СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2015 года по МПК B23K20/08 B32B7/04 

Изобретение относится к области сварки взрывом и может быть использовано для соединения двух или нескольких металлических пластин.

Известен многослойный композиционный материал и способ его получения (RU 2243289, С22С 47/20; С22С 49/06; С22С 21/08). Многослойный композиционный материал, обладающий повышенной прочностью, жаропрочностью и эксплуатационными характеристиками, включает в себя матрицу из алюминиевого сплава и наполнитель, выполненный из стального волокна. Способ изготовления композита, заключающийся в армировании матрицы, предусматривает послойную укладку волокон в пакет с последующим соединением с помощью сварки взрывом, диффузионной сварки или горячей прокатки.

Известен способ получения композиционного сталеалюминиевого переходника сваркой взрывом (патент RU 2270742, МПК В23К 20/08, опубл. 27.02.2006 г. ), в котором производят последовательную сварку взрывом стального плакируемого листа с двумя плакирующими листами. Плакируемый стальной лист предварительно хромируют до получения по всей поверхности слоя толщиной 0,03-0,07 мм.

Недостатком данного технического решения является наличие в осаждаемом слое хрома напряжений растяжения, которые будут тем больше, чем толще слой хрома. Наличие напряжений растяжения в слое хрома приводит к отслаиванию хрома и к снижению усталостной прочности изделий, покрытых хромом, а, следовательно, и всего многослойного изделия. Кроме того, перед хромированием необходимо проводить механическую обработку поверхности для активации поверхности, включающую удаление оксидных пленок и снижение шероховатости, иначе при отложении хрома на поверхности будут «скопированы» все неровности и изъяны. Толщина слоя хрома ограничена - не более 0,3 мм. Слой большей толщины непрочен и имеет структуру низкого качества. Процесс хромирования является дорогим, малопроизводительным и экологически грязным.

Известен способ сварки взрывом (патент RU 2243871, МПК В23К 20/08, опубл. 10.01.2005 г.), принятый в качестве прототипа, в котором метаемую пластину устанавливают с зазором над неподвижной пластиной и инициируют заряд взрывчатого вещества (ВВ), расположенный над метаемой пластиной. Предварительно производят обработку поверхностей свариваемых пластин до шероховатости Rz=8,0-12,0 мкм. Сварку осуществляют давлением продуктов детонации, время действия которых превышает время остывания расплавленных на глубины более 2 мкм поверхностных слоев пластин. Недостатком данного технического решения является возникновение наклепа поверхности пластин при их обработке, который характеризуется наличием напряжений растяжения в обработанном слое, снижающих сопротивление усталости материала.

В процессе соединения сваркой взрывом двух или нескольких металлических пластин качество и прочность соединений зависят от размера поверхностных неровностей, которые устраняются известными из указанных аналогов методами, изменяющими структуру обрабатываемой поверхности, ухудшая прочностные характеристики.

Технический результат изобретения заключается в получении многослойного материала с повышенной прочностью соединения металлических пластин.

Технический результат достигается тем, что в способе получения многослойного материала сваркой взрывом, включающем установку с зазором метаемой пластины над неподвижной пластиной с предварительно обработанной поверхностью и инициирование заряда взрывчатого материала, расположенного над метаемой пластиной, в соответствии с изобретением на обработанную поверхность неподвижной пластины сверхзвуковым «холодным» газодинамическим напылением (ХГДН) наносят слой одного из представленных металлов, таких как Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Со, Fe, Ag и сплавов на их основе.

Использование технологии газодинамического напыления позволяет не вносить изменения в структуру и состав материалов пластин в процессе нанесения промежуточного слоя и, как следствие, не вносить изменения в характеристики материала. В процессе напыления решающее влияние имеет высокая скорость частиц порошка, а не их температура. При нанесении слоя из Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Со, Fe, Ag и сплавов на их основе, легированных редкоземельными металлами, температура не превышает 100°C, при этом скорость может изменяться от 200 до 500 м/с.

Перед напылением указанного слоя проводят активацию поверхности пластины методом абразивной обработки, не нарушая структуру металла. Оставшиеся поверхностные неровности заполняются металлом при напылении указанным методом, увеличивая тем самым адгезионную прочность наносимого слоя, достаточную для предотвращения его самопроизвольного отслоения до момента завершения процесса соединения сваркой взрывом пластин разнородных материалов.

Толщина напыляемого слоя 30-40 мкм является оптимальной для достижения высоких прочностных качеств многослойного материала. При толщине напыления менее 30 мкм адгезионная прочность нанесенного слоя недостаточна для обеспечения требуемой прочности многослойного материала, а при толщине более 40 мкм происходит ухудшение когезионной прочности.

