INFLUENCE OF THE PHYSICO-CHEMICAL STATE OF CONTACT SURFACES ON THE DEVELOPMENT OF THE PROCESS OF DIFFUSION WELDING OF TITANIUM
Authors: Булков А.Б. , Пешков В.В. , Корчагин И.Б. , Селиванов Г.В. 
Published: January 2021

Цель данной работы - установление влияния физико-химического состояния контактных поверхностей титана, характеризуемых толщиной оксидных пленок, охрупченных и газонасыщенных слоев, на их взаимодействие при диффузионной сварке. Исследования проводились на цилиндрических образцах из титанового сплава ОТ4, контактная поверхность одного образца представляла собой круговой конус с углом при вершине 120°, второй образец имел плоскую поверхность. Формирование поверхностных слоев производилось путем отжига образцов в вакууме 2,6 Па при температуре 750 °С в течение 10 мин, что сопровождалось образованием на контактных поверхностях оксидных пленок толщиной 51,5 нм, охрупченных слоев глубиной ~3,5 мкм и газонасыщенных слоев глубиной до 16 мкм. Частичное удаление газонасыщенного слоя с контактных поверхностей перед диффузионной сваркой осуществлялось регламентированным химическим травлением в смеси азотной и плавиковой кислот. Диффузионная сварка выполнялась при температуре 900 °С и давлении 5 МПа в течение 3 мин в вакууме 3∙10 Па с дополнительной защитой от окисления экраном из титановой фольги. Качество сварного соединения оценивали путем испытаний на статическое растяжение, визуальной оценкой топографии поверхностей разрушения и определением содержания кислорода в поверхностных слоях рентгеноспектральным микроанализом. Установлено, что при диффузионной сварке титана параметром, характеризующим физико-химическое состояние контактных поверхностей и ответственным за развитие процесса их взаимодействия, является толщина поверхностного охрупченного слоя. Удаление перед сваркой с предварительно окисленных контактных поверхностей охрупченного слоя обеспечивает развитие процесса образования химических связей между свариваемыми поверхностями и формирование диффузионного соединения с прочностью на уровне основного металла, а при удалении несколько большей толщины охрупченного слоя - рост прочности при испытаниях на статический разрыв

The aim of this work is to establish the influence of the physico-chemical state of the contact surfaces of titanium, characterized by the thickness of oxide films, embrittled and gas-saturated layers, on their interaction during diffusion welding. Investigations were carried out on cylindrical specimens of titanium alloy OT4, the contact surface of one specimen was a circular cone with an apex angle of 120°, the second specimen had a flat surface. The formation of the surface layers was carried out by annealing the samples in a vacuum of 2.6 Pa at a temperature of 750° C for 10 min, which was accompanied by the formation on the contact surfaces of oxide films 51.5 nm thick, embrittled layers ~ 3.5 μm deep and gas-saturated layers up to 16 μm. Partial removal of the gas-saturated layer from the contact surfaces before diffusion welding was carried out by regulated chemical etching in a mixture of nitric and hydrofluoric acids. Diffusion welding was carried out at a temperature of 900° C and a pressure of 5 MPa for 3 min in a vacuum of 3∙10 Pa with additional protection against oxidation by a titanium foil screen. The quality of the welded joint was assessed by static tensile tests, visual assessment of the topography of the fracture surfaces and determination of the oxygen content in the surface layers by X-ray spectral microanalysis. We established that in diffusion welding of titanium, the parameter characterizing the physico-chemical state of contact surfaces and responsible for the development of the process of their interaction is the thickness of the surface embrittled layer. The removal of the embrittled layer from the pre-oxidized contact surfaces before welding ensures the development of the process of the formation of chemical bonds between the surfaces to be welded and the formation of a diffusion joint with strength at the level of the base metal, and when removing a slightly larger thickness of the embrittled layer, an increase in strength during static rupture tests