Патент на изобретение №2293004

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ТИТАН – СТАЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии получения композиционных материалов с особыми тепловыми свойствами с помощью энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при изготовлении теплообменной аппаратуры, теплозащитных экранов сложной формы, термосов и т.п. Составляют трехслойный пакет из чередующихся пластин титана и стали с заданным соотношением толщин слоев. Осуществляют сварку взрывом и горячую прокатку сваренного трехслойного пакета. Производят разделку полученного пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых вновь составляют многослойный пакет под сварку взрывом. Осуществляют сварку взрывом при заданном отношении удельной массы взрывчатого вещества к сумме удельных масс метаемых слоев многослойного пакета. После горячей прокатки сваренного многослойного пакета осуществляют формоизменение полученных многослойных заготовок и отжиг с последующим охлаждением на воздухе. Полученный композиционный материал обладает повышенным термическим сопротивлением в поперечном направлении и повышенной теплопроводностью вдоль металлических слоев, а также высокой стойкостью к разрушению в условиях изгибающих нагрузок. 1 табл.

Изобретение относится к технологии получения композиционных материалов с особыми тепловыми свойствами с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении теплообменной аппаратуры, теплозащитных экранов сложной формы, термосов и т.п.

Известен способ изготовления теплообменных композиционных элементов, в том числе из титана и стали в виде пластин, при котором производят сборку пакета из свариваемых пластин и их сварку взрывом, затем полученные двух- и трехслойные заготовки прокатывают до требуемой величины, при необходимости прокатанные листы подвергают формоизменению методом листовой штамповки, вытяжки, гибки и т.п., для получения теплозащитных элементов заданной формы. После этого производят высокотемпературный нагрев для образования в зонах соединения разнородных металлов промежуточных диффузионных прослоек в виде сложных химических соединений, в основном интерметаллидов, обладающих неметаллическими свойствами и низкой теплопроводностью (Трыков Ю.П., Писарев С.П. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство. 1998, №6, с.34-35).

Недостатком данного способа является малое термическое сопротивление композиционного материала при направлении теплопередачи поперек слоев из-за малой суммарной толщины интерметаллидных прослоек. При выращивании посредством продолжительного отжига толстых интерметаллидных теплозащитных прослоек термическое сопротивление материала повышается, но при этом прослойки становятся весьма хрупкими, что при повышенных изгибающих нагрузках приводит к разрушению сварных соединений на части, а это ограничивает технологические области применения данного способа.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ изготовления композиционного материала титан – железо в виде пластин с повышенными теплоизоляционными свойствами, при котором предварительно составляют многослойный пакет из чередующихся пластин железа и титана с заданным соотношением толщин, сваркой взрывом, отжигом и последующей прокаткой получают композиционный многослойный тонколистовой материал железо – титан с соотношением толщин слоев 1:(2-4) при толщине слоя железа 8-15 мкм, после чего осуществляют дополнительный отжиг при температуре 800-900°С и выдержке 1-4 часа (Патент РФ №2003446, МПК 5 В 23 К 20/08, В 23 К 20/04, опубл. 30.11.93).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено диффузией железа на всю толщину титановых слоев, а это существенно повышает термическое сопротивление композиционного материала титан – железо не только в поперечном, но и в продольном направлении. Кроме того, полученный по данному способу материал обладает повышенной склонностью к расслаиванию в процессе горячей прокатки из-за того, что при сварке взрывом происходит соударение разнородных слоев и невозможно обеспечить оптимальные условия сварки в верхней и нижней части многослойного пакета. После операции весьма длительного отжига у композиционного материала существенно повышается хрупкость, снижается стойкость к разрушению при изгибающих нагрузках, что весьма сужает возможности использования данного материала в теплообменной аппаратуре, испытывающей при эксплуатации циклические и изгибающие нагрузки, а также в изделиях, где требуется повышенная теплопроводность вдоль металлических слоев и стойкость к разрушению в условиях изгибающих нагрузок.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционного материала титан – сталь, пригодного для изготовления изделий сложной формы, с повышенным термическим сопротивлением в направлении теплопередачи поперек слоев, с сохранением при этом высокой теплопроводности у большей части объема титановых и стальных слоев, сокращение времени формирования диффузионных теплозащитных прослоек, повышение стойкости материала к изгибающим нагрузкам на базе нового технологического цикла с сваркой взрывом на первом этапе трехслойного пакета из толстолистовых заготовок, с горячей прокаткой с регламентируемым обжатием, разделкой сваренных трехслойных листов на мерные заготовки, с сборкой многослойного пакета из трехслойных заготовок, с сваркой взрывом, дополнительной горячей прокаткой, формоизменением полученных многослойных заготовок и последующим кратковременным отжигом, все это создает новые технологические условия формирования высокопрочных сварных соединений разнородных металлов на межслойных границах, при этом создаются оптимальные условия для образования теплозащитных интерметаллидных прослоек оптимальной толщины (не обладающих высокой хрупкостью) в зонах соединения титановых и стальных слоев, с высоким термическим сопротивлением, тем самым обуславливается регламентируемый теплообмен вдоль и поперек сваренного композита, причем теплопроводность композиционного материала титан – сталь вдоль металлических слоев значительно выше, чем в поперечном направлении, где теплообмен затруднен из-за высокого суммарного термического сопротивления тонких и прочных интерметаллидных прослоек, а это существенно повышает эффективность изделий из предлагаемого композиционного материала в теплообменной аппаратуре, теплозащитных экранах сложной формы т.п., работающих в условиях повышенных изгибающих нагрузок.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии получения композиционного материала титан – сталь на основе оптимального сочетания толщин слоев титана и стали в трехслойном пакете, выбора технологических режимов сварки взрывом трехслойного и многослойного пакета, режимов горячей прокатки трехслойного и многослойного пакета и последующего отжига, что обеспечивает повышенную прочность соединения слоев титана и стали, при этом исключается расслоение сваренного многослойного пакета при горячей прокатке и последующем формоизменении: листовой штамповке, гибке и пр., а после кратковременной завершающей технологической операции отжига за счет образования на межслойных границах значительного количества теплозащитных интерметаллидных прослоек оптимальной толщины, полученный композиционный материал обладает повышенным термическим сопротивлением в поперечном направлении и повышенной теплопроводностью вдоль металлических слоев. Помимо этого, материал обладает повышенной стойкостью к разрушению в условиях изгибающих нагрузок. Благодаря значительному сокращению времени отжига удешевляется процесс получения материала, большая часть объема титановых и стальных слоев имеют мелкозернистую структуру, что способствует повышению стойкости материала к разрушению в условиях изгибающих нагрузок.

Указанный технический результат достигается тем, что заявлен способ получения композиционного материала титан – сталь, при котором составляют пакет из чередующихся слоев титана и стали, размещают над ним заряд взрывчатого вещества, осуществляют сварку взрывом, горячую прокатку и отжиг сваренной заготовки, при этом предварительно составляют трехслойный пакет из чередующихся пластин титана и стали с соотношением толщин слоев 1:(0,33-0,4) при толщине слоя стали, равной 2-4 мм, сварку взрывом осуществляют при отношении удельной массы ВВ к сумме удельных масс титанового и стального слоя, равном 1,92-2,29, и скорости детонации заряда ВВ, равной 2150-2400 м/с, последующую горячую прокатку сваренного трехслойного пакета проводят с обжатием 64-87% при температуре 680-720°С, производят разделку пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых составляют многослойный пакет под сварку взрывом, осуществляет сварку взрывом при отношении удельной массы ВВ к сумме удельных масс метаемых слоев многослойного пакета, равном 0,79-1,03, и скорости детонации заряда ВВ, равной 2150-3100 м/с, затем производят дополнительную горячую прокатку сваренного многослойного пакета при температуре 680-720°С с обжатием 90-98%, осуществляют формоизменение полученных многослойных заготовок, после чего проводят отжиг при температуре 700-800°С в течение 0,1-0,75 ч с последующим охлаждением на воздухе.

