Способ получения композиционного материала титан-алюминий

Изобретение может быть использовано для получения композиционного материала с особыми тепловыми свойствами с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ), в частности, при изготовлении теплообменной аппаратуры, теплозащитных экранов и т.п. Составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами титана алюминиевой пластины с соотношением толщин слоев 1:(0,6-0,8):1 при толщине слоя алюминия 0,8-1,2 мм. Осуществляют сварку взрывом при скорости детонации ВВ 1680-2950 м/с. Выбирают сварочные зазоры между пластинами пакета и отношение удельной массы заряда ВВ к удельной массе верхней титановой пластины 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. После горячей прокатки сваренного трехслойного пакета при температуре 550-580°С проводят обжатие до заданной толщины алюминиевого слоя. Отжигают заготовку 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. Композиционный материал титан-алюминий обладает высоким термическим сопротивлением как поперек, так и вдоль слоев при малых временных затратах на формирование единицы толщины интерметаллидной прослойки. 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии получения композиционных материалов с особыми тепловыми свойствами с помощью энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при изготовлении теплообменной аппаратуры, теплозащитных экранов и т.п.

Известен способ изготовления теплообменных композиционных элементов, в том числе с использованием титана и алюминия, при котором производят сборку пакета из свариваемых пластин и их сварку взрывом, затем полученные двух- и трехслойные заготовки прокатывают до требуемой величины, при необходимости прокатанные листы подвергают формоизменению методом листовой штамповки, вытяжки, гибки и т.п. для получения теплозащитных элементов заданной формы. После этого производят высокотемпературный нагрев для образования в зонах соединения разнородных металлов промежуточных диффузионных прослоек в виде сложных химических соединений, в основном интерметаллидов, обладающих неметаллическими свойствами и низкой теплопроводностью (Трыков Ю.П., Писарев С.П. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий./Сварочное производство. 1998, №6, с.34-35).

Недостатком данного способа является малое термическое сопротивление композиционного материала при направлении теплопередачи поперек слоев из-за малой суммарной толщины интерметаллидных прослоек, а также высокая теплопроводность композита при направлении теплопередачи вдоль слоев, что во многих теплообменных устройствах является нежелательным, а это ограничивает технологические области применения данного способа.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционного материала алюминий-титан в виде пластин с повышенными теплоизоляционными свойствами, при котором составляют пакет из слоев алюминия и титана, размещают над ним заряд взрывчатого вещества, осуществляют сварку взрывом при отношении удельной массы заряда взрывчатого вещества к удельной массе алюминиевого слоя, равном 1,11-5,0. При этом используют заряд взрывчатого вещества 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 0,5-2 часов с формированием при этом сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки с последующим обжатием пакета стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя и одновременной его кристаллизацией (Патент РФ №2255849, МПК 7 В23К 20/08, В32В 15/01, опубл. в БИ №19 10.07.05).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено наличием в его технологической схеме операции обжатия пакета стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя, что приводит к увеличению доли алюминия, идущей в отходы. Кроме того, при получении композиционного материала данным способом на стадии высокотемпературного отжига требуется затрачивать много времени на единицу толщины формируемой теплозащитной интерметаллидной прослойки. Толщина получаемой интерметаллидной прослойки по данному способу не превышает 26-30 мкм, что при изготовлении ряда изделий из этого композиционного материала не обеспечивает достаточно высокого термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев. Теплопроводность композиционного материала вдоль слоев высокая благодаря наличию в составе композита алюминиевого слоя, что в ряде теплообменных устройств является крайне нежелательным. Все это снижает эффективность использования данного способа получения композиционного материала алюминий-титан в теплообменной аппаратуре, особенно в тонкостенных изделиях, где требуется пониженный теплообмен как в поперечном, так и в продольном направлении.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционного материала титан-алюминий с повышенным термическим сопротивлением теплозащитной интерметаллидной прослойки, сокращение времени формирования единицы толщины этой прослойки со снижением при этом теплопроводности материала вдоль его слоев на базе нового технологического цикла осуществления сварки взрывом титана с алюминием с последующей горячей прокаткой с регламентированным обжатием алюминиевого слоя с повышением эффективности высокотемпературного отжига полученной заготовки при температуре, превышающей температуру плавления алюминия, что создает новые технологические условия для образования теплозащитной интерметаллидной прослойки оптимальной толщины между титановыми слоями с полным переходом алюминия в состав интерметаллидной прослойки, что будет способствовать снижению теплопроводности полученного композита как поперек, так и вдоль слоев, а это весьма существенно повышает эффективность изделий из предлагаемого композиционного материала в теплообменной аппаратуре специального назначения.

Техническим результатом заявленного способа является создание нового технологического цикла получения композиционного материала титан-алюминий на основе оптимального выбора параметров процесса сварки взрывом с последующей горячей прокаткой сваренной трехслойной заготовки с регламентированным обжатием и последующим высокотемпературным отжигом при температуре, превышающей температуру плавления алюминия в течение промежутка времени, обеспечивающего за короткое время отжига превращение всего жидкого слоя алюминия в твердую интерметаллидную прослойку значительной толщины, обладающую низкой теплопроводностью и в сравнении с прототипом в 20-44,6 раз более высоким термическим сопротивлением, при этом по сравнению с прототипом в 6,4-32,9 раза сокращается время отжига, затрачиваемое на формирование каждого микрометра толщины интерметаллидной прослойки. Кроме того, полное превращение жидкой прослойки алюминия в твердую интерметаллидную фазу приводит к существенному снижению теплопроводности композиционного материала вдоль слоев.

Указанный технический результат достигается тем, что заявлен способ получения композиционного материала титан-алюминий, включающий составление пакета из слоев титана и алюминия, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом и отжиг сваренной заготовки путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия. При реализации способа составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами титана алюминиевой пластины с соотношением толщин слоев 1:(0,6-0,8) при толщине слоя алюминия 0,8-1,2 мм, располагают на поверхности пакета заряд взрывчатого вещества и осуществляют сварку взрывом при скорости детонации взрывчатого вещества 1680-2950 м/с, при этом сварочные зазоры между пластинами пакета и отношение удельной массы (произведение толщины на плотность) заряда взрывчатого вещества к удельной массе верхней титановой пластины выбирают такими, чтобы скорость соударения верхней титановой пластины с алюминиевой была 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 раз, в течение 1,5-3 часов до полного исчезновения жидкой фазы с формированием при этом твердой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки по всей толщине алюминиевого слоя и на части толщины титановых слоев с последующим охлаждением на воздухе.

В таких условиях воздействия на свариваемую заготовку высоких давлений и температур происходит надежная высококачественная сварка взрывом титановых слоев с находящейся между ними алюминиевой прослойкой. При горячей прокатке сваренной трехслойной заготовки добиваются требуемой толщины алюминиевой прослойки, которая при последующем отжиге при температуре, значительно превышающей температуру плавления алюминия, за счет взаимной диффузии титана и алюминия полностью превращается в интерметаллид, обладающий повышенными теплозащитными свойствами, при этом полученный материал обладает низкой теплопроводностью вдоль слоев за счет того, что титановые слои, хотя и сохраняют свою теплопроводность на прежнем уровне, но она невелика: в 21,45 раза ниже, чем у алюминия, который в чистом виде в полученном композиционном материале не присутствует. Многократное сокращение времени отжига в расчете на единицу толщины образующейся интерметаллидной прослойки обеспечивается тем, что диффузия титана в алюминиевый слой происходит ускоренно за счет оптимального выбора температурно-временных режимов отжига и не с одной стороны, как по прототипу, а от двух примыкающих к нему титановых слоев. Все это позволяет использовать новую технологию получения композиционного материала титан-алюминий в промышленных целях для изготовления теплообменной аппаратуры специального назначения, теплозащитных экранов и т.п.

