RU2533508C1 - Method of making composite copper-titanium material - Google Patents
Method of making composite copper-titanium material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2533508C1 RU2533508C1 RU2013135436/02A RU2013135436A RU2533508C1 RU 2533508 C1 RU2533508 C1 RU 2533508C1 RU 2013135436/02 A RU2013135436/02 A RU 2013135436/02A RU 2013135436 A RU2013135436 A RU 2013135436A RU 2533508 C1 RU2533508 C1 RU 2533508C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- layers
- titanium
- layer
- welded
- Prior art date
Links
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии получения композиционных материалов с помощью энергии взрыва и может быть использовано при изготовлении, например, деталей термического, химического оборудования, теплорегуляторов и т.п.The invention relates to a technology for producing composite materials using explosion energy and can be used in the manufacture, for example, of parts of thermal, chemical equipment, heat regulators, etc.
Известен способ получения композиционного материала алюминий-титан, включающий составление пакета из слоев алюминия и титана, размещение над ним заряда взрывчатого вещества (ВВ), осуществление сварки взрывом и отжиг сваренной заготовки, отношение удельной массы заряда ВВ к удельной массе алюминиевого слоя равно 1,11-5,0, при этом используют заряд ВВ со скоростью детонации, равной 2250-3300 м/с, после сварки пакет подвергают отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия в 1,06-1,14 раза, в течение 0,35-2 ч, с формированием при этом сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки, с последующим обжатием пакета стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя и одновременной его кристаллизацией. Образование теплозащитной интерметаллидной прослойки оптимальной толщины в зоне соединения алюминия и титана с повышенным термическим сопротивлением обусловливает в полученном материале регламентируемый теплообмен между слоями алюминия и титана. (Патент РФ №2255849, МПК B23K 20/08, B32B 15/01, опубл. 10.07.2005, Бюл. №19).A known method of producing a composite material aluminum-titanium, comprising compiling a package of layers of aluminum and titanium, placing an explosive charge (BB) above it, performing explosion welding and annealing the welded billet, the ratio of the specific gravity of the explosive charge to the specific gravity of the aluminum layer is 1.11 -5.0, using an explosive charge with a detonation velocity equal to 2250-3300 m / s, after welding, the package is annealed by heating to a temperature exceeding the melting temperature of aluminum 1.06-1.14 times, for 0, 35-2 h, with formation at the same time, we have a continuous heat-shielding intermetallic layer, followed by compression of the packet with steel punches for 20-50% of the thickness of the aluminum layer and its simultaneous crystallization. The formation of a heat-protective intermetallic layer of optimal thickness in the zone of aluminum-titanium compound with high thermal resistance determines the regulated heat transfer between the aluminum and titanium layers in the resulting material. (RF patent №2255849, IPC B23K 20/08, B32B 15/01, published on July 10, 2005, Bull. No. 19).
Недостатком данного способа является то, что сплошной теплозащитный интерметаллидный слой, обладающий помимо высокого термического сопротивления еще и высокой износостойкостью, располагается между слоями из алюминия и титана и отсутствует по меньшей мере на одной из наружных поверхностей, контактирующей с окружающей средой. Толщина интерметаллидного слоя в этом материале не превышает 26-30 мкм, из-за чего его термическое сопротивление, а следовательно, и его теплозащитные свойства недостаточно велики. Кроме того, как алюминиевый, так и титановый слои имеют малую стойкость к изнашиванию в контакте с потоками газов-теплоносителей, содержащих абразивные вещества. Все это весьма ограничивает возможные области использования такого материала в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в условиях, где требуется повышенная стойкость к изнашиванию и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи с одной его стороны и низкое с другой.The disadvantage of this method is that a continuous heat-protective intermetallic layer, which in addition to high thermal resistance also has high wear resistance, is located between the layers of aluminum and titanium and is absent on at least one of the outer surfaces in contact with the environment. The thickness of the intermetallic layer in this material does not exceed 26-30 microns, which is why its thermal resistance, and therefore its heat-shielding properties, are not large enough. In addition, both the aluminum and titanium layers have low resistance to wear in contact with the flows of coolant gases containing abrasive substances. All this greatly limits the possible areas of use of such a material in heat-exchange equipment designed for long-term operation in conditions where increased wear resistance and high thermal resistance are required in the direction of heat transfer on one side and low on the other.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционного материала титан-алюминий, включающий составление пакета из слоев титана и алюминия, размещение на нем заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом и отжиг сваренной заготовки путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия, 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 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°C 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 часов до исчезновения жидкой фазы с полным превращением алюминиевого слоя в твердую теплозащитную прослойку за счет взаимной диффузии титана и алюминия с последующим охлаждением на воздухе. В результате получают композиционный материал титан-алюминий, обладающий высоким термическим сопротивлением как поперек, так и вдоль слоев при малых временных затратах на формирование единицы толщины интерметаллидной прослойки. (Патент РФ №2370350, МПК B23K 20/08, опубл. 20.102009, Бюл. №29 - прототип).The closest in technical level and the achieved result is a method for producing a titanium-aluminum composite material, comprising composing a package of layers of titanium and aluminum, placing an explosive charge on it, performing explosion welding and annealing the welded workpiece by heating to a temperature higher than the melting temperature of aluminum, constitute a three-layer package with an aluminum plate placed between the titanium plates, in which the ratio of the thicknesses of the layers of titanium-aluminum-titanium is 1: (0.6-0.8): 1 p and the thickness of the aluminum layer 0.8-1.2 mm, welding is carried out at a detonation speed of the explosive 1680-2950 m / s, while the welding gaps between the plates of the package and the ratio of the specific charge of the explosive to the specific gravity of the upper titanium plate is selected from the condition to obtain the collision speed of the upper titanium plate with aluminum in the range of 560-770 m / s, and the aluminum plate with lower titanium plate - 420-630 m / s, then the hot rolled three-layer package is hot rolled at a temperature of 550-580 ° C with compression to aluminum thickness a layer of 0.5-0.67 of its initial thickness, after which the resulting preform is annealed at a temperature that is 1.14-1.15 times higher than the melting temperature of aluminum for 1.5-3 hours until the liquid phase disappears from complete transformation of the aluminum layer into a solid heat-protective layer due to the mutual diffusion of titanium and aluminum, followed by cooling in air. The result is a titanium-aluminum composite material with high thermal resistance both across and along the layers at low time spent on the formation of a unit thickness of the intermetallic layer. (RF patent No. 2370350, IPC B23K 20/08, publ. 20.102009, Bull. No. 29 - prototype).
Недостатком данного способа является то, что сплошной теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-алюминий, обладающий помимо высокого термического сопротивления еще и повышенной износостойкостью, располагается между двумя слоями титана и отсутствует по меньшей мере на одной из его наружных поверхностей, поэтому у этого материала низкая стойкость к изнашиванию в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, при этом из-за малой толщины наружных титановых слоев, не превышающей 1-2 мм, такой материал обладает малой величиной допускаемого износа (не более 0,1-0,2 мм), и при изнашивании лишь одного из титановых слоев он приходит в негодность. Кроме того, данный материал обладает низкой теплопроводностью вдоль слоев, при изгибающих нагрузках толстый интерметаллидный слой, толщина которого находится в пределах 600-1160 мкм, склонен к хрупкому разрушению. Все это весьма ограничивает возможные области использования такого материала в теплообменной аппаратуре, где требуется пониженная скорость изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, повышенная величина допускаемого износа, повышенная стойкость интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи с одной его стороны и низкое с другой.The disadvantage of this method is that a continuous heat-protective layer of titanium-aluminum system intermetallic compounds, which in addition to high thermal resistance also has increased wear resistance, is located between two titanium layers and is absent on at least one of its outer surfaces, therefore this material has low resistance to wear in contact with gas streams containing abrasive substances, while due to the small thickness of the outer titanium layers not exceeding 1-2 mm, such a material has a small mask permitted wear (less than 0.1-0.2 mm), and wear of only one of titanium layers it becomes unusable. In addition, this material has low thermal conductivity along the layers; under bending loads, a thick intermetallic layer, the thickness of which is in the range of 600–1160 μm, is prone to brittle fracture. All this greatly limits the possible areas of use of such a material in heat exchange equipment, where a reduced wear rate in contact with gas streams containing abrasive substances is required, increased allowable wear, increased resistance of the intermetallic layers to brittle fracture under bending loads, high thermal resistance in the direction of heat transfer on the one hand and low on the other.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения сваркой взрывом композиционного материала медь-титан с пониженной скоростью изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с повышенной величиной допускаемого износа, с повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, с обеспечением при этом высокого термического сопротивления слоев при направлении теплопередачи с одной его стороны и низкого с другой.In this regard, the most important task is to create a new method for producing by welding by explosion of a copper-titanium composite material with a reduced wear rate under conditions of long-term operation in contact with gas streams containing abrasive substances, with an increased value of allowable wear, with an increased resistance to brittle fracture of intermetallic layers under bending loads, while ensuring high thermal resistance of the layers in the direction of heat transfer on one side and low on the other.
Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом трехслойного пакета из плоских разнородных металлических слоев с последующей его горячей прокаткой, сваркой взрывом многослойного пакета из трехслойных заготовок и медной пластины с последующим отжигом сваренной многослойной заготовки получение композиционного материала медь-титан с пониженной скоростью изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с повышенной величиной допускаемого износа, с повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, с обеспечением при этом высокого термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек интерметаллидных и титановых слоев, расположенных с одной стороны материала, и, за счет включения в состав материала толстого слоя из меди, низкого термического сопротивления во всех направлениях с другой стороны предлагаемого материала.The technical result of the claimed method is the creation of a new technology that ensures, by explosion welding of a three-layer package of flat heterogeneous metal layers, followed by hot rolling, explosion welding of a multi-layer package of three-layer workpieces and a copper plate, followed by annealing of the welded multilayer workpiece, to obtain a copper-titanium composite material with reduced wear rate during prolonged use in contact with gas streams containing abrasive substances, with increased allowable wear, with increased resistance of the intermetallic layers to brittle fracture under bending loads, while ensuring high thermal resistance in the direction of heat transfer across the intermetallic and titanium layers located on one side of the material, and, due to the inclusion of a thick layer in the composition of the material made of copper, low thermal resistance in all directions on the other hand of the proposed material.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционного материала медь-титан, включающем составление трехслойного пакета из чередующихся металлических слоев, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом и горячую прокатку сваренной заготовки, предварительно составляют трехслойный пакет из чередующихся слоев меди и титана с симметричным расположением титановой пластины относительно медных, в котором соотношение толщин слоев медь-титан-медь составляет 1:(7,5-10):1 при толщине каждого слоя меди, равной 0,8-0,9 мм, располагают на поверхностях медных пластин защитные металлические прослойки с зарядами взрывчатого вещества и осуществляют сварку взрывом полученной сборки путем одновременного взрыва зарядов взрывчатого вещества, имеющих скорость детонации 2010-2580 м/с, при этом высоту зарядов взрывчатого вещества, материал и толщину защитных металлических прослоек, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости соударения медных пластин с титановой в пределах 400-490 м/с, горячую прокатку сваренного трехслойного пакета проводят с обжатием 80-90% при температуре 550-600°C, затем производят разделку прокатанного пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых составляют многослойный пакет под сварку взрывом из расположенных параллельно друг другу 3-8 трехслойных заготовок и медной пластины, располагают на поверхности верхней трехслойной заготовки защитную металлическую прослойку с зарядом взрывчатого вещества и осуществляют сварку взрывом многослойного пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2090-2400 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скоростей соударения медных слоев в пределах 330-480 м/с, отжиг сваренной многослойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных слоев из меди и титана проводят при температуре 850-860°C в течение 20-30 ч с последующим охлаждением на воздухе.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed method for producing a composite material of copper-titanium, including the preparation of a three-layer package of alternating metal layers, placing an explosive charge above it, performing explosion welding and hot rolling of the welded billet, a three-layer package of alternating layers of copper is preliminarily made and titanium with a symmetrical arrangement of the titanium plate relative to the copper, in which the ratio of the thicknesses of the layers of copper-titanium-copper is 1: (7 5-10): 1 with a thickness of each copper layer equal to 0.8-0.9 mm, protective metal interlayers with explosive charges are placed on the surfaces of the copper plates and they are welded by explosion of the assembly obtained by simultaneously exploding explosive charges having a velocity detonation of 2010-2580 m / s, while the height of the explosive charges, the material and the thickness of the protective metal interlayers, as well as the welding gaps between the layers to be welded, are selected from the condition of obtaining the speed of impact of copper plates with titanium to the limit x 400-490 m / s, hot rolling of the welded three-layer package is carried out with a compression of 80-90% at a temperature of 550-600 ° C, then the rolled package is cut into three-layer measured blanks, which make up a multilayer package for explosion welding from parallel to each other to a friend, 3-8 three-layer blanks and a copper plate, a protective metal layer with an explosive charge is placed on the surface of the upper three-layer blank, and explosion welding of a multilayer packet is carried out at a detonation speed of the explosion charge of man-made substance is 2090-2400 m / s, while the height of the explosive charge, the material and the thickness of the protective metal layer, as well as the welding gaps between the layers to be welded, are selected from the conditions for obtaining the collision speeds of copper layers in the range 330-480 m / s, annealing of the welded multilayer preforms for the formation of continuous intermetallic layers of copper and titanium are carried out at a temperature of 850-860 ° C for 20-30 hours, followed by cooling in air.
В таких условиях силового и теплового воздействия на металлы происходит надежная сварка слоев из разнородных и однородных металлов по всем поверхностям контакта с утонением медных и титановых слоев до оптимальных толщин при горячей прокатке. Отжиг сваренной многослойной заготовки на предложенных режимах обеспечивает возникновение и рост сплошных интерметаллидных слоев из меди и титана необходимой толщины за счет взаимной диффузии меди и титана с полным превращением прокатанных тонких медных слоев в высокотвердые интерметаллидные слои оптимальной толщины. При этом наружный интерметаллидный слой обеспечивает материалу пониженную скорость изнашивания, внутренние интерметаллидные слои совместно с титановыми обеспечивают повышенную величину допускаемого износа в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, а также высокое термическое сопротивление в поперечном направлении, титановые слои обеспечивают также повышенную прочность при изгибающих нагрузках, снижают вероятность хрупкого разрушения интерметаллидных слоев при эксплуатации изделий из предлагаемого материала. Толстый медный слой с другой стороны материала, обладающий высокой теплопроводностью, обеспечивает интенсивный теплообмен с веществами-теплоносителями, контактирующими с ним в процессе эксплуатации изделий.Under such conditions of power and heat exposure to metals, reliable welding of layers of dissimilar and homogeneous metals occurs over all contact surfaces with thinning of copper and titanium layers to optimal thicknesses during hot rolling. Annealing the welded multilayer billet in the proposed modes provides the appearance and growth of continuous intermetallic layers of copper and titanium of the required thickness due to the mutual diffusion of copper and titanium with the complete conversion of rolled thin copper layers into high-hard intermetallic layers of optimal thickness. In this case, the outer intermetallic layer provides the material with a reduced wear rate, the inner intermetallic layers together with the titanium ones provide an increased value of the allowable wear under conditions of long-term operation in contact with gas flows containing abrasive substances, as well as high thermal resistance in the transverse direction, the titanium layers also provide increased strength under bending loads, reduce the likelihood of brittle fracture of the intermetallic layers during operation and dely of the proposed material. A thick copper layer on the other side of the material, which has high thermal conductivity, provides intensive heat exchange with heat-transfer agents that come into contact with it during the operation of the products.
