ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ПОТОКОМ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ДИСКРЕТНЫХ ЧАСТИЦ

Полный текст

Обработка материалов высокоэнергетичными потоками является наиболее эффективной и перспективной областью технологий по созданию материалов с новыми уникальными свойствами. К данной области относится метод обработки металлов и сплавов потоком высокоскоростных дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва в режиме сверхглубокого проникания частиц (СГП частиц), что обеспечивает микролегирование материалов в объеме заготовки и упрочнение. Эффект СГП реализуется в интервале метания скоростей частиц 1-3 км/с при давлении соударения частиц с преградой 10-15 ГПа и более, плотности потока около 1 г/см3, что обеспечивает проникание частиц (дисперсностью порядка 100 мкм) в металлы и сплавы на глубину более сотен размеров частиц [1]. Задачи и обоснование необходимости исследования и разработки. Изначально эффект СГП был открыт и реализован с помощью взрывных ускорителей за счет кумулятивного эффекта, где расходная навеска порошковых частиц размещалась в кумулятивной выемке заряда взрывчатого вещества (ВВ), как, например, показано в работе [2]. В данном методе реализации СГП при инициировании заряда ВВ порядка 10-15 % порошковой навески переходит в рабочую высокоскоростную струю 1 (рис. 1) со скоростью 0,3-0,5 D, где D - скорость детонации взрывчатого вещества, используемого в ускорителе, причем плотность не превышает 1-1,5 г/см3. Основная часть (40-60 %) расходной части порошка 2 имеет скорость 0,1-0,3 D и соответствует значению менее 1 км/с при плотности потока 2-4 г/см3. Остальная часть порошка формируется в виде песта 3 с еще меньшей скоростью. При этом в конструкции кумулятивного ускорителя применяется отсечение низкоскоростной части кумулятивной струи. Поставлена задача повысить эффективность обработки материалов в режиме СГП. Рис. 1. Формирование струи порошковых частиц за счет кумулятивного эффекта: 1 - высокоскоростная струя; 2 - основная часть потока; 3 - пест Результаты работы По результатам ранее проведенных исследований [3] показано, что повышение плотности потока высокоскоростных частиц не приводит к увеличению концентрации проникающих частиц. Наиболее эффективной плотностью с точки зрения проникающей способности частиц является 1 г/см3 или несколько менее. Поэтому наиболее эффективным является переход от формирования сложной кумулятивной струи к метанию потоком с необходимой плотностью. Данные требования реализованы по нескольким схемам - метание частиц торцевым способом (обстрел частицами под разными углами к обрабатываемой поверхности, в том числе косой ударной волной) и с помощью канальных зарядов ВВ. Наибольший эффект был достигнут при обработке материалов по методу торцевого метания частиц энергией взрыва заряда ВВ, при этом поток высокоскоростных порошковых частиц формируется в ориентирующем канале установки [1]. Для данного способа практически 100 % объема частиц формируются в поток с необходимыми энергетическими параметрами, имеются только технологические потери расходной массы порошка. В зависимости от вида элементов и соединений метаемых частиц достигается максимальная концентрации проникающих частиц 4-6 % в объеме заготовки. Повышение эффективности обработки материалов в режиме СГП за счет разгона порошковых частиц энергией взрыва можно произвести по направлению увеличения площади однократной обработки, равномерности распространения потока и минимизации потерь расходной массы порошка. Разработана новая ударно-волновая схема реализации СГП частиц, основанная на метании тонкого слоя порошковых частиц. Конструктивно схема включает заряд взрывчатого вещества, выполненного в нижней части в виде сегмента сферического с радиусом R, задаваемого расчетным соотношением высоты сегмента к диаметру заряда h/d. На нижнюю сферическую поверхность заряда наносят рабочий слой порошковых частиц, что обеспечивает после инициирования заряда формирование потока высокоскоростных дискретных частиц в виде метательного расширяющегося конуса в сторону заготовки и обработку с высокой равномерностью плотности и максимальной площадью обстрела заготовки частицами, реализуя эффект сверхглубокого проникания частиц. Принципиальная схема установки обработки материалов показана на рис. 2. Электродетонатор 1 предназначен для инициирования заряда взрывчатого вещества 2. Рабочий порошковый слой 3 нанесен (возможно клеевым или прессовым способом) на нижнюю сферическую поверхность заряда ВВ. Заготовка 5 располагается в корпусе установки 4 на расчетном расстоянии. Максимальная площадь обработки обеспечивается сферической конфигурацией нижнего среза заряда ВВ в виде сферического сегмента с радиусом R. Необходимый радиус закругления R обеспечивается отношением высоты сферического сегмента к диаметру заряда ВВ в размерной области ориентировочно порядка 0,05 < h/d < 0,2. Площадь нижнего основания конуса метаемых частиц соответствует площади поверхности заготовки 5. Рис. 2. Принципиальная схема установки, обеспечивающей СГП частиц с максимальным охватом площади обработки: 1 - детонатор; 2 - заряд ВВ; 3 - метаемый порошок; 4 - корпус; 5 - заготовка Данная установка обеспечивает режимы сверхглубокого проникания частиц с применением заряда ВВ. Из основных бризантных ВВ применимы вещества с наибольшей скоростью детонации, чтобы обеспечить необходимую скорость метания частиц и их сверхглубокое внедрение. Скорость потока порошковых частиц (дисперсность порядка 1-100 мкм) составляет порядка 1-3 км/с. Плотность потока частиц - до 1,0 г/см3. Давление соударения с матрицей составляет порядка 10-20 ГПа. Обработанные материалы в результате совокупного действия метаемого потока частиц и ударно-волнового воздействия получают фрагментацию микроструктуры. При проникании частиц формируются схлопнувшиеся каналы размером около 1 мкм с наноструктурированной вокруг канала зоной и остатками материалов частиц. Данные режимы обработки также обеспечивают повышение твердости и прочности в 1,2-1,5 и более раз [4]. Установка обеспечивает эффективный угол разлета частиц порядка δ = 60-700. Углы разлета частиц более 900 нецелесообразны, так как имеет место краевой эффект для заготовки, проявляющийся в том, что в краевых областях заготовки изменяется градиент треков частиц. Также может увеличиться доля холостого обстрела частицами, приходящаяся на боковые стенки установки 4. Предлагаемая установка дает уход от больших однократных навесок метаемого вещества к многократным маленьким навескам, тем минимизируя эффект разрушения, вырывания и размывания поверхности исходной заготовки, получаемых от кумулятивных струй с большими навесками рабочего расходного порошка. В целом установка увеличивает площадь обработки частицами матрицы относительно кумулятивных ускорителей [2] на порядок и сокращает расходную массу порошка в несколько раз, обеспечивая эффект сверхглубокого проникания частиц и объемного микролегирования матрицы. Основные выводы по работе: 1. Исследована эффективность основных динамических методов обработки материалов высокоскоростным потоком частиц в режиме СГП и показано, что наиболее эффективным является метание слоя частиц торцевым способом, формирующим поток необходимой плотности. 2. Предложена новая ударно-волновая схема обработки материалов в режиме сверхглубокого проникания частиц, обеспечивающая повышение эффективности однократной обработки за счет максимального охвата площади, однородности плотности потока и минимизации расходной массы порошка.

Об авторах

Светлана Евгеньевна Алексенцева

Самарский государственный технический университет

(к.ф.-м.н., доц.), доцент кафедры «Технология твердых химических веществ». Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы