Способ динамической обработки материалов
Способ динамической обработки материалов включает формирование заготовки в виде полой сферы, размещение в полости заготовки сферического вкладыша, помещение заготовки в сферическом корпусе, нагружение ее сферически сходящейся ударной волной, формируемой слоем взрывчатого вещества, циклическое импульсное нагружение заготовки с последовательно снижающимся уровнем давления, обеспечивая разогрев части заготовки во фронте сходящейся волны выше температуры плавления. Предварительное формирование заготовки осуществляют до плотности не менее 0,5 плотности частиц исходного порошка, а в сходящихся волнах напряжений во всем слое обрабатываемой заготовки формируют профили импульса нагрузки с уровнем напряжений, постоянными или уменьшающимися во времени, а вкладыш выполняют из материала, акустическая жесткость которого не менее акустической жесткости компактируемого вещества. Начальный размер вкладыша определяют из соотношения где Ro начальный радиус сферического вкладыша; Rпол - радиус полости, сформировавшейся во вкладыше в процессе нагружения ; Eo - энергия, переданная вкладышу на момент фокусировки сферически сходящейся ударной волны; A,
- константы материала вкладыша, определяемые экспериментально при варьировании Ro и Eo. Способ позволяет получить качественные компакты труднокомпактируемых порошков с сохранением первоначальной структуры исходного порошка. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.
Заявляемое изобретение относится к области обработки порошковых материалов высоким импульсным давлением и температурой, создаваемыми взрывным или ударно-волновым нагружением с последующим высокоскоростным охлаждением.
Способ может быть использован для компактирования металлических или керамических порошков, включая высокопрочные и тугоплавкие. При этом обеспечиваются уникальные физико-механические свойства, например, получается субмикрокристаллическая структура в тугоплавких металлах или сохраняется аморфная или нанокристаллическая структура керамических материалов в полученной готовой детали или макрозаготовке для последующей механической обработки. Известен способ компактирования порошков, реализуемый на оборудовании, создающем статические сжимающие усилия (заявка Японии N 55-43379, B 01 J 3/06, 1980 г.). При реализации способа нагружению подвергают порошок, помещенный в центр сферического устройства и окруженный легкодеформируемым материалом. Давление на порошок передают от механически сжимаемых стержней. Однако уровень сжимающих напряжений, действующих на материал при реализации указанного способа, невысок. При проведении этого процесса с нагревом, возможности воздействия на обрабатываемый материал расширяются, однако энергетически и технологически осуществить равномерный нагрев и создать равномерное давление на различные области обрабатываемой заготовки сложно. Трудно или вообще невозможно (из-за снижения прочностных свойств передающих нагрузки материалов при возрастании температуры) получить высокоплотные компакты высокопрочных и тугоплавких материалов, требующих значительных предварительных разогревов с обеспечением последующего деформирования при высоких температурах. Кроме того, при таких статических режимах обработки сохранить первоначальную нанокристаллическую или аморфную структуру порошка невозможно. Наиболее перспективными при обработке порошковых материалов являются импульсные методы, в которых реализуется процесс динамического взрывного или ударно-волнового нагружения, в частности сферическими волнами напряжений. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ, защищенный патентом России (заявка N 5041369, B 01 J 3/06, положительное решение от 11.01.95 г.). Способ включает размещение обрабатываемого вещества в центре сферического корпуса, его нагружение сферически сходящейся ударной волной, формируемой слоем взрывчатого вещества, разогрев во фронте сходящейся волны части образца выше температуры плавления, закалку материала образца в отраженной волне при температуре менее его температуры рекристаллизации. Описанный выше способ позволяет создавать в материале высокий уровень сжимающих напряжений при одновременном разогреве обрабатываемого материала. Однако обработка таким способом порошковых материалов приводит к тому, что за фронтом отраженной от центра ударной волны происходит разрушение и дробление заготовки, излишне высокий разогрев материала заготовки, первоначальная плотность которой невелика. В основу настоящего изобретения положена задача расширения технологических возможностей способа обработки порошковых материалов, в части обеспечения компактирования труднокомпактируемых порошков, с сохранением при этом первоначальной структуры компактируемого порошка в значительном объеме полученной детали или макрозаготовки. Поставленная задача решается тем, что в способе динамической обработки материалов, включающем размещение заготовки из этого материала в сферическом корпусе, нагружение ее сферически сходящейся ударной волной, формируемой слоем взрывчатого вещества, циклическое импульсное нагружение заготовки с последовательно снижающимся уровнем давления, обеспечивая разогрев части заготовки во фронте сходящейся волны, выше температуры плавления, согласно изобретению заготовку формируют в виде полой сферы, в полости заготовки размещают сферический вкладыш, предварительное формирование заготовки осуществляют до плотности не менее 0,5 плотности частиц исходного материала, а в сходящихся волнах напряжений во всем слое обрабатываемой заготовки формируют уровни нагрузки постоянные или уменьшающиеся во времени в период прохождения каждого импульса нагрузки, а вкладыш выполняют из материала, акустическая жесткость которого не менее акустической жесткости компактируемого вещества, при этом начальный размер вкладыша определяют из соотношения:![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/123236.gif)
E0 - энергия, переданная вкладышу на момент первой фокусировки;
A,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/123237.gif)
где
R0 - начальный радиус вкладыша;
A,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
E - уровень введенной во вкладыш энергии на момент фокусировки. Формирование требуемой величины и формы профиля импульса нагрузки, а именно: постоянного или уменьшающегося во времени, обеспечивается при R0
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
lg(Rлоп/E1/3) - lg(R0/E1/3)
строят две точки, через которые проводят прямую
y =
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
где
y = lg(Rлоп/E1/3),
x = lg(R0/E1/3). Наклон
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8801.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
Ранее экспериментально установлено, что все точки других опытов, реализуемые на данном вкладыше при фиксированных геометрии, материале вкладыша, слое компактируемого порошка и герметизирующей оболочки при различных значениях толщины и/или мощности ВВ, определяющих величину энергии E, передаваемую вкладышу на момент фокусировки сферически сходящейся ударной волны, будут укладываться в тех же координатах на этой же (характерной для выбранного материала вкладыша) прямой. Поэтому, зная параметры материала вкладыша A
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8801.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/123238.gif)
можно дополнительно оптимизировать выбор размера вкладыша из требуемого материала. При этом размер вкладыша R0 выбирается (оптимизируется) таким образом, чтобы, с одной стороны, реализовать в эксперименте максимальный по толщине слой компактируемого пористого материала, а с другой - надежно обеспечить сохранение целостности вкладыша в процессе нагружения с тем, чтобы предотвратить загрязнение компактируемого порошка парами или расплавом материала вкладыша, которое возможно при разрушении последнего. Рассчитав уровень вводимой во вкладыш энергии E, подбирают начальный радиус вкладыша таким, чтобы созданная в нем полость, содержащая расплав и пары, не нарушила бы герметичность вкладыша и не привела к загрязнению компактируемого порошка материалом вкладыша. В процессе отработки способа в РФЯЦ-ВНИИТФ проводили прессование заготовок из труднопрессуемого тугоплавкого порошка вольфрама с вкладышем и без него. В результате компактирования вольфрамового порошка без вкладыша получили компактную заготовку из вольфрама с полостью в центре и многочисленными кольцевыми и радиальными трещинами. Такой материал не может быть использован как конструкционный. При компактировании порошка вольфрама со стальным вкладышем был получен компакт, в котором имелась кольцевая трещина, т.к. акустическая жесткость стали меньше акустической жесткости вольфрама. При компактировании порошка вольфрама с вольфрамовым вкладышем был получен компакт, в котором отсутствовали макротрещины, при этом в процессе компактирования была сохранена первоначальная кристаллическая структура частиц исходного порошка, отмечено появление двойников, указывающее на наличие внутризеренной деформации частиц порошка. Обработке заявленным способом подвергали также порошок композиции неодим-железо-бор, частицы которой в исходном состоянии имеют аморфную структуру. В таблице приведены результаты испытаний. Опыты подтверждают, что заявляемый способ позволяет получить качественные компакты труднокомпактируемых порошков с сохранением первоначальной структуры исходного порошка.
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/123239.gif)
где R0 - начальный радиус сферического вкладыша;
Rпол - радиус полости, сформировавшейся во вкладыше в процессе нагружения;
E0 - энергия, переданная вкладышу на момент фокусировки сферически сходящейся ударной волны;
A,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
РИСУНКИ
Рисунок 1