Изготовление сотовых конструкций из тугоплавких металлов

15.11.2019

Введение


В последние годы интенсивно проводятся исследования по разработке технологии изготовления эффективных конструкций малого веса для гиперзвуковых летательных аппаратов с корпусом, создающим подъемную силу. Высокие температуры, возникающие при таких полетах, заставляют делать такие конструкции только из тугоплавких металлов. Это ограничение дало толчок интенсивным научно-исследовательским работам по технологии обработки тугоплавких металлов.

Одной из самых важных задач, требующих своего решения, является проблема окисления металлов при высоких температурах. В этой связи были начаты исследования по программе «Методы изготовления и технология производства паяных сотовых панелей из тугоплавких металлов». Эта программа преследовала цель разработки методов проектирования и способов изготовления и испытания сотовых панелей из молибденового сплава TZM (Mo — 0,5Ti — 0,07Zr) и ниобиевого сплава D-36 (Nb — 10Ti — 5Zr).

Конструкция экспериментальных панелей


За основу формы панелей были приняты две конфигурации, отражающие две основные концепции проектирования воздушнокосмических летательных аппаратов: силовая теплозащитная и теплоизолированная охлаждаемая.

Разработка технологии изготовления


Для изготовления конструкционных и теплозащитных экспериментальных панелей прежде всего было необходимо разработать технологию формообразования, электронно-лучевой сварки, механической обработки и пайки тугоплавких металлов. Первоначально решались задачи по изготовлению сотового заполнителя, формообразованию теплозащитной обшивки и U-образных канальных элементов в конструкционных панелях, пайке и электроннолучевой сварке панелей.

Изготовление сотового заполнителя. Было установлено, что для гофрирования фольги сплавов TZM и D-36 пригодны сопряженные зубчатые колеса. Фольгу из сплава D-36 гофрировали при комнатной температуре, а из сплава TZM — при 82—93° С (фиг. 6.1). Затем листы гофрированной фольги сваривали друг с другом в заготовку сотового заполнителя с размерами 355х355 мм. Заполнители из фольги сплава D-36 сваривали водоохлаждаемым медным сварочным роликом с использованием установочных медных стержней квадратного сечения со стороной квадрата 4,8 мм. Заполнитель из фольги сплава TZM наращивали слой за слоем. Каждый слой гофрированной фольги сваривали электронно лучевой сваркой, затем производили тщательный контроль качества каждого сварного шва. Приспособление для электронно-лучевой сварки сплава TZM состояло из установочных пальцев из нержавеющей стали квадратного сечения со стороной квадрата 4,8 мм и фиксирующих стержней с пружинными опорами для осуществления контакта при сварке. После изготовления заготовок заполнителя из фольги D-36 их без особых трудностей разрезали на блоки и подвергали шлифованию до требуемой толщины. Для заполнителя из сплава TZM эти операции выполнить не удалось, так как все зубья стальной пилы полностью износились. Тогда взяли пилу с алмазными режущими кромками, обеспечившую хорошие результаты. При шлифовании к ленточношлифовальному станку прикрепляли нагревательные устройства. Операцию успешно проводили при нагреве до 120° С.

Формообразование. Теплозащитные экраны. Формообразование обшивок теплозащитных панелей осуществляли по особому способу (Marform). При этом способе используются твердые пуансоны, которыми производится формообразование обшивок панелей на жесткой резине под давлением 350 кг/см2. При формообразовании листы фольги из нержавеющей стали толщиной 0,05 мм накладывают с обеих сторон заготовок сплава TZM и D-36 толщиной 0,2 мм. Использование листов фольги из нержавеющей стали необходимо для предотвращения растрескивания при формообразовании. Обшивки из сплава D-36 изготовляли при комнатной температуре, а обшивки из сплава TZM — при 150° С. Для нагрева пуансонов и заготовок из сплава TZM использовались специальные нагревательные устройства. После формообразования обшивки подвергались отделке для обеспечения сопрягаемости. Обшивки из сплава TZM для этого нагревали при температуре выше 120° С, чтобы предотвратить растрескивание.

U-образные каналообразующие элементы. В данном случае сплавы D-36 и TZM также требуют различной технологии изготовления. Для обоих сплавов необходимы следующие операции: формообразование, механическая обработка, электронно-лучевая сварка. Концевые элементы изготовляли неодинаковыми способами. Листовой материал подвергали операции по упоминавшемуся особому способу (Marform) с использованием пуансона, а затем калибровали в матрице. После формообразования концы U-образных каналообразующих элементов скашивали под углом 45° и соединяли в блоки по четыре. Затем такие блоки сваривали электронно-лучевой сваркой в рамы. Элементы из сплава TZM сваривали при подогреве до 120° С и затем подвергали часовому отжигу при 1205° С для снятия напряжений и предотвращения растрескивания.

Пайка. Оснастка. Для фиксации панелей при пайке использовались приспособления из сплава D-36 и TZM, сделанные из пластины толщиной 8 мм с ребрами жесткости, которые приваривали с наружной стороны дуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Допуск на плоскостность и отклонение от правильности формы приспособления составлял ±0,038 мм.

Выбор припоя для сплава TZM. Считалось, что лучшее решение проблемы пайки (выбор припоя, который обладал бы растекаемостью в интервале температур 1260—1315° С) должен дать припой, который не диффундировал бы быстро в основной металл и пайка которым не вызывала бы быстрой и полной рекристаллизации, даже если бы ее пришлось вести при температурах, несколько превышающих температуру рекристаллизации сплава TZM. Такое решение означало допустимость некоторой рекристаллизации сплава. Ho если максимальная температура и время выдержки при температуре выше 1315° С сводились к минимуму, то степень рекристаллизации можно было ограничить. Этим требованием удовлетворял сплав хейнес-25, который и выбрали в качестве припоя для пайки конструкционных панелей из сплава TZM. Он отлично заполняет паяный шов и обладает прекрасным комплексом характеристик растекаемости. Экспериментальные полоски сплава TZM, спаянные за 5 мин при 14001 С, обладали достаточной пластичностью при комнатной температуре, так что при изгибе в холодном состоянии пластинки не разрушались. Однако судя по результатам влияния длительной выдержки при температуре пайки и диффузионной термической обработки, проводившейся в несколько циклов на качество шва, общее время выдержки при столь высоких температурах нужно было сократить во избежание серьезного охрупчивания.

Выбор припоя для сплава D-36. Предполагалось, что сплав D-36 можно паять титаном и его сплавами. Исследования пайки сплава D-36 заключались в оценке возможности применения для этого материала припоев, использованных при пайке сплава TZM. Ни один из этих припоев не обнаружил никаких преимуществ по сравнению с титаном и его сплавами. Для пайки экспериментальной панели из сплава D-36 были выбраны титан и титановый сплав B-120VCA системы Ti—Cr—V—Al. Сплав B-120VCA растекается при 1620° С и химически несколько инертнее, чем технический нелегированный титан. Это позволяет вести пайку при сравнительно широких зазорах. При изготовлении теплозащитных панелей из сплава D-36 использовался преимущественно данный сплав.

Сборка. Фольга припоя для пайки конструкционных панелей была по длине и ширине на 4,8 мм короче обшивки. Припои для пайки теплозащитных панелей подвергались упоминавшейся операции Marforming с использованием той же оснастки, что и для обшивки теплозащитных панелей. Это обеспечило отличную сопрягаемость и сделало ненужной пригонку отдельных небольших пластин припоя. Титановые припои подвергались формообразованию при 150° С. После формообразования пластины припоя обрезали так, чтобы их длина и ширина на 4,8 мм были короче обшивки теплозащитной панели. Поверхности приспособления, используемого при пайке, покрывали двуокисью циркония и специальным нитроцеллюлозным лаком (№ 1830 фирмы «Раффи энд Суонсон»). Между приспособлением и панелью прокладывали тонкие разделительные листы. Поверхности, контактирующие с панелью, также покрывались нитроцеллюлозным лаком. Разделительные листы использовались для предотвращения «схватывания» панели и приспособления, которое могло возникнуть вследствие растекания излишнего припоя.

Нагрев. Пайку панелей вели в вакуумной печи. Печь имела зону нагрева с размерами 330х330 мм. Нагревательные элементы изготовляли из танталовых полос. Паяемое изделие устанавливали в центре печи на 9 вольфрамовых стержнях диаметром по 12,7 мм. Температуру печи измеряли двумя вольфрам-вольфраморениевыми термопарами. Нагрев регулировали вручную, в течение всего процесса пайки поддерживался нужный вакуум (2*10в-5 мм рт. ст.).

Собранные панели устанавливали в приспособление для пайки и затем помещали в вакуумную печь. До включения печи в ней создавали вакуум 10в-4 мм рт. ст. Регулируя питание печи, температуру в ней доводили до 540—595° С. Температуру печи поддерживали на этом уровне (для дегазации загруженных в нее деталей) до тех пор, пока давление не доходило до 2*10в-6 мм рт. ст. На всю эту операцию обычно уходило 5—15 мин.

При пайке панелей нагрев доводили до 1175 ± 28° С для обеспечения выравнивания температуры приспособления в целях предотвращения его коробления от неравномерного распределения температуры. К тому же этот нагрев способствовал дополнительной дегазации при температуре выше 595° С. Весь процесс пайки проводили в вакууме не хуже 2*10в-5 мм рт. ст.

Герметизация панелей. После пайки необходимо было закрыть все наружные паяные швы панелей. Это вызывалось двумя причинами: необходимостью герметизации панели и изолирования сплава припоя от защитного против окисления покрытия с целью предотвращения взаимодействия между ними. Панели подлежали герметизации для предотвращения проникновения горячих газов в непокрытую зону сотового заполнителя. Если не изолировать паяные швы, то защитное покрытие, нанесенное на панель, стало бы взаимодействовать с припоем, что сопровождалось бы образованием легкоплавкой эвтектики и, следовательно, возникновением в покрытии участков с ослабленным защитным действием. Влияние отсутствия герметизации на ослабление защитного действия покрытия точно не установлено, но, как показал ряд опытов, если открытые участки паяных швов остаются неизолированными, то контакт припоя с защитным покрытием ослабляет способность выдерживать воздействие высоких температур и сокращает срок службы при высоких температурах.

Герметизацию плоских и фасонных конструкционных панелей из сплава D-36 осуществляли электронно-лучевой заваркой всех открытых паяных швов. При этом достигалось расплавление основного металла и его натекание на тонкий паяный шов, что обеспечивало герметизацию и защиту паяного шва.

В теплозащитных панелях из сплава D-36 требовалась герметизация двух зон: периферии панели и зоны поддерживающей скобы. Герметизацию периферийной зоны панели осуществляли без каких-либо трудностей электронно-лучевой сваркой. Однако при попытке осуществить электронно-лучевую сварку в зоне диска поддерживающей скобы и трубки вспомогательного отверстия возникали пористость и трещины между зернами. Эту трудность удалось устранить использованием специальных уплотнительных деталей, позволивших вести сварку без нарушения структуры обшивки панели. Ho даже при использовании этих деталей не удалось полностью исключить возникновение микроскопических трещин между зернами в зоне сварного шва. Трещины не обнаруживались невооруженным глазом, поскольку для их выявления требовалось увеличение в 10—20 раз.

Из-за невозможности проведения требуемых операций сварки на панелях из молибденового сплава TZM было признано необходимым видоизменить программу работ для данного сплава. Некоторые панели из сплава TZM защищали покрытием и испытывали без герметизации кромок.

Контроль качества


Для оценки качества паяных швов, заполнителя и структурной целостности покрытия пользовались главным образом неразрушающими методами контроля. Несмотря на то что рентгенографический метод контроля обычно используется для оценки качества паяных швов и заполнителя, для контроля паяных панелей из сплавов D-36 и TZM этот метод был признан непригодным из-за различной природы материалов обшивок и припоев. Для определения наличия припоя рентгенографическим методом коэффициент у-поглощения припоя должен быть выше, чем у обшивки. В сочетании материалов рассматриваемых панелей возникает обратное условие, т. е. коэффициент поглощения припоя ниже, чем у обшивки. Поэтому рентгенографический метод не годится для оценки качества паяных швов, хотя им пользовались для оценки однородности сотового заполнителя. Каждую панель подвергали рентгенографическому контролю для обнаружения таких дефектов заполнителя, как трещины, изломы или деформированные участки. Для определения структурной целостности паяного шва было опробовано два различных метода неразрушающего контроля: ультразвуковой и термографический. Термографический метод отличается простотой, малыми затратами времени и экономичностью при контроле паяных швов. При этом точность обнаружения дефектов данным методом такая же, как и ультразвуковым. Поэтому термографический метод и был использован для контроля паяных швов.

При термографическом методе контроля используется жидкость особого химического состава, изменяющая свои характеристики при повышении температуры. При нанесении этой жидкости на сотовую панель и повышении температуры неодинаковая температура приводит к отталкиванию жидкости всеми нагретыми участками и к коалесценции жидкости в ячейках заполнителя (холодных участках). Неодинаковая температура возникает потому, что перегородки между ячейками поглощают теплоту. На тех участках, где припоя недостаточно, изображение не появляется, а в зоне деформированного заполнителя появляется изображение, повторяющее искажение формы заполни теля (фиг. 6.2).

При отсутствии удовлетворительного неразрушающего метода контроля качества покрытия для обнаружения явных дефектов покрытия можно воспользоваться только визуальным осмотром при 10-кратном увеличении.

Результаты испытаний


Ниобиевый сплав D-36. Результаты испытаний конструкционных панелей из сплава D-36 оказались весьма одинаковыми и устойчивыми. Фактическая прочность панелей была выше теоретически рассчитанной на предварительной стадии работ. Это повышение прочности обусловлено пайкой, улучшавшей механические свойства сплава D-36. Диффузионная термическая обработка, проведенная после нанесения покрытия на паяные панели, снижала механические свойства по сравнению с состоянием непосредственно после пайки. Изменение свойств при растяжении под влиянием процессов пайки и нанесения покрытия иллюстрируется на фиг. 6.3.

