СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ОТ4 И ВТ15

Основной задачей при разработке технологии получения сотовых конструкций является выбор таких параметров процесса, при ко­торых обеспечивается качественное соединение обшивки с сото - блоком без потери устойчивости элементов последнего (рис. 22).

Из известных способов соеди­нения в твердой фазе сварка дав­лением с подогревом имеет наибо­лее широкие возможности варьи рования в широком диапазоне параметров процесса, обеспечи­вающих получение качественного соединения. Наряду с этим при сварке давлением с подогревом появляется возможность локали­зовать пластическую деформацию в приконтактной зоне, т. е. каче­ственное соединение может быть получено при различных значе­ниях объемной пластической де­формации. Эта особенность сварки давлением с подогревом яв­ляется важной ввиду того, что потеря устойчивости какой-либо конструкции заданной геометрии из конкретного материала проис­ходит при фиксированной объемной пластической деформации.

Из рассматриваемых сплавов более пластичным является ОТ4. Поэтому образование физического контакта при сварке будет про­исходить главным образом в результате пластической деформации сплава ОТ4. Параметры процесса сварки, при которых образуется полный физический контакт, представляют собой нижний уровень параметров, при которых возможно получение качественного со­единения (хотя эти параметры могут оказаться и достаточными для получения качественного соединения). Естественно, что дли­тельность образования полного физического контакта не должна превышать времени потери устойчивости элементов сотоблока, которая произойдет за счет пластической деформации сплава ВТ 15. Изменение параметров процесса сварки (температуры и давления) может по-разному влиять на характер изменения вре­мени образования физического контакта в результате пластиче­ской деформации сплава ОТ4 и характер изменения времени до момента потери устойчивости элементов сотоблока в результате пластической деформации сплава ВТ 15, так как сплавы ОТ4 и ВТ15 могут иметь разные значения энергии активации пласти­ческой деформации, а изменение энергии активации пластической деформации указанных сплавов в зависимости от давления может происходить с разной степенью интенсивности.

В множестве значений параметров сварки, обеспечивающих образование полного физического контакта, могут быть такие, при которых полный контакт образуется раньше, чем произойдет потеря устойчивости элементов сотоблока, однако могут быть и такие, при которых потеря устойчивости произойдет, наоборот, раньше, чем образуется полный контакт.

Естественно, что для получения сотовых конструкций должны быть выбраны те значения параметров, которые обеспечат образо-

вание полного контакта прежде, чем наступит потеря устойчи­вости элементов сотоблока.

При сварке давлением с подогревом материал в зоне соедине­ния подвергается более интенсивной пластической деформации по сравнению с основным объемом [123 ]. Это приводит к развитию деформационного упрочнения материала в приконтактной зоне, а следовательно, к уменьшению интенсивности развития всех стадий образования сварного соединения. В технологии получе­ния сотовых конструкций это обстоятельство имеет важное зна­чение, так как увеличивает длительность деформирования (а сле­довательно, и накопленную деформацию) элементов сотоблока. Поэтому представляется целесообразным использовать сварку с циклическим нагружением [124].

Титан и сплавы на его основе при высоких температурах обла­дают высокой химической активностью по отношению к кисло­роду, причем активность существенно зависит от температуры. Сварка давлением с подогревом осуществляется обычно в вакууме или нейтральных средах, однако взаимодействие титана и его сплавов с кислородом возможно также в вакууме.

Для решения поставленной задачи необходимо:

1. Исследовать ползучесть титанового сплава ОТ4, определить параметры уравнения, связывающего деформацию с температурой, давлением и длительностью процесса, и использовать далее эти параметры для расчета длительности образования 80% физиче­ского контакта в широком диапазоне температур и давлении сварки.

2. Определить деформацию, при которой сотоблок заданной геометрии и размеров из сплава ВТ15 теряет устойчивость; ис­следовать ползучесть сплава ВТ 15, определить параметры урав­нения, связывающего деформацию с температурой, давлением и длительностью процесса, и использовать далее эти параметры для расчета времени потери устойчивости (при найденной деформации потери устойчивости) элементов сотоблока в широком диапазоне температур и давлений сварки.

3. Выбрать такие значения параметров сварки, при которых время образования 80% физического контакта меньше времени устойчивости элементов сотоблока.

При изготовлении сотовых конструкций считают перспектив­ным использовать в качестве материала обшивки титановый сплав ОТ4, а в качестве материала сотоблока — сплав ВТ15.

Сплав ОТ4 системы Ті—А1 Мп (4% А1 и 1,5% Мп) имеет в отожженном состоянии сгв 70ч-90 кгс/мм2, б = 15-ь40% и °н = 5-ИЗ кгс-м/см® [125]. Сплав ОТ4 является псевдо - а-спла - вом, в котором [5-стабилизатор (Мп) содержится в количестве, близком к предельной растворимости. Структура его при комнат­ной температуре представлена a-фазой и небольшим количеством (1 5%) p-фазы. Он обладает высокой технологической пластич­

ностью при комнатной и более высоких температурах. Темпера­
тура а + Р P-превращения этого сплава лежит в диапазоне 860—980г С.

Сплав ВТ 15 системы Ті - - А1- Cr—Мо (3% Al, 11 % Сг и 8% Мо) имеет после старения ств = 130150 кгс.'мм2, 6 = 6% и является представителем титановых сплавов с механически стабильной P-фазой. Распад P-фазы в сплаве наиболее быстро происходит при температуре 600 С [125]. Превращение при этой температуре на­чинается через 30 мин.

Схема пластической деформации при сварке давлением с подо­гревом аналогична схеме ползучести металлов. Естественно, что характер пластической деформации материала в зоне соединения существенно отличается от характера объемной пластической де­формации. Однако ранее было показано, что параметры уравне­ния, описывающего пластическую деформацию ползучести (объ­емную), могут быть использованы для оценок площади физиче­ского контакта.

Деформация, при которой происходит потеря устойчивости элементов сотоблока, является деформацией ползучести. Поэтому исследование ползучести материалов, используемых в сотовых

€,% £.%

J

2

1

о

конструкциях, является одним из основных этапов разработки техноло­гии получения сотовых конструкций сваркой давлением с подогревом.

На рис. 23 показаны кривые ползучести для сплава ОТ4. За­висимости lg г — !g t при Рр = 0,75 кгс/мм2 для этого сплава (рис. 24) в рассматриваемом диапазоне t и Т линейны, т. е. вы­полняется соотношение б ~ t n. Среднее значение п при этом составляет 0,71.

На рис. 25 показаны зависимости lg є при том же зна­чении Рр = 0,75 кгс/мм2 и различных фиксированных значениях / = 3, 6, 9, 12 и 14 мин. Из приведенных данных видно, что в диа­пазоне температур 830—900, 900—980 и 980—1050е С указанные

зависимости линейны, т. е. е — ехр (------------------------ -- Значения Е в ука­

занных температурных диапазонах линейны, причем излом про­исходит при 900 и 980° С. Ранее было показано, что в сплаве ОТ4 в температурном диапазоне 860—980° С происходит а ф - р р - превращение. Поэтому температурные диапазоны 830—900, 900— 980 и 980—1050° С можно считать температурными областями су­ществования а-, сс - f - р - и p-фаз соответственно.

На рис. 26 показаны зависимости lg е Рр при различных температурах и фиксированном значении / = 15 мин. Видно, что

указанные зависимости в рассматриваемом диапазоне Т и Рр линейны и, кроме того, угол наклона прямых к оси Рр уменьшается с по­вышением температуры. Сле­дует подчеркнуть особенно резкое увеличение угла наклона при повышении температуры с 950 до 1000 С. Такой характер зависимостей lg є — Рр позволяет считать, что для сплава ОТ4 справедливо соотношение

! уРп е~ехр VX_P ),

где y/RT — тангенс угла наклона рассматриваемых прямых к оси Р.

Для оценок Ек, п и і] воспользуемся описанной ранее техни­кой планирования эксперимента.

Найденные значения параметров п и ц приведены в табл. 6, а зависимость Ек от Рр на рис. 27.

Анализ данных табл. 6 показывает, что значения п при раз­личных давлениях и температурах практически не различимы, а среднее значение п = 0,69. Значения г] при различных давлениях также практически не различимы в температурных диапазонах 830—900, 900—980 и 980 -1050° С, а средние значения і] равны соответственно 2,9-104, 1,0-103 и 2,4-102.

Анализ зависимостей условной энергии активации пластиче­ской деформации от давления для (ос + Р)- и (3-областей показы­вает, что в (а + р)-области при увеличении давления величина Ек падает менее интенсивно по сравнению с (3-областью. В целом зависимости Ек (Рр) для (а + (3)- и p-областей имеют, по-види-

мому, линейный характер. Значения условной энергии активации пластической деформации для a-области при Ру = 0,50 и 0,75 кгс/мм2 составляют 37,8 и 35,6 ккал/моль.

