Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Теплопроводность титана и алюминия

Теплопроводность титана и алюминия

Новосибирские ученые увеличили прочность сварки титана и алюминия более чем в два раза

Специалисты Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН совместно с коллегами из Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН исследовали особенности лазерной сварки разнородных промышленных сплавов на основе титана и алюминия. В работе впервые структурно-фазовый состав этого сварного соединения был исследован с использованием синхротронного излучения, что позволило оптимизировать режимы сварки и увеличить прочность сварного шва более чем в два раза. Результаты опубликованы в журнале "Прикладная механика и техническая физика".

Для ряда изделий в авиастроительной промышленности требуется соединение титановых и алюминиевых сплавов, благодаря которому производимые конструкции приобретают высокие прочностные характеристики и при этом остаются легкими. Наиболее перспективным методом соединения разнородных сплавов является лазерная сварка — она в 30 раз производительнее традиционной автоматической клёпки. Но различия в химических и физических свойствах титана и алюминия (температура плавления, плотность, теплопроводность) делают технологический процесс сварки достаточно сложным.

"В 2017 году в новосибирский Академгородок приезжала делегация из Объединенной авиастроительной корпорации, специалисты которой знакомились с достижениями ученых, — рассказывает заведующий лабораторией лазерных технологий Института теоретической и прикладной механики, кандидат технических наук Александр Маликов. — Авиастроители предложили сварить титан и алюминий. Одномоментно такую сложную технологичную задачу решить было невозможно, но мы занялись развитием этого направления".

Переход к лазерной сварке взамен заклёпочного соединения — ключевая задача авиастроения, а получение "сварного" самолета — "голубая" мечта авиастроителей.

"Метод заклёпочного соединения давно перестал быть технологичным. Сравните, скорость автоматической клепки около 0,2- 0,3 метров в минуту, тогда как лазерная сварка позволяет сваривать в минуту четыре метра. Наша лаборатория имеет большой опыт работы с титановыми и алюминиевыми сплавами и давно пропагандирует внедрение лазерной сварки в авиастроение", — добавляет Александр Маликов.

Задача сварки разнородных материалов технологически достаточна сложна, в первую очередь, из-за различий в химических и физических свойствах: у свариваемых материалов отличаются температура плавления, плотность, теплопроводность. Так, разница в химическом составе может привести к появлению нежелательных соединений в ходе сварки и изменению свойств материалов в зоне шва, а различие в теплофизических свойствах приводит к неравномерному нагреву материалов, что является причиной возникновения остаточных термических напряжений. Все это ухудшает механические характеристики разнородных сварных соединений.

Комплекс исследований, проводимых специалистами СО РАН, включал сварку листов, применяемых в авиастроении алюминиевого и титанового сплавов, исследование микроструктуры полученного сварного соединения, в том числе изучение его структурно-фазового состава с применением СИ, а также оптимизацию режимов лазерной сварки.

Лазерная сварка выполнялась на автоматизированном лазерном технологическом комплексе "Сибирь" Института теоретической и прикладной механики СО РАН, дифракционные исследования проводились с использованием инфраструктуры центра коллективного пользования "Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения".

Читайте так же:
Цепи для бензопилы виды и размеры

"При помощи синхротронного излучения мы в деталях увидели, что происходит в шве после лазерной сварки встык, — поясняет старший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, руководитель станции "Дифрактометрия в жестком рентгеновском излучении", кандидат химических наук Алексей Анчаров. — Высокоинтенсивным пучком с поперечным размером в сто микрон мы посмотрели семь точек в шве и получили полную дифракционную картину. Для данного сварного соединения структурно-фазовый состав, определенный с использованием синхротронного излучения, был получен впервые. Мы увидели различные интерметаллидные образования (соединения двух металлов), большинство из которых оказались твердыми и хрупкими, что понизило прочность сварного шва. Следующей нашей задачей было получение однородного сплава".

Специалисты сместили лазерное излучение в сторону титанового сплава, в результате получив меньшее количество интерметаллидов и увеличив прочность сварного шва в 2,25 раза.

"Мы отрегулировали количество интерметаллидов и получили хорошее прочное соединение, что и увидели благодаря синхротронному излучению, — добавляет Александр Маликов. — Теперь необходимо проанализировать все возможные варианты смещения лазерного пучка – такие работы уже ведутся. Совместные исследования в Институте ядерной физики показали, что применение синхротронного излучения для диагностики создаваемых материалов – это приоритет. Высокая интенсивность и разрешающая способность источника синхротронного излучения уже сейчас позволяют нам на качественно новом уровне понимать, как взаимодействуют сплавы".

Центр коллективного пользования "Сибирский кольцевой источник фотонов" (СКИФ), проект которого реализуется в Новосибирске, повысит возможности ученых в разы. Тогда и будет достигнута конечная цель — получить сварную технологию, готовую к внедрению в авиастроительную отрасль, отметили в пресс-службе Института ядерной физики СО РАН.

Алюминий теплопроводность – Свойства алюминия: плотность, теплопроводность, теплоемкость Al

Перед тем как работать с различными металлами и сплавами, следует изучить всю информацию, касающуюся их основных характеристик. Сталь является самым распространенным металлом и применяется в различных отраслях промышленности. Важным ее показателем можно назвать теплопроводность, которая варьируется в широком диапазоне, зависит от химического состава материала и многих других показателей.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

  1. Для стали, которая не имеет примесей, значение составляет 70 Вт/(м* К).
  2. У углеродистых и высоколегированных сталей проводимость намного ниже. За счет увеличения концентрации примесей она существенно снижается.
  3. Само термическое воздействие также может оказывать воздействие на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.
Читайте так же:
Устройство клапана баллона монтажной пены

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

  1. Низкоуглеродистые стали имеют высокий показатель проводимости. Именно поэтому они используются при изготовлении труб, которые затем применяются при создании трубопровода системы отопления. Значение коэффициента варьирует в пределе от 54 до 47 Вт/(м* К).
  2. Средним коэффициентом для распространенных углеродистых сталей является значение от 50 до 90 Вт/(м* К). Именно поэтому подобный материал используется при изготовлении деталей различных механизмов.
  3. У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.

Таким образом, рассматриваемый показатель у легированных сплавов может меняться в зависимости от температуры эксплуатации.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:

Определяется рассматриваемый показатель при проведении испытаний в различных условиях. Как ранее было отмечено, коэффициент проводимости тепла может зависеть от температуры эксплуатации. Поэтому в таблицах указывается несколько его значений.

Конструктивная критика принимается здесь.

Теплопроводность металлов и сплавов: таблица

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Читайте так же:
Чем лучше склеить пластик несущий нагрузку

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

Обработка титана будущего с Ceratizit

Обработка титана будущего с Ceratizit

Снижение веса детали – основное требование в современной аэрокосмической отрасли. Это касается как гражданской, так и военной авиации. Все больше и больше находят применение композитные материалы, а детали, которые соединяют детали из композитов, изготавливаются в настоящее время все больше из титана. В связи с такой тенденцией обработка алюминия уходит на второй план. Увеличивается число субподрядчиков авиационных гигантов, которые имеют дело с труднообрабатываемым титаном.

Производители режущего инструмента делают в настоящее время упор на разработку новых сплавов, покрытий и геометрий, которые позволили бы при высокой производительности достичь низкой себестоимости изготовления деталей из трудно обрабатываемых материалов. Это возможно только при создании новых инструментов и пластин с отличной производительностью, хорошей стойкостью, отличными параметрами резания и безопасностью обработки. Недостаточно лишь улучшения имеющихся сплавов или геометрий для достижения таких целей. Поэтому ведущие инженеры Ceratizit разработали абсолютно новую комбинацию режущего материала, покрытия и геометрии, которые были изначально предназначены для обработки титановых сплавов:

• Новый сплав Ceratizit обладает отличной теплостойкостью;
• Новое покрытие Ceratizit с достаточной прочностью, отличной износостойкостью и низким коэффициентом трения;
• Новые стружколомы Ceratizit для улучшенного стружкодробления при обработке титановых сплавов.

Титановые сплавы характеризуются низкой плотностью, которая немного больше чем у алюминия. Однако при этом титан обладает большей прочностью, что позволяет изготавливать более тонкостенные детали с пониженным весом. Недостатком титановых сплавов является их трудная обрабатываемость, что отражается на повышенных затратах на изготовление деталей из-за низкой скорости обработки. Основной важной причиной этого является низкая теплопроводность титана. Титан проводит тепло примерно в 10 раз хуже, чем сталь. Титановая стружка не отводит тепло из зоны резания, и все тепло остается либо в пластине, либо в инструменте. Поэтому и было разработано новое покрытие с повышенной теплостойкостью, которое позволяет, благодаря своим характеристикам, работать на скоростях, которые на 15-20% выше, чем инструмент других производителей.

Читайте так же:
Устройство рулетки измерительной внутри

Недавно разработанное Ceratizit CVD покрытие TiB2 защищает твердый сплав от абразивного износа, а также служит тепловым барьером, чтобы тепло не дошло до самого твердого сплава при обработке. Покрытие имеет очень гладкую поверхность, чтобы стружка могла скользить по поверхности, не причиняя особого вреда пластине.

Только очень теплостойкое новое покрытие СТС5240 позволяет обрабатывать титановые сплавы пластинами с очень позитивной геометрией и острой режущей кромкой. В таком случае снижается усилие резания, тем самым также снижается теплообразование, и благодаря позитивной геометрии наблюдается отличное стружкодробление.

Таким образом, все эти положительные эффекты позволяют увеличить стойкость пластин Ceratizit на 20% по сравнению с пластинами других производителей.

Теплопроводность сплавов алюминия

Теплопроводность алюминия — это технический параметр, характеризующий свойства металла и сплавы на его основе. Значение этого показателя учитывается при формировании составов для изготовления литейных, деформируемых изделий, промышленного производства деталей и установок.

Теплопроводность алюминия

Характеристика теплопроводности материалов

Понятие теплопроводности материалов характеризуется способностью переносить тепловую энергию в пределах определенного объекта от нагретых частей к холодным. Процесс осуществляется атомами, молекулами, электронами и происходит в любых телах с неравномерным распределением температуры.

