СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ ИЗ ТИТАНО-АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2016 года по МПК B23K20/14 B23K101/02 B21D47/04 

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам получения листов с регламентированной структурой, и может быть использовано для получения ультрамелкозернистых сверхпластичных листов титано-алюминиевых сплавов для получения сложных деталей методом сверхпластической формовки и диффузионной сварки.

В авиационной и других отраслях промышленности перспективно применение конструкций из высокопрочных титано-алюминиевых сплавов. Причем во многих случаях при получении силовых конструкций, по аналогии с титановыми сплавами, требуется создание слоистых конструкций вафельного или ячеистого типа, т.е. возникает задача соединения листовых титано-алюминиевых сплавов.

Существующие методы жидкофазного соединения титано-алюминиевых сплавов (сваркой, пайкой) не обеспечивают необходимой высокой прочности соединения. Наиболее перспективен способ диффузионной сварки, причем эффективность твердофазной технологии существенно возрастает, если соединение (диффузионная сварка) ведется в одном последовательном цикле вслед за сверхпластическим деформированием.

Основной трудностью при соединении титано-алюминиевых сплавов является присутствие на их поверхности термодинамически стабильной плотной окисной пленки, препятствующей контакту между металлическими поверхностями. Для того чтобы произошло диффузионное взаимодействие в контакте титано-алюминиевых сплавов и соответственно была обеспечена высокая прочность соединений, необходимо разрушить окисную пленку (идеальный вариант - удалить ее с поверхности).

Из-за большого сродства алюминия к кислороду он обладает плотной термодинамически стабильной окисной пленкой толщиной 5…10 нм, состоящий из двух слоев: плотного барьерного и рыхлого гидратированного. Барьерный слой имеет меньшую толщину и в нем возникают сжимающие напряжения, в рыхлом возникают растягивающие напряжения. На чистом алюминии толщина рыхлого слоя окисной пленки значительно меньше, чем на сплавах, содержащих титан или магний. Оксиды на титаново-алюминиевых сплавах обладают более высокой химической стойкостью и имеют сложный состав Al₂O₃ HO₂ и Ti₂O или Al₂O₃ H₂O и MgO. Прочностная окисная пленка присутствует на соединяемых поверхностях, в процессе нагрева она практически не разрушается и препятствует образованию металлического контакта. Определяющим фактором при получении прочных диффузионных соединений титаново-алюминиевых сплавов является выбор рациональной и эффективной технологии подготовки поверхностей этих сплавов.

Известны способы получения металлических листов методом сверхпластической формовки и диффузионной сварки, при которых листовые заготовки заполнителя собирают в пакет и размещают в печи, где их нагревают до необходимой температуры и при помощи штампа с определенной оснасткой производят сверхпластическую формовку и диффузионную сварку давлением газа (патенты США №3920175, 1975, №4043418, 1976, №4882833, 1987, патент Японии №60-9100, 1985).

Наиболее близким по набору существенных признаков является техническое решение RU 2170636 С2, 20.07.2001 г., которое было принято авторами за ближайший аналог.

Детали из алюминиевого сплава 1201 в виде пластин толщиной 2,0 мм подвергаются обработке импульсным излучением лазера. Затем детали помещали в вакуумную печь и диффузионно сваривали при температуре 526°C и давлении 5 МПа, после чего охлаждали и вынимали готовые изделия.

Недостатком данного способа является то, что в этом случае выявляется недостаточная прочность соединения в местах диффузионной сварки из-за недостаточного разрушения поверхности окисной пленки, которая препятствует контакту свариваемых поверхностей.

Целью настоящего изобретения является повышение прочностных характеристик диффузионного соединения изделий из титано-алюминиевых сплавов.

Указанная цель достигается за счет того, что в способе, состоящем из изготовления панелей титано-алюминиевых сплавов, при котором свариваемые поверхности соединяемых деталей предварительно обрабатывают на воздухе лазерным изучением с плотностью энергий 10⁵…10⁶ Вт/см², детали диффузионно сваривают при температуре 526°C. После предварительной обработки на воздухе лазерным излучением проводят обжатие при температуре 1250°C и давлении 150 МПа, а диффузионную сварку производят при температуре 1000°C с давлением газа 10 МПа со скоростью деформации 8·10^-5 с^-1.

Способ изготовления металлических панелей из титано-алюминиевых сплавов осуществляется следующим образом. Листы готового проката из титано-алюминиевого сплава Ti-48Al-2Cr-2Nb толщиной 2,0 мм подвергают горячему обжатию при 150 МПа и температуре 1250°C в течение 2 часов. Таким образом, первоначальный крупномодульный слоистый микроструктурный сплав превращается в мелкомодульный дуплексный микроструктурный сплав Ti-48Al-2Cr-2Nb за счет растворения частиц неравновесной части вторичной фазы AlTi₂ в матричной фазе Ti-48Al-2Cr-2Nb, который обладает сверхпластичностью и способен соединятся на межатомном уровне, т.е. диффузионной сваркой.

Диффузионная сварка происходит в вакуумной печи при помощи штампа при температуре 1100°C, давлении газа 10 МПа и скорости деформации 8·10^-5 c^-1.

Таким образом, используя эти способы, а именно горячую дрессировку при температуре 1250°C и давлении обжатия 150 МПа, получаем сверхпластичный титано-алюминиевый сплав за счет большего разрушения окисной пленки на поверхности свариваемых деталей и получения сплава с матричной структурой, в котором рост зерен основной матрицы сдерживается частицами вторичной фазы, растворенными в матричной фазе, тем самым повышая прочность соединения диффузионной сварки.

Изобретение может быть использовано для получения ультрамелкозернистых сверхпластичных листов титано-алюминиевых сплавов при изготовлении сложных деталей методом сверхпластической формовки и диффузионной сварки. Листы готового проката титано-алюминиевого сплава, например, Ti-48Al-2Cr-2Nb толщиной 2,0 мм, предварительно обрабатывают на воздухе лазерным излучением и подвергают горячему обжатию при давлении 150 МПа и температуре 1250°C в течение 2 часов. Таким образом, первоначальный крупномодульный слоистый микроструктурный сплав превращается в мелкомодульный дуплексный, который обладает сверхпластичностью и способен соединяться на межатомном уровне, т.е. диффузионной сваркой. Диффузионную сварку осуществляют в вакуумной печи при температуре 1100°C, давлении газа 10 МПа и скорости деформации 8·10^-5 c^-1. Способ обеспечивает повышение прочностных характеристик диффузионного сварного соединения деталей из титано-алюминиевых сплавов.

Способ изготовления металлических панелей из титаново-алюминиевых сплавов, включающий диффузионную сварку листов при заданной температуре, отличающийся тем, что свариваемые поверхности соединяемых листов предварительно обрабатывают на воздухе лазерным излучением с плотностью энергии 10⁵…10⁶ Вт/см², после чего проводят обжатие при температуре 1250°С и давлении 150 МПа, а диффузионную сварку производят при температуре 1000°С с давлением газа 10 МПа со скоростью деформации 8×10^-5c^-1.