Дилатометрические исследования физических параметров труб волноводов КВЧ-диапазона

Для изготовления полосовых фильтров диапазона крайне высоких частот с требуемыми рабочими характеристиками необходимо использовать материалы с низким температурным коэффициентом линейного расширения ТКЛР (1÷2)∙10–6 1/оС в диапазоне рабочих температур [1]. Таким требованиям может отвечать сплав 32НКД и др. (см. таблицу). Температурный коэффициент линейного расширения связан с упругостью металлов Е, а также зависит от строения кристаллической решетки металлов [2]. Для металлов ГЦК (гранецентрированная решетка) и ОЦК (объемоцентрированная решетка) решетками выполняется зависимость aV=KχT, (1) где a – температурный коэффициент линейного расширения; V – объем; χT – коэффициент изометрической сжимаемости; К – константа Больцмана.

Лучшей характеристикой по a обладает сплав 32НКД.

Известно, что температурный коэффициент линейного расширения зависит от ряда факторов, например, от пластической деформации. Влияние пластической деформации на коэффициент температурного расширения описывается соотношением a=aо (1+ Аε),                   (2)

где a _о – коэффициент расширения недеформированно-го металла.

Коэффициент А рассчитывается по формуле

А =χ Т Е γ /3,                    (3)

где Е – модуль упругости; γ – параметр Грюнайзена; ε – степень деформации.

Параметр Грюнайзена может быть представлен следующим образом:

∂ln θ

∂ ln V ^,

где θ – температура Дебая; V – объем.

Параметр γ слабо зависит от температуры, однако значение А в выражении (3) для ряда металлов находится в пределах 1,3…2,3.

Из этого следует, что деформация увеличивает коэффициент термического расширения металлов. При многостороннем деформировании труб волноводов малого сечения изготавливаемых из сплава 32НКД возникают напряжения в каждом сечении очага деформации при обжатии заготовки роликовой фильерой (рис. 1, 2).

Основные характеристики сплавов с низким температурным коэффициентом линейного расширения

Сплав	a ср ⋅ 105, К - 1 (20 ÷ 100 оС)	Точка Кюри, оС	ρ , мкО∙м	Е , МПа	σ ,МПа В	δ ,%	НС ,А/м
36Н	1,5	220	0,82	14800	447	45	12,7
32НКД	1	220	0,78	14100	451	41	12,7
35НКТ	3,5	210	0,85	–	1110	17,5	15,1

В процессе изготовления волноводов КВЧ-диапазона из сплава 32НКД методом многостороннего деформирования напряжения 5 z в каждом сечении зависит от координаты z и определяется в общем виде по формуле [3]

5 z = Т. ( z )/ F ( z ), (5)

где F ( z ) – площадь поперечного сечения прямоугольной трубы волновода; Т_в ( z ) – усилие протягивания.

Для расчета 5 z при напряженно-деформированном состоянии трубы волновода сечением 5,2 х 2,6 мм и 3,6 х 1,8 мм было использовано дифференциальное уравнение равновесия [4]

Выполненные расчеты по определению напряжений в сечениях очага деформации волновода (6) показали, что 5 _z зависит от усилий обжатия и координаты очага деформации волноводов сечением 3,6 х 1,8 мм и 5,2 х 2,6 мм и носит нелинейный характер (рис. 3). Расчетным путем было установлено, что при изготовлении волноводов сечением 3,6 х 1,8 мм напряжение в центре деформации достигало 880 МПа, а для волноводов сечением 5,2 х 2,6 мм – 400 МПа. Расчеты проводились по разработанной нами программе Volnovod–T.

где

d 5 dh

- + 5 z(c +   ) = fc (е z dzdz

-е y),

dh dz

-

Д

Тр ^;

dh _   Z o . dz V R2 - Z2 ’ f _ 5

где ^{f _} /_е - функция пластичности; е i - функция пластичности деформации; 5 i - функция пластичности напряжения; h ( z ) – высота сечения трубы волновода; Z – участок давления со стороны ролика на трубу волновода; K _т^Д_р и K _т ^b _p – коэффициенты трения в парах «трубчатая заготовка – инструмент (дорн)» и «ролик фильеры – трубчатая заготовка»; R – радиус роликовой фильеры. Модель участка деформируемой зоны d_z трубы, которая была принята для расчета напряжений в зоне деформации (6), изображена на рис. 1.

