоя толщина δ₄=1,2 мм.

ТПП изготавливают с наружным диаметром D_п.н=111,6 мм, внутренним - D_п.в=107,6 мм, толщина ее стенки δ_п=2 мм.

При выбранных диаметрах ТБО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТБО и наружной поверхностью ТПП h₁=0,4 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=1,1 мм. При осуществлении процесса сварки взрывом в качестве основного заряда ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2. Его наружный диаметр d_н=320 мм, внутренний - d_в=120 мм, толщина Т_вв=100 мм, плотность П_вв=0,92-0,95 г/см³, скорость детонации Д_вв=2900 м/с. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения никелевого слоя ТБО с ТПП из меди оставляет V₁=420 м/с, а ТПП с никелевым слоем БПЭ V₂=380 м/с.

Отжиг сваренной заготовки для образования сплошной интерметаллидной прослойки между слоями из алюминия и никеля проводят при температуре t₁=630°C в течение τ₁=1,5 ч, затем нагревают ее до температуры t₂=710°C и выдерживают при этой температуре после удаления избыточного алюминия в течение τ₂=0,3 ч.

Результаты те же, что в примере 1, но получают цельносварное композиционное изделие с наружным диаметром - D_и.н=112 мм, внутренним - D_и.в=103 мм, толщина наружного жаростойкого покрытия- δ_ин.н=0,05 мм, смежного с ним никелевого слоя - δ_Ni.тбо=1,25 мм, смежного с ним медного - δ_Cu=2,05 мм, смежного с ним никелевого - δ_Ni.бпэ=1,2 мм, толщина внутреннего жаростойкого покрытия- δ_ин.в=0,05 мм, длина изделия- 360 мм. Термическое сопротивление его пятислойной стенки R_сум=45⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 6-6,9 раза меньше, чем у изделий, полученных по прототипу.

По прототипу (см. таблицу, пример 4) получают цельносварные изделия с центральной внутренней полостью цилиндрической формы и с двенадцатью полостями, имеющими в поперечных сечениях форму криволинейного четырехугольника. Их наружная оболочка выполнена из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана ВТ 1-00, промежуточная прослойка - из стали 12Х18Н10Т, а полостеобразующие элементы - из меди M1. Между титановым и стальным слоями располагается теплозащитная интерметаллидная прослойка из стали и титана толщиной 0,07-0,08 мм (70-80 мкм). Предельная рабочая температура наружной и внутренней поверхности изделий по прототипу в окислительных газовых средах не превышает 500°C, что в 2 раза меньше, чем у изделий по предлагаемому способу. Термическое сопротивление четырехслойной стенки из меди, стали, интерметаллидного слоя и титана у каждого такого изделия при направлении теплопередачи поперек слоев R_сум=(272,4-312,5)⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 4-6,9 раз больше, чем у изделии, изготовленных по предлагаемому способу. В условиях частых теплосмен (термоциклирования) в зоне расположения интерметаллидной прослойки между титаном и сталью возможно образование трещин, приводящих к невозможности дальнейшего использования таких изделий в аппаратуре ответственного назначения.