Способ обработки материалов сверхвысоким давлением

 

Использование: для получения субмикрокристаллической структуры у различных материалов, включая высокопрочные и пироплавные металлы и сплавы, альтернативных способов для получения такой структуры. Сущность изобретения: на образец создают сверхвысокое давление сферической сходящейся ударной волной, осуществляют закалку материала образца со скоростью не менее 109 град/с, а энергию ударной волны распределяют между образцом и корпусом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к обработке материалов, в частности к способам воздействия на металлические и неметаллические материалы высокими импульсными давлениями и температурами, создаваемыми взрывным или ударно взрывным нагружением.

Способ может быть использован для получения субмикрокристаллической структуры у широкого класса материалов. Такая субмикрокристаллическая структура позволяет обеспечить высокий уровень физико-механических свойств для высокопрочных и тугоплавких металлов и сплавов, альтернативных способов для ее получения в таких материалах не разработано.

Известен способ обработки твердых веществ высоким импульсным давлением [1] Способ включает закладку образца в сквозное отверстие в плоской ампуле, установку накладных пластин-откольников с обеих сторон и нагружение образцов ударной волной, формируемой ударом пластин от разогнанных скользящей детонацией листовых зарядов взрывчатых веществ (ВВ).

Однако уровень сжимающих напряжений, действующих на материал образца в этих устройствах при реализации этого способа, относительно невысок.

Такая обработка не обеспечивает значительного повышения физико-механических свойств материала, не позволяет достичь плавления в ударно-сжатых тугоплавких и высокопрочных материалах непосредственно во фронте ударной волны.

Наиболее близким к предлагаемому способу no схеме нагружения и технической сущности является способ, описанный в патенте Японии [2] который выбран в качестве прототипа.

Этот способ описывает создание сверхвысокого статического давления на навеску порошкообразного материала. Нагружению подвергают порошок, помещенный в центр сферического устройства и окруженный легкодеформируемым материалом. Давление на порошок передают от механически сжимаемых стержней.

Уровень сжимающих усилий, обеспечиваемый в этом способе, достаточно высок, но давление, передаваемое на образец, недостаточно для получения субмикрокристаллических структур у высокопрочных и тугоплавких материалов, т.к. способ реализуется в статическом режиме, не позволяющем достичь необходимых скоростей закалки расплава.

Целью заявляемого способа является повышение физико-механических свойств обрабатываемых материалов за счет получения в образце макрослоя с субмикрокристаллической структурой, сохраняющегося в претерпевшем ударно-волновое нагружение образце при нормальных условиях и при нагреве до температуры рекристаллизации или возврата.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки материалов сверхвысоким давлением, согласно изобретению, давление на образец создают сферически сходящейся ударной волной, во фронте сходящейся волны осуществляют разогрев материала образца выше температуры плавления, за фронтом отраженной от центра сферы волны формируют полость в центре образца, а в идущих из полости волнах разрежения осуществляют закалку материала образца, обеспечивают охлаждение до остаточной температуры после разгрузки менее температуры рекристаллизации материала образца, энергию взрывчатого вещества распределяют между образцом и корпусом.

Откольным частям корпуса передают нe менее 50% энергии взрывчатого вещества.

Достижимость поставленной цели обусловлена тем, что сферическое обжатие образца сверхвысоким импульсным давлением, создаваемым ударной волной, проводят с обеспечением параметров процесса, позволяющих расплавить материал образца непосредственно во фронте ударной волны, затем закристаллизовать его с определенной структурой и сохранить эту структуру и целостность образца при реализации взрывной технологии.

Предлагаемый способ имеет существенные признаки, отличающие его от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "новизна".

Субмикрокристаллическую структуру у металлов и сплавов получают при реализации способа деформирования металла в сверхпластическом состоянии [3] В процессе реализации способа получают субмикрокристаллическую структуру порядка приблизительно 4 мкм при закалке со скоростями от 2,5 х 10² до 2,5 х 10⁴ град/с. Однако круг материалов ограничен. Кроме того, уровень скоростей закалки, реализуемый в предлагаемом способе, на 5 порядков превышает указанный выше, и величина зерна субмикрокристаллической структуры на порядок меньше, чем структура, получаемая при деформировании материалов в состоянии сверхпластичности.

Технические свойства известного и предлагаемого объектов совпадают. Субмикроструктуру получают в процессе деформирования с нагреванием, однако способ отличается от известного новым режимом проведения известного приема (деформирования с нагреванием), приводящего к новому уровню технических характеристик (величине зерна) и к расширению номенклатуры обрабатываемых материалов. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию "изобретательский уровень".

Способ разработан и освоен в опытном производстве, это подтверждает его промышленную применимость.

На фиг.1 приведена схема реализации способа слева до создания сходящейся ударной волны, справа после.

Образец 1 в виде сплошного шара из обрабатываемого материала помещают в центральную полость 2 устройства для всестороннего обжатия так, чтобы центр образца 1 совпадал с центром полости 2. Центральная полость 2 окружена сферической герметичной оболочкой 3. Оболочка 3 может быть выполнена одно- или многослойной, имеет различную толщину или различные типы материалов в зависимости от размеров обрабатываемого образца и свойств материала, из которого он выполнен.

На оболочке 3 размещен слой 4 взрывчатого вещества: толщина, мощность и масса которого рассчитываются в зависимости от того, какие параметры (температуру, давление) необходимо обеспечить для конкретного образца и конкретного материала, из которого он выполнен.

Система задействования 5 слоя 4 взрывчатого вещества установлена на его поверхности 6. Корпус 7 окружает описанные выше слои, выполнен одно- или многослойным и обладает свойством уносить избыточный импульс и поглощать энергию взрывчатого вещества за счет подбора материала или сочетания материалов с определенными свойствами, способствующих поглощению энергии, выделяемой взрывчатым веществом.

Для обеспечения сохранения обжимаемого шара может быть использован не только "пассивный" корпус одно- или многослойная конструкция из инертных материалов с определенными свойствами, но и вариант его так называемого "активного" исполнения. Суть этого второго варианта заключается в следующем. При существенном уменьшении массы корпуса 7 (по сравнению с вариантом его "пассивного" исполнения фиг.1) положительный эффект сохранение обжимаемого керна может быть достигнут ври реализации (фиг.2) сдерживающего разлет корпуса 7 подпора ДВ (продуктами взрыва) со стороны сферического слоя ВВ 8, расположенного над корпусом 7 и синхронно или с требуемое задержкой инициируемого устройством формирования сферически сходящейся ударной волны 9, аналогичного устройству 5, но большего габарита, при использовании узла подвода детонации 10. Величина задержки в инициировании узла 9 (фиг.2) по отношению к узлу 5 (фиг.2), обеспечиваемая узлом подвода детонации 10 (фиг.2), выбирается таким образом, чтобы на момент выхода ударной волны снизу (из центра) на наружную границу корпуса 7 (фиг.2) на эту же границу сверху приходила детонационная волна в слое 8 (фиг.2).

Способ реализуется следующим образом. После задействования системы 5 во взрывчатом веществе слоя 4 создается сферически сходящаяся к центру ударная волна. Энергия взрывчатого вещества распределяется между корпусом 7, внутренней герметичной оболочкой 3 и обжимаемым образцом 1, помещенным в центр устройства. Часть энергии передается материалу корпуса, полученная энергия частично поглощается материалом корпуса, а оставшаяся часть, переданная корпусу, расходуется на разрушение наружных слоев корпуса 7 и уносится откольными слоями 8 последнего. Под воздействием сходящейся сферической ударной волны герметичная оболочка 3 и образец 1 испытывают действие импульсного давления. Во фронте сферически сходящейся ударной волны, на радиусе приблизительно 1 мм в образце реализуются давления до 200-1000 ГПа при длительности импульса нагрузки до 0,5-1,5 мкс.

Реализуемые при таком ударно-волновом разогреве температуры и достигаемые плотности энергии заведомо достаточны для плавления всех известных материалов, включая высокопрочные и тугоплавкие, непосредственно во фронте ударной волны. После отражения от центра, ударная волна увлекает за собой расплав вещества, находящийся в центральной области образца, который непосредственно во фронте этой расходящейся волны уплотняется и претерпевает сверхвысокоскоростное затвердевание. В центре сферического образца образуется полость 9 (фиг. 1), заполненная парами материала нагружаемого образца. После остывания и конденсации паров, в полости достигается сверхвысокий вакуум.