Для уравнения (6) поставим следующие краевые условия: h (0) = l; 5 (0) = K , причем расчеты выполнены для всех K от 400 до 880 МПа.

Рис. 2. Схема процесса изготовления труб волноводов, применяемая для расчета напряжений в зоне деформации: 1 – инструмент-дорн; 2 – трубная заготовка; 3 – ролики регулируемой четырехроликовой фильеры; 4 – хво стик инструмента-дорна

Рис. 1. Схема участка деформируемой зоны трубы волновода: т т ₂ - касательные напряжения; 5 _z - напряжения в каждом сечении; h – высота сечения трубы волновода; dH – величина обжатия

Рис. 3. Напряжение 5 _z в сечении очага деформации:

1 - для волновода сечением 5,2 х 2,6 мм;

2 - для волновода сечением 3,6 х 1,8 мм

Схема процесса изготовления труб волноводов показана на рис. 2 [4].

После изготовления волноводов сечением 5,2 х 2,6 мм и 3,6 х 1,8 мм из сплава 32 НКД методом многостороннего деформирования исследовали температурный коэффициент линейного расширения. Для этого использовался индуктивный дилатометр DIL – 402 С фирмы Netzch с программным обеспечением Windows^ТМ, включающий все необходимое для выполнения измерений и расчета экспериментальных данных. Калибровку дилатометра осуществляли корундовым стандартом фирмы Netzch. Измеряемые образцы имели размер 25 ± 0,05 мм, толщину

стенки 1 мм. Измерение ТКЛР проводилось со скоростью 5 К/мин в интервале температур 30–160 oС в атмосфере инертного газа, для исключения окисления образцов при нагревании. Принципиальная схема дилатометра DIL 402 C представлена на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема дилатометра DIL 402C (Netzsch): 1 – образец волновода; 2 – трубчатый держатель;

3 – толкатель; 4 – индуктивный датчик перемещения;

5 – печь; 6 – термопара образца; 7 – термопара печи;

8 – цифро-аналоговый преобразователь сигналов

Образец 1 находился в гомогенной области температурного поля печи 5. Печь нагревалась и охлаждалась по заданной программе. Управление температурой печи осуществлялось термопарой 7. Температура образца измерялась термопарой 6. Через толкатель 3 изменение длины механически передавалось на индуктивный датчик смещения длины 4, с цифрового аналогового преобразователя подавался сигнал на компьютер, где производилась обработка информации и построение графиков a = f T) ; L / L 0 = f T).

Графики дилатометрических исследований темпера турного коэффициента линейного расширения и отно сительного линейного расширения , полученные после изготовления волноводов сечения 5,2 х 2,6 мм и 3,6 х 1,8 мм методом многостороннего деформирования, представлены на рис. 5. Графики 1 и 3, 2 и 4 показывают, что относительное удлинение dL / L и температурный коэффициент температурного расширения a у волновода сечением 3,6 х 1,8 мм существенно выше, чем у волновода сечением 5,2 x 2,6 мм.

Изменение a (кривая 1) для волновода сечением 5,2 х 2,6 мм в сторону отрицательных значений, а затем в сторону положительных значений вероятно связано с пластической деформацией и релаксацией дефектов кристаллической решетки. В диапазоне 100 + 140 ⁰С a изменяется более быстро в сторону увеличения, достигая 1,75∙10^–6 1/^oС.

Для волновода малого сечения 3,6 х 1,8 мм a растет более интенсивно и достигает значения 3,8∙10^–6 1/^oС при Т = 140 ^oС. Это увеличение б связано с большей деформацией волновода сечением 3,6 х 1,8 мм ( a z = 880 МПа), чем для волновода сечением 5,2 х 2,6 мм ( a = 400 МПа) при обжатии А = 0,15 мм во время изготовления многосторонним деформированием.

Рис. 5. Зависимости коэффициента линейного расширения волноводов a и относительного линейного удельного расширения dL / L ₀: 1, 3 - a для волноводов сечением 5,2 х 2,6 мм и 3,6 х 1,8 мм; 2, 4 - dL / L ₀ для волноводов сечением 5,2 х 2,6 мм и 3,6 х 1,8 мм

Таким образом, при изготовлении волноводов КВЧ-диапазона методом многостороннего деформирования рекомендуемое напряжение a z <  400 МПа для обеспечения a = 1 + 2^10^-6 1/⁰С. Рациональный рабочий диапазон для использования волноводов Т = 20 + 100 ⁰С.