Предлагаемый способ получения композиционного материала титан-алюминий имеет существенные отличия в сравнении с прототипом как по внутреннему строению полученного материала и его теплофизическим характеристикам, так и по совокупности технологических приемов воздействия на свариваемый пакет и режимов осуществления способа. Так, предложено составлять трехслойный пакет с размещением между пластинами титана алюминиевой пластины с соотношением толщин слоев 1:(0,6-0,8) при толщине слоя алюминия 0,8-1,2 мм. При толщине слоя алюминия менее 0,8 мм из-за его низкой механической прочности на изгиб затруднено обеспечение постоянных сварочных зазоров между свариваемыми пластинами, а это может привести к снижению качества сварки титана с алюминием. Толщина слоя алюминия выше предлагаемого предела является избыточной, поскольку в этом случае потребуется большая величина обжатия при прокатке сваренной взрывом заготовки и неоправданно большое количество алюминия уйдет в отходы. Соотношение толщин слоев титана и алюминия 1:(0,6-0,8) является оптимальным, поскольку создает необходимые благоприятные условия для качественной сварки взрывом металлических слоев при минимальном расходе дорогостоящего титана в расчете на одно изделие. При величине этого отношения ниже нижнего предела толщина титановых слоев оказывается недостаточной, у них возможны неконтролируемые деформации при сварке взрывом, что ухудшает качество получаемых изделий. Величина отношения толщин слоев титана и алюминия выше верхнего предлагаемого предела является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно высокой объемной доли титановых слоев в объеме композита, что способствует нежелательному увеличению теплопередачи вдоль слоев в получаемом материале.

Предложено располагать на поверхности пакета заряд взрывчатого вещества и осуществлять сварку взрывом 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 предложено выбирать такими, чтобы скорость соударения верхней титановой пластины с алюминиевой была в пределах 560-770 м/с, а алюминиевой пластины с нижней титановой - 420-630 м/с, что обеспечивает надежную сварку титановых слоев с алюминиевым слоем без непроваров, хрупких оплавленных зон и других дефектов. При скорости детонации взрывчатого вещества и скоростях соударения свариваемых пластин ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление в зонах соединения разнородных материалов непроваров, что снижает качество получаемого материала. При скорости детонации взрывчатого вещества и скоростях соударения свариваемых пластин выше верхних предлагаемых пределов повышается вероятность появления оплавов в зонах соединения слоев, что может привести к частичному расслоению сваренных пластин при последующей горячей прокатке, а это делает сваренные заготовки непригодными для последующих технологических операций. Предложено осуществлять горячую прокатку сваренного трехслойного пакета при температуре 550-580°С с обжатием до толщины алюминиевого слоя, составляющей 0,5-0,67 его исходной толщины, что способствует получению оптимальной толщины алюминиевой прослойки, которая при последующем отжиге полностью превращается в интерметаллидный слой, обладающий повышенными теплозащитными свойствами. При температуре горячей прокатки ниже нижнего предлагаемого предела в прокатанной заготовке могут сохраняться высокие внутренние напряжения, которые при повторном нагреве для проведения операции отжига могут привести к короблению листов титана, что может снизить качество получаемого материала. Температура горячей прокатки выше верхнего предлагаемого предела является избыточной, поскольку не способствует повышению качества получаемого материала, но увеличивает энергетические затраты на его получение. Обжатие сваренного пакета до толщины алюминиевого слоя, составляющей менее 0,5 его исходной толщины, приводит к неоправданно большому количеству алюминия, вытесняемому из промежутка между титановыми пластинами. Этот вытесняемый алюминий идет в отходы. При таком обжатии толщина алюминиевого слоя, а соответственно, и толщина формируемой при последующем отжиге интерметаллидной прослойки оказывается недостаточной и полученный материал не будет обладать достаточно высокими теплозащитными свойствами. При обжатии сваренного пакета до толщины алюминиевого, составляющей более 0,8 его исходной толщины, толщина алюминиевого слоя, а соответственно, и толщина получаемой интерметаллидной прослойки является избыточной, поскольку при таких толщинах она становится слишком хрупкой, а это весьма ограничивает возможные области применения получаемого материала.

Предложено после горячей прокатки полученную заготовку отжигать при температуре, превышающей температуру плавления алюминия в 1,14-1,15 раза, в течение 1,5-3 часов до полного исчезновения жидкой фазы с формированием при этом твердой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки по всей толщине алюминиевого слоя и на части толщины титановых слоев с последующим охлаждением на воздухе. Все это создает благоприятные условия для формирования высоких теплозащитных свойств получаемого материала с полным переходом в процессе отжига жидкой алюминиевой фазы в твердую интерметаллидную. Температура и время отжига ниже нижнего предлагаемого предела приводит к тому, что толщина получаемой интерметаллидной прослойки оказывается недостаточной, что снижает теплофизические свойства получаемого материала. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку не приводят к повышению качества получаемого материала, но при этом происходит экономически нецелесообразное увеличение энергозатрат на получение материала, происходит ухудшение механических свойств титановых пластин, возникают проблемы, связанные с защитой поверхностей титановых пластин от газонасыщения. Охлаждение с температур отжига предложено осуществлять на воздухе, как наиболее экономичный режим, обеспечивающий целостность материала и отсутствие расслоений на межслойных границах.

В результате получают композиционный материал титан-алюминий, обладающий повышенным термическим сопротивлением как вдоль, так и поперек слоев. Коэффициент теплопроводности вдоль его металлических слоев не превышает 9,6 Вт/(м·К), термическое сопротивление теплозащитной интерметаллидной прослойки в 20-44,6 раз выше, чем при получении композиционного материала алюминий-титан по прототипу. Время, затрачиваемое на формирование каждого микрометра интерметаллидной прослойки, в 6,4-32,9 раз меньше, чем по прототипу. Такое сокращение времени обусловлено тем, что процесс формирования интерметаллидной прослойки при отжиге включает два этапа. На первом этапе развития процесса скорость роста толщины прослойки весьма невелика. На втором этапе с увеличением температуры и времени отжига скорость роста прослойки значительно ускоряется. При получении композиционного материала по прототипу температурно-временные режимы отжига соответствуют, в основном, первому этапу развития процесса, поэтому толщина получаемых прослоек невелика, не превышает 26-30 мкм и композиционный материал не обладает высоким термическим сопротивлением в поперечном направлении. При получении композиционного материала по предлагаемому способу температурно-временные режимы включают как этап развития процесса роста интерметаллидной прослойки, так и второй этап, где скорость роста толщины этой прослойки весьма велика, благодаря чему получают композиционный материал с повышенным термическим сопротивлением.

Предлагаемый способ получения композиционного материала титан-алюминий осуществляется в следующей последовательности. Составляют трехслойный пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений чередующихся слоев титана и алюминия, располагающихся параллельно друг над другом на расстоянии технологических сварочных зазоров, при этом соотношение толщин слоев титана и алюминия выбирают равным 1:(0,6-0,8) при толщине слоя алюминия 0,8-1,2 мм. Укладывают полученный трехслойный пакет на основание, размещенное на грунте. На поверхность пакета укладывают защитную прослойку из высокоэластичного материала, защищающую поверхность верхней титановой пластины от локальных повреждений продуктами детонации взрывчатого вещества, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом взрывчатого вещества. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в заряде взрывчатого вещества с помощью электродетонатора. При сварке используют взрывчатое вещество со скоростью детонации 1680-2950 м/с. Сварочные зазоры между пластинами пакета и отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к удельной массе верхней титановой пластины выбирают такими, чтобы скорость соударения верхней титановой пластины с алюминиевой была 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 этого, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки сваренного пакета с краевыми эффектами, на поверхности титановых слоев наносят технологическую обмазку для защиты от воздействия воздушной атмосферы, укладывают сваренный пакет в специальное приспособление, исключающее растекание алюминия при отжиге, после чего полученную заготовку отжигают, например, в электропечи при температуре, превышающей температуру плавления алюминия в 1,14-1,15 раза, в течение 1,5-3 часов до полного исчезновения жидкой фазы с формированием при этом твердой сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки по всей толщине алюминиевого слоя и на части толщины титановых слоев с последующим охлаждением на воздухе. После охлаждения полученный композиционный материал титан-алюминий извлекают из приспособления, удаляют защитную обмазку и используют по назначению.

В результате получают композиционный материал титан-алюминий, обладающий в сравнении с прототипом более высоким термическим сопротивлением как поперек, так и вдоль слоев при малых временных затратах на формирование 1 мкм толщины интерметаллидной прослойки.

Пример 1 (см. таблицу, опыт 1)

Берут две пластины из титанового сплава ОТ4 и пластину из алюминия АД1 и очищают их от окислов и загрязнений. Размеры титановых пластин: длина 150 мм, ширина 120 мм, толщина δTi=1 мм. У алюминиевой пластины длина и ширина такая же, как у титановых пластин, а толщина δAl=0,8 мм, при этом соотношение толщин титановых слоев и алюминиевого равно 1:0,8. Плотность титанового сплава ОТ4 ρTi=4,5 г/см3, удельная масса титановой пластины MTiTi·ρTi=0,1-4,5=0,45 г/см2. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество с рекомендуемой скоростью детонации Dвв=2950 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 3:1 с насыпной плотностью ρвв=0,82 г/см3. Взрывчатое вещество помещают в контейнер высотой Нвв=3 см, длиной 200 мм, шириной 120 мм. Удельная масса такого заряда Мвввв·ρвв=3·0,82=2,46 г/см2. Отношение удельной массы взрывчатого вещества к удельной массе титановой пластины равно: Мвв:MTi=2,46:0,45=5,47. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимые для надежной сварки скорости соударения пластин: скорость соударения верхней титановой пластины с алюминиевой должна быть равной V1=770 м/с, а алюминиевой с нижней титановой должна быть равной V2=630 м/с. Для обеспечения таких скоростей с помощью компьютерной технологии с учетом указанных выше параметров взрывчатого вещества и свариваемых пластин определяем величину необходимых сварочных зазоров между свариваемыми пластинами h1 и h2. Составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами титана алюминиевой пластины и укладывают его на стальное основание, размещенное на песчаном грунте. Сварочный зазор между верхней титановой пластиной пакета и алюминиевой пластиной устанавливают равным h1=0,8 мм, а зазор между алюминиевой пластиной и нижней титановой h2=0,5 мм. Стальное основание имеет длину 150 мм, ширину 120 мм, толщину 5 мм. На поверхность пакета укладывают защитную прослойку из высокоэластичного материала - резины толщиной 1,8 мм, защищающую поверхность верхней титановой пластины от повреждений продуктами детонации взрывчатого вещества, а на ее поверхности - контейнер с зарядом взрывчатого вещества. Инициирование взрыва осуществляют с помощью электродетонатора.

После сварки взрывом осуществляют горячую прокатку полученной заготовки на прокатном стане при температуре tпр=550-560°C с обжатием до толщины алюминиевого слоя, равной 0,4 мм, что составляет 0,5·δAl. После этого на фрезерном станке обрезают боковые кромки сваренного пакета с краевыми эффектами, наносят на поверхности титановых слоев технологическую защитную обмазку, в качестве которой, например, используют смесь жидкого стекла с оксидом хрома, укладывают сваренный пакет в специальное приспособление в виде стальной оболочки прямоугольной формы и помещают эту сборку в электрическую печь для отжига. Отжиг производили при температуре tот=750°С, что превышает температуру плавления (tпл) алюминия в 1,14 раза. Время выдержки при отжиге τот=1,5 часа (90 минут). После отжига полученный композиционный материал титан-алюминий извлекают из приспособления и используют по назначению.

В результате получают композиционный материал, состоящий из двух слоев титана и расположенной между ними сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки толщиной δинт=600 мкм. Коэфициент теплопроводности этой прослойки λинт=0,6 Вт/(м·К). Термическое сопротивление прослойки δинтинт=0,6·10-3:0,6=10-3 К/(Вт/м2), что в 20-23 раза больше, чем в материале алюминий-титан, полученном по прототипу. В полученном композите в отличие от прототипа отсутствует слой чистого алюминия, обладающего весьма высокой теплопроводностью. Его коэффициент теплопроводности λAl=206 Вт/(м·К). У титановых слоев коэффициент теплопроводности λTi=9,6 Вт/(м·К), что в 21,5 раза меньше, чем у алюминия, поэтому у полученного материала теплопроводность и вдоль слоев значительно ниже, чем у материала, полученного по прототипу. При этом время отжига, необходимое для образования каждого микрометра толщины интерметаллидной прослойки, составляет всего лишь 0,15 минут: τотинт=90:600=0,15 мин/мкм.

При получении композиционного материала алюминий-титан по прототипу толщина интерметаллидной прослойки не превышает 26-30 мкм и на формирование каждого микрометра прослойки затрачивается время отжига от 1 до 4,6 минут. Таким образом, при получении композиционного материала по предложенному способу время отжига, затрачиваемое на формирование одного микрометра теплозащитной интерметаллидной прослойки, уменьшилось в сравнении с прототипом в 6,7-30,7 раза, что способствует снижению энергозатрат на получение материала.

Пример 2 (см. таблицу, опыт 2)

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина каждой титановой пластины δTi=0,15 см (1,5 мм), удельная масса MTi=0,15·4,5=0,675 г/см2. Толщина алюминиевой пластины δAl=1 мм (0,1 см), соотношение толщин слоев равно

δTiAl=1:0,67. Из предлагаемого диапазона скоростей детонации выбираем взрывчатое вещество со скоростью детонации 2010 м/с. Такую скорость обеспечивает смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной силитрой в соотношении 1:2 при высоте заряда, равной 3 см. Плотность такого взрывчатого вещества ρвв=0,93 г/см3, его удельная масса

Мвввв·ρвв=3·0,93=2,79 г/см3. Отношение Мвв:MTi=2,79:0,675=4,13. Выбираем из предлагаемого диапазона необходимые скорости соударения V1 и V2: V1=630 м/с, V2=500 м/с. Для обеспечения таких скоростей с помощью компьютерных технологий с учетом приведенных выше параметров взрывчатого вещества и свариваемых пластин определяем сварочные зазоры h1 и h2, h1=2,5 мм и h2=1,5 мм. Горячую прокатку сваренной взрывом заготовки производят при температуре 560-570°С. Обжатие производят до толщины алюминиевого слоя, равной 0,6 мм, что составляет 0,6·δAl. Отжиг сваренной заготовки производят при температуре 755°С, что в 1,144 раза превышает температуру плавления алюминия. Время отжига τот=2 часа (120 минут).

Результаты получения композиционного материала титан-алюминий такие же, как и в примере 1, но толщина интерметаллидной прослойки в полученном материале δинт=880 мкм. Термическое сопротивление этой прослойки δинтинт=0,88·10-3:0,6=1,47·10-3 К/(Вт/м2), что в 29,4-33,9 раз больше, чем по прототипу. Время отжига, необходимое для формирования каждого микрометра интерметаллидной прослойки, - 0,14 минут: τот·δинт=120:880=0,14 мин/мкм, что в 7,1-32,9 раз меньше, чем при получении композиционного материала алюминий-титан по прототипу.

Пример 3 (см. таблицу, опыт 3)

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина каждой титановой пластины δTi=0,2 см, удельная масса MTiTi·ρTi=0,2·4,5=0,9 г/см2. Толщина алюминиевой пластины δAl=1,2 мм, соотношение толщин слоев δTiAl=1:0,67. Из предлагаемого диапазона выбираем скорость детонации взрывчатого вещества Dвв=1680 м/с. Такую скорость обеспечивает смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:3 при высоте заряда Нвв=3 см и плотности ρвв=0,97 г/см3. Его удельная масса Мвввв·ρвв=3·0,97=2,91 г/см2. Отношение Мвв:MTi=2,91:0,9=3,23. Выбираем из предлагаемого диапазона необходимые скорости соударения V1 и V2: V1=560 м/с, V2=420 м/с. Такие скорости реализуются при сварочных зазорах h1=7 мм, h2=1 мм. Горячую прокатку сваренной заготовки производят при температуре 570-580°С. Обжатие при прокатке производят до толщины алюминиевого слоя, равной 0,8 мм, что составляет 0,67δAl. Отжиг сваренной заготовки производят при температуре 760°С, что в 1,15 раза превышает температуру плавления алюминия. Время отжига - 3 часа (180 минут).

В результате получают композиционный материал титан-алюминий, у которого толщина интерметаллидной прослойки δинт=1160 мкм. Термическое сопротивление прослойки δинтинт=1,16·10-3:0,6=1,93·10-3 К/(Вт/м2), что в 38,6-44,6 раз больше, чем по прототипу. Время отжига, необходимое для формирования каждого микрометра интерметаллидной прослойки, составляет 0,155 минут: τотинт=180:1160=0,155 мин/мкм, что в 6,4-29,7 раз меньше, чем при получении композиционного материала алюминий-титан по прототипу.

При получении композиционного материала алюминий-титан по прототипу (см. таблицу, пример 4) толщина теплозащитной интерметаллидной прослойки не превышает 26-30 мкм, ее термическое сопротивление δинтинт=(4,33-5)·10-5 К/(Вт/м·К), что в 20-44,6 раз меньше, чем при получении композиционного материала по предлагаемому способу.

Время, затрачиваемое на формирование каждого микрометра интерметаллидной прослойки, составляет 1-4,6 минут, что в 6,4-32,9 раз больше, чем по предлагаемому способу. Материал содержит прослойку из чистого алюминия, обладающую в 21,5 раза большей теплопроводностью, чем у титана, что существенно увеличивает теплопроводность композиционного материала алюминий-титан в продольном направлении и в связи с этим снижает в этом же направлении его термическое сопротивление, а это сужает возможные области применения материалов, полученных данным способом для изготовления теплообменной аппаратуры с повышенными теплозащитными характеристиками.

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, отличающийся тем, что 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°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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии обработки материалов энергией взрывчатых веществ, а именно к изготовлению слоистых изделий, состоящих из металлической основы, имеющей горизонтальную поверхность и выполненную по периметру наклонную поверхность, стальной пластины и размещенного между ними слоя порошкового материала.

Изобретение относится к технологии получения изделий сваркой взрывом и может быть использовано для изготовления изделий с внутренними полостями, например теплообменников, деталей электротермического и химического оборудования, теплорегуляторов и т.п.

Изобретение относится к технологии получения изделий сваркой взрывом и может быть использовано для изготовления изделий с внутренними полостями, например теплообменников, деталей электротермического и химического оборудования, теплорегуляторов и т.п.

Изобретение относится к технологии получения изделий сваркой взрывом и может быть использовано для изготовления изделий с внутренними полостями, например теплообменников, деталей электротермического и химического оборудования, теплорегуляторов и т.п.

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении систем противоскольжения, тормозных устройств и т.п.

Изобретение относится к получению изделий из керамических порошков с помощью энергии метательных взрывчатых веществ. .

Изобретение относится к получению сверхпроводящих изделий с помощью энергии метательных взрывчатых веществ. .

Изобретение относится к технологии изготовления плоских биметаллических листов сваркой взрывом и может быть использовано в различных областях металлообрабатывающей промышленности, а также в энергетическом и химическом машиностроении, в частности при изготовлении трубных досок и трубных решеток.

Изобретение относится к технологии получения сваркой взрывом крупногабаритных плоских биметаллических листов и может быть использовано в различных областях металлообрабатывающей промышленности и химического машиностроения при изготовлении крупногабаритных металлических конструкций.

Изобретение относится к технологии изготовления плоских биметаллических листов сваркой взрывом и может быть использовано в различных областях металлообрабатывающей промышленности, а также в энергетическом и химическом машиностроении, в частности при изготовлении трубных досок и трубных решеток.

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

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий сваркой взрывом и может быть использовано в различных областях металлообрабатывающей промышленности и химического машиностроения при изготовлении металлических конструкций, а также при аварийном ремонте днищ крупногабаритной техники, восстановлении нарушенной герметичности крупногабаритных конструкций и др

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий сваркой взрывом и может быть использовано в различных областях металлообрабатывающей промышленности и химического машиностроения при изготовлении металлических конструкций, а также при аварийном ремонте днищ крупногабаритной техники (например, гусеничных вездеходов), восстановлении нарушенной герметичности крупногабаритных конструкций и др

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении плоских биметаллических заготовок из разнородных металлов

Изобретение относится к технологии получения изделий с внутренней полостью с помощью энергии взрыва и может быть использовано при изготовлении, например, теплозащитных экранов, деталей термического и химического оборудования, теплорегуляторов и т.п

Изобретение относится к технологии получения изделий с внутренними полостями с помощью энергии взрыва и может быть использовано при изготовлении, например, теплозащитных экранов, деталей термического и химического оборудования, теплорегуляторов и т.п

Изобретение относится к технологии обработки материалов энергией взрывчатых веществ и может быть использовано для получения композиционных материалов в виде цилиндров, труб и трубчатых переходных элементов, работающих при повышенных механических нагрузках, температурах, термоциклировании и радиоактивном излучении

Изобретение относится к способам получения слоистых композиционных материалов с использованием взрывных технологий, а именно материалов с высокими значениями предела прочности и модуля упругости, которые могут быть использованы в машиностроении, авиа- и ракетостроении, космической технике и других отраслях промышленности

Изобретение относится к технологии получения композиционных материалов с особыми тепловыми свойствами с помощью энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при изготовлении теплообменной аппаратуры, теплозащитных экранов и т.п

Наверх