Затвердевание во фронте сферически расходящейся ударной волны (за счет эффекта увеличения температуры плавления веществ при возрастании давления) или реализация большого перепада температур ударного сжатия и остаточных температур (после изэнтропической разгрузки двукратно ударно сжатого материала в волнах разрежения, распространяющихся из центральной полости) с учетом реализованной длительности импульса нагрузки 0,5-1,5 мкс, обеспечивают сверхвысокие ≥ 10⁹ град/с скорости охлаждения расплава, приводящие к формированию субмикроструктуры.

Структура такого состояния характеризуется большим количеством центров кристаллизации, практически не получивших возможности роста. Размер зерна субмикрокристаллической структуры приблизительно 0,1.1 мкм.

Слой 10 фиг. 1 материала образца протяженностью по радиусу в несколько миллиметров, прилегающий к центральной полости и закристаллизовавшийся из расплава в волнах напряжений, имеет субмикрокристаллическую структуру.

При этом уменьшение среднего размера зерна относительно исходного, имевшего место до погружения, составило 500-1000 раз.

Далее импульс отраженной от центра ударной волны передается корпусу устройства и уносится его откольными слоями 11. Положительная реализация способа обработки материалов и получения материала с субмикрокристаллической структурой возможна только при сохранении целостности образца после завершения технологического процесса обработки материала взрывом.

Опыты показали, что это возможно только при рациональном распределении энергии взрывчатого вещества между корпусом и образцом, а именно: количество энергии, переданное корпусу, должно составлять приблизительно 40.50 от полной энергии, выделяемой взрывчатым веществом.

Сохранение герметичности образца до, в процессе и после взрывного погружения позволяет обрабатывать разработанным способом токсичные, химически активные, дорогостоящие вещества, разброс которых в процессе реализации взрывных технологий недопустим. В институте способ отрабатывался при обработке шаров из алюминия, меди, железа и других различных материалов, включая высокопрочные и тугоплавкие.

В процесса отработки способа проводили предварительные эксперименты для определения уровня продольных напряжений, соответствующих плавлению различных веществ как непосредственно во фронте ударной волны (σ^L_x), так и на изэнтропах разгрузки из состояния предварительного ударного сжатия.

Постановка опытов по нагружению сохраняемых образцов сферически сходящимися ударными волнами заведомо обеспечивала достижение амплитуды волны напряжений, достаточной для плавления исследуемых веществ, включая высокопрочные и тугоплавкие, непосредственно во фронте.

Для ряда исследованных веществ в таблице указаны амплитуды продельных напряжений (σ^L_x), соответствующие плавлению веществ непосредственно во фронте ударной волны, расчетные оценки температур при ударном сжатии (Т) различной интенсивности и при последующей изэнтропической разгрузке до атмосферного давления (T_ост), а также оценки скорости закалки расплавов при расчетной длительности импульса нагрузки приблизительно 1 мкс.

Скорости закалки расплавов исследованных веществ, в которых наблюдлось формирование субмикрокристаллической структуры, достигли 10⁸ 10⁹ град/с.

Однако следует отметить, что фиксация субмикроструктуры в материале обрабатываемого вещества возможна лишь в условиях, когда уровень переданной образцу энергии такой, что остаточные температуры сохраненного вещества не превышают температуры рекристаллизации материалов.

Для свинца, в проведенных экспериментах (см. таблицу), субмикроструктуру зафиксировать из удалось, т.к. остаточные температуры сохраненных образцов из свинца превышали температуру его рекристаллизации. В таблице приведены данные о параметрах импульса нагрузки, воздействовавшей на различные материалы в процессе реализации предлагаемого способа.

Формула изобретения

1. Способ обработки материалов сверхвысоким давлением, включающий размещение обрабатываемого образца в центре сферического корпуса и его нагружение, отличающийся тем, что образец нагружают сферически сходящейся ударной волной, формируемой слоем взрывчатого вещества, во фронте сходящейся волны осуществляют разогрев части образца выше температуры плавления, а в отраженной волне осуществляют закалку материала образца при температуре менее его температуры рекристаллизации, при этом энергию взрыва распределяют между образцом и корпусом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разрушающимся частям корпуса передают 40-50% энергии взрыва.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что корпус с образцом помещают во взрывчатое вещество, которое инициируют с задержкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3