СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТЬЮ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ Российский патент 2017 года по МПК B32B15/00 

Изобретение относится к технологии получения изделий цилиндрической формы с помощью энергии взрыва и может быть использовано для изготовления изделий с внутренней полостью, например теплозащитых экранов, 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°С 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 коррозионная стойкость наружной поверхности изделий, получаемых данным способом, например, в хлоридах, а также высокое гидравлическое сопротивление внутренних полостей при пропускании через них жидкостей-теплоносителей, низкое термическое сопротивление стенок полостеобразующих элементов при теплообмене с окружающей средой, а это весьма ограничивает применение таких изделий в ряде технических устройств.

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 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 коррозионностойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана, между трубчатой оболочкой и пучком из труб располагают трубчатую промежуточную прослойку из металла с пониженной теплопроводностью - из аустенитной стали. 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 (патент РФ №2424883, МПК B23K 20/08, B23K 101/04, опубл. 27.07.2011, бюл. №21 - прототип).

Недостатком данного способа является низкая коррозионная стойкость внутренней поверхности получаемых изделий, например, в азотной кислоте, а также повышенное гидравлическое сопротивление внутренних полостей в расчете на единицу длины изделия при пропускании через них жидкостей-теплоносителей, возможность появления в процессе сварки взрывом в зоне соединения титана со сталью хрупких интерметаллидных фаз, снижающих долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок, недостаточно высокое термическое сопротивление металлических слоев при теплообмене жидкостей-теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях изделия с окружающей средой, а это весьма ограничивает применение таких изделий во многих технических устройствах ответственного назначения.

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, обеспечивающей получение за один технологический цикл цельносварного изделия с осевой симметрией, с повышенной коррозионной стойкостью не только его наружной, но и внутренней поверхности в агрессивных окружающих средах, например наружной поверхности - в хлоридах, а внутренней - в азотной кислоте, с обеспечением при этом пониженного гидравлического сопротивления внутренней полости на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, с обеспечением при этом высокого термического сопротивления его многослойной стенки при теплообмене вещества, располагаемого в его внутренней полости, с окружающей средой, полное исключение появления при сварке взрывом в зонах сварки металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, которые могли бы снизить долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок.

Техническим результатом заявленного способа получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом является создание новой схемы сварки взрывом, обеспечивающей за один акт взрывного воздействия получение изделий с осевой симметрией, с получением качественного сплошного сварного соединения трубчатой оболочки из титана с трубчатой промежуточной прослойкой из ниобия, а также качественного сварного соединения указанной прослойки с медным слоем биметаллического полостеобразующего элемента в виде трубы, без нарушений герметичности свариваемых металлов, с полным исключением возможности появления в процессе сварки взрывом в зонах сварки металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, снижающих долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок, с обеспечением при этом пониженного гидравлического сопротивления внутренней полости на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, а также высокого термического сопротивления его многослойной стенки при теплообмене вещества, располагаемого в его внутренней полости, с окружающей средой.

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 из коррозионностойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана, трубчатую промежуточную прослойку из металла, располагают на наружной поверхности трубчатой оболочки кольцевой заряд взрывчатого вещества (ВВ) и инициируют процесс детонации ВВ с помощью электродетонатора, берут биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем толщиной 1,5-2,5 мм из меди, с внутренним слоем толщиной 3,5-5 мм из коррозионностойкой аустенитной стали и размещают внутри него 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 оболочки с толщиной стенки 2-4 мм, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку из ниобия с толщиной стенки 0,8-1,2 мм, сварку взрывом ведут при скорости детонации ВВ 2400-3100 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирают из условия получения скорости соударения трубчатой оболочки из титана с трубчатой промежуточной прослойкой из ниобия в пределах 820-980 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки с медным слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента - в пределах 540-620 м/с.

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 1,5-2,5 мм из меди, с внутренним слоем толщиной 3,5-5 мм из коррозионностойкой аустенитной стали. Его внутренний стальной слой обеспечивает у получаемого изделия повышенную коррозионную стойкость внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в азотной кислоте, а также, совместно с остальными металлическими слоями, высокую прочность изготовленного изделия и его высокие теплозащитные свойства. Толщина этого слоя менее 3,5 мм не обеспечивает у изделия необходимого уровня термического сопротивления, а также прочностных свойств при поперечных сжимающих нагрузках, а его толщина более 5 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу стали в расчете на одно изделие.

Наружный медный слой биметаллического полостеобразующего элемента обеспечивает возможность получения качественного сварного соединения с трубчатой промежуточной прослойкой из ниобия без появления в зоне соединения металлов непроваров, хрупких интерметаллидов и других дефектов. Кроме того, этот слой способствует стабилизации температуры внутренней поверхности по длине полученного изделия при воздействии с его внешней стороны концентрированных источников нагрева. Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. Толщина этого слоя менее 1,5 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а толщина этого слоя более 2,5 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу меди 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 с гладкой цилиндрической поверхностью. При толщине его 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 внутренней поверхности стального слоя, а это снижает качество получаемых изделий. При его диаметре выше верхнего предлагаемого предела затруднено заполнение водным наполнителем промежутка между ним и стальным слоем биметаллического полостеобразующего элемента, что также может привести к появлению неконтролируемых деформаций внутренней поверхности стального слоя биметаллического полостеобразующего элемента.

Предложено после герметизации полученную сборку располагать соосно внутри трубчатой оболочки из коррозионностойкого металла с пониженной теплопроводностью – титана - с толщиной стенки 2-4 мм, а в зазоре между ними соосно размещать трубчатую промежуточную прослойку из ниобия с толщиной стенки 0,8-1,2 мм. Соблюдение соосности способствует стабильности процесса сварки взрывом всех свариваемых металлических слоев.

Трубчатая оболочка из титана обеспечивает высокую коррозионную стойкость наружной поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, благодаря низкой теплопроводности титана, она способствует существенному повышению термического сопротивления стенки получаемого композиционного изделия при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с остальными слоями, повышению его прочности при поперечных сжимающих нагрузках. Кроме того, низкая плотность титана способствует существенному снижению массы получаемого изделия. Толщина стенки трубчатой оболочки, равная 2-4 мм, обеспечивает у получаемого изделия необходимое высокое термическое сопротивление, а также высокую прочность при поперечных сжимающих нагрузках. Толщина трубчатой оболочки менее 2 мм не обеспечивает у изделия необходимого высокого уровня термического сопротивления, а также высоких прочностных свойств при поперечных сжимающих нагрузках, а ее толщина более 4 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего титана в расчете на одно изделие. Благодаря применению трубчатой промежуточной прослойки из ниобия в схеме сварки взрывом в процессе сварки в зонах соединения металлических слоев не возникает хрупких интерметаллидных фаз, которые могли бы в случае их появления снизить долговечность изделия в условиях динамических и циклических нагрузок. Кроме того, промежуточная прослойка из ниобия, совместно с другими металлическими слоями, способствует формированию высокого термического сопротивления стенки изделия при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках. Ее толщина менее 0,8 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а ее толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего ниобия в расчете на одно изделие, а также повышенному расходу ВВ при сварке взрывом.

Использование в схеме сварки взрывом биметаллического полостеобразующего элемента в виде трубы позволяет обеспечить высокое качество сварки на всех межслойных границах.

Предложено сварку взрывом вести при скорости детонации ВВ 2400-3100 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирать из условия получения скорости соударения трубчатой оболочки из титана с трубчатой промежуточной прослойкой из ниобия в пределах 820-980 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки с медным слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах 540-620 м/с, что обеспечивает получение качественных сварных соединений трубчатой промежуточной прослойки из ниобия с трубчатой оболочкой из титана и с медным слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента. При скорости детонации ВВ и скорости соударения трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой, скорости соударения последней с медным слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента ниже нижнего предлагаемого предела 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 трубчатой оболочки, трубчатой промежуточной прослойки и трубчатого биметаллического полостеобразующих элемента, что может привести к нарушению герметичности металлических слоев, снижению качества получаемых 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 22 - сдеформированная трубчатая оболочка из титана; 23 - сдеформированная трубчатая промежуточная прослойка из ниобия; 24, 25 - медный и стальной слои биметаллического полостеобразующего элемента соответственно; 26 - внутренняя полость изделия, 27, 28 - 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 1,5-2,5 мм из меди, с внутренним слоем 2 толщиной 3,5-5 мм из коррозионностойкой аустенитной стали и размещают внутри его соосно удаляемый центральный полостеобразующий элемент 3 из стекла с толщиной стенки 10-15 мм и 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 оболочки 10 из коррозионностойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана, с толщиной стенки 2-4 мм, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку 11 из ниобия с толщиной стенки 0,8-1,2 мм, их соосность обеспечивают с помощью металлических втулок 12, 13, 14 и 15. Устанавливают направляющий конус 16, 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 17 с основным кольцевым зарядом ВВ 18 и расположенным над ним вспомогательным зарядом ВВ 19 с повышенной скоростью детонации. Этот заряд способствует выравниванию фронта детонации в основном заряде ВВ. Размещают данную сборку на песчаном грунте 20 и инициируют процесс детонации в зарядах ВВ с помощью электродетонатора 21.

При осуществлении процесса сварки взрывом используют основной заряд ВВ со скоростью детонации 2400-3100 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирают из условия получения скорости соударения трубчатой оболочки из титана с трубчатой промежуточной прослойкой из ниобия в пределах 820-980 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки с медным слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах - 540-620 м/с.

При взрывном воздействии происходит высокоскоростная радиальная деформация трубчатой оболочки и при ее соударении с трубчатой промежуточной прослойкой титан сваривается с ниобием, затем происходит совместное деформирование образовавшегося титано-ниобиевого слоя, и при его соударении с наружной поверхностью биметаллического полостеобразующего элемента ниобиевый слой сваривается с его медным слоем. Извлекают из внутренней полости сваренной заготовки материал раздробленного центрального полостеобразующего элемента, при этом водный наполнитель удаляется после взрывного нагружения самопроизвольно при разгрузке сжатой системы. После этого удаляют механической обработкой торцевые части полученной заготовки с краевыми эффектами.

В результате за один акт взрывного воздействия получают цельносварное композиционное изделие с центральной внутренней полостью цилиндрической формы, без нарушений осевой симметрии и герметичности металлических слоев, с полным исключением при этом даже возможности появления в процессе сварки взрывом в зонах сварки металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, которые могли бы снизить долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок, с обеспечением при этом более низкого, чем у изделий по прототипу, гидравлического сопротивления внутренней полости на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, а также более высокого, чем у изделий по прототипу, термического сопротивления его многослойной стенки при теплообмене веществ, располагаемых в его внутренней полости с окружающей средой. При этом также обеспечивается повышенная стойкость изделия в агрессивных средах, например, его наружной поверхности - в хлоридах, а внутренней, например, в азотной кислоте.

Пример 1 (см. также таблицу).

Биметаллический полостеобразующий элемент (БПЭ) в виде трубы изготавливают, например, с помощью сварки взрывом, с наружным диаметром D_б.н=95 мм, внутренним - D_б.в=80 мм, длиной 400 мм, с наружным слоем толщиной δ_Cu=2,5 мм из меди M1 (ГОСТ 859-78), имеющей коэффициент теплопроводности λ_Cu=410 Вт/(м⋅К). Его внутренний слой толщиной δ_ст=5 мм - из коррозионностойкой аустенитной стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), обладающей пониженной теплопроводностью. Ее коэффициент теплопроводности λ_ст=17 Вт/(м⋅К).

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 удаляемый 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 оболочки (ТО), а в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку (ТПП), при этом трубчатую оболочку изготавливают из коррозионностойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана ВТ1-00 (ГОСТ 19807-91) с коэффициентом теплопроводности λ_Ti=19,3 Вт/(м⋅К). Ее наружный диаметр D_о.н=118 мм, внутренний - D_о.в=110 мм, толщина стенки δ_о=4 мм, длина - 405 мм. Трубчатую промежуточную прослойку (ТПП) изготавливают из ниобия марки ВН2 (ОСТ190023-71). Ее наружный диаметр D_п.н=98,4 мм, внутренний - D_п.в=96 мм, толщина стенки δ_п=1,2 мм, длина - 400 мм, коэффициент теплопроводности λ_Nb=52 Вт/(м⋅К). Соосность ТО, ТПП, а также сборки №2 обеспечивают с помощью металлических втулок, например, из алюминия. При выбранных диаметрах ТО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТО и наружной поверхностью ТПП h₁=5.8 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=0,5 мм. Устанавливают направляющий конус из стали Ст3 с углом при вершине 90°, на наружной поверхности трубчатой оболочки размещают защитную прослойку из резины толщиной около 1 мм, защищающую наружную поверхность трубчатой оболочки 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=420 мм, внутренний - d_в=120 мм, толщина в районе расположения трубчатой оболочки - Т_вв=150 мм, плотность П_вв=0,97-0,98 г/см³, скорость детонации Д_вв=2400 м/с, общая длина - 510 мм вместе с вспомогательным зарядом ВВ, имеющим толщину 20 мм. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения ТО из титана с ТПП из ниобия оставляет V₁=820 м/с, а ТПП с медным слоем БПЭ V₂=540 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 этого удаляют механической обработкой торцевые части полученной заготовки с краевыми эффектами - по 20 мм с каждой стороны.

В результате за один акт взрывного воздействия получают цельносварное композиционное изделие 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, которые могли бы снизить долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок. Его наружный диаметр 106,4 мм, внутренний - 80 мм, толщина титанового слоя - 4,5 мм, ниобиевого - 1,2 мм, медного - 2,5 мм, стального - 5 мм, длина изделия - 360 мм. Гидравлическое сопротивление его внутренней полости, приходящееся на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, оцениваемое по величине потери давления (напора), в 3,9-5,2 раза меньше, чем у изделий по прототипу, а термическое сопротивление его четырехслойной 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=567,2⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,9-2,2 раза больше, чем у изделий, полученных по прототипу, при этом также обеспечивается повышенная стойкость изделия в агрессивных средах, например, его наружной поверхности - в хлоридах, а внутренней, например, в азотной кислоте.

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=102 мм, внутренним - D_б.в=90 мм, с наружным слоем толщиной δ_Cu=2 мм, с внутренним слоем толщиной δ_ст=4 мм.

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

Трубчатую оболочку изготавливают с наружным диаметром D_о.н=118 мм, внутренним - D_о.в=112,2 мм, толщина стенки δ_о=2,9 мм. Трубчатую промежуточную прослойку изготавливают с наружным диаметром D_п.н=105,2 мм, внутренним - D_п.в=103,2 мм, толщина стенки δ_п=1 мм.

При выбранных диаметрах ТО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТО и наружной поверхностью ТПП h₁=3,5 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=0,6 мм. При осуществлении процесса сварки взрывом используют основной заряд ВВ, в качестве которого использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:3. Его наружный диаметр d_н=420 мм, внутренний - d_в=120 мм, толщина Т_вв=150 мм, плотность П_вв=0,96-0,97 г/см³, скорость детонации Д_вв=2600 м/с. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения ТО из титана с ТПП из ниобия оставляет V₁=850 м/с, а ТПП с медным слоем БПЭ V₂=560 м/с.

Результаты те же, что и в примере 1, но получают цельносварное композиционное изделие с наружным диаметром - 110,2 мм, внутренним - 90 мм, толщина титанового слоя - 3,1 мм, ниобиевого - 1 мм, медного - 2 мм, стального - 4 мм, Гидравлическое сопротивление его внутренней полости, приходящееся на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, в 6,2-8,3 раза меньше, чем у изделий по прототипу, а термическое сопротивление его четырехслойной стенки при направлении теплопередачи поперек слоев R_сум=421⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,4-1,6 раза больше, 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=110 мм, внутренним - D_б.в=100 мм, с наружным слоем толщиной δ_Cu=1,5 мм, с внутренним слоем толщиной δ_ст=3,5 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. Трубчатую оболочку изготавливают с наружным диаметром D_о.н=120,6 мм, внутренним - D_о.в=116,6 мм, толщина стенки δ_о=2 мм. Трубчатую промежуточную прослойку изготавливают с наружным диаметром D_п.н=112,6 мм, внутренним - D_п.в=111 мм, толщина стенки δ_п=0,8 мм.

При выбранных диаметрах ТО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТО и наружной поверхностью ТПП h₁=2 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=0,5 мм. При осуществлении процесса сварки взрывом используют основной заряд ВВ, в качестве которого использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2. Его наружный диаметр d_н=423 мм, внутренний - d_в=123 мм, толщина Т_вв=150 мм, плотность П_вв=0,92-0,95 г/см³, скорость детонации Д_вв=3100 м/с. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения ТО из титана с ТПП из ниобия оставляет V₁=980 м/с, а ТПП с медным слоем БПЭ V₂=620 м/с.

Результаты те же, что и в примере 1, но получают цельносварное композиционное изделие с наружным диаметром 115,8 мм, внутренним 100 мм, толщина титанового слоя 2,1 мм, ниобиевого - 0,8 мм, медного - 1,5 мм, стального - 3,5 мм, гидравлическое сопротивление его внутренней полости, приходящееся на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, в 9,5-12,6 раза меньше, чем у изделий по прототипу.

Термическое сопротивление его четырехслойной стенки при направлении теплопередачи поперек слоев R_сум=334⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,1-1,3 раза больше, чем у изделий, полученных по прототипу.

В изделиях, изготовленных 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 титана ВТ1-00, промежуточная прослойка - из стали 12Х18Н10Т, а полостеобразующие элементы - из меди M1. В каждом таком изделии суммарное гидравлическое сопротивление всех внутренних полостей, приходящееся на единицу длины изделия при одновременном пропускании через них жидкостей-теплоносителей, в 3,9-12,6 раза больше, чем у изделий по предлагаемому способу, а термическое сопротивление трехслойной стенки из меди, стали и титана при направлении теплопередачи поперек слоев R_сум=(254,4-294,7)⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,1-2,2 раза меньше, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу. Кроме того, внутренние поверхности изделий по прототипу не обладают стойкостью в агрессивных средах, например в азотной кислоте.

Изобретение относится к технологии получения изделий цилиндрической формы с помощью энергии взрыва и может быть использовано для изготовления изделий с внутренней полостью, например теплозащитых экранов, деталей термического, химического оборудования. В способе берут биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем толщиной 1,5-2,5 мм из меди, с внутренним слоем толщиной 3,5-5 мм из коррозионностойкой аустенитной стали и размещают внутри него 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 оболочки с толщиной стенки 2-4 мм, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку из ниобия с толщиной стенки 0,8-1,2 мм и осуществляют сварку взрывом на регламентированных режимах. В результате за один акт взрывного воздействия получают цельносварное композиционное изделие цилиндрической формы с внутренней полостью без нарушений осевой симметрии и герметичности металлических слоев. 3 ил., 1 табл., 3 пр.

Способ 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 из коррозионностойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана, трубчатую промежуточную прослойку из металла, располагают на наружной поверхности трубчатой оболочки кольцевой заряд взрывчатого вещества (ВВ) и инициируют процесс детонации ВВ с помощью электродетонатора, отличающийся тем, что берут биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем толщиной 1,5-2,5 мм из меди, с внутренним слоем толщиной 3,5-5 мм из коррозионностойкой аустенитной стали и размещают внутри него 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 оболочки с толщиной стенки 2-4 мм, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку из ниобия с толщиной стенки 0,8-1,2 мм, сварку взрывом ведут при скорости детонации ВВ 2400-3100 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирают из условия получения скорости соударения трубчатой оболочки из титана с трубчатой промежуточной прослойкой из ниобия в пределах 820-980 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки с медным слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента - в пределах 540-620 м/с.