Анотація до роботи:

Лабур Т.М. Технологічні основи забезпечення надійності зварних зєднань конструкцій літаючих апаратів із тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів.

Дисертація на здобуття ступеня доктора технічних наук за фахом 05.07.04 - Технологія виробництва літальних апаратів.

ВАТ Український науково-дослідний інститут авіаційної технології, Київ, 2005.

Дисертація присвячена визначенню теплофізичних умов зварювання, які сприяють забезпеченню надійності зєднань типових елементів конструкцій літальних апаратів з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів (310мм) систем легування Al-Mg-Li (1421) та Al-Cu-Li (1460). Експериментально встановлена залежність міцності та вязкості окремих зон зварних зєднань і механізмів зародження та розповсюдження тріщин при руйнуванні від головних технологічних факторів зварювання: величини погонної енергії, хімічного складу присадкового матеріалу, форми шва та мікродефектів. На основі отриманих даних обґрунтовано ефективні технології, які забезпечують підвищення параметрів надійності зварних зєднань, включаючи зону сплавлення. Розроблені технологічні рекомендації щодо вибору оптимальних умов зварювання з тонколистових алюмінієво-літієвих сплаві.

У дисертації на основі виконаного комплексного дослідження науково обґрунтована ефективність технологічних методів забезпечення надійності зварних з’єднань типових елементів конструкцій ЛА з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів 1421 і 1460, що включає:

1. Вперше, відповідно до концепції надійності виконано системне комплексне дослідження характеру зміни структури та властивостей нероз’ємних з’єднань під впливом технологічних факторів (величини погонної енергії, складу основного металу і присадкового дроту, форми шва, одиничних дефектів) при зварюванні дугою (плавким і неплавким електродом) та електронним променем. Обґрунтована ефективність технологічних методів поліпшення якості і параметрів надійності з’єднань шляхом подрібнення кристалітів шва, усунення осередків крихкого зародження тріщин і запобігання умов утворення міжкристалітних (у швах) і міжзерених (у ЗТВ) прошарків, що забезпечує виконання необхідних робочих функцій конструкцій ЛА в різних умовах експлуатації та широкому температурному діапазоні (20500К).

2. Показано, що при реалізації технологічного процесу структура зварних з’єднань, яка сформувалася, визначає параметри надійності залежно від способів і режимів зварювання. Вперше експериментально встановлено, що умови зародження тріщин визначаються розмірами та об’ємної долі фаз и включень, які пов’язані з вихідним станом сплаву і способом зварювання. Перегрівання металу призводить до розвитку неоднорідності щодо кількості легуючих елементів і домішок внаслідок їх сегрегації уздовж границь зерен, утворення крихких міжзерених прошарків з пересичених фаз, особливо на границі сплавлення, де прошарки формують щільний каркас навколо зерен. Підвищення концентрації напруження, яке пов’язане з цим, полегшує зародження тріщини шляхом розтріскування фаз або порушення контакту з матрицею, що знижує показники міцності та в’язкості зварних з’єднань до рівня: s_Р=265295МПа, К_С=21,523,7МПам, d_С=0,030,05мм, J_С=2,54Дж/см², УРРТ=3,85,2Дж/см². Визначені теплофізичні умови зварювання та технологічних обробок, які зменшують структурну неоднорідність зон зварних з’єднань і забезпечують підвищення на 1525% параметрів надійності з’єднань при різних видах навантаження (статичних і динамічних) в широкому температурному діапазоні (20500К).

3. Обґрунтовані технологічні вимоги до кількості домішок (Na, Ca, Ba) > 0,10,15%, які, являючись неминучими компонентами у складі сплавів, посилюють схильність металу до утворення тріщин. По мірі укрупнення часток при зварюванні, що викликає зернограничне окрихчення з’єднань. Скорочення об’ємної долі домішок до рівня 0,01% за умови рівномірного розподілу інтерметалідних фаз зменшує вплив границь кристалітів і зерен на процеси зародження тріщини і сприяють підвищенню на 20% s_Р і на 40% К_С при значеннях d_С=0,05мм, J_С=4Дж/см², УРРТ=5,2Дж/см². Механізм інтеркристалітного руйнування металу в зоні сплавлення при цьому замінюється транскристалітним.

