Диффузионная сварка титана с использованием давления на начальном этапе

УДК 53.072:621.791.4

ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА ТИТАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАВЛЕНИЯ

НА НАЧАЛЬНОМ ЭТАПЕ

В.В. Пешков, А.Б. Булков, И.Б. Корчагин, С.М. Ларсов

В статье рассмотрен технологический процесс диффузионной сварки титановых конструкций. Особенностью рассматриваемой технологии является снятие внешнего сжимающего давления на заключительном этапе сварки для уменьшения накопленной деформации свариваемых заготовок.

Экспериментальные исследования проводились на цилиндрических образцах из сплава ОТ4 с исходной глобулярной микроструктурой. Сварку производили в вакууме 2,6 Па при температурах 850-950 °С и длительности выдержки 10-90 мин под давлением 2 МПа. На второй стадии образцы подвергали изотермическому отжигу в среде аргона в течение 60-180 мин.

Качество соединения оценивали по статической прочности на разрыв. Для выявления механизма формирования зоны соединения исследовались микроструктуры образцов и топографии поверхности разрушения.

Показано, что при диффузионной сварке титановых сплавов с исходной глобулярной (равноосной мелкозернистой) микроструктурой величина накопленной деформации свариваемых заготовок может быть снижена более чем в два раза. Предложено выполнять процесс сварки в интервале температур полиморфного превращения, при этом используя сварочное давление только на первом этапе для образования физического контакта площадью не менее 50 % от номинальной, а затем без давления производить изотермический отжиг. Установлена зависимость длительности изотермического отжига от температуры, позволяющая получить соединение равнопрочное основному материалу

Ключевые слова: титановые сплавы, микроструктура, диффузионная сварка, микрорельеф

Введение

При I рассмотрении механизма образования соединения в процессе диффузионной сварки титана [1] было показано, что при сближении контактных поверхностей в процессе ползучести под действием сжимающего давления на расстояние соизмеримое с высотой микрорельефа, формирующегося под действием собственных напряжений, происходит формирование микроконтактов, являющихся очагами схватывания. После этого без участия сжимающего давления может происходить рост площади контакта по механизму спекания и, как следствие этого, рост прочности соединения.

Целью проведения исследований было установление практической целесообразности снятия внешнего сжимающего давления на заключительном этапе сварки для уменьшения накопленной деформации свариваемых заготовок.

Методика выполнения экспериментов

Сварка стыковых цилиндрических образцов для механических испытаний и металлографических исследований осуществлялась по стандартной схеме, при которой сжимающее

Пешков Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: otsp@vorstu.ru

Булков Алексей Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: bulkov ab@mail.ru

Корчагин Илья Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: otsp@vorstu.ru

Ларсов Сергей Михайлович - ВГТУ, магистрант, e-mail: otsp@vorstu.ru

давление р прикладывается к свариваемым заготовкам при достижении температуры сварки.

Финишной обработкой контактных поверхностей одной партии образцов было полирование до ^а=0,2-0,3 мкм, а другой - чистовое точение, обеспечивающее Ra=6,8-7 мкм.

Диффузионную сварку образцов из сплава ОТ4 с исходной глобулярной (мелкозернистой) микроструктурой проводим в вакууме 2,6 Па с использованием давления р=2,0 МПа только на начальном этапе. Длительность приложения давления, выбранная из условия создания предварительного контакта площадью Fотн=0,5-0,55 от номинальной площади, при температурах 850, 900, 950 °С составляла 90, 25 и 10 мин, соответственно. После развития начального контакта давление снималось и образцы подвергали изотермическому отжигу в среде аргона в течение 60-180 мин.

Прочность соединения при испытаниях на статический разрыв после образования начального контакта составляла 0,60-0,73 от предела прочности основного металла (ств=765 МПа).

Сварка и испытание образцов с использованием давления на начальном этапе показали, что при температуре 850 °С увеличение длительности изотермического отжига до трех часов практически не приводило к повышению прочности соединения (ств«460 МПа). Микроструктура зон соединения и топография поверхностей разрушения приведены на рис. 1 и 2 (поз. а). Средний размер протяженности дефектов в зоне контакта составляет 45-50 мкм, а

относительная суммарная протяженность всех дефектов 48 %.

Повышение температуры сварки до 900 °С сопровождается увеличением прочности соединения, которая после трехчасового изотермического отжига достигает прочности основного металла, но разрушение соединения при испытаниях происходило по плоскости контакта свариваемых образцов. Типичная микроструктура зон соединения и топографии поверхностей разрушения приведены на рис. 1 и 2 (поз. б). С увеличением длительности изотермического отжига средний размер протяженности дефектов сокращался до 38-43 мкм и, как следствие этого, уменьшалась суммарная протяженность дефектной зоны до 43 %.

ПГ

Рис. 1. Микроструктуры зон диффузионного соединения сплава ОТ4, полученного с использованием давления 2 МПа на начальном этапе и последующего изотермического отжига в течение 60 мин при температурах, °С: а - 850; б - 900; в - 950, х500

Фрактографический анализ поверхностей разрушения показывает, что увеличение длительности изотермического отжига при 900 °С сопровождается увеличением размеров гребней отрыва и формированием чашечного рельефа. Это дает основание считать, что рост прочности соединения связан, в первую очередь, с развитием процесса сварки на участках контакта, сформированного на первом этапе при деформации микровыступов от механической обработки под действием приложенного давления.

Да - .

Рис. 2. Топографии поверхностей разрушения диффузионного соединения сплава ОТ4, полученного с использованием давления 2 МПа на начальном этапе и последующего изотермического отжига в течение 60 мин при температурах, °С: а - 850; б - 900; в - 950, х1500

После сварки при 950 °С и изотермического отжига в течение одного часа прочность

а

в

диффузионного соединения равнялась прочности основного металла, но разрушение соединения происходило по зоне сварки. Микроструктура зон соединения и топография поверхностей разрушения приведены на рис. 1 и 2 (поз. в). Увеличение длительности изотермического отжига до двух часов приводит к формированию диффузионного соединения, разрушающегося при испытаниях на статический разрыв по основному металлу, при этом удлинение (д) равнялось 12,5 %, а сужение (щ) -27,3 %.

Повышение прочности соединения за счет дополнительного изотермического отжига связано с развитием процесса сварки на дефектных участках в зоне стыка - между гребнями микровыступов от механической обработки. В процессе отжига на этих участках вначале появляются отдельные очаги взаимодействия свариваемых поверхностей, плотность которых возрастает с увеличением длительности отжига.

Обращает на себя внимание различие в поверхностях разрушения участков диффузионного соединения, сформировавшегося в процессе пластической деформации микровыступов и образовавшегося при последующем изотермическом отжиге (рис. 3). И хотя разрушение соединений в обоих случаях происходит по механизму зарождения, роста и слияния микрополостей, в первом случае (рис. 3, а) соединения обладают меньшей прочностью и пластичностью, чем во втором (рис. 3, б), о чем свидетельствуют размеры (диаметр, глубина) ямок изломов.

б

Рис. 3. Топографии поверхностей разрушения диффузионного соединения сплава ОТ4, сформировавшегося при 950 °С в процессе пластической деформации микровыступов (а) и последующего изотермического отжига (б), х4000

Сопоставление деформаций образцов е, сопутствующих получению соединения равнопрочного основному материалу при сварке сплава ОТ4 при 950 °С и давлении 2,0 МПа по технологическим схемам: с использованием давления в течение всего времени сварки и с использованием давления только на начальном этапе, показало, что в первом случае е=6-7 %, а во втором - е=2,5-3 %. Однако длительность процесса сварки в первом случае составила 30 мин, а во втором - 130 мин.

Длительность процесса сварки с использованием давления на начальном этапе может быть сокращена при обеспечении качества соединения на уровне основного материала, если после развития контакта при 950 °С до Fотн>0,5 снять давление, повысить температуру до 1000 °С (на 20-30 °С выше окончания а+0^0-превращения) и провести изотермический отжиг при этой температуре в течение 15-20 мин. Микроструктура зон соединения и топография поверхности его разрушения приведены на рис. 4.

Наблюдаемый эффект в большей степени следует связывать не с величиной температуры, а с развитием сварки в процессе нагрева (длительность нагрева от 950 °С до 1000 °С составляла 10-15 мин) при переходе через интервал полиморфного превращения, когда внутренние (собственные) напряжения будут достигать максимальных значений при минимальном сопротивлении сплава высокотемпературной деформации и, как следствие этого, наблюдается интенсивное развитие деформационных рельефов в зоне сварки, что положительно сказывается на образовании соединения.

Иная картина наблюдается, если сжимающее давление, необходимое для развития предварительного контакта ^отн~0,5), прикладывается не при 950 °С, а при 1000 °С, т.е. в в-фазе. Последующий изотермический отжиг без давления хотя и приводит к росту предела прочности сварного соединения, но даже после двухчасового отжига разрушение соединения при испытаниях на разрыв происходило в зоне сварки по контактным поверхностям (рис. 5).

Выводы

1. При диффузионной сварке титановых сплавов с исходной глобулярной (равноосной мелкозернистой) микроструктурой величина накопленной деформации свариваемых заготовок может быть снижена (более чем в 2 раза), если процесс сварки выполняют в интервале температур полиморфного превращения (~950 °С) в два этапа. Сварочное давление ис-

пользуется только на первом этапе для образования физического контакта площадью не менее 50 % от номинальной, на втором - рост площади контакта происходит при изотермическом отжиге без давления за счет механизма спекания.

2. Длительность изотермического отжига зависит от температуры. При использовании температуры выше окончания полиморфного превращения (~1000 °С) длительность отжига сокращается почти в 10 раз по сравнению с отжигом при 950 °С.

в х1000

Рис. 4. Микроструктура (а) и топографии поверхностей разрушения (б, в) зон диффузионного соединения сплава ОТ4, полученного с использованием давления 2 МПа на начальном этапе при 950 °С и последующего изотермического отжига при 1000 °С в течение 20 мин

в х1000

Рис. 5. Топографии поверхностей разрушения диффузионного соединения сплава ОТ4, полученного с использованием давления 2 МПа на начальном этапе и последующего изотермического отжига в течение 30 мин (а) и 120 мин (б, в) при 1000 °С

Литература

1. Механизм образования соединения при диффузионной сварке титана / В.В. Пешков, А.Б. Булков, С.В. Сафонов и др. // Сварочное производство. - 2012. - №12. -С. 23-28.

Воронежский государственный технический университет

DIFFUSION WELDING OF TITAN USING PRESSURE IN THE INITIAL STAGE

V.V. Peshkov1, A.B. Bulkov2, I.B. Korchagin3, S.M. Larsov4

'Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: otsp@vorstu.ru

2PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: bulkov_ab@mail.ru 3PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: otsp@vorstu.ru 4MA, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: otsp@vorstu.ru

The article describes the technological process of diffusion welding of titanium structures. The feature of the technology under consideration is the removal of the external compressive pressure at the final stage of welding to reduce the accumulated deformation of the welded blanks.

Experimental studies were carried out on cylindrical samples of the OT4 alloy with initial globular microstructure. The welding was carried out in the vacuum 2.6 Pa at 850-950 °C and the holding time 10-90 min under the pressure 2 MPa. In the second stage, the samples were subjected to isothermal annealing in argon medium for 60-180 minutes.

The bond quality was evaluated by the static tensile strength. To determine the mechanism of bond zone formation, the microstructure of the samples and the topography of the fracture surface were investigated.

It is shown that in the case of diffusion welding of titanium alloys with an initial globular (equiaxed fine-grained) microstructure, the value of the accumulated deformation of the welded blanks can be reduced by more than 2 times. It is proposed to carry out the welding process in the temperature range of polymorphic transformation, using the welding pressure only at the first stage to form a physical contact with the area at least 50% of the nominal one, and then to produce isothermal annealing without pressure. The dependence of the duration of isothermal annealing on temperature is established, which makes it possible to obtain a compound that is equivalent to the main material

Key words: titanium alloy, microstructure, diffusion welding, microrelief

References

1. Peshkov V.V., Bulkov A.B., Safonov S.V. "Mechanism of Compound Formation in Titanium Diffusion Welding", Welding production, 2012, no. 12, pp. 23-28.