На рис. 28 показаны кривые ползучести титанового сплава ВТ15, полученные в диапазоне температур и давлений, в котором исследовалась ползучесть сплава ОТ4. Визуальный анализ пока-

зывает, что для исследуемых Т и Рр существует зависимость є = є (t).

Зависимость lg є —- lg t для этого сплава (рис. 29) также, как и для сплава ОТ4 в рассматриваемом диапазоне / и Т линейна, т. е. здесь также выполняется соотношение є — t ". Среднее зна­чение п составляет 0,57. На рис. 30 показаны зависимости lg є —

Y при том же значении Рр 0,75 кгс/мм2 и / = 5, 10, 15, 20

и 25 мин. Эти данные показывают, что в исследуемом температур­ном диапазоне указанные зависимости линейны, т. е. є — ~ exp ^—^f)- Известно, что распад стабильной P-фазы в этом

сплаве при Т = 600 С начинается через 30 мин, однако при 700° С распад начинается уже через 10 ч [125].

На рис. 31 показаны зависимости lg в — Рр при различных температурах и фиксированном значении t = 15 мин. Видно, что указанные зависимости в рассматриваемом диапазоне Т и Р ли-

нейны и, кроме того, угол наклона прямых к оси Р уменьшается с повышением температуры. Такой характер зависимостей lg є — — Рр позволяет считать, что и для сплава ВТ15 также справедливо

соотношение є — exp Для оценок Ек, п и і] при всех ис­

следуемых давлениях и температурах воспользуемся техникой планирования эксперимента.

Найденные значения параметров п и г) при Т = 950ч-1050°С приведены в табл. 7, а зависимость £к от Рр на рис. 32.

Анализ данных табл. 7 показывает, что значения п при раз­личных давлениях практически не различимы, а среднее значение п = 0,60. Значения і] при различных давлениях также не разли­чимы, а среднее значение т) составляет 1,8-10е. Данные рис. 32 показывают, что условная энергия активации пластической дефор­мации сплава ВТ15 уменьшается lge с увеличением давления, причем

в рассматриваемом интервале тем­ператур такая зависимость ли­нейна.

Выполненный анализ данных экспериментальных исследований ползучести сплавов ОТ4 и ВТ15 позволяет заключить следующее:

1. В диапазоне температур, давлений и продолжительности

процесса, которые обычно используются для сварки титана и спла­вов на его основе, наблюдается неустановившаяся ползучесть (є Ф const), причем е ~ I п.

2. Скорость ползучести на этой стадии экспоненциально зави­сит от температуры, т. е. є — exp ^------------------------------ .

3. Условная энергия активации пластической деформации Ек зависит от давления, причем такая зависимость, по-видимому, линейна, т. е. Е:< (Р) Е„ — уРр, где у — структурно-чувстви­тельный коэффициент [105—107].

4. Зависимость скорости ползучести от давления подтвер­ждает тот факт, что в уравнение для є давление Рр должно входить под знак экспоненты, т. е. є — exp

Таким образом, зависимость скорости пластической деформа­ции от температуры, давления и времени для титановых сплавов ОТ4 и ВТ 15 может быть представлена ранее полученным уравне­нием (41).

Кинетические кривые развития физического контакта для со­четания сплавов ОТ4 + ВТ15, полученные по описанной ранее методике (см. рис. 14), показаны на рис. 33 (образец из сплава ВТ15 был плоским). Физический контакт для данного сочетания сплавов образуется за счет пластической деформации сплава ОТ4.

Ё

0.8

0.6

0,0

0,2 1,0

0.8

0,6

0,0

Ранее было показано, что для этого сплава скорость пластической деформации в есть функция Т, Р, t. Так как существует зависи­мость FK от е, то естественно считать, что и скорость образования физического контакта FK есть также функция Т, Рр, t. Для опре­деления вида функции FK (Т, Рр, і) выполним анализ экспери­ментальных зависимостей FK (Т, Рр, t) аналогичный тому, какой был сделан при анализе экспериментальных зависимостей В {Т, Рр, t).

На рис. 34 показаны зависимости lg FK — lg t при различных фиксированных значениях FK (т. е. при фиксированных контакт­ных давлениях) при постоянном расчетном давлении Рр = = 0,2 кгс/мм2. Видно, что эти зависимости линейны по крайней мере для рассматриваемого диапазона Т и /, т. е. при постоянных

контактных давлениях FK — t~m. Причем при всех контактных давлениях углы наклона прямых к оси lg t близки, a m составляет величину 0,66. Заметим, что эта величина близка к значению п = 0,69, которое было определено для сплава ОТ4 по зависимо­стям lg в — lg t.

На рис. 35 показаны зависимости lg FK при том же зна­чении расчетного давления и различных фиксированных значе­ниях контактных давлений. Из приведенных данных видно, что в диапазоне температур 900—980 и 980—1050° С указанные зави­симости линейны, т. е. FK — exp ^-- ^г")’ где Q — условная энер-

при Рр = 0,2 кгс/мм*.

I — Рк ~ 0,36 кгс/мм2; 2 *— 0,4; 3 — 4,5; 4 — 5,4

гня активации образования физического контакта, различная справа и слева от температуры излома (980' С) зависимостей

lg Рк ^ характерно, что значения Q в указанных температур­ных диапазонах зависят от контактного давления, причем при уве­личении контактного давления значения Q уменьшаются. На рис. 36 по данным рис. 35 показана зависимость Q от величины контактного давления для "указанных температурных диапазонов.

Отметим, что при построении зависимостей lg є y Для сплава

ОТ4 (см. рис. 25) при Т = 980" С также был определен излом прямых, а значения Ек и Q при одинаковых давлениях близки

и, кроме того, наблюдается одинаковый характер изме­нения Ек и Q при измене­нии давления.

На рис. 37 показаны за­висимости lg Рк — Рк при различных температурах и том же расчетном давлении Рр = 0,2 кгс/мм2. Видно, что указанные зависимости при рассматриваемых темпе - 8,3 ОА 0,5 ОА ратурах и контактных дав-

Р„, кгс/мм* лениях линейны, причем

. угол наклона прямых к оси

РИС 37. Зависимость Щ£- Рк при Рр = уменьшаегся с пОВЫШв-

/ - 1050“ С; 2 - 1000; 3 - 950 НИЄМ ТЄМПЄратурЬІ. ТаКОЙ

характер зависимостей lg FK — Рк позволяет считать, что FK — ~ exp {aPjRT), где a 1RT — тангенс угла наклона рассматри­ваемых прямых к оси Рк.

Выполненный анализ данных экспериментальных исследова­ний кинетики развития физического контакта для сочетания спла­вов ОТ4 + ВТ15 позволяет заключить следующее:

1. При фиксированных контактных давлениях справедливо

соотношение FK — t~m, причем значение /п близко к значению п, найденному для сплава ОТ4 по данным ползучести.

2. Скорость образования физического контакта экспонен­циально зависит от температуры, т. е. FK — exp ^’

3. Условная энергия активации образования физического кон­такта Q зависит от давления в контакте, причем такая зависимость, по-видимому, линейна, т. е. Q (Р) = Q0 — аРк, где а струк­турно чувствительный коэффициент. При одинаковых давлениях значения Q близки к значениям Ек, найденным для сплава ОТ4 по данным ползучести. При увеличении контактного давления Рк значение Q уменьшается.

4. Зависимость скорости образования физического контакта от контактного давления подтверждает тот факт, что в уравнении

для FK изменение контактного давления должно учитываться

С ПОМОЩЬЮ соотношения FK ~ ехр •

5. Образование физического контакта контролируется пласти­ческой деформацией сплава ОТ4.

Таким образом, зависимость площади физического контакта от температуры, давления и времени при сварке сплавов ОТ4 и ВТ15 может быть представлена ранее полученным уравнением (134).

В табл. 8 приведены значения длительности образова­ния 80% физического контакта, найденные экспериментально (рис. 33) и рассчитанные по уравнению (134).

При расчетах были использованы параметры п, г) и £к (Рр), приведенные в табл. 6 и на рис. 27, соответствующие температур-

Таблица 8

СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАССЧИТАННЫХ ЗНАЧЕНИЙ /ф ДЛЯ ^ = 0.8

880° С 950° С 1000° С 1050° С

ным интервалам а-, (а + р)- и P-фаз, и соответствующие этим интервалам значения и, равные 0,76; 0,75 и 0,62.