4. Вперше для забезпечення високих значень параметрів надійності з’єднань визначені раціональні теплофізичні умови зварювання алюмінієво-літієвих сплавів. Показано, що протяжність і об’ємна доля ділянок структури, в якій присутні крихкі міжкристалітні (у швах), міжзерені (в ЗТВ) прошарки і мікро пустоти впливають на зародження мікро тріщин. При регулюванні умов зварювання пульсуючою дугою (101210⁵Дж/м) або від джерел високої концентрації тепла (1,21,410⁵Дж/м) поліпшується структура з’єднань, збільшується міцність на 70100МПа та К_С – на 2025%. При цьому поліпшення властивостей забезпечується не тільки в металі шва, але й у найбільш слабкій зоні з’єднань – на границі його сплавлення з основним металом (s_Р^ЗС=295310МПа, К_С^ЗС=2124МПам, d_С^ЗС=0,040,06мм, J_С^ЗС=45Дж/см², УРРТ^ЗС=57Дж/см²).

5. Обґрунтована доцільність використання присадкових дротів із скандієм у межах 0,40,6% для підвищення надійності швів (s_Р=310320МПа, К_С=2528МПам, d_С=0,050,07мм, J_С= 46Дж/см², УРРТ=810Дж/см²) за рахунок появи на стадії охолодження зварювальної ванни дисперсних часток алюмініду скандію, а також утворення дрібнокристалітної (субдендритної) структури. При наявності скандію в основному металі, окрім цього, відбувається гальмування процесів рекристалізації та скорочення протяжності зони розміцнення, що сприяє підвищенню рівня в’язкості руйнування на 2025% при збільшенні міцності з’єднань на 1012%.

6. Встановлено, що наявність пор розміром 18% знижує показник ПРРТ на 0,51,5Дж/см², а оксидних плівок еквівалентної площини – 1,32,8Дж/см² і викликає прискорений у 2,5 рази розвиток тріщин. Тому допустимий розмір окремої пори не повинен перевищувати 4% від поперечного перетину з’єднання, а оксидної плівки – не більш 2%. Для забезпечення необхідного рівня надійності зварних з’єднань запропоновані комплексні технологічні рішення, які включають підготовчі операції та умови зварювання, які регламентують граничну величину дефектів в швах алюмінієво-літієвих сплавів.

7. Показано, що використання штучного старіння підвищують міцність з’єднань до рівня 320330МПа, але знижують на 1520% їх в’язкість. Термомеханічна обробка з’єднань, яка включає прокатку роликом металу шва і зони сплавлення (до 7%) з наступним штучним старінням, призводить до більш інтенсивного виділення дисперсних часток зміцнюючих фаз, рівномірному їх розташуванню по усьому об’єму металу, що поліпшує значення міцності та в’язкості з’єднань: s_Р^СВ=340360МПа, К_С^СВ=2730МПам, d_С^СВ=0,050,08мм, J_С^СВ=67Дж/см², УРРТ^СВ=810Дж/см² і наближує їх до рівня основного металу.

8. Вперше встановлена залежність комплексу фізико-механічних властивостей зварних з’єднань від умов експлуатації у широкому діапазоні температур (20623К). При зменшенні температури від 293 до 20К міцність з’єднань досліджених сплавів зростає від 305340МПа до 400420МПа внаслідок деформаційного зміцнення. Мінімальні значення показників К_С и d_С зареєстровані в зоні сплавлення і становлять відповідно 23МПам та 0,04мм. Показники J_С і ПРРТ в залежності від хімічного складу зварювальних сплавів становлять для сплаву 1421 - 3,1Дж/см² і 4,5Дж/см², а для сплаву 1460 - 4,0Дж/см² і 6,2Дж/см². Більш високий (на 3035%) рівень значень цих характеристик мають з’єднання сплаву 1460, що підтверджує доцільність його використання для конструкцій кріогенного призначення.

В умовах підвищених температур експлуатації міцність досліджених сплавів порівняно з кімнатною температурою (320МПа) знижується на 35% при 473К і в 3 рази при 623К. Показники в’язкості руйнування при цьому підвищуються на 10 і 25% відповідно.

Зростання швидкості деформації при наявності концентраторів напруження призводить до прискорення зародження та розповсюдження тріщин, що зменшує рівень в’язкості на 3050%.

9. Розроблено та впроваджено технологічні рекомендації по обгрунтуванню раціональних умов зварювання, які забезпечили високу якість швів і підвищення на 1220% параметрів надійності з’єднань у виробах ДКБ «Південному» ім. М.К. Янгеля, ВО «Південний машинобудівний завод» ім. О.М. Макарова, в Інституті машинознавства ім. А.А. Благонравова РАН и НВО Машинобудування (Російська федерація). Вирішена науково-практична проблема створення сучасних та нових зварних конструкцій ЛА з поліпшеними тактико-технічними характеристиками, що разом з меншою на 1012% питомою масою алюмінієво-літієвих сплавів забезпечує економічний ефект від впровадження розробок в промислове виробництво понад 600 тис. грн. на один виріб.

Публікації автора:

1. Лабур Т.М., Ищенко А.Я., Когут Н. С. Статическая трещиностойкость сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов. // Автоматическая сварка. – 1990. - №4. - С.9-11.

2. Лабур Т.М., Ищенко А.Я., Таранова Т. Г. Сопротивления разрушению сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов. // Автоматическая сварка. – 1991. - №6. - С.39-41.

3. Когут Н. С., Лабур Т.М., Іщенко А.Я. Тріщиностійкість високоміцних алюмінієвих сплавів їх зварних зєднань. // Фізико-хімічна механіка матеріалів, 1990, №3, с. 122-123.

4. Влияние способа сварки на сопротивление разрушению соединений алюминиево-литиевых сплавов 1420 и 1460 / Т.М. Лабур, А.А. Бондарев, А.В. Лозовская, В.С. Машин, А.Г. Покляцкий. // Автоматическая сварка.-2001. - №7. - С.12-16.

5. Лабур Т.М. Влияние примесных элементов на сопротивление разрушению. // Автоматическая сварка. – 1998. - №6. - С.40-43.

6. Лабур Т.М., Илюшенко Р.В. Влияние состава присадочной проволоки на сопротивление разрушению сварных соединений алюминиево-литиевого сплава 01421. // Автоматическая сварка. – 1992. - №5. - С.36-38.

7. Лабур Т.М., Илюшенко Р.В. Влияние скандия на механические свойства сварных соединений алюминиевого сплава 1420. // Автоматическая сварка. – 1992. - №11-12. - С.53-54.

8. Ishchenko А. Ya., Lаbur Т.М. Weldable Scandium-Containing Aluminium Alloys. // Harwood Academic Publishers, part of The Gordon and Breach Publishing Group, 1998. - Vol.9.- P.109.

9. Ищенко А.Я., Лабур Т.М. Свариваемые алюминиевые сплавы со скандием. // К.: Изд-во МИИВЦ, 1999. - С.114.

10. Лабур Т.М., Ищенко А.Я., Покляцкий А. Г. Влияние оксидных плён на характеристики сопротивления разрушению сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов при низких температурах. // Автоматическая сварка. – 1990. - №12. - С.15-18.

11. Лабур Т.М., Ищенко А.Я. Влияние скорости деформирования на сопротивление разрушению сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов. // Автоматическая сварка. – 1991. - №10. - С.50-54.

12. Lаbur Т.М., Ilyushenko R.V. Properties of Al-Mg-Li-Sc system alloys welded joints at low temperatures. // In: Proceedings from “Fourteenth international cryogenic Engineering conference and International cryogenic material conference” (June 8-12, 1992). - Kiev, Ukraine. - P.79.

13. Ishchenko А.Ya, Lаbur Т.М. Effect of preliminary force cycling on aluminium alloy safety factor at low temperatures. // In: Proceedings from “Fourteenth international cryogenic Engineering conference and International cryogenic material conference” (June 8-12, 1992). - Kiev, Ukraine. - P.87.

14. Лабур Т.М. Температурная зависимость сопротивления разрушению различных зон сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов в криогенных условиях. // Автоматическая сварка. – 1993. - №4. - С.50-51.

15. Lаbur Т.М. Temperature dependence of fracture resistance of different zones of high-strength aluminium alloy welded joints. // In: Fracture mechanics: successes and problems. Collection of abstracts. Part II. ICF-8, (Kiev, June 8-14, 1993). - Karpenko, Physiko-Mechanical Institute, Lviv, 1993. - P.553

16. Ishchenko А.Ya, Lаbur Т.М. Fracture resistance of aluminium alloy welded joints at various strain rates. // In: Fracture mechanics: successes and problems. Collection of abstracts. Part I, ICF-8, (Kiev, June 8-14, 1993). - Karpenko, Physiko-Mechanical Institute, Lviv, 1993. - P. 243.

17. Лабур Т.М., Ищенко А.Я. Сопротивление разрушению сварных соединений алюминиевых сплавов при различных скоростях нагружения. // Автоматическая сварка. – 1993. - №9. - С.6-8.

18. Лабур Т.М., Илюшенко Р.В. Влияние скандия на характеристики сопротивления разрушению сварных соединений из сплава 1420 и 1421. // Технология легких сплавов. – 1993. - №12. – С.37-41.

19. Лабур Т.М. Влияние температуры испытания на сопротивление разрушению сварных соединений алюминиевых сплавов системы алюминий-магний-литий-скандий. // Автоматическая сварка. – 1993. - №11-12. – С.53-55.