Испытания панели на сжатие показали общую нестабильность в области пластической деформации. При более высоких температурах (1315° С) панели изгибались пластически в дугу, а при более низких температурах деформация панелей носила характерные признаки сдвига.

Молибденовый сплав TZM. Испытывалось всего несколько панелей из сплава TZM из-за трудностей, связанных с герметизацией панелей и установкой полос Для передачи нагрузки при испытаниях. Кроме того, некоторые запланированные испытания пришлось прервать, когда две панели разрушились при нагреве. Швы, паявшиеся припоем хейнес-25, были при температуре ниже приблизительно 870° С крайне хрупки. Паяный шов одной из панелей, испытанной при комнатной температуре, разрушился при совсем малом напряжении. При металлографическом изучении паяных швов обнаружилось, что на границе раздела припой — основной металл протекает диффузионное взаимодействие в твердом состоянии, достаточное для образования хрупкого интерметаллического соединения. Это соединение образовывалось, по-видимому, в процессе высокотемпературной диффузионной обработки при нанесении защитного покрытия. Результаты испытаний небольших образцов при комнатной температуре были весьма плохими и дали большой разброс, но образцы, испытывавшиеся при 870, 1095 и 1260° С, показали отличную прочность с хорошей воспроизводимостью.

Выводы


Для изготовления сотовых панелей из ниобиевого сплава D-36 разработана удачная технология (фиг. 6.4). Если не считать охрупчивания припоя и трудностей при сварке, то успешными надо признать и результаты по изготовлению сотовых панелей из молибденового сплава TZM. Разработана технология сварки и отделки сотового заполнителя. Нагрев накладок и подкладок из нержавеющей стали позволяет успешно изготавливать обшивки теплозащитных панелей. Отличные результаты показала вакуумная пайка. Титановый сплав B-120VCA — отличный припой для ниобиевого сплава D-36. Сплав хейнес-25 оказался непригодным для пайки молибденового сплава TZM. Фирменное покрытие системы Cr—Ti—Si на панелях из сплава D-36 показало хорошие результаты.

Отличные результаты дали испытания панелей из ниобиевого сплава D-36. Покрытие для защиты паяных швов панелей обладает хорошей структурной стабильностью при температурах до 1315° С. Прочность панели и сотового заполнителя при повышенных температурах надо признать удовлетворительной, а прочность припоя отличной. He наблюдалось ни одного случая разрушения паяного шва при испытаниях панелей или разрушения покрытия при высокотемпературных испытаниях.

Результаты испытаний панелей из сплава TZM не дали возможности сделать какие-либо выводы из-за трудности решения проблем герметизации панелей и хрупкости припоя. Ho хрупкость сплава TZM остается серьезной проблемой, и, поскольку ее нельзя устранить, полезность сплава TZM (независимо от вида используемого припоя) как конструкционного материала для панелей ограничена. При использовании соответствующих припоев возможно разовое применение теплозащитных панелей из сплава TZM при температурах выше 1315° С.

Теплозащитные панели из сплава D-36 применяли при температурах до 1315° С; они могут выдерживать локальный нагрев до 1430° С. Панели со ступенчатыми кромками весьма удовлетворительно выдержали испытания. Однако отверстия для вспомогательных трубок недопустимы, если необходимо свести к минимуму локальный нагрев.

Испытания свойств сотового заполнителя прошли успешно и дали результаты, весьма близкие к ожидавшимся. Швы, паявшиеся припоем B-120VCA, показали, как и при испытаниях панелей, структурную стабильность. Швы, паянные припоем хейнес-25, используемым для пайки сплава TZM, были, как и при испытаниях панелей, хрупкими при температурах ниже 870° С. По свойствам заполнитель из сплава TZM при 870° С и выше существенно превосходил заполнитель из ниобиевого сплава D-36, но хрупкость паяных швов не позволила добиться удовлетворительных свойств от сотового заполнителя при комнатной температуре. Необходима дальнейшая разработка тензометров для высокотемпературных испытаний. Несмотря на то что результаты испытаний панелей из сплава D-36 были устойчиво хорошими, прежде чем остановить на нем выбор для использования в космических летательных аппаратах, необходимо учесть, что сплав D-36 обладает низким сопротивлением ползучести и не очень хорошей свариваемостью. В настоящее время выпускаются фольга и тонкие листы из более прочных ниобиевых сплавов, в первую очередь из Nb-752, D-43, В-66, C129Y и FS-85. Эти сплавы могут оказаться перспективными материалами для использования в объектах новой техники. Технологические процессы, разработанные при реализации данной программы, должны показать отличные результаты при их применении к этим новым сплавам. Хотя сплав TZM и имеет отличную удельную прочность, он не обладает требующейся для космических летательных аппаратов структурной стабильностью из-за своей хрупкости и чувствительности к надрезу.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна