RU2463140C1 - Способ получения композиционного материала титан-алюминий - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано при изготовлении с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) износостойких изделий, в частности пар трения, тормозных устройств и т.п., предназначенных для эксплуатации в условиях агрессивных сред. Получают сваркой взрывом четырехслойные и пятислойные заготовки из чередующихся слоев титана и алюминия с заданным соотношением толщин слоев титана и алюминия. Составляют многослойный пакет под сварку взрывом из двух четырехслойных и расположенных между ними от четырех до шести пятислойных сваренных заготовок с размещением алюминиевых слоев четырехслойных заготовок внутри пакета. Выбирают высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между сваренными заготовками в многослойном пакете из условия получения заданных скоростей их соударения. Проводят отжиг сваренного многослойного пакета с формированием между слоями титана и алюминия сплошных интерметаллидных прослоек и последующее его обжатие металлическими пуансонами из жаропрочного материала с охлаждением на воздухе. Композиционный материал титан-алюминий содержит от 12 до 16 слоев титана с расположенными между ними интерметаллидными прослойками толщиной 0,26-0,3 мм и имеет высокое значение допускаемого износа при длительной эксплуатации в условиях агрессивных сред и низкую скорость изнашивания. 1 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к технологии получения износостойких изделий с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п., предназначенных для эксплуатации в условиях агрессивных сред.

Известен способ получения износостойкого покрытия на поверхности титановой пластины, при котором составляют пакет под сварку взрывом из слоев алюминия и титана с соотношением толщин слоев 1:(2-8) при толщине слоя алюминия 1-1,5 мм, располагают на поверхности пакета заряд ВВ и осуществляют сварку взрывом при скорости детонации 1760-2700 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между пластинами пакета выбирают из условия получения скорости их соударения при сварке взрывом в пределах 550-650 м/с, после сварки пакет подвергают отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 90-100°С в течение 1,5-3 ч с формированием между слоями алюминия и титана сплошной интерметаллидной прослойки, затем производят обжатие пакета стальными пуансонами до полного удаления с поверхности интерметаллидной прослойки остатков алюминиевого слоя, после этого полученную заготовку нагревают до температуры 730-740°С, выдерживают в течение 0,2-0,3 ч, а затем ускоренно охлаждают между металлическими пластиками с высокой теплопроводностью с получением на поверхности титановой пластины высокотвердого износостойкого интерметаллидного покрытия, при этом в качестве материала металлических пластин с высокой теплопроводностью используют медь (патент РФ №2373036, МПК В23К 20/08, С23С 26/00, опубл. 20.11.2009, бюл. №32).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено наличием в пакете под сварку взрывом лишь одного алюминиевого слоя, что приводит к получению в результате сварки взрывом, последующей термообработки (отжига), обжатия полученной заготовки пуансонами и дополнительной термической обработки всего лишь одного интерметаллидного слоя, обладающего повышенной твердостью и износостойкостью, с толщиной не превышающей 600 мкм, поэтому в парах трения этот слой быстро изнашивается, величина допускаемого износа в таком материале не превышает 0,5 мм, что весьма ограничивает применение такого материала в парах трения, предназначенных для длительных сроков эксплуатации в условиях агрессивных сред.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционного материала титан-алюминий, обладающего повышенными теплозащитными свойствами и коррозионной стойкостью, который может быть также использован и к качестве износостойкого материала в случае расположения его слоев перпендикулярно или с наклоном относительно трущегося объекта, при этом величина его допускаемого износа велика и может достигать 70-80% его размера в направлении изнашивания. В этом способе составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами титана алюминиевой пластины, в котором соотношение толщин слоев титан-алюминий-титан составляет 1:(0,6-0,8):1 при толщине слоя алюминия 0,8-1,2 мм, сварку осуществляют при скорости детонации взрывчатого вещества 1680-2950 м/с, при этом сварочные зазоры между пластинами пакета и отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества (произведение толщины на плотность) к удельной массе верхней титановой пластины выбирают из условия получения скорости соударения верхней титановой пластины с алюминиевой в пределах 560-770 м/с, а алюминиевой пластины с нижней титановой - 420-630 м/с, затем осуществляют горячую прокатку сваренного трехслойного пакета при температуре 550-580°С с обжатием до толщины алюминиевого слоя, составляющей 0,5-0,67 его исходной толщины, после чего полученную заготовку отжигают при температуре, превышающей температуру плавления алюминия в 1,14-1,15 раза, в течение 1,5-3 ч до исчезновения жидкой фазы с полным превращением алюминиевого слоя в твердую теплозащитную интерметаллидную прослойку за счет взаимной диффузии титана и алюминия с последующим охлаждением на воздухе (патент РФ №2370350, МПК В23К 20/08, опубл. 20.10.2009, бюл. №29 - прототип).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено наличием в пакете под сварку взрывом всего лишь одного алюминиевого слоя, что позволяет получить между титановыми слоями после сварки взрывом и последующего отжига всего лишь одну интерметаллидную прослойку толщиной 600-1160 мкм. При использовании такого материала в парах трения его скорость изнашивания (отношение величины износа ко времени изнашивания) оказывается весьма высокой. Кроме того, из-за большой толщины интерметаллидной прослойки (600-1160 мкм) она склонна к хрупкому разрушению при циклических нагрузках, а это крайне ограничивает возможные области применения такого материала в парах трения.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционного материала титан-алюминий с пониженной скоростью изнашивания, с повышенной величиной допускаемого износа, не изменяющего своих служебных свойств даже после значительного износа рабочей поверхности и длительной эксплуатации в условиях агрессивных сред, на базе нового технологического процесса сварки взрывом четырех- и пяти-слойных пакетов из титана и алюминия с последующей сваркой взрывом полученных заготовок между собой, отжигом сваренного многослойного пакета с формированием интерметаллидных прослоек оптимальной толщины с повышенной твердостью и износостойкостью не склонных к хрупкому разрушению в условиях циклических нагрузок, с последующим обжатием многослойной заготовки металлическими пуансонами при температуре, превышающей температуру плавления алюминия и выдержки ее под давлением в нагретом состоянии.

