Вы здесь

Разработка и внедрение инновационных технологий изготовления изделий наукоемкого машиностроения из слоистых металлических и металлокерамических материалов


Номер работы - M 35 НАГРАЖДЕНА

Автора: Борис Р.С., Черный А.В.

 

Современные тенденции развития машиностроительной отрасли промышленности характеризуются повышенными требованиями к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Для обеспечения эффективности изделий машиностроения в их конструкциях широко используют разные материалы с высокими относительными показателями прочности, а также специфическими функциональными свойствами – алюминиевые и титановые сплавы, стали, керамику и другие.

Одной из наиболее актуальных научно-технических проблем использования различных материалов в конструкциях является обеспечение качества соединения деталей из разнородных металлов и сплавов. Для этих целей широкое применение находят слоистые металлические композиции трубчатой формы (биметаллические трубчатые элементы (БТЭ), которые используются как переходники для соединения трубопроводов в топливной и других системах. Они обеспечивают эффективное соединение трубопроводов из различных металлов.

Острая конкуренция изделий машиностроения на мировом рынке требует мобильности производства, а дискретно-нестабильные программы выпуска изделий – изготовление их единичными экземплярами. Мобильность производства может быть обеспечена при использовании универсального оборудования машиностроительных предприятий, а также при создании технологий изготовления биметаллических трубчатых элементов из традиционных полуфабрикатов, например листовых полуфабрикатов металлов и сплавов, с использованием не сложной штамповой оснастки методами вытяжки.

В работе решена актуальная научно-практическая проблема внедрения инновационных технологий изготовления изделий наукоемкого машиностроения из слоистых металлических и металлокерамических материалов.

На основе теории пластического течения и механики композиционных материалов при взаимодействии слоев из различных металлов на граничной поверхности, а также экстремальных энергетических принципов пластического формоизменения. Построена математическая модель процесса совместного деформирования двух разнородных металлов при вытяжке с утонением в нагретом состоянии. Установлена взаимосвязь в виде аналитических зависимостей кинематики течения слоев, степени их деформации и параметров напряженно-деформированного состояния на граничной поверхности с исходными геометрическими параметрами заготовки, механическими свойствами слоев и геометрией рабочей поверхности матрицы.

На основе численного моделирования в системах CAD / CAE ANSYS и DEFORM-3D представлено подтверждение основным аналитическим результатам при угле конусности матрицы 4°…10°.Показано также, что на выходе из очага деформации на граничной поверхности составленной из двух материалов заготовки возникают максимальные сжимающие напряжения и деформации сдвига вблизи поверхности, при этом разница осевых скоростей деформаций равна нулю, что обеспечивает взаимодействие слоев. Для увеличения зоны действия контактных напряжений и времени контакта слоев под нагрузкой предложено использование на конической поверхности матрицы дополнительного угла 1°…2°.

Экспериментальные исследования выполнялись для различных комбинаций сплавов: АМг5М + ВТ1-0, АМг5М + 12ХН10Т, АМг5М + Л63 и другие. Сравнение расчетных результатов с экспериментальными данными показали, что максимальная погрешность расчета энергосиловых параметров не превышает 7...10%, опережение слоя с меньшим пределом текучести не превышает 9...11%, деформации толщин слоев после вытяжки с утонением не превышает 10...14% для различных значений коэффициентов механической неоднородности металлов. Металлографический анализ показал, что при деформации утонения стенки 40...50% между слоями возникает взаимосвязь, которая формирует соединение слоев. Сопротивление на сдвиг на граничной поверхности биметаллического соединения составляет 85...88% от теоретического значения сопротивления на сдвиг материала с меньшими показателями прочности.

В работе решена задача повышения прочности диффузионного соединения за счет использования промежуточных слоев металлов, которые имеют хорошую свариваемость со слоями металлов биметаллической конструкции. Для выбора материала промежуточного слоя созданы обобщающие таблицы свариваемости металлов различными видами сварки и алгоритм выбора материала промежуточного слоя. Установлено, что наиболее эффективным для нанесения промежуточного слоя является процесс плазменного напыления. Использование промежуточных слоев позволило увеличить сопротивление на сдвиг биметаллических соединений до 94-96% от теоретического значения.

Для реализации процесса плазменного напыления, разработан маломощный плазмотрон с выносным анодом, для которого на основе осциллограмм напряжения на дуге установлены рациональные значения расстояния между катодом и выносным анодом на уровне 7-8 мм при оптимальном токе дуги 80 А, расходах плазмосоздающего газа – аргона 0,16-0,17 м3/час., которые обеспечивают генерацию ламинарной плазменной струи максимальной длины с температурой 1300 – 1700°С на расстоянии 120- 140 мм от среза сопла.

Разработана технология плазменного напыления обеспечила реализацию процессов нанесения на поверхность металлов слоя керамических плакированных порошков вакуумно-дуговым методом. Нанесение слоев из порошков оксида алюминия, плакированных двухслойными оболочками Ti-Al и Ti-Cu дает возможность создания износостойких и коррозионностойких покрытий с малой пористостью для металлокерамических конструкций.

С помощью математической модели установлен оптимальный диаметр частиц оксида алюминия, что обеспечивает разогрев частицы до температуры выше температуры расплавления тугоплавкого ядра, но ниже температуры испарения материала оболочки.

Экспериментальные исследования свойств покрытий показал, что наименьшую пористость (3-6%), наибольшую прочность сцепления и коррозионную стойкость в растворах соляной и азотной кислот имеет покрытие на основе порошка, плакированного двухслойной оболочкой из титана и меди при оптимальном значении массовой доли меди в покрытии на уровне 5-10%. При этом повышение поляризационного сопротивления системы покрытие – коррозионная среда в большей степени зависит от толщины основного слоя покрытия чем от материала и толщины подслоя, что связано с уменьшением количества связанных пор.

Разработаны технические рекомендации плазменного напыления с применением плакированных керамических порошков для плазменного напыления защитных покрытий, которые способствуют предотвращению развития микротрещин в отдельных деформированных частицах, повышению износостойкости покрытий в 5-6 раз, коррозионно-эрозионной стойкости в 2-3 раза предела прочности на изгиб композиции, основа – металлокерамическое покрытие на 20%.

Результаты работы внедрены на промышленных предприятиях АО «Мотор Сич» и ЗМКБ «Прогресс».

Результаты исследований по теме работы изложены в 2 монографиях, 38 статьях, 11 патентах Украины на полезную модель, 59 тезисов докладов.

Работа авторов процитированна в более чем 10 научных журналах, общий индекс цитирования публикаций составляет 1 (согласно баз данных Scopus и Web of Science (WoS)), Борис Р.С. h-индекс = 0, Черный.В.А.                      h-индекс = 1.

Общее количество публикаций авторов – 108.

n/a