В таких условиях силового и теплового воздействия на свариваемые металлы происходит надежная сварка слоев титана и стали по всем поверхностям контакта, материал становится пригодным для формоизменения, например листовой штамповкой, гибкой и т.п., а после кратковременного отжига формируются сплошные интерметаллидные прослойки, придающие материалу высокое термическое сопротивление композиционного материала в поперечном направлении с сохранением высокой теплопроводности вдоль металлических слоев. За счет высокой прочности соединения слоев и пониженной хрупкости тонких интерметаллидных прослоек материал обладает высокой стойкостью к разрушению в условиях изгибающих нагрузок.

Новый способ получения композиционного материала титан – сталь имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по внутреннему строению получаемого материала, так и по совокупности технологических приемов воздействия на свариваемые металлы и режимов осуществления способа. Так предложено предварительно составлять и сваривать взрывом трехслойный пакет из чередующихся слоев титана и стали с соотношением толщин слоев 1:(0,33-0,4) при толщине слоя стали, равной 2-4 мм, а сварку взрывом предложено осуществлять при скорости детонации заряда ВВ, равной 2150-2400 м/с, и отношении его удельной массы (произведение толщины на плотность) к сумме удельных масс титанового и стального слоя, равном 1,92-2,29. Сварка взрывом на предложенных режимах малого количества достаточно толстых металлических слоев позволяет с обоих сторон стального слоя получить высококачественные сварные соединения с титановыми слоями без непроваров, хрупких оплавленных зон и других дефектов. Основное предназначение стальной прослойки в предлагаемом композиционном материале – получение сплошных диффузионных теплозащитных прослоек и как барьер для роста трещин, которые могут возникать в теплозащитных прослойках при эксплуатации изделий. При толщине слоя стали в трехслойном пакете менее 2 мм, а также при соотношении толщины слоев титана и стали ниже нижнего предела в процессе горячей прокатки трехслойной сваренной заготовки и последующей дополнительной горячей прокатки сваренной многослойной заготовки может произойти разрушение стальной прослойки, из-за чего теплозащитные прослойки получаются не сплошными, а это, в свою очередь, приводит к снижению термического сопротивления получаемого материала в поперечном направлении. При толщине слоя стали в трехслойном пакете более 4 мм, а также при соотношении толщины слоев в трехслойном пакете выше верхнего предела объемная доля малопрочной стальной прослойки из низкоуглеродистой стали становится избыточной, что снижает удельную прочность (отношение предела прочности к плотности) получаемого композиционного материала. При скорости детонации ВВ и отношении его удельной массы к сумме удельных масс титанового и стального слоя ниже нижнего предела возможно возникновение непроваров в зонах соединения разнородных материалов. При превышении этих же режимов сварки взрывом выше верхнего предела в зонах соединения возможно образование оплавленных участков, что при последующих силовых воздействиях на сваренную заготовку может привести к возникновению локальных расслоений и трещин.

Предложено горячую прокатку сваренного трехслойного пакета проводить с обжатием 64-87% при температуре 680-720°С. При горячей прокатке увеличивается длина и ширина сваренного пакета с одновременной осадкой по толщине. Предлагаемые режимы обеспечивают получение достаточно тонкого трехслойного листа, не требующего дорогостоящего оборудования при последующей разделке его на мерные трехслойные заготовки.

Предложено составлять многослойный пакет под сварку взрывом из полученных мерных трехслойных заготовок и осуществлять сварку взрывом при отношении удельной массы ВВ к сумме удельных масс метаемых слоев пакета, равной 0,79-1,03, и скорости детонации заряда ВВ, равной 2150-3100 м/с, что обеспечивает высокопрочные соединения между всеми свариваемыми трехслойными заготовками многослойного пакета. Благодаря тому что при данной операции сварки взрывом соединяются между собой однородные (титановые) слои, то в зонах сварки исключается возможность возникновения хрупких фаз, слои пакета становятся легко свариваемыми, диапазон оптимальных сварочных режимов оказывается значительно более широким, чем в случае сварки разнородных металлов по прототипу.

При использовании режимов сварки взрывом многослойного пакета ниже нижнего предела возможно появление непроваров, при режимах сварки выше верхнего предела происходит неоправданно высокий расход взрывчатого вещества в расчете на одно изделие, повышается вероятность появления оплавов в зонах соединения слоев, что снижает прочностные свойства композиционного материала.

Предложено дополнительную горячую прокатку сваренного многослойного пакета осуществлять с обжатием 90-98% и температуре 680-720°С. При таких режимах прокатки изменяются размеры многослойных заготовок с увеличением их длины и ширины. В результате полученная тонколистовая многослойная заготовка становится пригодной для формоизменения, например, методом листовой штамповки, гибки и т.п. с целью получения заготовок и изделий заданной формы и размеров, при этом расслоение и растрескивание материала не происходит.

Предложено проводить отжиг полученных заготовок при температуре 700-800°С в течение 0,1-0,75 ч с последующим охлаждением на воздухе, что способствует получению сплошных интерметаллидных прослоек с повышенными прочностными и теплозащитными свойствами в зонах соединения титана со сталью. При снижении температуры и уменьшении времени выдержки при отжиге может не произойти образования сплошных теплозащитных прослоек, что, в свою очередь, может снизить теплозащитные свойства композиционного материала в целом. При увеличении температуры и времени выдержки выше предлагаемого предела сплошность теплозащитных прослоек не нарушается, но они становятся слишком толстыми и материал приобретает склонность к расслаиванию при изгибающих нагрузках. В результате комплекса предлагаемых технологических приемов получают композиционный материал титан – сталь с повышенным термическим сопротивлением в поперечном направлении и высокой теплопроводностью вдоль металлических слоев. В связи с кратковременностью процесса отжига диффузионное взаимодействие наблюдается лишь вблизи зон сварки титана со сталью, толщина получаемых диффузионных прослоек не превышает 6-10 мкм, сквозной диффузии железа в слоях титана не наблюдается, поэтому основные объемы титановых и стальных слоев сохраняют исходную высокую теплопроводность, прочность и пластичность. Полученный материал обладает повышенной стойкостью к разрушению в условиях изгибающих нагрузок.

Предлагаемый способ получения композиционного материала титан – сталь осуществляется в следующей последовательности.

Собирают трехслойный пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений чередующихся слоев титана и стали, располагающихся параллельно друг над другом на расстоянии технологических сварочных зазоров, при этом соотношение толщин слоев титана и стали 1:(0,33-0,4) при толщине слоя стали 2-4 мм. Укладывают трехслойный пакет на основание, размещенное на грунте. Для уменьшения краевых эффектов с помощью специальных приспособлений к боковым кромкам по всему периметру верхней титановой пластины пристыковываются защитные экраны в виде стальных полос, имеющих такую же удельную массу, как у титанового слоя.

На поверхность пакета и экранов укладывают защитную прослойку из высокоэластичного материала, защищающую поверхность верхней титановой пластины от повреждений, а на ее поверхности и поверхности экранов располагают контейнер с зарядом взрывчатого вещества. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в заряде взрывчатого вещества с помощью электродетонатора, при этом отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс титанового и стального слоя выбирается равным 1,92-2,29, а скорость детонации взрывчатого вещества выбирается равной 2150-2400 м/с.

Затем сваренный пакет подвергают горячей прокатке при температуре 680-720°С с обжатием 64-87%, после чего производят разделку пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых составляют многослойный пакет под сварку взрывом. Предварительно поверхности пластин очищают от окислов и загрязнений.

Пластины пакета располагают параллельно друг над другом на расстоянии технологических сварочных зазоров. Как и при сварке трехслойного пакета, к боковым кромкам верхней пластины пакета пристыковывают защитные стальные экраны для уменьшения краевых эффектов и повышения выхода годной продукции. На поверхности верхней пластины многослойного пакета и стальных экранов размещают защитную прослойку из высокоэластичного материала, а на ее поверхности и поверхности защитных экранов располагают контейнер с зарядом взрывчатого вещества. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в заряде взрывчатого вещества с помощью электродетонатора, при этом отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс метаемых слоев пакета выбирается равном 0,79-1,03, а скорость детонации взрывчатого вещества выбирается равной 2150-3100 м/с. Затем производят дополнительную горячую прокатку сваренного многослойного пакета при температуре 680-720°С с обжатием 90-98%, после чего полученную заготовку подвергают формоизменению с приданием ей заданной формы и размеров. Для повышения теплозащитных свойств получаемого материала проводят отжиг при температуре 700-800°С в течение 0,1-0,75 ч с последующим охлаждением на воздухе.

В результате получают композиционный материал титан – сталь с повышенным термическим сопротивлением в поперечном направлении и повышенной теплопроводностью вдоль металлических слоев. Помимо этого, материал обладает повышенной стойкостью к разрушению в условиях изгибающих нагрузок, при этом в сравнении с прототипом значительно сокращается продолжительность и температура отжига.

Пример 1 (см. таблицу, опыт 1)

Собирают трехслойный пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений чередующихся слоев титана и стали, располагающихся параллельно друг над другом на расстоянии технологических сварочных зазоров.

Порядок чередования слоев в пакете следующий: титан ВТ1-0 – сталь 08 – титан ВТ1-0. Размеры титановых пластин: длина 300 мм, ширина 200 мм, толщина _Ti=10 мм. У стальной пластины длина и ширина такая же, как у титановых пластин, а толщина _ст=4 мм, при этом соотношение толщин слоев титанового и стального слоя равно 1:0,4. Укладывают пакет на основание из древесно-стружечной плиты, размещенное на песчаном грунте. Длина основания 300 мм, ширина 200 мм, толщина 18 мм. К боковым кромкам по всему периметру верхней титановой пластины с помощью специальных приспособлений пристыковывают экраны в виде полос шириной 40 мм из стали Ст3 с примерно такой же удельной массой, как у титановой пластины. Плотность стали Ст3 7,8 г/см³, толщина 6 мм. На поверхности пакета и экранов укладывают защитную прослойку толщиной 2 мм из высокоэластичного материала – резины, защищающую поверхность верхней титановой пластины от повреждений продуктами детонации взрывчатого вещества, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом порошкообразного взрывчатого вещества. Длина контейнера 380 мм, ширина 280 мм. Толщина заряда ВВ _вв=150 мм. В качестве заряда ВВ использовалась смесь с объемным соотношением 1:4. Плотность ВВ _вв=0,98 г/см³. Скорость детонации ВВ D_вв=2400 м/с, удельная масса заряда ВВ (произведение толщины на плотность) равна: m_вв=_вв·_вв=15 см·0,98 г/см³=14,7 г/см². Удельная масса титановой пластины m_Ti=_Ti·_Ti. Плотность титана ВТ1-0 _Ti=4,52 г/см³, поэтому m_Ti=1,0·4,52=4,52 г/см². В пакете использовалась низкоуглеродистая сталь 08 с плотностью _ст=7,87 г/см³, удельная масса стального слоя m_ст=_ст·_ст=0,4·7,87=3,148 г/см³. Отношение удельной массы взрывчатого вещества к сумме удельных масс титанового и стального слоя равно: m_вв:(m_Ti+m_ст)=14,7:(4,52+3,148)=1,92. При сварке взрывом осуществляется инициирование процесса детонации заряда ВВ с помощью электродетонатора. Технологические сварочные зазоры между слоями пакета выбирают такими, чтобы скорости соударения пластин находились в пределах 430-450 м/с, что способствует получению качественных сварных соединений обоих титановых слоев с промежуточным стальным слоем. Затем сваренный пакет подвергают горячей прокатке при температуре 720°С и обжатии 87%. Конечная толщина прокатанной заготовки равна 3 мм.

Производят разделку (резку) сваренного пакета на мерные трехслойные заготовки длиной 240 мм и шириной 160 мм, поверхности которых очищают от окислов и загрязнений. Затем составляют пакет под сварку взрывом из трехслойных заготовок. Пластины пакета располагают параллельно друг над другом на расстоянии технологических сварочных зазоров. Укладывают пакет на основание из древесно-стружечной плиты, размещенное на песчаном грунте. Длина основания и ширина такие же, как у пакета, а толщина 18 мм. К боковым кромкам верхней трехслойной заготовки пристыковывают защитные экраны в виде полос из стали Ст3 шириной 40 мм, толщиной 2 мм. На поверхности верхней пластины пакета и стальных экранов размещают защитную прослойку толщиной 2 мм из резины, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом взрывчатого вещества. Длина контейнера 320 мм, ширина 240 мм, толщина заряда ВВ _вв=150 мм. В качестве заряда ВВ использовалась смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой с объемным соотношением 1:2. Плотность ВВ _вв=0,94 г/см³, его удельная масса m_вв=15·0,94=14,1 г/см². При выбранной толщине заряда ВВ скорость детонации D_вв=3100 м/с. В пакете, состоящем из 10 трехслойных заготовок, 9 являются метаемыми, а нижняя – неподвижной. В каждой трехслойной заготовке толщиной 3 мм средняя толщина титановых слоев 1,25 мм, стального слоя 0,5 мм, удельная масса метаемых слоев в пакете равна: m_пак=9(2_Ti·_ti+_ст·_ст)=9(2·0,125·4,52+0,05 ·7,87)=9·1,523=13,71 г/см².

Отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс метаемых слоев пакета равно: m_вв:m_пак=14,1:13,71=1,03.

Сварку взрывом осуществляют инициированием процесса детонации заряда ВВ с помощью электродетонатора. Технологические сварочные зазоры между слоями пакета выбирают такими, чтобы скорости соударения пластин находились в пределах 540-560 м/с. Затем сваренный пакет подвергают горячей прокатке при температуре 680°С и обжатии 90%, после чего полученную заготовку подвергают формоизменению на гидравлическом прессе с получением П-образных профилей шириной 50 мм, высотой 50 мм и радиусом закругления 8 мм. Отжиг для повышения теплозащитных свойств получаемого материала производят при 700°С в течение 0,75 ч с последующим охлаждением на воздухе.

В результате получают многослойный композиционный материал (КМ) толщиной _ком=3 мм, содержащий 20 сплошных интерметаллидных прослоек, имеющих суммарную толщину _инт=120 мкм. Термическое сопротивление этого KM R_ком=2,5·10^-4 К/(Вт/м²), что на 84% процента больше, чем у этого же КМ до отжига, когда интерметаллидных прослоек нет, при этом у 80% объема КМ, занимаемого титановыми слоями, коэффициент теплопроводности _Ti=19,3 Вт/м·К, что 16-21 раз больше, чем по прототипу, а в слоях стали (16% объема КМ) _ст=73,7 Вт/м·К, что в 61-82 раза больше, чем по прототипу. Время отжига сократилось до 0,75 ч, что в 1,3-5,3 раза меньше, чем по прототипу. В стадиях прокатки и формоизменения КМ не расслаивается и не растрескивается. При испытаниях на перегиб на 90-95% поверхности излома характер разрушения вязкий. При эксплуатации КМ имеет повышенную стойкость к разрушению в условиях изгибающих нагрузок.