Техническим результатом заявленного способа является создание нового технологического цикла, обеспечивающего с помощью поэтапной сварки взрывом многослойных пакетов, а также последующего термического и силового воздействия на сваренную заготовку с формированием при этом между титановыми слоями интерметаллидных прослоек оптимальной толщины, получение многослойного композиционного материала титан-алюминий с пониженной скоростью изнашивания, обладающего повышенной величиной допускаемого износа в условиях циклических нагрузок и длительной эксплуатации в условиях агрессивных сред.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения композиционного материала титан-алюминий, включающем составление пакета под сварку взрывом из слоев титана и алюминия, размещение над ним заряда ВВ, осуществление сварки взрывом, отжиг сваренной заготовки путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия с формированием сплошной интерметаллидной прослойки, составляют два четырехслойных пакета из чередующихся слоев титана и алюминия и 4-6 пятислойных пакетов из чередующихся слоев алюминия и титана с соотношением толщин слоев титана и алюминия 1:(0,8-1,33) при толщине каждого слоя титана 0,9-1 мм, сварку взрывом каждого пакета осуществляют при скорости детонации ВВ 1850-2500 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями в каждом пакете выбирают из условия получения скоростей соударения их между собой в пределах 500-750 м/с, после этого из сваренных четырех- и пятислойных заготовок составляют многослойный пакет под сварку взрывом с расположением алюминиевых слоев у четырехслойных заготовок внутри пакета, сварку взрывом осуществляют при скорости детонации ВВ 2100-3100 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между сваренными заготовками в многослойном пакете выбирают из условия получения скорости соударения их при сварке взрывом 220-470 м/с, затем сваренный многослойный пакет подвергают отжигу при температуре 700-750°С в течение 1,4-2,4 ч с формированием при этом между слоями титана и алюминия сплошных интерметаллидных прослоек, после этого производят обжатие многослойного пакета металлическими пуансонами из жаропрочного материала при температуре 700-750°С, давлением 2-3 МПа в течение 0,3-0,5 ч с последующим охлаждением полученного композиционного материала титан-алюминий на воздухе.

Новый способ получения композиционного материала титан-алюминий имеет существенные отличия по сравнению с прототипом, как по строению и свойствам полученного материала, так и по совокупности технологических приемов воздействия на свариваемые пакеты и режимов осуществления способа. Так предложено составлять два четырехслойных пакета из чередующихся слоев титана и алюминия и 4-6 пятислойных пакетов из чередующихся слоев алюминия и титана с соотношением толщин слоев титана и алюминия 1:(0,8-1,33) при толщине каждого слоя титана 0,9-1 мм, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений между всеми разнородными слоями пакетов. Толщина слоев титана менее 0,9 мм является недостаточной для обеспечения стабильных сварочных зазоров между металлическими слоями пакетов из-за гибкости титановых слоев. Толщина слоев титана более 1 мм является избыточной, поскольку это приводит к чрезмерному снижению объемной доли интерметаллидных прослоек в расчете на одно изделие, а это, в свою очередь, приводит к повышению скорости изнашивания получаемого материала. Количество пятислойных пакетов менее четырех приводит к получению материала недостаточным количеством титановых и интерметаллидных слоев, что снижает эффективность использования такого материала в парах трения из-за повышенной скорости изнашивания. При количестве таких пакетов более шести значительно возрастает вероятность получения некачественных сварных соединений при последующей сварке взрывом этих пакетов между собой и с четырехслойными пакетами. Предложено сваривать два четырехслойных пакета, что обеспечивает симметричное расположение титановых слоев с двух сторон получаемого материала. Соотношение толщин слоев титана и алюминия 1:(0,8-1,33) в четырех- и пятислойных пакетах является оптимальным для получения качественных сварных соединений между всеми слоями пакетов, способствует минимальному расходу титана и алюминия в расчете на одно изделие. При соотношении толщин слоев титана и алюминия выше верхнего предлагаемого предела толщина слоев алюминия оказывается недостаточной для обеспечения качественной сварки разнородных металлов из-за трудностей в обеспечении постоянных сварочных зазоров между свариваемыми слоями. При величине этого соотношения ниже нижнего предлагаемого предела толщина алюминиевого слоя является избыточной, поскольку значительное количество алюминия может попасть в отходы в процессе высокотемпературного обжатия многослойного пакета металлическими пуансонами.

Предложено сварку взрывом четырех- и пятислойных пакетов осуществлять при скорости детонации ВВ 1850-2500 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями в каждом пакете выбирать из условия получения скоростей соударения их между собой в пределах 500-750 м/с, что обеспечивает качественную сварку всех разнородных металлических слоев без нарушений сплошности и неконтролируемых деформаций, снижающих качество получаемых заготовок. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения между металлическими слоями в каждом пакете ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зонах соединения слоев, что снижает качество получаемого материала. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения между пластинами в каждом пакете выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических слоев с нарушениями их сплошности, что может привести к невозможности дальнейшего практического использования сваренных заготовок.

Предложено из сваренных четырех- и пятислойных заготовок составлять многослойный пакет под сварку взрывом с расположением алюминиевых слоев у четырехслойных заготовок внутри пакета, что существенно снижает уровень необходимых скоростей соударения и энергетические затраты при сварке взрывом многослойного пакета, способствует снижению расхода ВВ в расчете на одно изделие и получению качественных соединений во всех зонах соединения слоев, поскольку в данном случае свариваются только однородные алюминиевые слои, обладающие хорошей свариваемостью.

Предложено сварку взрывом многослойного пакета осуществлять при скорости детонации ВВ 2100-3100 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между сваренными заготовками в многослойном пакете выбирать из условия получения скоростей соударения их при сварке взрывом 220-470 м/с, что обеспечивает качественную сварку всех пятислойных заготовок с четырехслойными. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения ниже нижнего предлагаемого предела возможно появление непроваров в зонах соединения свариваемых заготовок, что снижает качество получаемого материала. Скорость детонации ВВ и скорости соударения заготовок в пакете выше верхнего предлагаемого предела не способствуют улучшению качества получаемого материала, но может привести к неконтролируемым деформациям получаемой многослойной заготовки и к повышенному расходу ВВ в расчете на одно изделие.

Предложено сваренный многослойный пакет подвергать отжигу, при температуре 700-750°С в течение 1,4-2,4 ч с формированием при этом между слоями титана и алюминия сплошных интерметаллидных прослоек. Предлагаемые температуры отжига превышают температуру плавления алюминия на 40-90°С, что способствует высокой скорости диффузионных процессов между титаном и алюминием, и, благодаря этому, получению за короткое время отжига между слоями титана и алюминия интерметаллидных прослоек необходимой толщины, обладающих высокой твердостью, стойкостью к хрупкому разрушению в условиях циклических нагрузок, что обеспечивает пониженную скорость изнашивания получаемого материала и его высокую долговечность в парах трения. При температуре и времени отжига ниже нижнего предлагаемого предела толщина получаемых интерметаллидных прослоек оказывается недостаточной, что снижает долговечность получаемого материала в парах трения. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку толщина интерметаллидных прослоек становится чрезмерной, при этом повышается вероятность хрупкого разрушения получаемого материала при его дальнейшей эксплуатации в условиях циклических нагрузок.

Предложено после отжига производить обжатие сваренного многослойного пакета металлическими пуансонами из жаропрочного материала при температуре 700-750°С, давлением 2-3 МПа в течение, 0,3-0,5 ч с последующим охлаждением на воздухе, что приводит к с выдавливанию из промежутков между образовавшимися при отжиге на поверхностях титановых пластин интерметаллидными прослойками избыточного расплавленного алюминия и перехода его остатков в интерметаллиды, при этом происходит формирование окончательной структуры и свойств получаемого материала. При температуре и давлении обжатия многослойного пакета ниже нижних предлагаемых пределов не обеспечивается необходимая степень вытеснения алюминия из промежутков между интерметаллидными прослойками, что приводит к снижению коррозионной стойкости получаемого материала в кислотных и щелочных средах. Температура и давление обжатия многослойного пакета выше верхних предлагаемых пределов являются избыточными, поскольку качество получаемого материала при этом не улучшается, но повышаются энергетические затраты в расчете на одно изделие. Предложено выдерживать нагретую заготовку в сжатом состоянии между металлическими пуансонами из жаропрочного материала в течение 0,3-0,5 ч, что создает необходимые условия для вытеснения алюминия из межслойных промежутков и полного перехода его остатков интерметаллидные прослойки. Время обжатия многослойного пакета менее 0,3 ч является недостаточным для вытеснения алюминия из межслойных промежутков и полного перехода его остатков в интерметаллидные прослойки. Время сжатия заготовки более 0,5 ч является избыточным, поскольку не приводит к повышению качества получаемого материала, но лишь увеличивает непроизводительные энергетические затраты. Охлаждение на воздухе после операции обжатия является наиболее дешевой технологической операцией, обеспечивающей получение материала без коробления и трещин.

Предложено составлять пакеты под сварку взрывом из слоев титана и алюминия, поскольку титан обладает повышенной коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью с алюминием и способностью образовывать при соединении с ним высокотвердые интерметаллидные прослойки придающие получаемому материалу высокую твердость и износостойкость. Алюминий обладает пониженной плотностью, значительно дешевле титана, что способствует снижению веса и стоимости получаемого материала. Предложено металлические пуансоны для обжатия многослойного пакета в нагретом состоянии выполнять из жаропрочного материала, что исключает неконтролируемые деформации пуансонов в процессе получения изделий.

Предлагаемый способ получения композиционного материала титан-алюминий осуществляется в следующей последовательности. Очищают от окислов и загрязнений слои алюминия и титана, из которых составляют два четырехслойных пакета из чередующихся слоев титана и алюминия и 4-6 пятислойных пакетов из чередующихся слоев алюминия и титана с соотношением толщин слоев титана и алюминия 1:(0,8-1,33) при толщине каждого слоя титана 0,9-1 мм. Слои в пакетах располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных технологических зазоров. Укладывают полученные пакеты на плоские основания, размещенные на грунте. На поверхности каждого пакета располагают контейнер с зарядом ВВ и осуществляют сварку взрывом с инициированием процесса детонации в каждом заряде ВВ со скоростью детонации 1850-2400 м/с, с помощью электродетонатора и вспомогательного заряда ВВ, формирующего в заряде ВВ фронт детонации, близкий к плоскому, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями в каждом пакете выбирают из условия получения скоростей соударения их между собой в пределах 500-750 м/с.

После правки сваренных четырех- и пятислойных заготовок на прессе и удаления боковых кромок с краевыми эффектами, из них составляют многослойный пакет под сварку взрывом с расположением алюминиевых слоев у четырехслойных заготовок внутри пакета, при этом сверху и снизу многослойного пакета располагают четырехслойные заготовки, а внутри - пятислойные. Предварительно свариваемые поверхности очищают от окислов и загрязнений. Сваренные заготовки в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров. Укладывают полученный многослойный пакет на плоское основание, размещенное на грунте. На поверхности пакета располагают контейнер с зарядом ВВ и осуществляют сварку взрывом с инициированием процесса детонации в основном заряде ВВ со скоростью детонации 2100-3100 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между сваренными заготовками в каждом пакете выбирают из условия получения скоростей соударения их при сварке взрывом 220-470 м/с. Затем, например, на фрезерном станке, обрезают боковые кромки сваренного многослойного пакета с краевыми эффектами, на его поверхности наносят технологическую обмазку для защиты их от воздействия воздушной атмосферы, устанавливают сваренный многослойный пакет в специальное приспособление, исключающее растекание алюминиевого слоя при отжиге, и подвергают его отжигу путем нагрева, например, в электропечи до температуры 700-750°С, что превышает температуру плавления алюминия на 40-90°С, в течение 1,4-2,4 ч для формирования между слоями титана и алюминия сплошных интерметаллидных прослоек.

По истечении времени выдержки при отжиге полученную заготовку из сваренного многослойного пакета вместе с приспособлением размещают в прессе между металлическими пуансонами из жаропрочного материала, нагретыми до температуры 700-750°С и производят обжатие ее при этой температуре давлением 2-3 МПа в течение, 0,3-0,5 ч, при этом происходит выдавливание из промежутков между образовавшимися при отжиге на поверхностях титановых пластин интерметаллидными прослойками избыточного расплавленного алюминия и переход его остатков в интерметаллиды. Последующее охлаждение полученного композиционного материала производят на воздухе.

В результате получают композиционный материал титан-алюминий, содержащий от 12 до 16 слоев титана с расположенными между ними интерметаллидными прослойками толщиной 0,26-0,3 мм, обладающий повышенной величиной допускаемого износа при длительной эксплуатации в условиях агрессивных сред, с пониженной в сравнении с прототипом в 4-8 раз скоростью изнашивания.

Пример 1 (см. таблицу, опыт 1).

Очищают от окислов и загрязнений алюминиевые и титановые заготовки, из которых составляют два четырехслойных пакета из чередующихся слоев титана и алюминия и четыре пятислойных пакета из чередующихся слоев алюминия и титана. Слои в пакетах располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров. Порядок чередования слоев в четырехслойных пакетах: титан BT1-0-алюминий АД1-ВТ1-0-АД1, в пятислойных: АД1-ВТ1-0-АД1-ВТ1-0-АД1. Размеры титановых слоев: длина 240 мм, ширина 200 мм, толщина δ_Ti=1 мм. У алюминиевых слоев длина и ширина такие же, как у титановых, но толщина δ_Al=0,8 мм. Соотношение толщин слоев титана и алюминия у всех пакетов одинаковое и равно 1:0,8. Укладывают полученные пакеты на плоские основания из древесно-стружечной плиты длиной 240 мм, шириной 200 мм, толщиной 18 мм, размещенные на грунте. При сборке пакетов предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h₁, h₂, h₃ в четырехслойных пакетах и

,

,

,

- в пятислойных, где h₁,

- зазоры между первым (верхним) и следующим за ним вторым слоем, h₂,

- между вторым и третьим слоем, a h₃,

- между третьим и четвертым,

- между четвертым и пятым слоем в пятислойных пакетах. Для сварки взрывом четырех- и пятислойных пакетов выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2500 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнеры с обеспечением высоты заряда ВВ Н_вв=55 мм, длиной 260 мм, шириной 220 мм и располагают их на поверхности каждого пакета. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в четырех- и пятислойных пакетах в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h₁=1 мм, h₂=0,5 мм, h₃=3 мм,

,

,

,

, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах в четырехслойных пакетах: V₁=740 м/с, V₂=630 м/с, V₃=690 м/с, в пятислойных:

,

,

,

, где V₁,

- скорость соударения первого слоя со вторым, V₂,

- второго с третьим и т.д. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в зарядах ВВ с помощью электродетонаторов и вспомогательных зарядов ВВ.

