RU2425739C1 - Способ получения цилиндрических композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано для изготовления изделий с внутренними полостями, например теплообменников, терморегуляторов, химического оборудования и т.п. Центральный полостеобразующий элемент, удаляемый после сварки взрывом, выполняют из хрупкого материала, в частности стекла, дробящегося в процессе взрывного воздействия. Выбирают соотношение толщины его стенки и толщины стенок смежных с ним полостеобразующих элементов. Трубчатую оболочку выполняют из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью, например титана. Между трубчатой оболочкой и пучком из труб располагают трубчатую промежуточную прослойку из металла с пониженной теплопроводностью, например из аустенитной стали. После сварки взрывом формируют термической обработкой между титаном и сталью теплозащитную интерметаллидную прослойку с пониженной теплопроводностью. Способ обеспечивает получение цельносварного изделия с внутренними полостями без нарушений осевой симметрии и герметичности, с пониженным термическим сопротивлением металлических слоев, при этом обеспечивается снижение теплообмена веществ, находящихся во внутренних каналах изделия, с окружающей средой и высокая стойкость в агрессивных окружающих средах. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к технологии получения изделий цилиндрической формы с помощью энергии взрыва и может быть использовано для изготовления изделий с внутренними полостями, например теплообменников, терморегуляторов, химического оборудования и т.п.

Известен способ получения изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, при котором полостеобразующие элементы в виде труб, например из меди, с водным наполнителем в их внутренних полостях, располагают пучком в стальной трубчатой оболочке симметрично относительно ее продольной оси, между трубами помещают соединительные стержни из более легкоплавкого металла, чем медь, сварку взрывом осуществляют с помощью заряда взрывчатого вещества, расположенного на поверхности плакирующей заготовки. После взрывного воздействия с целью увеличения площади сварных соединений проводят термообработку изделия при температуре на 5-20°C выше температуры ликвидуса металла соединительных стержней (Авторское свидетельство СССР №1541913, М. кл. B23K 20/08, опубл. в БИ №17-97).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено наличием в его схеме сварки взрывом центрального трубчатого полостеобразующего элемента, который остается в сваренном изделии и при его эксплуатации создает дополнительное термическое сопротивление при теплообмене теплоносителя прокачиваемого через центральную полость изделия с веществами, находящимися в смежных полостях. Из-за отсутствия сплошных сварных соединений между стенками полостеобразующих элементов создаются дополнительные препятствия для передачи тепла между теплоносителями, находящимися в смежных каналах изделия. Трубчатая оболочка выполняется из стали, что в ряде случаев не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости изделий в агрессивной окружающей среде. Все это ограничивает возможные области применения изделий, полученных данным способом, в теплообменной аппаратуре.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является 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, 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°C 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 - прототип).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено наличием в его схеме сварки взрывом стального центрального трубчатого полостеобразующего элемента, который остается в сваренном изделии и при его эксплуатации создает значительное термическое сопротивление при теплообмене теплоносителя прокачиваемого через центральную полость изделия с веществами, находящимися в смежных полостях. Кроме того, изделия с такой конструкцией нельзя использовать в аппаратуре, где требуется пониженный теплообмен веществ-теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия, с окружающей средой, а также в агрессивных средах из-за недостаточно высокой коррозионной стойкости материала наружных полостеобразующих элементов.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом по новой технологической схеме взрывного воздействия на свариваемую заготовку, обеспечивающей получение за один технологический цикл цельносварных изделий с пониженным термическим сопротивлением стенок металлических полостеобразующих элементов при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости, с веществами, находящимися в смежных с ней внутренних полостях, с одновременным снижением теплообмена этих веществ с окружающей средой, с обеспечением высокой герметичности металла полостеобразующих элементов с сохранением при этом их осевой симметрии, повышенной стойкости изделия в агрессивных окружающих средах, в которых легированные стали оказываются непригодными.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой схемы сварки взрывом, обеспечивающей за один акт взрывного воздействия, получение качественных сплошных сварных соединений трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой, а также между всеми полостеобразующими элементами и трубчатой промежуточной прослойкой без нарушений герметичности свариваемых металлов, обеспечение осевой симметрии изделия, снижение теплообмена веществ, находящихся во внутренних полостях изделия, с окружающей средой, получение пониженного термического сопротивления стенок металлических полостеобразующих элементов при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости, с веществами в смежных с ней внутренних полостях, с обеспечением при этом повышенной стойкости изделия в агрессивных окружающих средах. Сформированная между слоями титана и стали интерметаллидная прослойка с пониженной тепло- и электропроводностью способствует повышению теплозащитных свойств изделия при теплообмене с окружающей средой.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе 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, на наружной поверхности трубчатой оболочки располагают кольцевой заряд взрывчатого вещества (ВВ) и производят инициирование процесса детонации ВВ с помощью электродетонатора, центральный полостеобразующий элемент, удаляемый после сварки взрывом, выполняют из хрупкого материала, дробящегося в процессе взрывного воздействия, отношение толщины его стенки к толщине стенок смежных с ним полостеобразующих элементов составляет (4-10):1, трубчатую оболочку выполняют из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью, между трубчатой оболочкой и пучком из труб располагают трубчатую промежуточную прослойку из металла с пониженной теплопроводностью, 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, после сварки полученную заготовку подвергают отжигу при температуре 850-900°C в течение 2-3,5 ч с формированием при этом между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки с пониженной теплопроводностью, с последующим охлаждением полученного изделия на воздухе. При осуществлении способа в качестве хрупкого материала используют стекло, в качестве коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью для изготовления трубчатой оболочки используют титан, а трубчатую промежуточную прослойку выполняют из аустенитной стали.