20. Лабур Т.М., Третяк Н.Г., Хохлатова Л.Б. Свойства сварных соединений алюминиево-литиевого сплава 01430 // Автоматическая сварка.- 1994.- №7-8.- С.1-3.

21. Исследование склонности к образованию горячих трещин нового высокопрочного алюминиевого сплава 01430 / Т.М. Лабур, Н.Г. Третяк., Р.В. Илюшенко, Н.Н. Колобнев // Автоматическая сварка.- 1994.- №9-10.- С.11-16.

22. Лабур Т.М. Изменение сопротивления разрушению сварных соединений сплава 01421 в условиях высокотемпературного нагрева. // Автоматическая сварка. – 1994. - №12. - С.8-11.

23. Лабур Т.М. Контактно-точечная сварка высокопрочного алюминиево-литиевого сплава 01430 // Автоматическая сварка.- 1995.- №2.- С. 18-21.

24. Ishchenko А.Ya., Lozovskaya A.V., Lаbur Т.М., Ilyushenko R.V. Problems of welding of Al-Li alloys in welded structures of aerospace industry. // In: “Welding in space and there construction of space vehicles by welding”, E.O. Paton Electric Institute, Kiev, 1994. - P.24-25.

25. Ищенко А.Я., Лабур Т.М., Лозовская А.В. Алюминиево-литиевые сплавы для сварных конструкций аэрокосмической техники. // Автоматическая сварка. – 1995. - №7. - С.41-44.

26. Лабур Т.М. Исследование эффективности упрочнения металла шва скандием при сварке алюминиево-литиевого сплава 1420. // Автоматическая сварка. – 1996. - №7. - С.17-19.

27. Лабур Т.М. Свойства сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов в условиях низких температур // Автоматическая сварка. – 1996. - №10. - С.30-32, 36.

28. Ищенко А.Я., Лабур Т.М. Технология сварки и свойства соединений алюминиево-литиевых сплавов (обзор). // Автоматическая сварка. – 1998. - №7. - С.29-33.

29. Ищенко А.Я., Лабур Т.М. Свариваемые алюминиевые сплавы со скандием (обзор). // Автоматическая сварка.-1998. - №8. - С.3-6.

30. Ищенко А.Я., Лабур Т.М. Характеристики прочности и сопротивления разрушению сварных соединений перспективных алюминиево-литиевых сплавов. - Сб. тез. докл. международной конференции «Сварные конструкции» (Киев, октябрь 2000 г.) / НАН Украины. Ин-т электросварки им. Е.О. Патона - Киев, 2000.- С. 42.

31. Лабур Т.М., Ищенко А.Я. Влияние неизбежных внутренних дефектов на сопротивление разрушению сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов. Там же.- С. 47.

32. Лабур Т.М. Проблемы использования алюминиево-литиевых сплавов в авиационной технике». Сб.докл. Международной научно-технической конференции «АВИА-2001».

33. Ищенко А.Я, Лабур Т.М., Федорчук В.Е. Поиск путей повышения прочности и вязкости разрушения сварных соединений перспективных алюминиево-литиевых сплавов. Сб. тез. докл. 37-ого Международного семинара «Актуальные проблемы прочности».

34. Лабур Т.М. Влияние единичных внутренних дефектов на сопротивление разрушению сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов // Автоматическая сварка. .- 2001. - №9. - С.21-23.

35. Ishchenko A.Ya., Labur T.M., Lozovskaya A.V. Can aluminium-lithium alloys be used in welded constructions for cryogenic engineering? // Welding in the world. – 2001. - Vol. 45, № 9/10. - P. 26-29.

36. Labur T.M. Influence of cryogenic conditions of the properties of welded joints of aluminium-lithium alloys. // Welding in the world. – 2001. - Vol.45, № 9/10. - P. 30-32.

37. Лабур Т.М. Прочность и вязкость металла сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов. // Автоматическая сварка.-2003. - №3. - С.26-30.

38. Лабур Т.М. Повышение надёжности сварных соединений конструкций аэрокосмической техники из алюминиево-литиевых сплавов. // Технологические системы.-2003. - №2 (18). - С.71-79.

39. Лабур Т.М. Влияние структурного состояния сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов на уровень пластичности и вязкости разрушения в статических условиях испытания. - Сб. тез. докл. международной конференции «Современные проблемы сварки и ресурса конструкций» (Киев, ноябрь 2003 г.) / НАН Украины. Институт электросварки им. Е.О. Патона - Киев, 2003.- С. 104-105.