Новый способ получения композиционного материала медь-титан 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 предварительно составлять трехслойный пакет из чередующихся слоев меди и титана с симметричным расположением титановой пластины относительно медных, в котором соотношение толщин слоев медь-титан-медь составляет 1:(7,5-10):1 при толщине каждого слоя меди, равной 0,8-0,9 мм, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений обоих медных слоев с титановым. При толщине каждого слоя меди менее 0,8 мм затруднено обеспечение необходимых сварочных зазоров между ними и титановой пластиной, что может привести к снижению качества сварных соединений титана с медными слоями. Толщина медных слоев выше предлагаемого предела является избыточной, поскольку в этом случае существенно снижается износостойкость поверхности материала из-за неполного перехода медных прокатанных слоев в интерметаллидные. Соотношение толщин слоев медь-титан-медь, равное 1:(7,5-10):1, является оптимальным, поскольку после прокатки сваренной заготовки толщина медных слоев оказывается достаточной для их полного перехода в высокотвердые интерметаллидные слои в процессе последующего отжига, при этом каждый титановый слой переходит в интерметаллидные слои лишь частично, что способствует повышению прочности материала при изгибающих нагрузках, снижению вероятности хрупкого разрушения интерметаллидных слоев при эксплуатации изделий.A new method for producing a copper-titanium composite material has significant differences in comparison with the prototype both in the structure and properties of the obtained material, and in the aggregate of technological methods for influencing welded bags and modes of the method. Thus, it was proposed to preliminarily compose a three-layer package of alternating layers of copper and titanium with a symmetrical arrangement of the titanium plate relative to copper, in which the ratio of the thicknesses of the layers of copper-titanium-copper is 1: (7.5-10): 1 with a thickness of each copper layer equal to 0 , 8-0.9 mm, which creates the necessary conditions for obtaining high-quality welded joints of both copper layers with titanium. When the thickness of each copper layer is less than 0.8 mm, it is difficult to ensure the necessary welding gaps between them and the titanium plate, which can lead to a decrease in the quality of welded joints of titanium with copper layers. The thickness of the copper layers above the proposed limit is excessive, since in this case, the wear resistance of the material surface is significantly reduced due to the incomplete transition of the rolled copper layers to intermetallic ones. The ratio of the thicknesses of the layers of copper-titanium-copper, equal to 1: (7.5-10): 1, is optimal, because after rolling the welded billet, the thickness of the copper layers is sufficient for their complete transition to high-hard intermetallic layers during subsequent annealing, while each titanium layer passes into the intermetallic layers only partially, which helps to increase the strength of the material under bending loads, reduce the likelihood of brittle fracture of the intermetallic layers during product operation.
Соотношение толщин слоев медь-титан-медь ниже нижнего предлагаемого предела может привести к полному переходу титана в интерметаллидный слой в процессе последующего отжига, а это, в свою очередь, приводит к нежелательному значительному повышению хрупкости интерметаллидных слоев, к снижению прочности материала при изгибающих нагрузках. Соотношение толщин этих слоев выше верхнего предлагаемого предела приводит к излишнему расходу дорогостоящего титана в расчете на единицу массы получаемого материала.The ratio of the thicknesses of the layers of copper-titanium-copper below the lower proposed limit can lead to a complete transition of titanium into the intermetallic layer during the subsequent annealing, and this, in turn, leads to an undesirable significant increase in the fragility of the intermetallic layers, to a decrease in the strength of the material under bending loads. The ratio of the thicknesses of these layers above the upper proposed limit leads to excessive consumption of expensive titanium per unit mass of the resulting material.
Предложено располагать на поверхностях медных пластин защитные металлические прослойки с зарядами ВВ и осуществлять сварку взрывом полученной сборки путем одновременного взрыва зарядов ВВ, имеющих скорость детонации 2010-2580 м/с, при этом высоту зарядов ВВ, материал и толщину защитных металлических прослоек, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирать из условия получения скорости соударения медных пластин с титановой в пределах 400-490 м/с, что обеспечивает качественную сварку всех разнородных металлических слоев в пакете без нарушений сплошности и неконтролируемых деформаций, снижающих качество получаемых заготовок. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения между металлическими слоями в пакете ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зонах соединения слоев, из-за чего при последующей горячей прокатке сваренных пакетов может происходить их частичное и даже полное расслоение. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения между пластинами в пакете выше верхних предлагаемых пределов в зонах соединения слоев возможно появление участков с хрупкими интерметаллидными фазами, что при последующей горячей прокатке может приводить к частичным расслоениям в зонах соединения слоев, а это, в свою очередь, может приводить к снижению прочностных свойств получаемого материала. Кроме того, при этих режимах сварки возможны неконтролируемые деформации металлических слоев с нарушениями их сплошности, что может привести к невозможности дальнейшего использования сваренных заготовок.It is proposed to place protective metal interlayers with explosive charges on the surfaces of copper plates and to perform welding by explosion of the assembly obtained by simultaneously exploding explosive charges having a detonation velocity of 2010-2580 m / s, while the explosive charge height, the material and thickness of the protective metal interlayers, as well as welding the gaps between the layers to be welded should be selected from the conditions for obtaining the collision speed of copper plates with titanium in the range of 400-490 m / s, which ensures high-quality welding of all dissimilar metal layers in the package es discontinuities and uncontrolled deformations which reduce the quality of the workpieces. At a detonation velocity of explosives and collision velocities between metal layers in a packet below the lower proposed limits, the occurrence of lack of penetration in the zones of connection of the layers, because of which, during subsequent hot rolling of the welded packets, their partial and even complete separation can occur. When the detonation velocity of explosives and the collision velocities between the plates in the stack are higher than the upper proposed limits, layers with brittle intermetallic phases may appear in the layers joining layers, which during subsequent hot rolling can lead to partial delamination in the layers joining zones, and this, in turn, can lead to a decrease in the strength properties of the resulting material. In addition, under these welding conditions, uncontrolled deformations of metal layers with violations of their continuity are possible, which can lead to the inability to continue using welded workpieces.
Предложено горячую прокатку сваренного трехслойного пакета проводить с обжатием 80-90% при температуре 550-600°C с последующей разделкой прокатанного пакета на мерные трехслойные заготовки, что приводит к увеличению их длины и ширины с одновременным уменьшением толщины медных и титановых слоев до оптимальных размеров. При температуре горячей прокатки ниже 550°C в титановых слоях возможно появление микротрещин, снижающих служебные свойства получаемого материала. Температура прокатки выше 600°C является избыточной, поскольку при этом возрастают непроизводительные энергетические затраты на получение продукции. Обжатие сваренных трехслойных заготовок менее 80% приводит к избыточной толщине металлических слоев в получаемом материале, что ведет к снижению износостойкости его поверхности. Обжатие заготовок более 90% может приводить к излишнему снижению толщины металлических слоев, а это, в свою очередь, может привести к нежелательному снижению суммарного термического сопротивления интерметаллидных и титановых слоев в получаемом материале.It is proposed that hot rolling of a welded three-layer package be carried out with compression of 80-90% at a temperature of 550-600 ° C with subsequent cutting of the rolled package into three-layer measured workpieces, which leads to an increase in their length and width while reducing the thickness of copper and titanium layers to optimal sizes. At hot rolling temperatures below 550 ° C, microcracks may appear in the titanium layers, which reduce the service properties of the resulting material. The rolling temperature above 600 ° C is excessive, since it increases the unproductive energy costs of obtaining products. Compression of welded three-layer billets of less than 80% leads to an excess thickness of metal layers in the resulting material, which leads to a decrease in the wear resistance of its surface. Compression of the workpieces of more than 90% can lead to an excessive decrease in the thickness of the metal layers, and this, in turn, can lead to an undesirable decrease in the total thermal resistance of the intermetallic and titanium layers in the resulting material.
Разделка прокатанного пакета на мерные трехслойные заготовки необходима для получения пластин оптимальных размеров для составления многослойного пакета под сварку взрывом.Cutting the rolled package into three-layered dimensional workpieces is necessary to obtain plates of optimal sizes for compiling a multilayer package for explosion welding.
Предложено составлять многослойный пакет под сварку взрывом из расположенных параллельно друг другу 3-8 трехслойных заготовок и медной пластины, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений между всеми свариваемыми заготовками и формированию при отжиге необходимого для повышенной износостойкости и высокого термического сопротивления количества интерметаллидных прослоек. Благодаря оптимальному расположению медных и титановых слоев в свариваемом пакете, на данном этапе свариваются между собой лишь однородные медные слои, что значительно расширяет возможный диапазон режимов сварки взрывом, способствует получению сварных соединений высокого качества. Изменяя количество трехслойных заготовок в пакете от 3 до 8, можно в широких пределах изменять величину допускаемого износа в зависимости от условий и продолжительности эксплуатации предлагаемого материала в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, а также изменять термическое сопротивление материала со стороны, контактирующей с абразивными веществами. При количестве трехслойных заготовок в пакете менее трех получаемый материал не обладает достаточной величиной допускаемого износа и имеет недостаточно высокое суммарное термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев. При количестве этих заготовок в многослойном пакете более 8 возможно появление непроваров в зонах соединения медных слоев при сварке взрывом, что может привести к разрушению изделий из получаемого материала в процессе их эксплуатации. Наличие медной пластины в многослойном пакете обеспечивает в получаемом материале интенсивный теплообмен с веществами-теплоносителями, контактирующими с ним в процессе эксплуатации изготовленных из него изделий.It is proposed to make a multilayer package for explosion welding from 3-8 three-layer workpieces and a copper plate located parallel to each other, which creates the necessary conditions for obtaining high-quality welded joints between all welded workpieces and forming, when annealing, the amount of intermetallic layers necessary for increased wear resistance and high thermal resistance. Due to the optimal arrangement of copper and titanium layers in the weldable package, at this stage only homogeneous copper layers are welded together, which significantly expands the possible range of explosion welding modes and contributes to the production of high quality welded joints. By changing the number of three-layer blanks in the bag from 3 to 8, it is possible to widely vary the allowable wear depending on the conditions and duration of operation of the proposed material in contact with gas flows containing abrasive substances, as well as change the thermal resistance of the material from the side in contact with abrasive substances. When the number of three-layer blanks in the package is less than three, the resulting material does not have a sufficient amount of allowable wear and does not have a sufficiently high total thermal resistance of the intermetallic and titanium layers. With the number of these blanks in a multilayer package of more than 8, lack of penetration is possible in the zones of connection of copper layers during explosion welding, which can lead to the destruction of products from the resulting material during their operation. The presence of a copper plate in a multilayer package ensures intense heat exchange with the heat-transfer substances in contact with it during operation of products made from it.
Предложено располагать на поверхности верхней трехслойной заготовки защитную металлическую прослойку с зарядом взрывчатого вещества и осуществлять сварку взрывом многослойного пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2090-2400 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирать из условия получения скоростей соударения медных слоев в пределах 330-480 м/с, что обеспечивает получение качественных сварных соединений между всеми свариваемыми слоями. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения слоев 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 может привести к неконтролируемым деформациям получаемой многослойной заготовки и к повышенному расходу ВВ в расчете на одно изделие.It is proposed to place a protective metal layer with an explosive charge on the surface of the upper three-layer billet and to perform explosion welding of a multilayer package at an explosive charge detonation speed of 2090-2400 m / s, while the explosive charge height, material and thickness of the protective metal layer, as well as welding the gaps between the welded layers to choose from the conditions for obtaining the collision speeds of copper layers in the range of 330-480 m / s, which provides high-quality welded joints th between all layers to be welded. When the detonation velocity of the explosive and the collision velocity of the layers below the lower proposed limit, the occurrence of lack of fusion in the areas of the welded workpieces, which reduces the quality of the material obtained. The detonation velocity of the explosive and the collision velocity of the workpieces in the package above the upper proposed limit can lead to uncontrolled deformations of the resulting multilayer workpiece and to an increased consumption of explosives per product.
Предложено отжиг сваренной многослойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных слоев из меди и титана производить при температуре 850-860°C в течение 20-30 ч с последующим охлаждением на воздухе. При этом происходит формирование между медными и титановыми слоями сплошных интерметаллидных прослоек оптимальной толщины, обладающих высокой твердостью, износостойкостью, стойкостью к хрупкому разрушению в условиях изгибающих нагрузок, а также высокими теплозащитными свойствами. При температуре и времени отжига ниже нижнего предлагаемого предела толщина получаемых интерметаллидных прослоек оказывается недостаточной, при этом прокатанные медные слои не полностью переходят в интерметаллидные, а это приводит к существенному снижению стойкости поверхности получаемого материала к изнашиванию в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку при этом качество материала не улучшается, но возникают неоправданно высокие затраты на его получение.It is proposed that the welded multilayer billet be annealed to form continuous intermetallic layers of copper and titanium at a temperature of 850-860 ° C for 20-30 hours, followed by cooling in air. In this case, the formation of continuous intermetallic layers of optimal thickness between copper and titanium layers, which have high hardness, wear resistance, resistance to brittle fracture under bending loads, and also high heat-shielding properties. At annealing temperature and time below the lower proposed limit, the thickness of the obtained intermetallic layers is insufficient, while the rolled copper layers do not completely transform into intermetallic layers, and this leads to a significant decrease in the resistance of the surface of the obtained material to wear in contact with gas flows containing abrasive substances. The temperature and annealing time above the upper proposed limit are excessive, since the quality of the material does not improve, but there are unreasonably high costs for its preparation.
Предлагаемый способ получения композиционного материала медь-титан осуществляется в следующей последовательности. Очищают от окислов и загрязнений слои из меди и титана, из которых составляют трехслойный пакет из чередующихся слоев меди и титана с симметричным расположением титановой пластины относительно медных. Соотношение толщин слоев медь-титан-медь в пакете составляет 1:(7,5-10):1 при толщине каждого слоя меди, равной 0,8-0,9 мм. Пластины в пакете размещают параллельно друг другу с одинаковыми сварочными зазорами. Располагают на поверхностях медных пластин защитные металлические прослойки, например из стали, с зарядами взрывчатого вещества, располагают полученную сборку вертикально на песчаном грунте и осуществляют сварку взрывом полученной сборки путем одновременного взрыва зарядов ВВ с помощью электродетонатора и двух отрезков детонирующих шнуров равной длины. Скорость детонации каждого заряда ВВ должна быть равна 2010-2580 м/с. Ее регулируют путем изменения состава и высоты зарядов ВВ. Высоту каждого заряда ВВ, материал и толщину защитных металлических прослоек, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скоростей соударения медных пластин с титановой пластиной в пределах 400-490 м/с. Затем осуществляют горячую прокатку сваренного трехслойного пакета с обжатием 80-90% при температуре 550-600°C. После этого производят разделку прокатанного пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых составляют многослойный пакет под сварку взрывом из расположенных параллельно друг другу со сварочными зазорами 3-8 трехслойных заготовок и медной пластины, устанавливают его на плоское основание, например из стали, размещенное на грунте. Располагают на поверхности верхней трехслойной заготовки защитную металлическую прослойку с зарядом ВВ и осуществляют сварку взрывом многослойного пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2090-2400 м/с, при этом высоту заряда ВВ, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скоростей соударения медных слоев в пределах 330-480 м/с. Затем, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки у каждой сваренной многослойной заготовки с краевыми эффектами, наносят на ее поверхность защитную обмазку, и осуществляют ее отжиг, например, в электропечи, для образования сплошных интерметаллидных слоев из меди и титана при температуре 850-860°C в течение 20-30 ч с последующим охлаждением на воздухе.The proposed method for producing a composite material of copper-titanium is carried out in the following sequence. The layers of copper and titanium are cleaned from oxides and impurities, of which a three-layer package of alternating layers of copper and titanium is formed with a symmetrical arrangement of the titanium plate relative to the copper. The ratio of the thicknesses of the layers of copper-titanium-copper in the package is 1: (7.5-10): 1 with a thickness of each layer of copper equal to 0.8-0.9 mm The plates in the bag are placed parallel to each other with the same welding gaps. Protective metal interlayers, for example, steel, with explosive charges are placed on the surfaces of copper plates, the resulting assembly is placed vertically on sandy soil, and explosion welding of the resulting assembly is carried out by simultaneously exploding explosive charges with an electric detonator and two pieces of detonating cords of equal length. The detonation velocity of each explosive charge should be equal to 2010-2580 m / s. It is regulated by changing the composition and height of explosive charges. The height of each explosive charge, the material and the thickness of the protective metal interlayers, as well as the welding gaps between the layers to be welded, are selected by computer technology from the conditions for obtaining the collision speeds of copper plates with a titanium plate in the range of 400-490 m / s. Then, hot rolling of the welded three-layer package is carried out with a compression of 80-90% at a temperature of 550-600 ° C. After that, the rolled package is cut into three-layer measured billets, of which a multi-layer package for explosion welding is made up of 3-8 three-layer billets and a copper plate located parallel to each other with welding gaps, and it is mounted on a flat base, for example, steel, placed on the ground. A protective metal layer with an explosive charge is placed on the surface of the upper three-layer workpiece and explosion welding of a multilayer packet is carried out at a detonation speed of an explosive charge of 2090-2400 m / s, while the explosive charge height, material and thickness of the protective metal layer, as well as welding gaps between the welded layers are selected using computer technology from the conditions for obtaining the collision speeds of copper layers in the range of 330-480 m / s. Then, for example, on the milling machine, the side edges of each welded multilayer workpiece with edge effects are cut, a protective coating is applied to its surface, and it is annealed, for example, in an electric furnace, to form continuous intermetallic layers of copper and titanium at a temperature of 850-860 ° C for 20-30 hours, followed by cooling in air.