Новый способ получения цилиндрических композиционных изделий с внутренними полостями имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по построению схемы сварки взрывом, совокупности технологических приемов и режимов при осуществлении способа, так и по физическим механизмам формирования центральной внутренней полости в изделии, сплошных сварных соединений трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой, а также металлических полостеобразующих элементов между собой и с внутренней поверхностью трубчатой промежуточной прослойки, с сохранением при этом герметичности металла оболочки, промежуточной прослойки и тонкостенных полостеобразующих элементов в процессе их высокоскоростного деформирования. Сформированная на оптимальных режимах между слоями титана и стали интерметаллидная прослойка способствует повышению теплозащитных свойств изделия при теплообмене с окружающей средой, а это позволяет значительно снизить потери тепловой энергии при использовании полученных изделий в теплообменной и теплорегулирующей аппаратуре.

Так предложено центральный полостеобразующий элемент выполнять удаляемым после сварки взрывом, что позволяет существенно снизить термическое сопротивление металлических слоев при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости, с веществами в смежных с ней внутренних полостях. Кроме того, это способствует снижению расхода металла на изготовление изделия.

Предложено центральный полостеобразующий элемент выполнять из хрупкого материала, дробящегося в процессе взрывного воздействия, что позволяет без особых затруднений, без повреждения тонких металлических слоев, удалять его из сваренной заготовки. В качестве хрупкого материала центрального полостеобразующего элемента предложено использовать стекло, поскольку этот материал является достаточно твердым, способным выдерживать высокие динамические нагрузки, возникающие в нем при сварке взрывом, и в то же время дешевым, что делает применение этого материала экономически выгодным при получении изделий. В процессе взрывного воздействия центральный полостеобразующий элемент выполняет функции опоры, исключающей недопустимые радиальные по направлению к центру изделия деформации металлических полостеобразующих элементов, способствует формированию центральной внутренней полости в изделии требуемого диаметра с гладкой цилиндрической поверхностью контактирующего с ней металла.

Предложено отношение толщины стенки центрального полостеобразующего элемента к толщине стенок смежных с ним металлических полостеобразующих элементов составляет (4-10):1, что, совместно с водным наполнителем в его внутренней полости, обеспечивает сохранность его формы и размеров от неконтролируемых деформаций в процессе формирования сварных соединений, тем самым обеспечивается получение изделий заданной формы и размеров. При величине этого отношения толщин стенок ниже нижнего предлагаемого предела возможны неконтролируемые деформации полостеобразующих элементов при сварке взрывом, что может приводить к снижению качества получаемых изделий. Величина отношения толщин стенок полостеобразующих элементов выше верхнего предлагаемого предела является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу материала на изготовление центрального полостеобразующего элемента, возможно также возникновение затруднений при извлечении раздробленного материала из центральной внутренней полости после сварки взрывом.

Предложено трубчатую оболочку изготавливать из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана, что способствует существенному снижению теплообмена веществ-теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия, с внешней окружающей средой, позволяет использовать полученные изделия в таких агрессивных средах, где другие материалы, например кислотостойкие стали и сплавы, оказываются совершенно непригодными. Кроме того, титан обладает достаточно высокими пластическими свойствами и при сварке взрывом на предложенных режимах в нем не происходит трещинообразования, снижающего герметичность металла оболочки. Благодаря хорошей свариваемости титана с аустенитной сталью трубчатой промежуточной прослойки, между ними при сварке взрывом образуется прочное сплошное сварное соединение без непроваров и других дефектов.

Предложено трубчатую промежуточную прослойку изготавливать из металла с пониженной теплопроводностью - из аустенитной стали, что, в сочетании с титановой трубчатой оболочкой с пониженной теплопроводностью, способствует существенному снижению теплообмена веществ-теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия с внешней окружающей средой. Такая сталь обладает достаточно высокими пластическими свойствами и при сварке взрывом на предложенных режимах в ней не происходит трещинообразования, снижающего герметичность металла прослойки. Благодаря хорошей свариваемости аустенитной стали и с титаном и с медными полостеобразующими элементами, в зонах соединения металлов при сварке взрывом не образуется нежелательных хрупких фаз, тем самым обеспечивается высокое качество получаемых цельносварных заготовок.

Предложено сварку взрывом осуществлять 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, что обеспечивает необходимые условия для получения качественных сварных соединений трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой, соединений полостеобразующих элементов между собой и с трубчатой прослойкой, при этом одновременно происходит радиальная деформация трубчатой оболочки, приобретаемая ею от продуктов детонации ВВ, кинетическая энергия осуществляет ее разгон в направлении трубчатой промежуточной прослойки и пучка из труб до необходимой скорости, обеспечивающей надежную сварку оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой. При соударении образовавшейся при этом биметаллической титаностальной заготовки с пучком из труб происходит их совместное высокоскоростное деформирование, вследствие чего полостеобразующие элементы приобретают в поперечных сечениях форму криволинейных четырехугольников, промежутки между ними и центральным полостеобразующим элементом из стекла исчезают, и, вместе с этим, формируются сплошные сварные соединения между всеми контактирующими между собой металлическими составляющими композиционной заготовки.

При скорости детонации ВВ и скорости соударения трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой, скорости соударения последней с металлическими полостеобразующими элементами ниже нижнего предлагаемого предела возможно получение некачественных сварных соединений, что может существенно снизить прочностные свойства полученных изделий.

При скорости детонации ВВ и скоростях соударения указанных выше составляющих композиционной заготовки выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации трубчатой оболочки, трубчатой промежуточной прослойки и полостеобразующих элементов, что может привести к нарушению герметичности металлических слоев, снижению качества получаемых изделий.

Предложено после сварки полученную заготовку подвергать отжигу при температуре 850-900°C в течение 2-3,5 ч с формированием при этом между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки с пониженной теплопроводностью, с последующим охлаждением полученного изделия на воздухе. Сплошная теплозащитная интерметалдидная прослойка способствует созданию в получаемом изделии дополнительного термического, сопротивления при теплообмене веществ-теплоносителей с окружающей средой. При снижении температуры и уменьшении времени выдержки при отжиге не происходит образования сплошной интерметаллидной прослойки достаточной толщины и формирование таких тонких прослоек оказывается экономически нецелесообразным из-за их недостаточного вклада в суммарное термическое сопротивление слоев при теплообмене веществ-теплоносителей с окружающей средой. При увеличении температуры и времени выдержки выше верхних предлагаемых пределов толщина теплозащитной прослойки становится чрезмерной, поскольку при этом изделие приобретает склонность к расслаиванию в зоне соединения титана со сталью при циклических изгибающих нагрузках.

На фиг.1 изображена схема сварки взрывом, ее продольный осевой разрез, на фиг.2 - поперечное сечение А-А схемы взрывного нагружения, на фиг.3 - поперечное сечение сваренного изделия с внутренними полостями, где позиция 22 - сдеформированные металлические полостеобразующие элементы; 23 - сдеформированная трубчатая промежуточная прослойка; 24 - сдеформированная трубчатая оболочка; 25 - зоны сварки полостеобразующих элементов с трубчатой промежуточной прослойкой; 26 - зоны сварки полостеобразующих элементов между собой; 27 - теплозащитная интерметаллидная прослойка; 28, 29 - внутренние полости изделия.

Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности. Изготавливают удаляемый после сварки взрывом центральный полостеобразующий элемент в виде стеклянной трубы 1 и заполняют его полость удаляемым водным наполнителем 2. Герметизацию осуществляют с помощью втулок 3, 4, например, из резины. Берут наружные полостеобразующие элементы в виде труб 5, заполняют их полости водным наполнителем 6 и герметизируют по концам заглушками 7, 8. например из резины. Отношение толщины стенки центрального полостеобразующего элемента к толщине стенок смежных с ним металлических полостеобразующих элементов должно составлять (4-10):1. Полученные сборки располагают вплотную друг к другу на наружной поверхности центрального полостеобразующего элемента. Полученный пучок размещают соосно внутри трубчатой промежуточной прослойки 9 из металла с пониженной теплопроводностью, в качестве которого предложено использовать аустенитную сталь, центровку осуществляют с помощью металлических колец 10, 11. Полученную при этом сборку размещают внутри трубчатой оболочки 12 из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью, в качестве которого предложено использовать титан. Соосность обеспечивают с помощью металлических колец 13, 14. Устанавливают направляющий конус 15, например, из стали, с углом при вершине 90°. На наружной поверхности трубчатой оболочки размещают защитную прослойку 16, например, из резины, защищающую наружную поверхность трубчатой оболочки от повреждений продуктами детонации ВВ, а на ее поверхности располагают контейнер 17 с кольцевым зарядом ВВ 18.

Для осуществления процесса сварки взрывом используют заряд ВВ со скоростью детонации 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. Размещают полученную сборку на песчаном грунте 19 и производят инициирование процесса детонации в основном заряде ВВ 18 с помощью электродетонатора 20 и вспомогательного заряда ВВ 21 с повышенной скоростью детонации. Этот заряд способствует выравниванию фронта детонации в основном заряде ВВ. При взрывном воздействии происходит высокоскоростная радиальная деформация трубчатой оболочки, при ее соударении с трубчатой промежуточной прослойкой титан сваривается со сталью, затем происходит совместное деформирование образовавшегося титаностального слоя и при соударении его с пучком из труб металлические полостеобразующие элементы деформируются, приобретая при этом в поперечных сечениях форму криволинейных четырехугольников, ликвидируются воздушные промежутки между всеми полостеобразующими элементами и промежуточной прослойкой, при этом свариваются между собой в зонах контакта все металлические слои. Извлекают из центральной внутренней полости сваренной заготовки материал раздробленного центрального полостеобразующего элемента, например, с помощью электровибратора. Водный наполнитель удаляется из всех полостей после взрывного нагружения самопроизвольно при разгрузке сжатой системы. Для формирования между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки с пониженной теплопроводностью проводят отжиг сваренной заготовки при температуре 850-900°C в течение 2-3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе. После этого у заготовки удаляют механической обработкой торцевые части с краевыми эффектами.

В результате получают цельносварное изделие с центральной внутренней полостью цилиндрической формы, с двенадцатью полостями, имеющими в поперечных сечениях форму криволинейных четырехугольников, без нарушений осевой симметрии и герметичности, со сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойкой между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой, обладающей пониженной теплопроводностью, с пониженным термическим сопротивлением металлических слоев при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости, с веществами в смежных с ней внутренних полостях, при этом обеспечивается существенное снижение теплообмена веществ, находящихся во внутренних каналах изделия, с окружающей средой и повышенная стойкость изделия в агрессивных окружающих средах, в которых даже коррозионно-стойкие стали оказываются непригодными. Все это позволяет использовать полученные изделия в современной теплообменной и терморегулирующей аппаратуре.

Пример 1 (см. также таблицу).

Металлические полостеобразующие элементы в виде труб в количестве 12 штук изготавливают из меди M1 (ГОСТ 859-78) длиной 250 мм с наружным диаметром D_п.н=14 мм, внутренним - D_п.в=11,6 мм, с толщиной стенок Т_п=1,2 мм. Коэффициент теплопроводности меди M1 λ_Cu=410 Вт/(м·К).

Центральный полостеобразующий элемент изготавливают из стекла (ГОСТ 15130-79) с наружным диаметром D_ц.н=40 мм, внутренним D_ц.в=16 мм, длиной 250 мм, толщина его стенки Т_ц=12 мм. Его внутреннюю полость заполняют водным наполнителем, а герметизацию осуществляют с помощью резиновых втулок. Заполняют полости медных полостеобразующих элементов водным наполнителем и герметизируют по концам заглушками из резины. Полученные сборки располагают вплотную друг к другу на наружной поверхности центрального полостеобразующего элемента. В этих сборках отношение толщины стенки центрального полостеобразующего элемента к толщине стенок смежных с ним металлических полостеобразующих элементов составляет 10:1. Полученный пучок из труб размещают соосно внутри трубчатой промежуточной прослойки из аустенитной стали 12X18H10T (ГОСТ 5632-72), обладающей пониженной теплопроводностью. Ее коэффициент теплопроводности λ_ст=17 Вт/(м·К), что примерно в 4 раза ниже, чем у обычных углеродистых сталей. Центровка пучка из труб относительно промежуточной прослойки и фиксацию медных полостеобразующих элементов относительно центрального полостеобразующего элемента осуществляют с помощью металлических колец из стали Ст 3. Наружный диаметр промежуточной прослойки D_пр.н=75 мм, внутренний - D_пр.в=71 мм, длина-250 мм, толщина стенки Т_пр=2 мм, плотность стали 12X18H10T П_ст=7,8 г/см³. Удельная масса стенки трубчатой промежуточной прослойки М_пр=Т_пр·П_ст=0,2·7,8=1,56 г/см². Сварочный зазор между пучком из труб и внутренней поверхностью трубчатой промежуточной прослойки h₁=(D_пр.в-D_ц.н-2D_п.н):2=(71-40-2·14):2:=1,5 мм. Полученную при этом сборку размещают внутри трубчатой оболочки из титана ВТ1-00. Его коэффициент теплопроводности λ_Ti=19,3 Вт/(м·К), то есть такой же низкий, как у аустенитной стали 12X18H10T. В то же время по коррозионной стойкости во многих агрессивных средах, например в азотной кислоте, титан превосходит многие коррозионно-стойкие стали. Соосность трубчатой оболочки и трубчатой промежуточной прослойки обеспечивают с помощью колец из стали Ст 3. Наружный диаметр оболочки D_о.н=80 мм, внутренний - D_о.в=76 мм, длина-250 мм, толщина стенки Т_о=2 мм, плотность титана ВТ1-00 П_о=4,5 г/см³. Удельная масса стенки трубчатой оболочки М_о=Т_о·П_о=0,2·4,5=0,9 г/см². При указанных диаметрах оболочки и прослойки сварочный зазор между ними h₂=(D_o.в-D_пр.н):2=(76-75):2=0,5 мм.

Устанавливают направляющий конус из стали Ст 3 с углом при вершине 90°, на наружной поверхности трубчатой оболочки размещают защитную прослойку из резины толщиной 2 мм, а на ее поверхности располагают цилиндрический контейнер, например из электрокартона, с зарядом ВВ, в качестве которого использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:1. Толщина заряда Т_вв=8 см, его плотность П_вв=0,91 г/см³, удельная масса М_вв=Т_вв·П_вв=8·0,91=7,28 г/см². При выбранных параметрах заряда скорость детонации ВВ D_вв=3270 м/с. Отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс стенок трубчатой оболочки и трубчатой промежуточной прослойки равно: М_вв:(М_о+М_пр)=7,28:(0,9+1,56)=2,96. Устанавливают в верхней части заряда ВВ вспомогательный заряд ВВ толщиной 15 мм, в качестве которого использовали аммонит 6ЖВ. В центре вспомогательного заряда устанавливают электродетонатор.

Размещают полученную сборку на песчаном грунте и производят инициирование процесса детонации в заряде ВВ с помощью электродетонатора. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой V₁=610 м/с, а трубчатой промежуточной прослойки с полостеобразующими элементами V₂=480 м/с. Скорости соударения V₁ и V₂ определяются расчетным путем с помощью компьютерной технологии. В процессе сварки взрывом происходит дробление материала центрального полостеобразующего элемента, но он сохраняется в виде слоя из слабосвязанных между собой тонкодисперсных частиц стекла. Специальным вибрационным инструментом этот слой легко удаляют с внутренней поверхности сваренной заготовки. Водный наполнитель удаляется из полостей самопроизвольно. Обмазывают поверхность титанового слоя и торцы заготовки защитной технологической обмазкой, защищающей поверхность титана от газонасыщения при отжиге, например смесью жидкого стекла с оксидом хрома, и помещают ее, например, в муфельную печь для отжига. Отжиг проводят при температуре t_о=850°C в течение τ_о=3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе. В результате отжига между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой возникает сплошная теплозащитная интерметаллидная прослойка с пониженной теплопроводностью. Затем механической обработкой удаляют у заготовки концевые части с краевыми эффектами и защитную обмазку.

В результате получают цельносварное изделие с центральной внутренней полостью цилиндрической формы и с двенадцатью полостями, имеющими в поперечных сечениях форму криволинейных четырехугольников, без нарушений осевой симметрии и герметичности металлических слоев, со сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойкой между слоями титана и стали с толщиной Т_инт=70 мкм. Его внутренний диаметр - 40 мм, наружный - 72 мм, длина - 220 мм.

В полученном изделии в процессе его эксплуатации теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся в центральной внутренней полости, и веществами внутри медных полостеобразующих элементов происходит только через их медные стенки с такой же толщиной, как до деформирования (Т_п=1,2 мм) с термическим сопротивлением R_п=Т_п:λ_Cu=0,0012:410=2.9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 45 раз меньше, чем у изделий, полученных по прототипу. Теплообмен между теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов, с окружающей средой происходит через их медные стенки с термическим сопротивлением R_п=2.9·10^-6 К/(Вт/м²), через сдеформированную трубчатую промежуточную прослойку с толщиной Т_пр.д=2,3 мм с термическим сопротивлением R_пр.д=Т_пр.д:λ_ст=0,0023:17=135,2·10^-6 К/(Вт/м²), через теплозащитную интерметаллидную прослойку с толщиной Т_инт=70 мкм с коэффициентом теплопровлдности λ_инт=4,5 Вт/(м·К), с термическим сопротивлением R_инт=Т_инт:λ_инт=0,00007:4,5=15,6·10^-6 К/(Вт/м²) и через титановую оболочку с толщиной стенки Т_о.д=2,3. мм с термическим сопротивлением R_о.д=Т_о.д:λ_Ti=0,0023:19,3=119,2·10^-6 К/(Вт/м²). Суммарное термическое сопротивление такой многослойной композиционной стенки R_сум=R_п+R_пр.д+R_инт+R_о.д=(2,9+135,2+15,6+119,2)·10^-6=272,9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 69 раз больше, чем у изделий, полученных по прототипу, при этом также обеспечивается повышенная стойкость изделия в агрессивных, например, в кислотных окружающих средах. Интерметаллидная теплозащитная прослойка повысила суммарное термическое сопротивление многослойной композиционной стенки R_сум при теплообмене веществ-теплоносителей с окружающей средой на 6%, что способствует существенной экономии тепловой энергии при эксплуатации изделия.

Пример 2 (см. также таблицу).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Металлические полостеобразующие элементы в виде труб изготавливают с внутренним диаметром D_п.в=10,8 мм, с толщиной стенок Т_п=1,6 мм. Центральный полостеобразующий элемент изготавливают с внутренним диаметром D_ц.в=20 мм, с толщиной стенки Т_ц=10 мм. Отношение толщины стенки центрального полостеобразующего элемента к толщине стенок смежных с ним металлических полостеобразующих элементов равно 6,25:1. Наружный диаметр промежуточной прослойки D_пр.н=76 мм, внутренний - D_пр.в=72 мм, толщина стенки Т_пр=2 мм, удельная масса стенки трубчатой промежуточной прослойки та же, что в примере 1. Сварочный зазор между пучком из медных труб и внутренней поверхностью стальной трубчатой промежуточной прослойки h₁=(72-40-2·14):2=2 мм. Наружный диаметр оболочки D_о.н=81 мм, внутренний D_о.в=77 мм, толщина стенки Т_о=2 мм. Удельная масса стенки трубчатой оболочки М_о=0,2·4,5=0,9 г/см². Сварочный зазор h₂=(77-76):2=0,5 мм. Толщина заряда Т_вв=10 см, его удельная масса М_вв=10·0,91=9,1 г/см. При выбранных параметрах заряда его скорость детонации D_вв=3430 м/с. Отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс стенок трубчатой оболочки и трубчатой промежуточной прослойки равно: М_вв:(М_о+М_пр)=9,1:(0,9+1,56)=3,7. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой V₁=650 м/с, а трубчатой промежуточной прослойки с полостеобразующими элементами V₂=580 м/с. Температура отжига t_о=875°С, время отжига τ_о=2,5 часа, толщина интерметаллидной прослойки Т_инт=75 мкм, ее термическое сопротивление R_инт=Т_инт:λ_инт=0,000075:4,5=16,7·10^-6 К/(Вт/м²). Результат тот же, что в примере 1, но теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся в центральной внутренней полости, и веществами внутри медных полостеобразующих элементов происходит через их медные стенки толщиной Т_п=1,6 мм с термическим сопротивлением R_п=Т_п:λ_Cu=0,0016:410=3.9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 34 раза меньше, чем у изделия, полученного по прототипу. При теплообмене между теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов, с окружающей средой суммарное термическое сопротивление R_сум=R_п+R_пр.д+R_инт+R_о.д(3,9+135,2+16,7+119,2)·10^-6=275,9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 70 раз больше, чем у изделий, полученных по прототипу. Интерметаллидная теплозащитная прослойка повысила суммарное термическое сопротивление многослойной композиционной стенки R_сум при теплообмене веществ-теплоносителей с окружающей средой на 6,5%.

Пример 3 (см. также таблицу).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Металлические полостеобразующие элементы в виде труб изготавливают с внутренним диаметром D_п.в=10 мм, с толщиной стенок Т_п=2 мм. Центральный полостеобразующий элемент изготавливают с внутренним диаметром D_ц.в=24 мм, с толщиной стенки Т_ц=8 мм. Отношение толщины стенки центрального полостеобразующего элемента к толщине стенок смежных с ним металлических полостеобразующих элементов равно 4:1. Наружный диаметр промежуточной прослойки D_пр.н=79 мм, внутренний - D_пр.в=74 мм, толщина сменки Т_пр=2,5 мм, удельная масса стенки трубчатой промежуточной прослойки М_пр=0,25·7,8=1,95 г/см². Сварочный зазор между пучком из труб и внутренней поверхностью трубчатой промежуточной прослойки h₁=(74-40-2·14):2=3 мм. Наружный диаметр оболочки D_о.н=84 мм, внутренний D_о.в=80 мм, толщина стенки Т_о=2 мм. Удельная масса стенки трубчатой оболочки М_о=0,2·4,5=0,9 г/см². Сварочный зазор h₂=(80-79):2=0,5 мм.

В качестве заряда ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 3:1. Толщина заряда Т_вв=15 см, его плотность П_вв=0,82 г/см³, удельная масса М_вв=15·0,82=12,3 г/см². При выбранных параметрах заряда скорость детонации ВВ D_вв=3820 м/с. Отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс стенок трубчатой оболочки и трубчатой промежуточной прослойки равно: М_вв:(М_о+М_пр)=12,3:(0,9+1,95)=4,31. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой V₁=700 м/с, а трубчатой промежуточной прослойки с полостеобразующими элементами V₂=680 м/с. Температура отжига t_о=900°С, время отжига τ_о=2 часа, толщина интерметаллидной прослойки Т_инт=80 мкм, ее термическое сопротивление R_инт=Т_инт:λ_инт=0,00008:4,5=17,8·10^-6 К/(Вт/м²).

Результат тот же, что в примере 1, но теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся в центральной внутренней полости, и веществами внутри медных полостеобразующих элементов происходит через их медные стенки толщиной Т_п=2 мм с термическим сопротивлением R_п=Т_п:λ_Cu=0,002:410=4,9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 27 раз меньше, чем у изделия, полученного по прототипу. Теплообмен между теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов, с окружающей средой происходит через их медные стенки с термическим сопротивлением R_п=4.9·10^-6 К/(Вт/м²), через сдеформированную трубчатую промежуточную прослойку с толщиной Т_пр.д=2,9 мм с термическим сопротивлением R_пр.д=0,0029:17=170,6·10^-6 К/(Вт/м²), через интерметаллидную прослойку с термическим сопротивлением R_инт=17,8·10^-6 К/(Вт/м²) и через титановую оболочку с толщиной стенки Т_о.д=2,3 мм с термическим сопротивлением R_o.д=119,2·10^-6 К/(Вт/м²). Суммарное термическое сопротивление такой многослойной композиционной стенки R_сум=(4,9+170,6+17,8+119,2)·10^-6=312,5·10^-6 К/(Вт/м²), что в 80 раз больше, чем у изделий, полученных по прототипу. Интерметаллидная теплозащитная прослойка повысила суммарное термическое сопротивление многослойной композиционной стенки R_сум на 6%.

В изделии, полученном по прототипу (см. таблицу, пример 4), теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся в центральной внутренней полости, и веществами внутри металлических полостеобразующих элементов происходит через их медные стенки толщиной 0,8-1,5 мм, латунное покрытие и через стенку центрального полостеобразующего элемента из стали 12X18H10T толщиной Т_ц=2,2 мм. Термическое сопротивление такого стального слоя R_ст=0,0022:17=129,4·10^-6 К/(Вт/м²). При толщине стенки медного полостеобразующего элемента 0.8 мм ее термическое сопротивление R_Cu=0,0008:410=1,95·10^-6 К/(Вт/м²). Коэффициент теплопроводности латуни Л63 λ_лат=108 Вт/(м·К). Термическое сопротивление каждого латунного покрытия на медных полостеобразующих элементах при их толщине Т_лат=10 мкм R_лат=Т_лат:λ_лат=0,00001:108=0,092·10^-6 К/(Вт/м²). Суммарное минимальное термическое сопротивление такой трехслойной стенки R_ком=(1,95+129,4+0,092)·10^-6=131,44 К/(Вт/м²), что в 27-45 раз больше, чем у изделия, полученного по предлагаемому способу. Теплообмен между веществами-теплоносителями, находящимися внутри медных полостеобразующих элементов, с окружающей средой происходит через их медные стенки и через покрытие из латуни. При толщине медного слоя 1,5 мм и латунного 30 мкм максимальное термическое сопротивление таких медно-латунных слоев R_сум=(0,00003:108+0,0015:410)=3,9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 69-80 раз меньше, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу. Кроме того, у таких изделий значительно меньшая стойкость в агрессивных, например, в кислотных окружающих средах, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу.

Claims (4)

1. Способ получения цилиндрических 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 взрывчатого вещества (ВВ) и производят инициирование процесса детонации ВВ с помощью электродетонатора, отличающийся тем, что центральный полостеобразующий элемент, удаляемый после сварки взрывом, выполняют из хрупкого материала, 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 коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью, между трубчатой оболочкой и пучком из труб располагают трубчатую промежуточную прослойку из металла с пониженной теплопроводностью, а 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, после сварки полученную заготовку подвергают отжигу при температуре 850-900°С в течение 2-3,5 ч с формированием при этом между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки с пониженной теплопроводностью, с последующим охлаждением полученного изделия на воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве хрупкого материала используют стекло.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью для изготовления трубчатой оболочки используют титан.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубчатую промежуточную прослойку выполняют из аустенитной стали.

Images