Пример 2 (см. таблицу, опыт 2)

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина свариваемых металлов в трехслойном пакете: _Ti=8 мм, _ст=3 мм, соотношение толщин слоев титана и стали равно: 1:0,375. Удельная масса титанового слоя: m_Ti=_Ti·_Ti=0,8·4,52=3,616 г/см²; удельная масса стального m_ст=_ст·_ст=0,3·7,87=2,361 г/см². К боковым кромкам по всему периметру верхней титановой пластины пристыковывают экраны толщиной 4,6 мм. Толщина заряда ВВ: _вв=125 мм, удельная масса ВВ m_вв=12,5·0,98=12,25 г/см², D_вв=2280 м/с, соотношение удельных масс m_вв:(m_Ti+m_ст)=2,05. Горячую прокатку осуществляют при 700°С с обжатием 79%. Конечная толщина прокатанной заготовки равна 4 мм. Проводят разделку сваренного пакета на мерные трехслойные заготовки длиной 200 мм, шириной 160 мм. Многослойный пакет составляют из 8 трехслойных пластин. В каждой пластине _Ti=1,7 мм, _ст=0,6 мм. Стальные экраны используют толщиной 2,5 мм. Длина контейнера с зарядом ВВ 280 мм, ширина 240 мм.

В качестве заряда ВВ при сварке многослойного пакета использовалась смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой с объемным соотношением 1:3, _вв=120 мм, _вв=0,97 г/см³. Удельная масса m_вв=11,64 г/см², скорость детонации D_вв=2500 м/с. Удельная масса метаемых слоев пакета m_вв=13,71 г/см². Отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс метаемых слоев пакета равно: m_вв:m_пак=1,64:14,063=0,828.

Дополнительную горячую прокатку сваренного многослойного пакета проводят при температуре 700°С с обжатием 93%, после чего полученную заготовку подвергают формоизменению: листовой штамповке на гидравлическом прессе с получением полуфабрикатов тарельчатой формы. Отжиг проводят при температуре 750°С в течение 0,4 ч. В результате получают многослойный композиционный материал толщиной _ком=2,24 мм, содержащий 16 сплошных интерметаллидных прослоек, имеющих суммарную толщину _инт=128 мм, их объемная доля в КМ – 60%. R_ком=2,25·10^-4 К/(Вт/м²), что на 114% больше, чем у этого же КМ до отжига, при этом у 80% объема, занимаемого титаном, и у 14% объема, занимаемого стальными слоями, высокая теплопроводность сохраняется на прежнем уровне. Время отжига в 2,5-10 раз меньше, чем прототипу.

Пример 3 (см. таблицу, опыт 3)

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина свариваемых металлов в трехслойном пакете: _Ti=6 мм, _ст=2 мм, соотношение толщин слоев титана и стали равно: 1:0,33. Удельная масса титанового слоя: m_Ti=2,71 г/см, m_ст=1,574 г/см. Толщина стальных экранов 3,5 мм. Толщина заряда ВВ: _вв=100 мм, удельная масса ВВ m_вв=9,8 г/см², D_вв=2150 м/с, соотношение удельных масс m_вв:(m_Ti+m_ст)=2,29. Горячую прокатку осуществляют при 680°С с обжатием 64%. Конечная толщина прокатанной заготовки равна 5 мм. Проводят разделку сваренного пакета на мерные трехслойные заготовки длиной 180 мм, шириной 140 мм. Многослойный пакет составляют под сварку взрывом из 6 трехслойных пластин. В каждой пластине _Ti=2,15 мм, _ст=0,7 мм. Стальные экраны используют толщиной 3 мм, шириной 30 мм. Длина контейнера с зарядом ВВ 240 мм, ширина 200 мм. В качестве заряда ВВ использовалась смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой с объемным соотношением 1:4, _вв=100 мм, _вв=0,98 г/см³, D_вв=2150 м/с, удельная масса заряда ВВ m_вв=9,8 г/см². Удельная масса метаемых слоев пакета m_пак=12,47 г/см². Отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс метаемых слоев пакета равно: m_вв:m_пак=0,79.

Дополнительную горячую прокатку сваренного многослойного пакета проводят при температуре 720°С с обжатием 98%, после чего полученную заготовку подвергают формоизменению: листовой штамповке с получением волнообразных профилей с длиной волны 15 мм, с амплитудой волн 10 мм. Отжиг проводят при температуре 800°С в течение 0,1 ч. В результате получают многослойный композиционный материал толщиной _ком=0,6 мм, содержащий 12 сплошных интерметаллидных прослоек, имеющих суммарную толщину _инт=120 мкм, их объемная доля в KM – 20%. Термическое сопротивление поперечного материала R_ком=1,42·10^-4 К/(Вт/м²), что на 410% больше, чем у этого КМ до отжига, при этом у 68% объема КМ, занимаемого титаном, и 12% объема, занимаемого сталью, высокая теплопроводность металлов сохраняется на прежнем уровне. Время отжига в 10-40 раз меньше, чем по прототипу. Температура отжига 800°С соответствует нижнему значению диапазона температур отжига, рекомендуемых по прототипу. При испытаниях на перегиб на 80% площади излома наблюдается вязкий характер разрушения.

При получении композиционного материала титан – железо по прототипу (см. таблицу, опыт 4) диффузия железа происходит на всю толщину титановых слоев, поэтому коэффициент теплопроводности композита _ком=0,9-1,1 Вт/м·K одинаково низкий как вдоль, так и поперек слоев композита. При испытаниях на перегиб на всей площади излома хрупкий характер разрушения. При эксплуатации КМ имеет пониженную стойкость к разрушению в условиях изгибающих нагрузок, а это ограничивает возможность использования данного материала в теплообменной аппаратуре, где требуется повышенное термическое сопротивление в поперечном направлении и повышенная теплопроводность вдоль металлических слоев.

Способ получения композиционного материала титан – сталь, предназначенный для изготовления теплообменной аппаратуры, теплозащитных экранов, термосов и т.п., впервые обеспечил получение высококачественного слоистого композиционного материала с надежной сваркой слоев титана и стали по всем поверхностям контакта, после дополнительной горячей прокатки материал становится пригодным для формоизменения, например, листовой штамповкой, гибкой и т.п., а после кратковременного отжига (в 1,3-40 раз более коротким, чем по прототипу) в композите формируются сплошные интерметаллидные прослойки, придающие материалу высокое термическое сопротивление в поперечном направлении с сохранением высокой теплопроводности вдоль металлических слоев (у титановых слоев коэффициент теплопроводности в 16-21 раз больше, чем по прототипу, а у стальных в 61-82 раза). За счет высокой прочности соединения слоев и пониженной хрупкости тонких интерметаллидных прослоек новый композиционный материал титан – сталь обладает высокой стойкостью к разрушению в условиях изгибающих нагрузок.

Формула изобретения

Способ получения композиционного материала титан – сталь, включающий составление пакета из чередующихся слоев титана и стали, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, горячую прокатку и отжиг сваренной заготовки, отличающийся тем, что предварительно составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами титана стальной пластины с соотношением толщин слоев 1:(0,33-0,4) при толщине слоя стали 2-4 мм, сварку взрывом осуществляют при отношении удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс титанового и стального слоя, равном 1,92-2,29, и скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2150-2400 м/с, последующую горячую прокатку сваренного трехслойного пакета проводят с обжатием 64-87% при температуре 680-720°С, производят разделку пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых составляют многослойный пакет под сварку взрывом, осуществляют сварку взрывом при отношении удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс метаемых слоев многослойного пакета, равном 0,79-1,03, и скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2150-3100 м/с, затем производят дополнительную горячую прокатку сваренного многослойного пакета при температуре 680-720°С с обжатием 90-98%, после чего проводят отжиг при температуре 700-800°С в течение 0,1-0,75 ч с последующим охлаждением на воздухе.

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 04.05.2007

Извещение опубликовано: 27.07.2008 БИ: 21/2008