Проблемы машиностроения и надежности машин, 2021, № 2, стр. 63-68

Обеспечение высокого качества машин на весь срок эксплуатации за счет повышения надежности и герметичности комплектующих элементов, является одной из важнейших задач машиностроения и долговременных целей промышленности [1]. Одним из основных факторов обеспечения надежности является применение новых материалов, обладающих специфическими свойствами (сверхупругость (СУ), эффект памяти формы (ЭПФ), жаропрочность, постоянство модуля упругости, физические и прочностные свойства в зависимости от анизотропии материала и т.д).

При использовании таких материалов, качество изделий коренным образом зависит от уровня технологии, повышение которого можно достичь благодаря разработке и внедрению процессов, в которых участие человека ограничено и сводится главным образом к их управлению.

Сущность ЭПФ материала заключается в явлении сохранять долгое время деформированное состояние в одном температурном интервале, а при незначительном нагреве возвращаться в исходное состояние. Восстановление исходных размеров ведет к созданию внутри материала напряжений, значительно превосходящих напряжения, приложенные в процессе деформирования. На основании данного явления, разработаны высокотехнологичные процессы, позволяющие самому материалу осуществлять исполнительные действия [2].

По отношению к нормальной температуре, сплав может находиться в аустенитном (В2) или мартенситном (В19) состоянии. В промышленности принято маркировать сплавы, находящиеся в аустенитном состоянии – ТН1, а мартенситном – ТН1К.

Мартенситные превращения характеризуются температурами фазовых превращений: М_н, М_к – температуры начала и конца мартенситного превращения соответственно, А_н, А_к – температуры начала и конца аустенитного превращения. В зависимости от соотношения компонентов Ti, Ni и легирующих элементов, фазовые превращения в сплавах могут происходить при температурах от –20° до +100°С [3].

При сочетании определенных условий, превращения аустенита (А) в мартенсит (М) приобретает некую особенность – “термоупругость”. Процесс превращения можно инициировать изменением температур, напряжений или сочетанием и того, и другого. Следовательно, если в какой-то момент прекратить охлаждение, то превращение прекратится на той стадии, на которой его застала “температура остановки”.

Подъем температуры от этого состояния приводит к обратному М → А превращению, все сдвиговые смещения атомов идут в обратном направлении, а сами атомы возвращаются в исходные позиции, соответствующие аустенитной фазе материала.

На рис. 1 схематически представлены температуры мартенситной и аустенитной области существования материала. Заданная деформация проходит при температурах, ниже интервала прямого мартенситного превращения (МП).

Рис. 1.

Зависимость реактивных напряжений, возникающих в материале при термическом формовосстановлении в условиях противодействия от температуры.

Если процессу термического формовосстановления создать препятствие, то в материале генерируются реактивные напряжения, которые превышают деформационные [4]. Температуры формовосстановления $А_{{\text{н}}}^{{\text{ф}}}$, $А_{{\text{к}}}^{{\text{ф}}}$ в отличие от А_н, А_к имеют сдвиг в область повышенных температур. На рис. 1: $А_{{\text{н}}}^{{\text{ф}}}$, $А_{{\text{к}}}^{{\text{ф}}}$ – температуры термического формовосстановления; А_н, А_к – точки начала и конца обратного мартенситного превращения; М_н, М_к – температуры начала и конца прямого мартенситного превращения; σ_деф, – напряжения деформирования мартенсита неупругости; σ_R – напряжения термомеханического возврата; ΔТ_Э – интервал температур эксплуатации; ΔТ_д – интервал температур деформации в зоне мартенситной неупругости. Величина реактивных напряжений зависит от степени недовосстановления и жесткости противодействия. Верхняя граница температур эксплуатации для деталей из TiNi составляет Т_мах = = ~280°C, которая определяется началом развития в материале процесса релаксирования, приводящего к необратимой пластичности [5].

Эти материалы, после начальной деформации способны самопроизвольно принимать исходную форму, которой они обладали до деформации, при незначительном нагреве, например, на 2 ± 50°С в зависимости от вида превращений и состава сплава [6, 7].

Высокие характеристики параметров сплавов с ЭПФ на основе TiNi, такие как степень восстановления, развиваемые усилия, величина накопленной обратимой деформации при повышенной пластичности, высокая коррозионная стойкость, определяют перспективу его широкого применения в технике. Обеспечение высоких и стабильных термомеханических характеристик никелида титана в конкретных устройствах во всем интервале температур эксплуатации требует умения варьировать параметрами ЭПФ и сверхупругости в широких пределах [8]. Научный подход к решению таких задач заключается в выяснении природы и механизмов проявления ЭПФ на основе глубоких исследований свойств материала.

Основными критериями оценки работоспособности гидро- и пневмосистем является надежность трубопроводов и их соединений [1].

Было установлено [9], что основную массу неисправностей и отказов в работе гидросистем составляют монтажные работы.

Трубопроводы в процессе эксплуатации подвергаются различным нагрузкам (статические, температурно-циклические, динамические, вибрационные и т.д.). Кроме того, они должны быть герметичны. Наиболее нагруженными являются трубопроводы в летальных аппаратах, на которые эти нагрузки действуют в комплексе [10–13].

Давление рабочей жидкости в современных гидросистемах [14] постоянно возрастает. Увеличение давления в гидросистемах вызвано стремлением уменьшить массу трубопроводов и исполнительных механизмов, т.к. с увеличением давления уменьшаются размеры силового привода и требующиеся расходы рабочей жидкости.

В конструкциях гидро- и пневмосистем летательного аппарата получили широкое распространение разъемные и неразъемные виды соединений трубопроводов. Наиболее распространены разъемные соединения по наружному конусу (ГОСТ 13954-68 – ГОСТ 13977-68) для трубопроводов из стали 12Х18Н10Т.

Разъемные соединения трубопроводов в настоящее время все в большей степени заменяют на более надежные неразъемные соединения.

Неразъемные соединения – это наиболее перспективный вид соединений (рис. 2). Неразъемные соединения трубопроводов обеспечивают не только высокую герметичность и надежность, но и обладают сравнительно низкой трудоемкостью их изготовления. В отечественной промышленности изготовление неразъемных соединений трубопроводов осуществляется в основном сваркой и пайкой (рис. 2), поэтому материалы труб подбираются с близкими по химическому составу свойствами.

Рис. 2.

Способы сварки и пайки для соединений трубопроводов: (а) – сварное встык; (б) – сварное внахлестку: (в) – паяные соединения.

Эти соединения в настоящее время не допускают многократного демонтажа и последующего монтажа соединяемых элементов, а ремонтные работы, как правило, выполняются путем вырезки дефектного участка с заменой отдельных элементов [1].

Степень надежности, при прочих равных условиях, определяется качеством и совершенством технологии их изготовления.

Сварка – наиболее распространенный способ соединений, который осуществляется как на специализированных участках, так и на изделии.

Сварка. Известно, что в современном машиностроении, для обеспечения высокой технологичности деталей и узлов, широко применяются сварные соединения. Сварка титана, никеля и сплавов на их основе, при соблюдении специальных технологических режимов, обеспечивают достаточную прочность и надежность соединений.

Бинарное соединение никелид титана, являющееся интерметаллидом, обладает относительно невысокой температурой плавления (Т_пл = ~1200°С) и легко поддается для формирования ванны расплавленного металла. Эффектами памяти формы и свойствами проявления термоупругих мартенситных превращений в основном обладает марица TiNi.

На рис. 3 представлена диаграмма соотношений Ti↔Ni в матрице, которая определяет области существования TiNi и температуры фазовых превращений. Превышение в составе сплава Ti или Ni сверх области существования TiNi, приводит к выделению фаз Ti2Ni или Ti2Ni3, которые не только загрязняют сплав, но и являются концентраторами разрушения при силовых воздействиях. Кроме того, эти соединения имеют температуры эвтектики и перетектической реакции ниже, чем температура плавления TiNi [15].

Рис. 3.

Зависимость температур мартенситного превращения от соотношения компонентов: М_н – температура начала мартенситного превращения, А_к – температура конца аустенитного превращения.

Для практической оценки свариваемости материала [16] с технологической точки зрения необходимо обеспечивать, следующие основные требования: химический состав, структура и свойства металла шва должны соответствовать основному материалу; структура и механические характеристики металла в околошовной зоне не должны отличаться; отсутствие склонности основного материала к образованию трещин.

Для исследования свариваемости сплава ТН1 применялись заготовки с температурой прямого МП + (40–60)°С в виде листов толщиной 2 мм и использовалась аргоно-дуговая (АрДС) без присадка или с присадком из того же сплава, электронно-лучевая (ЭЛС) или точечная (ТЭС) сварка.

Сварные соединения (АрДС) осуществленные по режиму I = 120 А, V_св = 20–40 м/час показали, что сварочных трещин не наблюдается. Характер формирования шва с усадкой в центре сходно с формированием шва для тугоплавких сплавов. Усадочный подрез, как концентратор напряжений, ведет к разрушению сварного соединения.

Электронно-лучевая сварка осуществлялась в вакууме по режиму U = 30 кВ, I = 50 мА, V_св = 40 м/час и показала возникновение трещины по всей длине шва.

При высоких температурах в вакууме Ni испаряется примерно в два раза интенсивнее, чем Ti. Данное явление приводит к тому, что сплав в зоне шва имеет повышенное содержание Ti. Изменение соотношения компонентов химического состава шва по отношению к основному материалу на 0.1% приводит к смещению температур МП примерно на 20°С. Это способствует резкому снижению температур МП шва в область низких температур (вплоть до криогенных температур) и снижению его пластичности. Локальный нагрев приводит к выделению вторичных фаз Ti2Ni обладающих низкой пластичностью не только в сварном шве, но и околошовной зоне [17]. Применение высокотемпературных методов сварки, особенно в вакууме, приводит к резкому изменению характеристик фазового состава материала в зоне сварного шва от мартенситного к аустенитному, что при эксплуатации сплавов с ЭПФ нецелесообразно.

Для получения надежных видов соединений, с образованием ванны сварного шва, необходимо использовать механические методы. Соединение отдельных элементов из материалов для никелида титана в настоящее время нет.

Точечная и роликовая сварка применяется для соединения деталей толщиной от 0.3 + 0.3 до 7.0 + 7.0 мм. Свариваемость никелида титана методом ТЭС определяется технологически – на отрыв. Вследствие низкой тепло- и электропроводности никелида титана, для сварки используются режимы, как в случае с титановым и жаропрочным материалами. Происходящее в процессе ТЭС плотное сжатие между собой свариваемых деталей и кратковременность теплового воздействия препятствует доступу воздуха в зону сварки, следовательно, не требует специальной защиты [18].

Установлено, что оптимальными режимами для листовых полуфабрикатов толщиной 2.0 + 2.0 являются: I = 10 мкА; Р = 375 кг; τ = 0.04 сек.

При испытаниях на отрыв разрушения наблюдаются по основному материалу, а не по точке сварки.

На основании контроля микрошлифов в зоне шва или околошовной зоне, значительных изменений температуры фазовых превращений, по образованию термического мартенсита при охлаждении, не установлено. В связи с кратковременностью процесса сварки и замкнутостью объема при ТЭС, процессов преимущественного испарения одного из элементов, приводящего к изменению соотношений компонентов состава матрицы TiNi не происходит. Термомеханические характеристики материала шва, по сравнению с основным материалом аналогичны, значительных выделений вторичных фаз (TiNi2 и Ti2Ni3), не наблюдается.

Пайка. Пайка осуществляется токами высокой частоты как непосредственно на изделии, так и на специализированных участках.

На основании диаграммы состояния Ti ↔ Ni (рис. 3) между сплавом TiNi и титаном находится интерметаллидное соединение Ti2Ni, имеющее с β-твердым раствором титана эвтектику с температурой 955°С. Соединение Ti2Ni имеет перетектическую реакцию при 1015°C.

Наиболее подходящим припоем для пайки никелида титана между собой, а также с титаном и титановыми сплавами является припой на титановой основе с температурой плавления 910–920°С ВПр16 (Zr – 0.3%; Cu – 23%; Ni – 9%; ост. – Ti).

Пайка образцов из TiNi, а также с образцами из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ6С, ВТ15 и ВТ20 проводилась в вакууме 10^–4 тор припоем ВПр16. Перед пайкой поверхности подвергаются процедуре зачистки и травления.

В ходе исследования установлено, что применение высокотемпературных методов сварки, особенно в вакууме приводит к резкому изменению характеристик фазового состава материала в зоне сварного шва от мартенситного к аустенитному. Что при эксплуатации сплавов с ЭПФ нецелесообразно.

Формирование паяных соединений проходит удовлетворительно.

Выводы. При конструировании сварных или паяных соединений деталей в которых используются материалы обладающие ЭПФ, необходимо учитывать следующее обстоятельство. Сплав является “живым” материалом, в котором при МП генерируются не только значительные напряжения, но и перемещения связанные с обратимостью деформации в пределах до 8%. При МП смещение поверхности, исследуемого материала, относительно конструкционного, допускающего деформацию не более 0.5% приводит к разрушениям из-за несовместимости значительных перемещений на поверхности раздела.

Надежное соединение элементов из конструкционных материалов и сплавов с ЭПФ может быть обеспечено механическим способом или созданием условий предотвращающих мартенситные превращения в зоне контакта.