Выполненные оценки /ф и сопоставление их с данными экс­периментальных наблюдений показывают, что уравнение (134) может быть использовано для определения длительности образо­вания 80% физического контакта в широком диапазоне темпера-

тур и давлений сварки, т. е. при разработке технологии получе­ния сотовых конструкций.

Исследования кинетики роста прочности (при статическом рас­тяжении) сварных соединений из сплавов ОТ4 + ВТ15 (рис. 38) показывают, что зависимости ст (/) (здесь о — отношение прочно­сти сварного соединения при некоторых значениях Т, Р и ( к о„ сплава ОТ4) аналогичны зависимостям FK(t) при одинаковых зна­чениях Т и Р. Это приводит к заключению о том, что, по-видимому, Рк о. Таким образом, параметры процесса сварки, обеспечи­вающие образование 80% физического контакта, должны обеспе­чивать также формирование качественного соединения. Следо­вательно, такие параметры могут быть определены с помощью уравнения (134).

Кинетические зависимости роста физического контакта между сплавами ОТ4 и ВТ15 и кривые ползучести при сжатии сплава ОТ4 позволяют ответить на вопрос о том, насколько эффективно используется объемная пластическая деформация при изменении давления сварки.

На рис. 39 показаны зависимости Рк(е) при различных давле­ниях сварки. Видно, что по мере увеличения давления сварки угол наклона прямых к оси «деформация ползучести» уменьшается. Таким образом, для достижения одинаковой величины площади контакта (за счет деформации сплава ОТ4) при больших давле­ниях сварки накапливается большая объемная пластическая де­формация сплава ОТ4. Обусловлено это тем, что при увеличении давления сварки деформация и деформационное упрочнение в при- контактной зоне развиваются более интенсивно по сравнению с объемом материала. Таким образом, для получения прецизион­ных сварных соединений (с минимальной объемной пластической деформацией) процесс следует осуществлять при малых давлениях. При этом существенно увеличивается длительность сварки, а следовательно, уменьшается про­изводительность процесса. Ска­занное справедливо в тех случаях, когда необходимо ограничить де­формацию материала, за счет ко­торого образуется физический контакт. В случае, когда физиче­ский контакт образуется в резуль­тате деформации одного мате­риала, а условие ограничения де­формации накладывается на дру­гой материал, необходимо иметь в виду, что [изменение парамет­ров процесса может по разному влиять на изменение скорости де­формации каждого из материалов.

Анализ многочисленных экспериментальных данных кинетики окисления титана и его сплавов в широком диапазоне темпера­тур и остаточных давлений кислорода показывает, что [126]:

1. При окислении титана образуется только рутил ТЮ2, окислы ТІО и Ті203 наблюдаются в [незначительном количестве.

2. Окисление при незначительных разрежениях не зависит от величины давления кислорода при температурах порядка 700— 800“ С; при температурах в диапазоне 900—1000 С зависимость скорости окисления от давления носит нерегулярный характер.

3. При очень высоких температурах и малых давлениях (10~3 мм рт. ст.) существующий на поверхности металла окисный слой может исчезнуть в результате растворения кислорода в ме­таллическом титане.

4. По мере насыщения внешних слоев металла кислородом дальнейший рост окалины происходит по обычному механизму, предложенному Вагнером для высоких температур; диффузия ионов кислорода через окисный слой обусловливает параболиче­ский закон окисления при температурах 600--850° С. При даль­нейшем повышении температуры окисный слой растрескивается, окисление ускоряется и подчиняется линейному закону.

5. Растворяющийся в титане кислород стабилизирует а фазу при температурах, намного превышающих обычную температуру а —» ^-превращения (882 С); поэтому при температурах существо­вания Р-фазы приповерхностный слой может быть представлен а-фазой.

6. Структура металлической основы сплавов (а, а + Р или Р) не оказывает заметного влияния на окисление, поскольку в любом случае подокалинный слой сплава (из-за насыщения кис­лородом) состоит из а-фазы.

Исследование кинетики взаимодействия сплава ВТ15 в ва­кууме при высоких температурах проводили на крутильных квар­цевых микровесах, конструкция которых описана в работе [127]. Чувствительность микровесов 2, ЫО-7 г/дел. шкалы отсчетного микроскопа, коэффициент давления -10-8 г/мм рт. ст., темпера­турный коэффициент ~10~8г/°С, точность поддержания темпера­туры ±0,5° С. Использовали образцы размерами 15x20x0,2 мм в состоянии поставки. При площади образца 6 см2 и коэффициенте шероховатости (учитывающем отношение истинной площади к гео­метрической) равном двум [128], чувствительность микровесов 2,1-Ю"7 г позволяет фиксировать образование пленки с расчет­ной толщиной менее периода решетки окисла титана (для рутила ТЮ2 а = 4,58 А, с = 2,95 А [129]). Исследования проводили при температурах и разрежениях, обычно используемых в технологии сварки титана и сплавов на его основе давлением с подогревом.

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 40. Эти исследования показывают, что на кинетику взаимо­действия сплава ВТ 15 с кислородом существенное влияние ока­зывает остаточное давление газов.

Известно, что при содержа - [У«о2] гГО1 нии в титане и его сплавах более 0,2% (по массе) кислорода они становятся малопластичными и хрупкими [125]. Поэтому кон­центрацию кислорода 0,2% (по массе) нужно считать предельно допустимой. Естественно, что технологические параметры про­цесса сварки должны быть та­кими, чтобы не допускать содер­жание в сплаве кислорода выше указанного значения. Существует, однако, отличие между усло­виями окисления образцов при исследовании на кварцевых весах и теми условиями, которые суще­ствуют при сварке сотовых кон­струкций. При исследовании на кварцевых весах поверхность образца свободна и частота соударений молекул кислорода с по­верхностью образца определяется, в основном, величиной оста­точного давления газов. Заданная величина разрежения в вакуум­ной камере определяется равновесием скоростей откачки и нате­кания газов. Таким образом, при исследовании кинетики взаимо­действия на кварцевых весах содержание кислорода в вакуумной камере остается неизменным и в зону взаимодействия на поверх­ность образца непрерывно поставляются молекулы кислорода. Конфигурация сотовых конструкций такова, что при сварке в про­цессе окисления и последующего растворения кислорода в ос­новном металле может принимать участие лишь то количество кислорода, которое содержится в объемах ячеек и в слое окисла на их поверхностях. Таким образом, при сварке сотовых кон­струкций количество кислорода, способное участвовать в процес­сах окисления и растворения, ограничено.

Оценим весовое содержание кислорода в материале сотоблока (сплав ВТ15), предполагая, что весь кислород из объема ячейки и окисной пленки растворяется в нем. Расчет будем проводить в предположении полной изоляции ячейки сотовой конструкции, т. е. без учета газообмена через материал обшивки.

Примем следующие исходные данные: вакуум в ячейке — Ю 2 мм рТ. ст.; объем ячейки 5,12 см3; площадь поверхности ячейки 25,6 см2; толщина материала сотоблока 80 мкм; плотность материала (ВТ15) 4,5 г'см3; поверхность материала покрыта окис - gg пленкой ТіО-2, имеющей плотность 4,24 г/см3 и толщину до

Т/Т tti Т

Из общего уравнения газового состояния Р = (где

m масса газа, М — молекулярная масса, Т — абсолютная

температура, V — объем, занимаемый газом, Р — давление газа, R — газовая постоянная) находим массу воздуха, оставшегося в ячейке при разрежении Р = 10“2 мм рт. ст. (табл. 9).

Исходя из весового состава воздуха при обычных условиях и принимая, что весовой состав смеси газов не зависит от давле­ния, находим массу кислорода, присутствующего в объеме ячейки (табл. 10).

Предполагаем, что кислород поступает в стенку ячейки из самой ячейки и частично из соседних ячеек. При этом т0 — = тя + 6 -1/втя = 2/пя (где тя — масса кислорода в атмосфере ячейки, т0 — общая масса кислорода).

В табл. 11 приведены окончательные результаты расчетов весо­вого содержания кислорода в стенке ячейки, выполненных при указанных допущениях.

Оценим теперь содержание кислорода, поступающею из окисла Ті02 с обеих поверхноссей стенки ячейки. Результаты расчета представлены в табл. 12.

Таким образом, основной кислород, который способен раство­ряться в материале сотоблока, содержится в окисном слое на его поверхности. Отсюда следует, что величина остаточного давления газов внутри сотовой конструкции при сварке может быть равной даже 10“2 мм рт. ст.

Такой вывод сделан в предположении полной изоляции ячеек сотоблока.