С позиций кинетической физики этот процесс происходит в результате взаимодействия частиц молекул более нагретых участков в пределах образца с другими элементами, отличающимися низшей температурой. Механизм и скорость переноса теплоты зависит от агрегатного состояния вещества.

Категория теплопроводности предусматривает определение скорости нагревания образца материала и перемещение температурной волны в определенном направлении. Показатель зависит от физических параметров:

  • плотности;
  • температуры фазового перехода в жидкое состояние
  • скорости распространения звука (для диэлектриков).

Коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, которая проходит через единицу площади однородного материала за единицу времени при разнице температуры.

Физические свойства алюминия

Химический элемент алюминий имеет кубическую кристаллическую структуру. Его удельный вес при 20 °C составляет 2,7 г/см³, температура плавления – +657…+660,2 °C, скрытая теплота плавления – 94,6 °C.

Алюминий высокой чистоты кипит при +1800…+2060 °C. При нагревании увеличивается показатель удельной теплоемкости металла, проводимость тепла и коэффициент линейного расширения.

Электропроводность алюминия возрастает с понижением температуры: при 189 °C составляет 156 ед., а при 400 °C – 12,5.

Среди химических элементов алюминий отличается высокой активностью. Он легко реагирует с кислородом, образуя плотную окисную пленку, предохраняющую металл от дальнейшего влияния среды.

Сплавы алюминия

По мере повышения температуры в металле растворяется водород, повышающий пористость материала. Примеси щелочных химических элементов (калия, натрия, кальция), кремния, магния способствуют резкому увеличению пористости алюминия.

Добавки меди, ниобия, никеля, марганца, железа, хрома, ванадия, циркония создают однородную структуру при остывании расплавленного материала. Влияние лигатурных добавок других компонентов на физические свойства металла и его сплавы учитывается в технологии литья изделий.

Читайте так же:
Станок для сверления петель

Наличие дополнительных материалов изменяет показатель проводимости тепла состава и температуру плавления. Например, при обычных условиях формирования алюминиевых сплавов сера и ее соединения уходят в шлак, не оказывая вредного влияния на свойства состава.

Такое же воздействие имеют фосфор, углерод, азот. Они не изменяют механические свойства сплава. Для производства литейных изделий из-за пониженной прочности чистый алюминий применяется редко.

Коррозионная стойкость металла тем выше, чем ниже в нем содержание примесей железа и кремния. Но их наличие несколько повышает прочность материала, снижая при этом пластичность и электропроводность.

Технические характеристики некоторых сплавов на основе алюминия

По технологическим особенностям сплавы подразделяются на основные группы:

  • литейные — обладают повышенными литейными технологическими свойствами;
  • деформируемые — легко поддаются обработке под давлением.

Например, создание алюминиевой конструкции, используемой в строительстве, требует особого вида сплава с повышенной прочностью, выдерживающего давление и нагрузку.

В зависимости от назначения составов на основе алюминия при их формировании руководствуются нормами и правилами, учитывающими:

  • проводимость тепла материалом;
  • точку перехода из расплава в твердое состояние;
  • наличие лигатурных компонентов, влияющих на технические параметры состава и повышающих прочность.

Соотношение основного компонента к добавкам влияет на показатель проводимости тепла сплава, учитывающегося при изготовлении радиаторов и других видов изделий, предназначенных для монтажа тепловых коммуникаций.

Сводные данные о проводимости тепла алюминиевых сплавов собраны в специальных справочниках. В них приводятся значения распространенных сплавов металла с кремнием, магнием, медью, цинком, дюралюминия. Имеются характеристики литейных сплавов при различных температурах с указанием теплофизических свойств состава. Основными считаются показатели:

  • плотности;
  • коэффициента теплопроводности;
  • коэффициента линейного теплового расширения;
  • температуры изменения прочности;
  • коррозионной устойчивости на воздухе;
  • удельного электрического сопротивления.

Анализ данных свидетельствует о зависимости коэффициента теплопроводности от роста температуры и состава материала. Низкая теплопроводность свойственна в основном литейным составам на основе алюминия с маркировками АК4, АЛ1, АЛ8.

Наиболее высокой плотностью обладают составы основного компонента с кремнием, цинком. Из легких материалов наиболее плотным является состав, содержащий магний. Содержание меди в материале повышает его прочность и устойчивость к коррозии.

Сплавы алюминия с цинком и магнием

Чем выше содержание в составе на основе алюминия, тем больше его теплопроводность, которая увеличивается при нагревании материала. Наличие лития в составе сплава приводит к уменьшению значения коэффициента теплопроводности.

Удельная теплоемкость сплава с содержанием магния и кремния увеличивается при нагревании. Среди алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mn наиболее теплопроводным является деформируемый состав Д20.

Он содержит в незначительных количествах (0,05–7%) примеси железа, кремния, марганца, титана, циркония, магния, цинка и 91–93,5% алюминия и предназначен для изготовления сварных изделий, работающих при комнатных или кратковременно повышенных температурах.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector