СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА АЛЮМИНИЙ-ТИТАН Российский патент 2005 года по МПК B23K20/08 B32B15/01 

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, электроэнергетических установок и т.п.

Известен способ получения композиционного материала титан-железо 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, М.кл. 5 В 23 К 20/08, В 23 К 20/04, опубл. 30.11.93).

Недостатком данного способа является то, что диффузия железа осуществляется на всю толщину титановых слоев, что существенно снижает теплопроводность композиционного материала титан-железо не только в поперечном, но и в продольном направлении, а это весьма сужает возможности использования данного материала в теплообменной аппаратуре.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ изготовления композиционных теплозащитных элементов с внутренними каналами, в том числе из алюминия и титана, при котором на поверхность свариваемых заготовок наносят противосварочную пасту по трафарету, соответствующему форме каналов хладоносителя, сваривают с помощью ВВ поверхности заготовок между собой, выполняют операции формообразования (раздувания) путем закачки в каналы жидкости высокого давления, а затем осуществляют формирование пассивной теплозащиты на межканальных промежутках композиционного изделия за счет создания на границе соединения металлов интерметаллидной прослойки заданной толщины путем отжига при температуре, не превышающей температуру плавления составляющих композиции (Ю.П.Трыков, В.Г.Шморгун, Д.В.Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов / Сварочное производство, №6, 2000 г., С.40-43).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено малой скоростью диффузионных процессов в зоне соединения алюминий-титан, и образующаяся в процессе отжига теплозащитная интерметаллидная прослойка имеет малую толщину даже при длительной выдержке в стадии отжига и, как следствие этого, имеет недостаточно высокое термическое сопротивление, а это снижает эффективность использования композиционного материала алюминий-титан в теплообменной аппаратуре, особенно в изделиях, где требуется пониженный теплообмен между слоями алюминия и титана.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционного материала алюминий-титан с повышенным термическим сопротивлением защитной интерметаллидной прослойки, сокращение времени формирования этой прослойки с сохранением при этом высокой теплопроводности металлических слоев на базе нового технологического цикла осуществления сварки взрывом алюминия с титаном с последующим высокотемпературным отжигом при температурах, превышающих температуру плавления алюминия, и обжатием сваренной композиции стальными пуансонами, что создает новые технологические условия для образования теплозащитной интерметаллидной прослойки оптимальной толщины в зоне соединения алюминия и титана с повышенным термическим сопротивлением, тем самым обуславливается регламентируемый теплообмен между слоями алюминия и титана в полученном материале, причем теплопроводность алюминия и титана сохраняются на прежнем уровне, а в поперечном направлении теплообмен между слоями алюминия и титана за счет высокого термического сопротивления прослойки значительно снижается, а это весьма существенно повышает эффективность изделий из предлагаемого композиционного материала в теплообменной аппаратуре и электроэнергетических установках.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии получения композиционного материала алюминий-титан на основе оптимального соотношения удельных масс заряда ВВ и метаемой алюминиевой пластины, выбора скорости детонации зарядов ВВ, температурно-временных режимов отжига сваренного пакета и режимов обжатия заготовки стальными пуансонами с одновременной кристаллизацией алюминиевого слоя, что обеспечивает создание сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки между алюминием и титаном с повышенным термическим сопротивлением с сохранением высокой теплопроводности металлов, входящих в состав получаемого композита. Кроме того, значительно сокращается время отжига, что удешевляет процесс получения композиционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что заявлен способ получения композиционного материала алюминий-титан, при котором составляют пакет из слоев алюминия и титана, размещают над ним заряд взрывчатого вещества, осуществляют сварку взрывом и проводят отжиг сваренной заготовки; при реализации способа отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к удельной массе алюминиевого слоя равно 1,11-5,0, при этом используют заряд взрывчатого вещества со скоростью детонации, равной 2250-3300 м/с, после сварки пакет подвергают отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия в 1,06-1,14 раза в течение 0,5-2 часов, с формированием при этом сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки, с последующим обжатием пакета стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя и одновременной его кристаллизацией.

В таких условиях силового и теплового воздействия на пакет из свариваемых материалов происходит сварка взрывом алюминия и титана, формируется благоприятная дислокационная структура титанового слоя, происходит расплавление алюминиевого слоя при отжиге сваренного пакета, ускоренное формирование сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки повышенной толщины с высоким термическим сопротивлением, получение гладкой поверхности алюминиевого слоя и требуемой его толщины при обжатии заготовки стальными пуансонами с одновременной кристаллизацией алюминия, а это обеспечивает высокие теплозащитные свойства сваренного материала в направлении теплопередачи поперек интерметаллидной прослойки, сохранение высокой, на уровне исходной, теплопроводности в слоях алюминия и титана, сокращается время отжига, что позволяет использовать новую технологию получения композиционного материала алюминий-титан и полученные изделия в промышленных целях для изготовления теплообменной аппаратуры, деталей электроэнергетических установок и т.п.

Новый способ получения композиционного материала алюминий-титан имеет существенные отличия по сравнению с прототипом, как по внутреннему строению полученного материала, так и по совокупности технологических приемов воздействия на свариваемый пакет и режимов осуществления способа. Так предложено осуществлять сварку взрывом алюминия и титана при отношении удельной массы заряда взрывчатого вещества к удельной массе алюминиевого слоя, равном 1,11-5,0, и скорости детонации заряда взрывчатого вещества, равной 2250-3300 м/с, что обеспечивает надежную сварку соединяемых металлов, зарождение в зоне контакта алюминия и титана интерметаллидов, формирование за счет высокоскоростного соударения алюминия с титаном благоприятной дислокационной структуры в титановом слое, которая при последующем высокотемпературном отжиге сваренной заготовки способствует значительному ускорению диффузионных процессов между титаном и алюминием, а это, в свою очередь, приводит к образованию сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки повышенной толщины с повышенным термическим сопротивлением, способствует сокращению времени отжига.

Предложено сваренный пакет подвергать отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия в 1,06-1,14 раза в течение 0,5-2,0 часов, с формированием при этом сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки, с последующим обжатием стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя и одновременной его кристаллизацией, что обеспечивает необходимые и достаточные условия для ускоренного формирования сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки стабильной толщины с повышенным термическим сопротивлением, способствует получению гладкой поверхности алюминиевого слоя, устраняет вероятность трещинообразования в стадии охлаждения композиции после проведения отжига, обеспечивает формирование и продвижение в нужном направлении фронта кристаллизации в алюминиевом слое.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-теоретическим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков решения позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков в заявленном объекте по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “Новизна” по действующему законодательству.

Для проверки заявленного изобретения требованию “Изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототип признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию “Изобретательский уровень”.

Предлагаемый способ получения композиционного материала алюминий-титан осуществляется в следующей последовательности. Составляют пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений слоев алюминия и титана, слои в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии технологического сварочного зазора, затем укладывают пакет на основание, размещенное на грунте. На поверхность пакета устанавливают контейнер с зарядом ВВ и осуществляют сварку взрывом с инициированием процесса детонации в заряде ВВ с помощью электродетонатора, при этом отношение удельной массы заряда ВВ к удельной массе алюминиевого слоя выбирают равным 1,11-5,0, а ВВ выбирают со скоростью детонации 2250-3300 м/с. Затем, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки сваренного пакета с краевыми эффектами, на поверхность титана наносят технологическую обмазку для защиты его от воздействия воздушной атмосферы, укладывают сваренный пакет в специальное приспособление, исключающее растекание алюминиевого слоя при отжиге, и подвергают сваренную композицию отжигу путем нагрева, например, в электропечи до температуры, превышающей температуру плавления алюминия в 1,06-1,14 раза в течение 0,5-2 часов, для формирования теплозащитной интерметаллидной прослойки. По истечению времени выдержки при отжиге сваренный пакет со сформированной теплозащитной прослойкой между алюминием и титаном вместе с приспособлением располагают между плоскими стальными пуансонами, например, гидравлического пресса. Длина и ширина пуансонов соответствуют длине и ширине сваренной взрывом заготовки. Обжатие горячей заготовки стальными пуансонами осуществляют на величину, составляющую 20-50% толщины алюминиевого слоя. В процессе обжатия формируется гладкая поверхность слоя алюминия, создаются благоприятные условия охлаждения и его кристаллизации. После охлаждения полученный композиционный материал алюминий-титан извлекают из приспособления, удаляют защитную обмазку и используют по назначению.

В результате за короткое время технологического процесса получают композиционный материал алюминий-титан с теплозащитной интерметаллидной прослойкой между алюминием и титаном, обладающей повышенным термическим сопротивлением, при этом в основном объеме сваренного изделия высокая теплопроводность алюминия и титана сохраняется на том же уровне, как и до сварки взрывом.

Пример 1 (см. таблицу, опыт 1).

Составляют пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений пластин алюминия АД1 и титанового сплава марки ОТ4 со сварочным зазором h=1 мм. Размеры метаемой алюминиевой пластины: длина 150 мм, ширина 120 мм, толщина δ _a1=6 мм. У титановой пластины размеры такие же, как и у алюминиевой, но толщина δ _Ti=4 мм. Пакет укладывают на основание из стали Ст 3, размещенное на песчаном грунте. Длина основания 150 мм, ширина 120 мм, толщина 15 мм. На поверхность метаемого алюминиевого слоя пакета устанавливают контейнер с зарядом порошкообразного ВВ. Длина и ширина контейнера соответствует длине и ширине метаемой алюминиевой пластины. Толщина заряда ВВ δ _вв=20 мм. В качестве заряда ВВ использовали аммонит 6ЖВ с насыпной плотностью ρ _вв=0,9 г/см³. Скорость детонации ВВ при выбранной толщине заряда D_BB=3300 м/с. Удельная масса заряда ВВ (произведение толщины на плотность) равна:

М_вв=2 см· 0,9 г/см³=1,8 г/см².

У метаемой алюминиевой пластины плотность ρ _A1=2,7 г/см³. При выбранной толщине алюминиевой пластины ее удельная масса равна:

M_A1=0,6 см· 2,7 г/см³=1,62 г/см².

Отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества (М_вв) к удельной массе алюминиевого слоя (M_A1) равно:

М_вв:М_A1=1,8:1,62=1,11.

При сварке взрывом осуществляется инициирование процесса детонации в заряде ВВ с помощью электродетонатора. Направление детонации вдоль свариваемого пакета. После сварки у пакета на фрезерном станке обрезают боковые кромки с краевыми эффектами. Ширина удаленных кромок - по 10 мм с каждой стороны заготовки. Обмазывают поверхность титанового слоя защитной технологической обмазкой, например смесью жидкого стекла с оксидом хрома, устанавливают композиционную заготовку в специальное приспособление в виде стальной оболочки прямоугольной формы и помещают эту сборку в муфельную печь для отжига. Отжиг проводили при температуре t=700° C, что превышает температуру плавления (t_пл) алюминия в 1,06 раза (t_пл=660° C). Время выдержки при отжиге 2 часа. По истечению времени выдержки при отжиге сваренный пакет с окончательно сформированной в процессе термического воздействия теплозащитной интерметаллидной прослойкой между титаном и алюминием совместно с приспособлением располагали между плоскими стальными пуансонами гидравлического пресса и подвергали обжатию на величину, равную 1,2 мм, что составляет 20% толщины алюминиевого слоя. В процессе обжатия формируется гладкая поверхность алюминиевого слоя, происходит ускоренное охлаждение композиционного материала с одновременной кристаллизацией алюминия. После охлаждения композиционный материал извлекают из приспособления, удаляют защитную обмазку и используют по назначению.

В результате при сокращении времени отжига в 1,5 раза по сравнению с прототипом (см. таблицу, опыт 4) получают слоистый композиционный материал алюминий-титан со сплошной интерметаллидной прослойкой между алюминием и титаном, имеющей среднюю толщину на всей площади соединения δ _инт=26 мкм. Коэффициент теплопроводности интерметаллидной прослойки λ _инт=0,6 Вт/(м· К), ее термическое сопротивление (отношение δ _инт/λ _инт) равно 4,33· 10^-5 К/(Вт/м²), что в 6,5 раз больше, чем при изготовлении композиционного материала алюминий-титан по прототипу. При этом коэффициенты теплопроводности алюминия АД1 (λ _А1) и титанового сплава ОТ4 (λ _Ti) сохранились на том же уровне, как до сварки взрывом: λ _А1=206 Вт/(м· К), что в 343 раза больше, чем λ _инт, a λ _Ti=9,6 Вт/(м· К), что в 16 раз больше, чем λ _инт.

Пример 2 (см. таблицу, опыт 2).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина метаемой алюминиевой пластины в пакете δ _А1=4 мм, сварочный зазор между пластинами из алюминия АД1 и титанового сплава ОТ4 h=2,5 мм. Удельная масса алюминиевой пластины:

М_A1=δ _A1·_{ρ A1=0,4 см· 2,7 г/см³=1,08 г/см².}

В качестве заряда ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:1. Скорость детонации ВВ D_BB=2560 м/с. Удельная масса ВВ при δ _вв=30 мм:

М_вв=3 см· 0,9 г/см³=2,7 г/см².

Отношение удельной массы заряда ВВ к удельной массе алюминиевого слоя равно:

М_вв:M_A1=2,7:1,08=2,5.

Отжиг сваренного пакета проводили при температуре t=730° C, что превышает температуру плавления (t_пл) алюминия в 1,1 раза. Время выдержки при отжиге τ =1,3 часа. Величина обжатия заготовки стальными пуансонами была равной 1,4 мм, что составляет 35% толщины алюминиевого слоя.

Результаты испытаний полученного композиционного материала алюминий-титан, как в примере 1, но толщина теплозащитной интерметаллидной прослойки δ _инт=28 мкм, термическое сопротивление интерметаллидной прослойки δ _инт/λ _инт=4,67· 10^-5 К/(Вт/м²), что в 7 раз больше, чем по прототипу, при этом время отжига сократилось в сравнении с прототипом в 2,3 раза.

Пример 3 (см. таблицу, опыт 3).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина метаемой алюминиевой пластины δ _А1=2 мм, сварочный зазор h=2 мм. Удельная масса алюминиевой пластины:

М_A1=δ _А1·_{ρ A1=0,2 см· 2,7 г/см³=0,54 г/см².}

В качестве заряда ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1: 2. Скорость детонации ВВ D_BB=2250 м/с. При выбранной толщине заряда ВВ δ _вв=30 мм и плотности заряда ρ _вв=0,9 г/см³ удельная масса ВВ равна:

М_вв=δ _вв·_{ρ вв=3 см· 0,9 г/см=2,7 г/см.}

Отношение удельной массы заряда ВВ к удельной массе алюминиевого слоя равно:

М_вв:М_А1=2,7:0,54=5,0.

Отжиг сваренного пакета проводили при температуре t=750° C, что превышает температуру плавления алюминия в 1,14 раза. Время выдержки при отжиге τ =0,5 часа. Величина обжатия заготовки стальными пуансонами была равной 1,0 мм, что составляет 50% толщины алюминиевого слоя.

Результаты испытаний полученного композиционного материала алюминий-титан те же, что в примере 1, но толщина δ _инт=30 мкм, а ее термическое сопротивление δ _инт/λ _инт=5· 10^-5 К/(Вт/м²), что в 7,5 раз больше, чем по прототипу, при этом время отжига сократилось в сравнении с прототипом в 6 раз.

При получении композиционного материала алюминий-титан по прототипу (см. таблицу, опыт 4) теплозащитная интерметаллидная прослойка имеет значительно меньшее термическое сопротивление, при этом на ее формирование требуется значительно большее время, чем при изготовлении такого же материала по предлагаемому способу, а это ограничивает возможности использования изготовленного по прототипу композиционного материала алюминий-титан в теплообменной аппаратуре, электроэнергетических установках, где требуется ограниченный теплообмен между слоями алюминия и титана.

Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:

- способ получения композиционного материала алюминий-титан, предназначенный для изготовления теплообменной аппаратуры, электроэнергетических установок и т.п. впервые обеспечил получение высококачественного слоистого композиционного материала с термическим сопротивлением теплозащитной интерметаллидной прослойки в 6,5-7,5 раз большим, чем при получении аналогичной композиции по прототипу, при этом время термообработки при отжиге сокращается в 1,5-6 раз в сравнении с прототипом; теплопроводность алюминия и титана сохраняются на уровне исходных материалов;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных технологических приемов, условий и режимов его реализации;

- способ получения композиционного материала алюминий-титан, воплощенный в заявленном изобретении, при его осуществлении обеспечивает получение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “Промышленная применимость”.

Изобретение может быть использовано при получении композиционных материалов с особыми тепловыми свойствами с помощью энергии взрывчатых веществ. Составляют пакет из слоев алюминия и титана, сваривают его взрывом и отжигают. Отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к удельной массе алюминиевого слоя составляет 1,11-5,0. Используют заряд взрывчатого вещества со скоростью детонации, равной 2250-3300 м/с. Отжиг производят путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия в 1,06-1,14 раза в течение 0,5-2 часов с формированием при этом сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки. Последующее обжатие осуществляют стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя и одновременной его кристаллизацией. Образование теплозащитной интерметаллидной прослойки оптимальной толщины в зоне соединения алюминия и титана с повышенным термическим сопротивлением обусловливает регламентируемый теплообмен между слоями алюминия и титана в полученном материале. 1 табл.

Способ получения композиционного материала алюминий-титан, включающий составление пакета из слоев алюминия и титана, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом и отжиг сваренной заготовки, отличающийся тем, что отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к удельной массе алюминиевого слоя равно 1,11-5,0, при этом используют заряд взрывчатого вещества со скоростью детонации равной 2250-3300 м/с, после сварки пакет подвергают отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия в 1,06-1,14 раза, в течение 0,5-2 ч, с формированием при этом сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки, с последующим обжатием пакета стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя и одновременной его кристаллизацией.