В результате получают композиционный материал медь-титан с пониженной скоростью изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с повышенной величиной допускаемого износа, с повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, с высоким термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек интерметаллидных и титановых слоев и с низким термическим сопротивлением одного из металлических слоев с другой стороны предлагаемого материала. Перед операцией отжига возможно его формоизменение, например, методом горячей штамповки.The result is a copper-titanium composite material with a reduced wear rate under conditions of long-term operation in contact with gas streams containing abrasive substances, with an increased value of allowable wear, with increased resistance of intermetallic layers to brittle fracture under bending loads, with high thermal resistance in the direction heat transfer across the intermetallic and titanium layers and with low thermal resistance of one of the metal layers on the other hand is proposed of material. Before the annealing operation, its shaping is possible, for example, by hot stamping.
Сущность способа поясняется примерами. Все примеры, в том числе и пример по прототипу, сведены в таблице с указанием основных технологических режимов получения композиционного материала медь-титан, состава и толщин свариваемых материалов, а также свойств полученного продукта.The essence of the method is illustrated by examples. All examples, including the example of the prototype, are summarized in a table indicating the main technological modes for producing a copper-titanium composite material, the composition and thickness of the materials being welded, as well as the properties of the resulting product.
Пример 1 (см. таблицу, опыт 1).Example 1 (see table, experiment 1).
Очищают от окислов и загрязнений слои из меди и титана, из которых составляют трехслойный пакет под сварку взрывом из чередующихся слоев меди марки M1 и титана марки ВТ1-00 с симметричным расположением титановой пластины относительно медных. Слои в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии одинаковых сварочных зазоров. Размеры медных слоев: длина 270 мм, ширина 220 мм, толщина δCu=0,9 мм. У титанового слоя длина и ширина такие же, как у медных, но толщина δTi=9 мм. При этом соотношение толщин слоев медь-титан-медь δCu:δTi:δCu=1:10:1.Layers of copper and titanium are cleaned from oxides and contaminants, of which they make up a three-layer package for explosion welding from alternating layers of copper of grade M1 and titanium of grade VT1-00 with a symmetrical arrangement of the titanium plate relative to the copper. The layers in the package are arranged parallel to each other at a distance of the same welding gaps. The dimensions of the copper layers: length 270 mm, width 220 mm, thickness δ Cu = 0.9 mm. The length and width of the titanium layer are the same as those of copper, but the thickness is δ Ti = 9 mm. The ratio of the thicknesses of the layers of copper-titanium-copper δ Cu : δ Ti : δ Cu = 1: 10: 1.
При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h между пластиной из титана и медными слоями. Для сварки взрывом пакета выбираем ВВ из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации Dвв=2010 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 каждого заряда ВВ Нвв=30 мм, длиной 280 мм, шириной 230 мм. Размещают на поверхностях медных пластин защитные металлические прослойки, например из стали Ст3, длиной 280 мм, шириной 230 мм, толщиной 1 мм, с зарядами взрывчатого вещества, располагают полученную сборку вертикально на песчаном грунте и осуществляют сварку взрывом полученной сборки путем одновременного взрыва зарядов ВВ с помощью электродетонатора и двух отрезков детонирующих шнуров равной длины. Для получения скорости соударения медных слоев с титановым в пределах предлагаемого диапазона при выбранных параметрах зарядов ВВ величина сварочных зазоров h=2 мм, что обеспечивает скорость соударения V=400 м/с.When assembling the package, the value of the required welding gaps h between the titanium plate and the copper layers is determined using computer technology in advance. For explosion welding explosive package select from the recommended range, with the speed of detonation D = 2010 cc m / s. Such a speed is provided by an explosive, which is a mixture of 33% powdered ammonite 6GV and 67% ammonium nitrate. Explosive placed in containers ensuring the height of each explosive charge cc H = 30 mm, 280 mm long, 230 mm wide. Protective metal interlayers are placed on the surfaces of copper plates, for example, of St3 steel, 280 mm long, 230 mm wide, 1 mm thick, with explosive charges, the assembly obtained is placed vertically on sandy ground, and explosion welding of the assembly obtained is carried out by simultaneously exploding explosive charges with using an electric detonator and two pieces of detonating cords of equal length. To obtain the collision speed of copper with titanium layers within the proposed range for the selected explosive charge parameters, the welding gaps are h = 2 mm, which ensures a collision speed of V = 400 m / s.
После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами, например, на фрезерном станке, сваренные трехслойные заготовки длиной 250 мм, шириной 200 мм подвергают горячей прокатке с обжатием 90% при температуре 600°C с последующей разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 240 мм, шириной 190 мм, толщиной δзаг=1,3 мм. Толщина каждого медного слоя в такой заготовке δпр.м=0,12 мм, титанового слоя δпр.т=1,06 мм.After trimming the side edges with edge effects, for example, on a milling machine, welded three-layer workpieces with a length of 250 mm and a width of 200 mm are subjected to hot rolling with 90% compression at a temperature of 600 ° C, followed by cutting (cutting) into measuring workpieces with a length of 240 mm, width 190 mm, thickness δ zag = 1.3 mm. The thickness of each copper layer in such a blank is δ pr.m = 0.12 mm, of the titanium layer δ pr.m = 1.06 mm.
После очистки свариваемых поверхностей от окислов и загрязнений составляют многослойный пакет под сварку взрывом из расположенных параллельно друг другу со сварочными зазорами 8 трехслойных заготовок и медной пластины из меди марки M1. Длина и ширина медной пластины такие же, как у трехслойных заготовок, а толщина δм=12 мм. Устанавливают пакет на плоское основание длиной 240 мм, шириной 190 мм, толщиной 15 мм, например из древесно-стружечной плиты, размещенное на грунте. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h1-h8, где h1 - зазор между первой (верхней) и следующей за ней (второй) трехслойной заготовкой, h2 - между второй и третьей и т.д., а h8 - зазор между медной пластиной и расположенной над ней восьмой трехслойной заготовкой.After cleaning the surfaces to be welded of oxides and contaminants, they form a multilayer package for explosion welding from 8 three-layer workpieces and copper plates made of M1 brand copper located parallel to each other with welding gaps. The length and width of the copper plate are the same as for three-layer blanks, and the thickness is δ m = 12 mm. Install the package on a flat base with a length of 240 mm, a width of 190 mm, a thickness of 15 mm, for example from a chipboard, placed on the ground. When assembling the package previously, using computer technology, determine the required welding gaps h 1 -h 8 , where h 1 is the gap between the first (top) and the next (second) three-layer workpiece, h 2 is between the second and third and t .d., and h 8 is the gap between the copper plate and the eighth three-layer billet located above it.
Для сварки взрывом пакета выбираем ВВ из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации Dвв=2090 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнер с обеспечением высоты заряда ВВ Hвв=80 мм, длиной 260 мм, шириной 210 мм и располагают его на поверхности защитной металлической прослойки из стали Ст3 длиной 260 мм, шириной 210 мм, толщиной 1 мм, предварительно установленной на поверхности многослойного пакета. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h1=0,8 мм, h2=l мм, h3=1,1 мм, h4=l,3 мм, h5=l,5 мм, h6=l,8 мм, h7=2,4 мм, h8=0,8 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах многослойного пакета: V1=390 м/с, V2=375 м/с, V3=365 м/с, V4=360 м/с, V5=360 м/с, V6=355 м/с, V7=355 м/с, V8=330 м/с, где V1 - скорость соударения первой (верхней) со следующей за ней (второй) трехслойной заготовкой, V2 - второй с третьей и т.д., a V8 - скорость соударения восьмой трехслойной заготовки с расположенной под ней медной пластиной. Инициирование процесса детонации в заряде ВВ осуществляют с помощью электродетонатора.For explosion welding explosive package select from the recommended range, with the speed of detonation D = 2090 cc m / s. This speed is provided by explosives, which is a mixture of 20% powdered ammonite 6GV and 80% ammonium nitrate. The explosive substance placed in a container with provision height explosive charge H cc = 80 mm, 260 mm long, 210 mm wide and have it on the surface of the protective metal layer of steel St3 260 mm, width 210 mm, thickness 1 mm, pre-installed on the surface multilayer package. To obtain the collision speeds between the metal layers in the package within the proposed range, with the selected parameters of explosive charges, the values of the welding clearances are: h 1 = 0.8 mm, h 2 = l mm, h 3 = 1.1 mm, h 4 = l, 3 mm, h 5 = l, 5 mm, h 6 = l, 8 mm, h 7 = 2.4 mm, h 8 = 0.8 mm, which ensures the speed of collision of the layers during explosion welding at the corresponding interlayer boundaries multilayer package: V 1 = 390 m / s, V 2 = 375 m / s, V 3 = 365 m / s, V 4 = 360 m / s, V 5 = 360 m / s, V 6 = 355 m / s , V 7 = 355 m / s, V 8 = 330 m / s, where V 1 - collision speed of the first (upper) with the next (second) three-layer workpiece, V 2 - the second with the third, etc., a V 8 - the speed of impact of the eighth three-layer billet with a copper plate located under it. The initiation of the detonation process in the explosive charge is carried out using an electric detonator.
После правки сваренного многослойного пакета на гидравлическом прессе и обрезки боковых кромок с краевыми эффектами на его боковые поверхности наносят удаляемую технологическую обмазку для защиты от воздействия воздушной атмосферы, например смесь жидкого стекла с оксидом хрома, устанавливают многослойный пакет в электропечи и производят отжиг при температуре 850°C в течение 30 ч для формирования между слоями из меди и титана сплошных интерметаллидных слоев, после чего полученный композиционный материал медь-титан охлаждают на воздухе.After editing the welded multilayer bag on a hydraulic press and cutting the side edges with edge effects, a removable technological coating is applied to its side surfaces to protect it from the atmosphere, for example, a mixture of liquid glass with chromium oxide, a multilayer bag is installed in an electric furnace and annealed at a temperature of 850 ° C for 30 hours to form continuous intermetallic layers between copper and titanium layers, after which the resulting copper-titanium composite material is cooled in air.
В результате получают композиционный материал медь-титан длиной 220 мм, шириной 170 мм, толщиной δкм=22,4 мм, содержащий 8 слоев из титана ВТ1-00 толщиной по δт.км=0,64 мм, 9 сплошных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них δинт=0,33 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медного слоя толщиной δм.км=12 мм. Материал обладает в сравнении с прототипом в 4-5 раз меньшей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества (в условиях близких к пескоструйному воздействию), его допускаемый износ равен 7 мм, что в 35-70 раз больше, чем у материала по прототипу, у которого допускаемый износ не превышает 0,1-0,2 мм. Предлагаемый материал сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 8 интерметаллидных и 7 титановых слоев, обладает повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении Rсл=80·10-5 К/(Вт/м2), у медного слоя термическое сопротивление Rм=3,24·10-5 К/(Вт/м2), Rсл/Rм=24,7, то есть медный слой обладает в 24,7 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои, что способствует высокоэффективной теплопередаче в нем как в поперечном, так и в продольном направлении, а в материале по прототипу отсутствуют слои с низким термическим сопротивлением.The result is a copper-titanium composite material with a length of 220 mm, a width of 170 mm, a thickness of δ km = 22.4 mm, containing 8 layers of VT1-00 titanium with a thickness of δ t.km = 0.64 mm, 9 continuous intermetallic layers with the thickness of each of them δ int = 0.33 mm, one of which is located on the outer surface, and a copper layer with a thickness of δ m km = 12 mm. Compared with the prototype, the material has a 4-5 times lower wear rate in contact with gas streams containing abrasive substances (in conditions close to sandblasting), its allowable wear is 7 mm, which is 35-70 times more than that of the material according to the prototype, in which the allowable wear does not exceed 0.1-0.2 mm. The proposed material retains its performance even with the full wear of 8 intermetallic and 7 titanium layers, has an increased resistance of intermetallic layers to brittle fracture under bending loads. Thermal resistance of intermetallic and titanium layers during heat transfer in the transverse direction R sl = 80 · 10 -5 K / (W / m 2 ), the copper layer thermal resistance R m = 3,24 · 10 -5 K / (W / m 2 ), R sl / R m = 24.7, that is, the copper layer has 24.7 times lower thermal resistance than the intermetallic and titanium layers, which contributes to highly efficient heat transfer in it both in the transverse and longitudinal directions, and in material on the prototype there are no layers with low thermal resistance.
Пример 2 (см. таблицу, опыт 2).Example 2 (see table, experiment 2).
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.The same as in example 1, but the following changes.
Толщина медных слоев в трехслойном пакете δCu=0,85 мм, у титанового слоя δTi=7,8 мм, соотношение толщин слоев медь-титан-медь δCu:δTi:δCu=1:9,2:1. Для сварки взрывом трехслойного пакета использовали ВВ со скоростью детонации Dвв=2240 м/с.Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 50% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. Высота каждого заряда ВВ Hвв=20 мм, при выбранных параметрах зарядов ВВ величина сварочных зазоров h=5 мм, что обеспечивает скорость соударения V=440 м/с.The thickness of the copper layers in the three-layer package δ Cu = 0.85 mm, the titanium layer δ Ti = 7.8 mm, the ratio of the thicknesses of the layers copper-titanium-copper δ Cu : δ Ti : δ Cu = 1: 9.2: 1. For the explosive welding used a three-layer package with explosive detonation velocity cc D = 2240 m / s.Takuyu speed provides an explosive substance which is a mixture of 50% powdered ammonite 6GV and 50% ammonium nitrate. The height of each explosive charge H cc = 20 mm, with the selected explosive charge parameters, the welding gaps are h = 5 mm, which ensures a collision speed of V = 440 m / s.
Горячую прокатку сваренной трехслойной заготовки производят с обжатием 85% при температуре 570°C с последующей разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 230 мм, шириной 190 мм, толщиной δзаг=1,4 мм. Толщина каждого медного слоя в такой заготовке δпр.м=0,11 мм, титанового слоя δпр.т=1,18 мм.Hot rolling of a welded three-layer billet is performed with a compression of 85% at a temperature of 570 ° C, followed by cutting (cutting) into measured billets 230 mm long, 190 mm wide, δ zag = 1.4 mm thick. The thickness of each copper layer in such a blank is δ pr.m = 0.11 mm, of the titanium layer δ pr.m = 1.18 mm.
Многослойный пакет под сварку взрывом составляют из 5 трехслойных заготовок и медной пластины толщиной δм=10 мм. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h1-h5, где h1-h4 - то же, что в примере 1, а h5 - зазор между медной пластиной и расположенной над ней пятой трехслойной заготовкой.A multilayer package for explosion welding consists of 5 three-layer blanks and a copper plate with a thickness of δ m = 10 mm. When assembling the package previously, using computer technology, determine the required welding gaps h 1 -h 5 , where h 1 -h 4 is the same as in example 1, and h 5 is the gap between the copper plate and the fifth three-layer located above it harvesting.
Для сварки взрывом многослойного пакета использовали ВВ со скоростью детонации Dвв=2190 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, представляющее собой смесь из 25% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры. Hвв=60 мм. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h1=1,1 мм, h2=1 мм, h3=2,3 мм, h4=3 мм, h5=1 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах многослойного пакета: V1=435 м/с, V2=420 м/с, V3=410 м/с, V4=400 м/с, V5=355 м/с, где V1-V4 - то же, что в примере 1, a V5 - скорость соударения пятой трехслойной заготовки с расположенной под ней медной пластиной.For explosion welding the multilayer stack used with a detonation velocity explosive cc D = 2190 m / s. This speed is provided by explosives, which is a mixture of 25% powdered ammonite 6GV and 75% ammonium nitrate. H cc = 60 mm. To obtain the collision speeds of the metal layers in the package within the proposed range, with the selected explosive charge parameters, the values of the welding clearances are: h 1 = 1.1 mm, h 2 = 1 mm, h 3 = 2.3 mm, h 4 = 3 mm, h 5 = 1 mm, which ensures the speed of collision of the layers during explosion welding at the corresponding interlayer boundaries of the multilayer package: V 1 = 435 m / s, V 2 = 420 m / s, V 3 = 410 m / s, V 4 = 400 m / s, V 5 = 355 m / s, where V 1 -V 4 is the same as in example 1, and V 5 is the collision speed of the fifth three-layer billet with a copper plate located under it.
Отжиг сваренной многослойной заготовки производят при температуре 855°C в течение 25 ч. Результаты получения композиционного материала медь-титан те же, что в примере 1, но его длина 210 мм, ширина 170 мм, толщина δкм=17 мм. Материал содержит 5 слоев из титана ВТ1-00 толщиной по δт.км=0,79 мм, 6 сплошных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них δинт=0,26 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медный слой в толщиной δм.км=10 мм. Его допускаемый износ равен 5,5 мм, что в 25-55 раз больше, чем у материала по прототипу. Предлагаемый материал сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 5 интерметаллидных и 4 титановых слоев. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении Rсл=49,5·10-5 К/(Вт/м2), у медного слоя термическое сопротивление Rм=2,7·10-5 К/(Вт/м2), Rсл/Rм=18,7, то есть медный слой обладает в 18,7 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои.The welded multilayer billet is annealed at a temperature of 855 ° C for 25 hours. The results of obtaining a copper-titanium composite material are the same as in example 1, but its length is 210 mm, width 170 mm, thickness δ km = 17 mm. The material contains 5 layers of VT1-00 titanium with a thickness of δ t.km = 0.79 mm, 6 continuous intermetallic layers with a thickness of each of them δ int = 0.26 mm, one of which is located on the outer surface, and a copper layer in thickness δ m.km = 10 mm. Its allowable wear is 5.5 mm, which is 25-55 times more than that of the material of the prototype. The proposed material remains operational even with the complete wear of 5 intermetallic and 4 titanium layers. The thermal resistance of the intermetallic and titanium layers during heat transfer in the transverse direction R SL = 49.5 · 10 -5 K / (W / m 2 ), the thermal resistance of the copper layer R m = 2.7 · 10 -5 K / (W / m 2 ), R SL / R m = 18.7, that is, the copper layer has 18.7 times lower thermal resistance than the intermetallic and titanium layers.
Пример 3 (см. таблицу, опыт 3).Example 3 (see table, experiment 3).
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.The same as in example 1, but the following changes.
Толщина медных слоев в трехслойном пакете δCu=0,8 мм, у титанового слоя δTi=6 мм, соотношение толщин слоев медь-титан-медь δCu:δTi:δCu=1:7,5:1. Для сварки взрывом трехслойного пакета использовали ВВ со скоростью детонации Dвв=2580 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 75% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 25% аммиачной селитры. Высота каждого заряда ВВ Hвв=20 мм. При выбранных параметрах зарядов ВВ величина сварочных зазоров h=5 мм, что обеспечивает скорость соударения V=490 м/с.The thickness of the copper layers in a three-layer package δ Cu = 0.8 mm, the titanium layer δ Ti = 6 mm, the ratio of the thicknesses of the layers copper-titanium-copper δ Cu : δ Ti : δ Cu = 1: 7.5: 1. For the explosive welding used a three-layer package with explosive detonation velocity cc D = 2580 m / s. This speed is provided by an explosive, which is a mixture of 75% powdered ammonite 6GV and 25% ammonium nitrate. The height of each explosive charge is H cc = 20 mm. With the chosen parameters of explosive charges, the value of welding gaps h = 5 mm, which ensures a collision speed of V = 490 m / s.
Горячую прокатку сваренной трехслойной производят с обжатием 80% при температуре 550°C с последующей разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 240 мм, шириной 190 мм, толщиной δзаг=1,5 мм. Толщина каждого медного слоя в такой заготовке δпр.м=0,1 мм, титанового слоя δпр.т=1,3 мм.Hot rolling of the welded three-layer is carried out with a compression of 80% at a temperature of 550 ° C, followed by cutting (cutting) into measured billets 240 mm long, 190 mm wide, δ zag thickness = 1.5 mm. The thickness of each copper layer in such a workpiece is δ pr.m = 0.1 mm, and the titanium layer is δ pr.m = 1.3 mm.
Многослойный пакет под сварку взрывом составляют из 3 трехслойных заготовок и медной пластины толщиной δм=8 мм. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h1-h3, где h1-h2 - то же, что в примере 1, а h3 - зазор между медной пластиной и расположенной над ней третьей трехслойной заготовкой.A multilayer package for explosion welding consists of 3 three-layer blanks and a copper plate with a thickness of δ m = 8 mm. When assembling the package previously, using computer technology, determine the required welding gaps h 1 -h 3 , where h 1 -h 2 is the same as in example 1, and h 3 is the gap between the copper plate and the third three-layer located above it harvesting.
Для сварки взрывом многослойного пакета использовали ВВ со скоростью детонации Dвв=2400 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Hвв=50 мм. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в пакете в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h1=1,3 мм, h2=3 мм, h3=0,8 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах многослойного пакета: V1=480 м/с, V2=470 м/с, V3=380 м/с, где V1-V2 - то же, что в примере 1, a V3 - скорость соударения третьей трехслойной заготовки с расположенной под ней медной пластиной.For explosion welding the multilayer stack used with a detonation velocity explosive cc D = 2400 m / s. This speed is provided by explosives, which is a mixture of 33% powdered ammonite 6GV and 67% ammonium nitrate. H cc = 50 mm. To obtain the collision speeds of the metal layers in the package within the proposed range, with the selected explosive charge parameters, the values of the welding clearances are: h 1 = 1.3 mm, h 2 = 3 mm, h 3 = 0.8 mm, which ensures the speed of collision of the layers during explosion welding at the corresponding interlayer boundaries of the multilayer package: V 1 = 480 m / s, V 2 = 470 m / s, V 3 = 380 m / s, where V 1 -V 2 is the same as in the example 1, a V 3 - collision speed of the third three-layer billet with a copper plate located under it.