При соединении пластин методом сварки взрывом в месте контакта разнородных металлов одновременно с диффузией происходит химическая реакция с образованием интерметаллических соединений или интерметаллидов. В зависимости от температуры и давления могут образовываться соединения, существенно отличающиеся по удельному сопротивлению, коэффициенту термического расширения и твердости. Из-за различия в коэффициентах термического расширения интерметаллических фаз образуются микротрещины.

Процесс понижения прочности металлического контакта за счет образования интерметаллических соединений усугубляется тем, что при контакте различных металлов в месте контакта происходит взаимная диффузия металлов по междоузлиям или вакансиям. При этом в результате различия коэффициентов диффузии в металле с большим коэффициентом диффузии образуются пустоты.

Таким образом, процессы образования слоев интерметаллидов, пустот и трещин снижают его прочность.

Указанные структурные дефекты удается исключить соответствующим выбором состава материала напыляемого слоя в зависимости от марки соединяемых материалов.

В качестве металлов свариваемых пластин используют металлы с широким спектром растворимости, например: Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Со, Fe, Ag и сплавы на их основе. В качестве напыляемого металла используют Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Со, Fe, Ag и сплавы на их основе, легированные редкоземельными металлами цериевой и/или иттриевой группы в объеме от 0,01% до 0,2%, которые выполняют функцию модификаторов сплавов (очищают от неметаллических включений, таких как кислород, азот, водород) и обеспечивают получение наноструктурированного состояния обрабатываемого материала пластин.

При напылении промежуточного слоя используют порошковые материалы фракцией от 10 мкм до 50 мкм.

Оптимальный зазор для свариваемых материалов - 0,6÷1,2 толщины метаемого листа. Сверху на плакируемый лист через технологические проставки укладывают плакирующий (метаемый) титановый лист. Точка расположения инициирования детонации зависит от конфигурации и назначения изготовляемого биметалла (лист, круг, кольцо и т.д.).

Качество сварки оценивается: по сплошности биметаллических заготовок, определяемой ультразвуковым контролем; по результатам металлографического анализа границы раздела между металлами с определением количества расплавов и испытаниями образцов из биметалла на срез, отрыв плакирующего слоя и изгиб.

Пример 1

Способ получения многослойного материала рассмотрим на примере получения биметаллического соединения сталь-титан.

В качестве стальной пластины используется лист толщиной 20 мм марки Х18Н10Т. В качестве титановой пластины используется лист толщиной 8 мм марки ВТ 1-0. В качестве материала промежуточного слоя применяется никель, который напыляется методом ХГДН на поверхность стальной пластины. Способ получения биметалла можно разделить на несколько этапов.

На первом этапе происходит обезжиривание поверхности стальной пластины, затем на втором этапе осуществляют абразивную обработку поверхности.

На третьем этапе происходит напыление Ni толщиной 30-40 мкм методом ХГДН при скоростях двухфазного потока 450 м/с и температурой частиц, не превышающей 100°C. Адгезия слоя никеля к стальной пластине 36-41 МПа.

На четвертом этапе производится процесс соединения пластин методом сварки взрывом: сверху на плакируемый стальной лист через технологические проставки с зазором 4,8 мм укладывают плакирующий (метаемый) титановый лист, а над ним - взрывчатое вещество. Процесс сварки взрывом осуществляется при инициировании заряда взрывчатого вещества (ВВ) электродетонатором. Во ВВ возникает процесс устойчивой детонации, когда в результате химической реакции с огромной скоростью происходит превращение твердого вещества в сжатые (до нескольких десятков тысяч атмосфер) и раскаленные (до нескольких тысяч градусов) газы. Расширяясь, газы сообщают плакирующей заготовке резко ускоренное движение в сторону плакируемой детали. В момент соударения свариваемых заготовок в зоне физического контакта возникают мощные ударные волны, вызывающие интенсивную пластическую деформацию поверхностных слоев.

Пример 2

Способ получения многослойного материала рассмотрим на примере получения биметаллического соединения сталь-медь.

В качестве стальной пластины используется лист толщиной 20 мм марки Ст20. В качестве медной пластины используется лист толщиной 8 мм. В качестве материала промежуточного слоя применяется медь, которая напыляется методом ХГДН на поверхность стального листа.

На первом этапе происходит обезжиривание поверхности стального листа, затем на втором этапе проводят абразивную обработку поверхности.

На третьем этапе сразу после абразивной обработки происходит напыление Си толщиной 30-40 мкм методом ХГДН при скоростях двухфазного потока 400 м/с и температурой частиц, не превышающей 100°C. Адгезия слоя Си к стальному листу 35-40 МПа.

На четвертом этапе производится процесс соединения пластин методом сварки взрывом: сверху на плакируемый лист через технологические проставки укладывают плакирующий (метаемый) медный лист с зазором 6,5 мм, а над ним - взрывчатое вещество. Процесс сварки взрывом осуществляется при инициировании заряда взрывчатого вещества.

Пример 3

Способ получения многослойного материала рассмотрим на примере получения биметаллического соединения сталь-алюминий.

В качестве стальной пластины используется лист толщиной 20 мм марки Ст20. В качестве алюминиевой пластины используется лист толщиной 8 мм марки AMg5. В качестве материала промежуточного слоя применяется алюминий, который напыляется методом ХГДН на поверхность стального листа.

На первом этапе происходит обезжиривание поверхности стального листа, затем на втором этапе проводят абразивную обработку поверхности.

На третьем этапе сразу после абразивной обработки происходит напыление А1 толщиной 30-40 мкм методом ХГДН при скоростях двухфазного потока 400 м/с и температурой частиц, не превышающей 100°C. Адгезия слоя алюминия к стальному листу 39-45 МПа.

На четвертом этапе производится процесс соединения пластин методом сварки взрывом: сверху на плакируемый лист через технологические проставки укладывают плакирующий (метаемый) алюминиевый лист с зазором 8,5 мм, а над ним - взрывчатое вещество. Процесс сварки взрывом осуществляется при инициировании заряда взрывчатого вещества.

Результаты испытаний образцов биметаллов с напыленным слоем, полученных сваркой взрывом, показали, что сплошность соединения слоев, соответствует 1 классу по ГОСТ 22727, а прочность соединения слоев - 300…400 МПа, что примерно в 1,5 раза выше прочности биметаллов без напыляемого слоя.

Кроме того, предлагаемый способ нанесения слоя на поверхность пластины методом сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления (ХГДН) позволяет создать на обработанной поверхности стойкое, функционально-градиентное покрытие, позволяющее исключить из технологического процесса операции по сохранению подготовленной для сварки взрывом поверхности полуфабриката при длительном хранении или транспортировке.

Кроме представленных выше примеров соединений, могут быть получены другие, изготовляемые сваркой взрывом комбинации соединений, такие как: алюминий - медь; алюминий - алюминий; медь - никель; сталь - сталь.

Изобретение может быть использовано для получения крупногабаритных многослойных материалов, используемых в атомной, нефтегазовой, химической отраслях промышленности, а также в судостроении. Для повышения прочности сцепления металлических плит из разнородных материалов применяют нанесение промежуточного слоя толщиной 30-40 мкм на поверхность неподвижной плиты методом холодного газодинамического напыления. Перед нанесением промежуточного слоя проводится предварительная подготовка поверхности плиты методом абразивной обработки. Состав промежуточного слоя выбирают в зависимости от материала соединяемых пластин из условия обеспечения взаимной диффузии металлов в месте контакта. В качестве металла свариваемых пластин используют Al, Zn, Сu, Ni, Ti, Co, Fe, Ag и сплавы на их основе. В качестве напыляемого металла используют Al, Zn, Сu, Ni, Ti, Co, Fe, Ag и сплавы на их основе, легированные редкоземельными металлами. Полученный многослойный материал с напыляемым слоем имеет сплошность соединения слоев, соответствующую 1 классу по ГОСТ 22727 и прочность соединения слоев 300-400 МПа, что примерно в 1,5 раза выше прочности биметаллов без напыляемого слоя. 5 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ получения многослойного материала сваркой взрывом, включающий предварительную абразивную обработку поверхности неподвижной пластины, установку с зазором метаемой пластины над неподвижной пластиной и инициирование заряда взрывчатого вещества, расположенного над метаемой пластиной, отличающийся тем, что на предварительно обработанную поверхность неподвижной пластины холодным газодинамическим напылением наносят промежуточный слой толщиной 30-40 мкм из металла, обеспечивающего взаимную диффузию в месте контакта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлов свариваемых пластин используют Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Со, Fe, Ag и сплавы на их основе.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве напыляемого металла используют Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Со, Fe, Ag и сплавы на их основе.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве напыляемого металла используют Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Со, Fe, Ag и сплавы на их основе, легированные редкоземельными металлами.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при напылении промежуточного слоя используют порошковые материалы фракцией от 10 мкм до 50 мкм.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что зазор между неподвижной и метаемой пластинами составляет 0,6-1,2 толщины метаемой пластины.