После правки сваренных четырех- и пятислойных заготовок, например, на гидравлическом прессе и обрезки боковых кромок из них составляют многослойный пакет под сварку взрывом с расположением алюминиевых слоев у четырехслойных заготовок внутри пакета, при этом сверху и снизу многослойного пакета располагают четырехслойные заготовки, а внутри - пятислойные, количество которых N=4. Предварительно свариваемые поверхности заготовок очищают от окислов и загрязнений. Длина каждой такой заготовки 220 мм, ширина 180 мм. Сваренные заготовки в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров

, величину которых определяют с помощью компьютерных технологий, где

- сварочный зазор между первой (верхней) и следующей за ней второй сваренной заготовкой,

- между второй и третьей и т.д. Укладывают полученный многослойный пакет на плоское основание из древесно-стружечной плиты длиной 220 мм, шириной 180 мм, толщиной 18 мм, размещенное на грунте. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=3100 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 50% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнер, который располагают на поверхности многослойного пакета, с обеспечением высоты заряда ВВ Н_вв=60 мм, длина контейнера - 240 мм, ширина - 200 мм. Для получения скоростей соударения между сваренными заготовками в многослойном пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, устанавливают сварочные зазоры, которые равны:

,

,

,

,

, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах:

,

,

,

,

, где

- скорость соударения первой (верхней) сваренной заготовки со следующей за ней второй,

- второй с третьей и т.д.

После сварки взрывом, например, на фрезерном станке, обрезают боковые кромки сваренного многослойного пакета с краевыми эффектами с удалением по 10 мм с каждой стороны, на его наружные поверхности наносят технологическую обмазку для защиты от воздействия воздушной атмосферы, например смесь жидкого стекла с оксидом хрома, устанавливают сваренный многослойный пакет в специальное приспособление, исключающее растекание алюминиевого слоя при отжиге, и подвергают его отжигу путем нагрева, например в электропечи, до температуры 700°С, что превышает температуру плавления t_пл алюминия на 40°С, в течение 2,4 ч для формирования между слоями титана и алюминия сплошных интерметаллидных прослоек. По истечении времени выдержки при отжиге многослойный пакет вместе с приспособлением размещают, например, в гидравлическом прессе, между металлическими пуансонами из жаропрочного материала, например из никелевого сплава марки ХН70ВМТЮ, нагретыми до температуры 700°С и производят обжатие его при этой температуре давлением P=3 МПа в течение, 0,5 ч для выдавливания из промежутков между образовавшимися при отжиге интерметаллидными прослойками расплавленного алюминия и перехода его остатков в интерметаллиды. Последующее охлаждение полученного композиционного материала производят на воздухе.

В результате получают композиционный материал титан-алюминий в виде пластины длиной 200 мм, шириной 160 мм, толщиной около 13 мм, содержащий 12 слоев титана с расположенными между ними 11-ю интерметаллидными прослойками толщиной 0,26 мм, обладающий такой же величиной допускаемого износа, как в изделиях, полученных по прототипу, пригодный для длительной эксплуатации в условиях агрессивных сред, с пониженной в сравнении с прототипом в 4-5 раз скоростью изнашивания.

Пример 2 (см. таблицу, опыт 2).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина титановых слоев δ_Ti=0,95 мм, алюминиевых - δ_Al=1 мм. Соотношение толщин слоев титана и алюминия у всех пакетов равно 1:1,05. Для сварки взрывом четырех- и пятислойных пакетов выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2100 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество имеющее Н_вв=60 мм, представляющее собой смесь из 23% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 77% аммиачной селитры. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в четырех- и пятислойных пакетах в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров в четырехслойных пакетах равны: h₁=1 мм, h₂=1 мм, h₃=3,5 мм, в пятислойных:

,

,

,

, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах в четырехслойных пакетах: V₁=670 м/с, V₂=580 м/с, V₃=620 м/с, в пятислойных:

,

,

,

. В многослойном пакете количество сваренных пятислойных заготовок N=5. Сваренные заготовки в многослойном пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных технологических зазоров

, величину которых, так же как в примере 1, определяют с помощью компьютерных технологий. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2540 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, имеющее Н_вв=60 мм и представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Для получения скоростей соударения между сваренными заготовками в многослойном пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, устанавливают сварочные зазоры, которые в данном примере равны:

,

,

,

,

,

, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах:

,

,

,

,

,

. Температура отжига сваренного многослойного пакета t_от=730°C, что превышает t_пл алюминия на 70°С, время отжига τ_от=2 ч.

Обжатие сваренного многослойного пакета металлическими пуансонами из жаропрочного материала производят при температуре t_об=t_от=730°С давлением Р=2,5 МПа, время обжатия τ_об=0,4 ч.

Результат получения композиционного материала титан-алюминий тот же, что в примере 1, но полученный материал толщиной около 15 мм содержит 14 слоев титана с 13-ю интерметаллидными прослойками толщиной 0,28 мм, скорость его изнашивания в 5-7 раз ниже, чем у материала, полученного по прототипу.

Пример 3 (см. таблицу, опыт 3).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина титановых слоев δ_Ti=0,9 мм, алюминиевых - δ_Al=1,2 мм. Соотношение толщин слоев титана и алюминия у всех пакетов равно 1:1,33. Для сварки взрывом четырех- и пятислойных пакетов выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=1850 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество имеющее Н_вв=50 мм, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в четырех- и пятислойных пакетах в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров в четырехслойных пакетах равны: h₁=1 мм, h₂=1,5 мм, h₃=4 мм, в пятислойных:

,

,

,

, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах в четырехслойных пакетах: V₁=600 м/с, V₂=520 м/с, V₃=540 м/с, в пятислойных:

,

,

,

. В многослойном пакете количество сваренных пятислойных заготовок N=6. Сваренные заготовки в многослойном пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров

, величину которых, так же как в примере 1, определяют с помощью компьютерных технологий. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации взрывчатого вещества D_вв=2100 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, имеющее Н_вв=80 мм и представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры.

Для получения скоростей соударения между сваренными заготовками в многослойном пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, устанавливают сварочные зазоры, которые в данном примере равны:

,

,

,

,

,

,

, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах:

,

,

,

,

,

.

Температура отжига сваренного многослойного пакета t_от=750°C, что превышает t_пл алюминия на 90°С, время отжига τ_от=1,4 ч.

Обжатие сваренного многослойного пакета металлическими пуансонами из жаропрочного материала производят при температуре t_об=t_от=750°С давлением Р=2 МПа, время обжатия τ_об=0,3 ч. Результат получения композиционного материала титан-алюминий тот же, что в примере 1, но полученный материал толщиной около 16 мм, содержит 16 слоев титана с 15-ю интерметаллидными прослойками толщиной 0,3 мм, скорость его изнашивания в 5-8 раз ниже, чем у материала, полученного по прототипу.

При получении композиционного материала титан-алюминий по прототипу (см. таблицу, опыт 4) получают композиционный материал толщиной около 2,5-5 мм, состоящий из двух слоев титана и расположенной между ними одной сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки толщиной 0,6-1,16 мм, обладающий повышенной величиной допускаемого износа и высокой коррозионной стойкостью в условиях агрессивных сред, как у изделий, полученных по предлагаемому способу, но обладающий в сравнении с ним повышенной в 4-8 раз скоростью изнашивания.

Claims (1)

1. Способ получения композиционного материала титан-алюминий, включающий составление многослойного пакета под сварку взрывом из слоев титана и алюминия, размещение над ним заряда взрывчатого вещества (ВВ), осуществление сварки взрывом и последующие обжатие и отжиг сваренного пакета путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия с формированием сплошной интерметаллидной прослойки, отличающийся тем, что получают четырехслойные и пятислойные заготовки из чередующихся слоев титана и алюминия с соотношением толщин слоев титана и алюминия 1:(0,8-1,33) при толщине каждого слоя титана 0,9-1 мм путем сварки взрывом каждой из них при скорости детонации ВВ 1850-2500 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями при сварке каждой заготовки выбирают из условия получения скоростей соударения слоев между собой в пределах 500-750 м/с, многослойный пакет под сварку взрывом составляют из двух четырехслойных и расположенных между ними от четырех до шести пятислойных сваренных заготовок с размещением алюминиевых слоев четырехслойных заготовок внутри пакета, сварку взрывом собранного многослойного пакета осуществляют при скорости детонации ВВ 2100-3100 м/с, причем высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между сваренными заготовками в многослойном пакете выбирают из условия получения скоростей их соударения при сварке взрывом 220-470 м/с, затем проводят отжиг сваренного многослойного пакета при температуре 700-750°С в течение 1,4-2,4 ч с формированием между слоями титана и алюминия сплошных интерметаллидных прослоек, последующее его обжатие металлическими пуансонами из жаропрочного материала при температуре 700-750°С давлением 2-3 МПа в течение 0,3-0,5 ч и охлаждение полученного композиционного материала на воздухе.