В общем случае различают следующие случаи проявления неустойчивости [130J:

1) проявление качественно новых смежных форм равновесия;

2) проявление несмежных форм равновесия; 3) исчезновение устойчивых форм равновесия; 4) полное исчезновение любых форм равновесия; 5) достижение недопустимо больших скоростей деформаций в конструкциях, материал которых обладает свой­ством ползучести.

Сварка в твердой фазе с подогревом при статическом нагруже­нии осуществляется по схеме ползучести. Поэтому можно счи­тать, что последний случай проявления неустойчивости наблю­дается при сварке в твердой фазе сотовых конструкций. Данный случай проявления неустойчивости определяется тем, что дефор­мация при ползучести непрерывно увеличивается с течением вре­мени при неизменной внешней нагрузке.

Так как конфигурация системы постепенно меняется, то про­исходит постепенное перераспределение напряжений; при этом скорость деформирования возрастает и может достигнуть недо­пустимо большой величины.

Для данного случая проявления неустойчивости различают критическую деформацию є* и соответствующее ей критическое время t* начала потери устойчивости.

Естественно, что чем выше нагрузка и температура, тем раньше будет накоплена критическая деформация є*. Теоретическое опре­деление критической деформации г* для рассматриваемой кон - СтРукции существенно осложняется тем, что деформируемая по­верхность (сотоблок) не является регулярной по крайней мере

по двум образующим (поверхность по этим образующим не диф­ференцируема) и, кроме того, эта поверхность не является вы­пуклой.

Поэтому для определения деформации потери устойчивости исследуемых сотовых конструкций (заданные геометрия и мате­риал сотоблока) выполняли следующие экспериментальные иссле­дования. Образцы сотовых конструкций (включающие обшивку и сотоблок) размером 30 хЗО мм помещали в сварочную камеру уста­новки. После достижения заданной температуры прикладывали давление и осуществляли запись деформации сотовой конструк­ции в зависимости от времени.

Результаты этих исследований показаны на рис. 41. Видно, что на начальных этапах наблюдается непрерывное уменьшение скорости пластической деформации сотовой конструкции, а за­тем резкое ее увеличение. Длительность процесса, при которой начинается резкое увеличение скорости деформации и происхо­дит потеря устойчивости сотовой конструкции, является крити­ческим временем t*. По данным рис. 41 видно, что критическая деформация для анализируемой сотовой конструкции составляет 0,1%.

В связи с тем, что потеря устойчивости непосредственно свя­зана с пластической деформацией ползучести при сжатии эле­ментов сотоблока, /* можно определять по данным є (/) для сплава ВТ 15 или уравнению для неисследованных значений Т и Р, свя­зывающему величину накопленной деформации є и продолжи­тельность процесса t при различных Т и Р. Такое уравнение можно получить, интегрируя уравнение (41).

Если в уравнении (135) величина е соответствует критическому значению е*, то величина t будет соответствовать критическому времени t*.

Поэтому

(+-Ф1)

(136)

п

В табл. 13 приведены значения t*, определенные с помощью уравнения (136) при различных температурах и давлениях сварки. При этом принимали критическое значение е* = 0,1%, а зна­чения п, т] и ЕК(Р) принимали те, которые были получены для сплава ВТ15.

Сопоставление расчетных данных t* (табл. 13) со значениями t*, полученными экспериментально (см. рис. 41), показывает, что они близки. Таким образом, значения t* можно рассчитывать по уравнению (136), неизвестные параметры которого могут быть определены по данным ползучести.

Предположим, что качественное соединение обшивки из сплава ОТ4 с сотоблоком из сплава ВТ15 может быть получено (при все­возможных Т и Р) при продолжительности сварки tc. Так как для получения такого соединения необходимым является полный фи­зический контакт между соединяемыми материалами, то /с должно быть заключено в пределах

(137)

где /ф — время образования полного физического контакта.

Ранее было показано, что при одинаковых значениях пара­метров сварки FK о. Поэтому условие образования качествен­ного соединения можно переписать в виде

L </*.

Определим длительности образования 80% физического кон­такта за счет пластической деформации сплава ОТ4 при пара­метрах, для которых были найдены значения і*. Для этого вос­пользуемся уравнением (134). Принимая в нем FK = 0,8 и решая его относительно t, получим

0,13(1 - Дехр(-^М)

В табл. 14 приведены рассчитанные по уравнению (139) значе­ния длительности образования 80% физического контакта.

При расчетах использовались значения п, і] и Ек (Рр), найден­ные для сплава ОТ4 по данным ползучести, причем значения и брали для температурных интервалов существования а-, (а + + Р)- и р фаз.

На рис. 42, по данным табл. 13 и 14, показаны зависимости lg і* и lg от давления сварки при различных температурах. Анализ этих зависимостей позволяет сделать ряд важных для технологии получения сотовых конструкций выводов.

1. В температурной области от 750 до 860° С, в которой сплав ОТ4 имеет структуру a-фазы, разница между значениями t* и /ф незначительна, а при давлении 0,4 кгс/мм2 эти значения почти совпадают.

2. В температурной об - tgt’.igtФ

ласти от 950 до 1150 С при малых давлениях І* ■'{ /ф, однако по мере увеличения давления разница между /ф и t* уменьшается, однако сами значения /ф и і* малы.

Объясняется это тем, что сплав ОТ4 в P-области и сплав ВТ 15 имеют различ­ную интенсивность уменьше­ния энергии активации де­формации при увеличении давления. В частности, сплав ОТ4 в указанной темпера­турной области и исследуе­мом диапазоне давлений имеет у [у представляет со­бой тангенс угла на­клона зависимостей £к(Рр), т. е. у — АЕ/АР], равную 35 ккал • кг/(моль • мм2), а сплав ВТ15 имеет у = 20 ккал • кг/(моль - мм2).

Поэтому для сплава ОТ4 сИф!(1Р больше, чем для сплава ВТ 15.

Более интенсивное, чем в объеме, деформационное упрочнение материала в зоне контакта приводит к резкому уменьшению ско­рости образования физического контакта по мере развития про­цесса, а следовательно, к увеличению длительности образова­ния полного физического контакта.

Таким образом, применительно к рассматриваемой конструк­ции создается ситуация, когда, с одной стороны, общая накоплен­ная деформация сотоблока не может быть выше е*, а с другой, — Деформационное упрочнение материала в зоне соединения приво­дит к резкому уменьшению скорости образования контакта. В этих условиях задача получения качественного соединения обшивки с сотоблоком имеет следующие альтернативные ре­шения.

Ранее было показано, что при уменьшении давления сварки эффективность использования объемной пластической деформа­ции (для достижения одинаковой площади физического контакта) повышается. С этой точки зрения сварку в твердой фазе давлением с подогревом необходимо осуществлять при малых давлениях. Для сотовых конструкций такой вывод был бы справедлив, если бы обшивка была выполнена из того же материала, что и сотоблок. Применительно к рассматриваемой композиции выбор давления
сварки при статическом нагружении необходимо производить на основе данных табл. 13 и 14.

Другим вариантом является способ сварки с циклическим при­ложением нагрузки [1241. Особенности такого способа сварки применительно к рассматриваемым конструкциям заключаются в следующем. Снятие деформационного упрочнения в период, когда на конструкцию не действует напряжение, будет происхо­дить как в зоне соединения, так и в объеме материала. Новое при­ложение нагрузки вызовет интенсивную деформацию элементов сотоблока и величина е* будет достигнута быстрее, чем при ста­тическом нагружении. Однако каждое новое нагружение будет приводить и к более интенсивному образованию физического кон­такта в результате более интенсивной пластической деформации материала обшивки.

Данные табл. 13 и 14 позволяют выбрать значение параметров сварки, при которых произойдет образование 80% физического контакта за счет пластической деформации материала обшивки без потери устойчивости элементов сотоблока. Выбирая длитель­ность сварки, необходимо учитывать, что она не должна быть настолько большой, чтобы процесс сварки был малопроизводи­тельным. С другой стороны, длительность сварки не должна быть очень маленькой, так как при этом даже небольшие ее отклоне­ния от оптимального будут существенно сказываться на прочно­стных свойствах соединения. Наиболее оптимальными с точки зрения технологических особенностей сварки сотовых конструк­ций являются, по-видимому, значения длительностей процесса в диапазоне от 20 до 60 мин.

Оптимальная температура сварки должна быть по возможности минимальной, чтобы в наибольшей степени ограничить процесс вакуумного вытравливания, существенно снижающего усталост­ную прочность материала.

Указанным условиям в наибольшей мере отвечают следующие возможные параметры: Т = 800° С; Р 0,4 кгс/мм2 и tc = = 40 мин; Т — 8001 С; Р = 0,45 кгс/мм2 и / = 20 мин; Т — 800 С; Р = 0,35 кгс/мм2 и t = 60 мин.