Отжиг сваренной многослойной заготовки производят при температуре 860°C в течение 20 ч. Результаты получения композиционного материала медь-титан те же, что в примере 1, но его толщина δкм=12,5 мм. Материал содержит 3 слоя из титана ВТ1-00 толщиной по δт.км=1,08 мм, 4 сплошных интерметаллидных слоя с толщиной каждого из них δинт=0,21 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медный слой толщиной δм.км=8 мм. Его допускаемый износ равен 3 мм, что в 15-30 раз больше, чем у материала по прототипу. Предлагаемый материал сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 3 интерметаллидных и 2 титановых слоев. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении Rсл=33,3·10-5 К/(Вт/м2), у медного слоя термическое сопротивление Rм=2,16·10-5 К/(Вт/м2), Rсл/Rм=15,4, то есть медный слой обладает в 15,4 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои.The welded multilayer billet is annealed at a temperature of 860 ° C for 20 hours. The results of obtaining a copper-titanium composite material are the same as in example 1, but its thickness is δ km = 12.5 mm. The material contains 3 layers of titanium VT1-00 with a thickness of δ t.km = 1.08 mm, 4 continuous intermetallic layers with a thickness of each of them δ int = 0.21 mm, one of which is located on the outer surface, and a copper layer with a thickness of δ m.km = 8 mm. Its allowable wear is 3 mm, which is 15-30 times more than that of the material according to the prototype. The proposed material remains operational even with the complete wear of 3 intermetallic and 2 titanium layers. Thermal resistance of titanium and intermetallic layers during heat transfer in the transverse direction R cl = 33.3 × 10 -5 K / (W / m 2), in the copper layer thermal resistance R m = 2.16 · 10 -5 K / (W / m 2 ), R SL / R m = 15.4, that is, the copper layer has 15.4 times lower thermal resistance than the intermetallic and titanium layers.
Композиционный материал, полученный по прототипу (см. таблицу, пример 4), в сравнении с материалом по предлагаемому способу обладает в 4-5 раз большей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, его допускаемый износ не превышает 0,1-0,2 мм, что в 15-70 раз меньше, чем у материала по предлагаемому способу, кроме того, этот материал обладает пониженной стойкостью интерметаллидного слоя к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках и в нем не содержится ни одного металлического слоя, обладающего высокой теплопроводностью, что ограничивает возможные области его применения в теплообменной аппаратуре, где требуется сочетание таких свойств, как малая скорость изнашивания, высокая стойкость к хрупкому разрушению, высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи с одной стороны материала и низкое с другой, а также необходимая для длительной эксплуатации изделий большая величина допускаемого износа его поверхностных слоев.Composite material obtained according to the prototype (see table, example 4), in comparison with the material according to the proposed method has a 4-5 times higher wear rate in contact with gas streams containing abrasive substances, its allowable wear does not exceed 0.1- 0.2 mm, which is 15-70 times less than that of the material according to the proposed method, in addition, this material has a reduced resistance of the intermetallic layer to brittle fracture under bending loads and it does not contain a single metal layer having high heat conductivity, which limits the possible areas of its application in heat exchange equipment, where a combination of properties such as low wear rate, high resistance to brittle fracture, high thermal resistance in the direction of heat transfer on one side of the material and low on the other, as well as necessary for long-term operation, is required products a large amount of allowable wear of its surface layers.
РФ 2370350Prototype Patent
RF 2370350
τ=25 ч.t = 855 ° C,
τ = 25 h.
τ=20 ч.t = 860 ° C,
τ = 20 h.
Патент
РФ 2370350Prototype-
Patent
RF 2370350
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013135436/02A RU2533508C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Method of making composite copper-titanium material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013135436/02A RU2533508C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Method of making composite copper-titanium material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2533508C1 true RU2533508C1 (en) | 2014-11-20 |
Family
ID=53382734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013135436/02A RU2533508C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Method of making composite copper-titanium material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2533508C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2659557C2 (en) * | 2016-04-14 | 2018-07-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГиЛ СО РАН) | Explosion welding method for the composition from low-plastic materials |
| RU2700441C1 (en) * | 2018-12-10 | 2019-09-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Method of producing copper-nickel coating on surfaces of titanium plate |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3528494A1 (en) * | 1985-08-08 | 1987-02-12 | Hampel Heinrich | Method for the production of multi-layer metal bodies from explosively plated metal plate |
| RU2202456C1 (en) * | 2001-08-27 | 2003-04-20 | Волгоградский государственный технический университет | Method for applying wear resistant coating on surfaces of steel parts |
| RU2370350C1 (en) * | 2008-03-26 | 2009-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Method of producing composite titanium-aluminium material |
| RU2407640C2 (en) * | 2008-07-29 | 2010-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Федерального агентства по образованию Пензенский государственный университет | Method of producing composite material |
| RU2421312C2 (en) * | 2009-09-16 | 2011-06-20 | Закрытое Акционерное Общество "Завод Нестандартного Оборудования" | Method of producing clad metal sheet |
-
2013
- 2013-07-26 RU RU2013135436/02A patent/RU2533508C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3528494A1 (en) * | 1985-08-08 | 1987-02-12 | Hampel Heinrich | Method for the production of multi-layer metal bodies from explosively plated metal plate |
| RU2202456C1 (en) * | 2001-08-27 | 2003-04-20 | Волгоградский государственный технический университет | Method for applying wear resistant coating on surfaces of steel parts |
| RU2370350C1 (en) * | 2008-03-26 | 2009-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Method of producing composite titanium-aluminium material |
| RU2407640C2 (en) * | 2008-07-29 | 2010-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Федерального агентства по образованию Пензенский государственный университет | Method of producing composite material |
| RU2421312C2 (en) * | 2009-09-16 | 2011-06-20 | Закрытое Акционерное Общество "Завод Нестандартного Оборудования" | Method of producing clad metal sheet |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2659557C2 (en) * | 2016-04-14 | 2018-07-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГиЛ СО РАН) | Explosion welding method for the composition from low-plastic materials |
| RU2700441C1 (en) * | 2018-12-10 | 2019-09-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Method of producing copper-nickel coating on surfaces of titanium plate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2486999C1 (en) | Method of producing coating | |
| CN105478475B (en) | A kind of method of rolling high-strength degree composite metal plate | |
| CN100512987C (en) | Method for manufacturing two-layer surface composite steel | |
| RU2649929C1 (en) | Method of heat-resistant intermetallide coating producing on the surface of the low-carbon steel plate | |
| RU2533508C1 (en) | Method of making composite copper-titanium material | |
| CN103878536A (en) | Production method for layered wearproof lightweight steel-aluminum composite boards | |
| RU2679814C1 (en) | Method for obtaining wear-resistant coatings on surfaces of copper and magnesium alloy plates | |
| RU2350442C2 (en) | Method of wear-resistant coating receiving | |
| RU2399471C1 (en) | Method for production of composite aluminium-nickel articles with inner cavity by means of explosion welding | |
| RU2463140C1 (en) | Method of producing titanium-aluminium composite material | |
| RU2293004C1 (en) | Titanium-steel composition material producing method | |
| RU2370350C1 (en) | Method of producing composite titanium-aluminium material | |
| RU2486043C1 (en) | Method of producing composite articles with inner cavities by explosion welding | |
| RU2488469C1 (en) | Method of producing composite articles with inner cavities by explosion welding | |
| CN109263179B (en) | Impact-resistant aluminum alloy composite plate and preparation method thereof | |
| RU2463141C1 (en) | Method of producing titanium-steel composite material | |
| RU2700441C1 (en) | Method of producing copper-nickel coating on surfaces of titanium plate | |
| RU2463139C1 (en) | Method of producing titanium-steel composite material | |
| RU2688792C1 (en) | Method of producing wear-resistant coatings on surfaces of titanium plate | |
| RU2560897C1 (en) | Method of making composite copper-titanium material | |
| RU2649922C1 (en) | Method of producing heat-resistant intermetallide coating on the surface of the plate | |
| RU2391191C1 (en) | Method of producing wear-resistant coatings | |
| RU2701699C1 (en) | Method of obtaining wear-resistant coatings on surfaces of plates from aluminum alloy and copper | |
| RU2649920C1 (en) | Method of heat-resistant intermetallide coating producing on the surface of the low-carbon steel plate | |
| RU2711284C1 (en) | Method of obtaining wear-resistant coatings on surfaces of plates from copper and aluminum alloy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150727 |