Низкотемпературный отжиг сварных конструкций из титановых сплавов

А.Б. Коломенский*, H.A. Ночовная, В.Ю. Зубарев*

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ОТЖИГ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

В работах [1, 2] показана возможность и целесообразность применения неполного отжига для сварных листовых титановых конструкций в качестве окончательного вместо полного отжига. Вместе с тем требуют уточнения температурные диапазоны режимов неполного отжига, обеспечивающие максимальную эксплуатационную долговечность конструкций. Кроме того, рациональные схемы изготовления листовых изделий в ряде случаев включают процессы деформирования элементов конструкций со сварными швами (рихтовки, формообразования).

В данной работе образцы после сварки и отжига в течение 1 ч подвергали облагораживающему травлению на глубину 80...90 мкм для снятия газонасыщенного слоя и исключения его влияния на результаты испытаний. Часть образцов изготовляли только с поперечным швом при ширине рабочей зоны 15 мм, другую часть - с перекрестными швами при ширине рабочей зоны 40 мм, причем продольный шов выполняли в последнюю очередь на готовом образце. В результате в образцах первой партии сохранялись остаточные напряжения только 2-го рода; напряжения 1-го рода практически полностью снимались при вырезке образцов из заготовок. В образцах второй партии сохранялись остаточные напряжения как 1-го, так и 2-го рода. Полученные образцы подвергали испытанию на повторно-статическое растяжение на установке УММ-10 при R=0,1 и 1=0,6-0,8 Гц (рис. 1).

а) б) в)

Температура отжига, °С

Рис. 1. Зависимость повторно-статической долговечности

Характер зависимости долговечности от температуры отжига для исследованных сплавов практически одинаков - как для пластичного низкопрочного технического титана ВТ1-0, так и для высокопрочного сплава ВТ6ч. (см. рис. 1). При температурах 350-450°С наблюдается максимум долговечности, а с повышением температуры отжига до 850°С - постепенное снижение долговечности. Для образцов с поперечными швами указанные тенденции проявляются сильнее. Таким образом, максимальная циклическая долговечность достигается при отжиге, обеспечивающем только частичное снятие остаточных напряжений; более высокотемпературный отжиг, при котором напряжения снимаются полностью, приводит

* Воронежское акционерное самолетостроительное общество (г. Воронеж).

к существенному падению долговечности. Такое снижение долговечности можно объяснить разупрочнением в процессе отжига зоны термического влияния, в которой при сварке протекает пластическая деформация, повышающая предел текучести металла.

Изучение микроструктур сварных соединений показало некоторую коагуляцию пластинчатой а'-фазы у титана ВТ 1-0 и сплава ОТ4 после отжига при 650°С.

Выявленные максимумы прочности при более низких температурах неполного отжига объясняются, видимо, эффектом дорекристаллизационного упрочнения [3]. Данный эффект связывают с закреплением подвижных дислокаций в исходном холод-нодеформированном металле и в дислокационных стенках, возникающих при полиго-низации, атомами растворенных примесей и легирующих элементов.

Известно, что листовые полуфабрикаты поступают с завода-изготовителя в частично нагартованном (после проглаживания) состоянии (деформация 2-6%). При отжиге металл разупрочняется, что может сказываться на ресурсных характеристиках изделия. При испытании на кратковременный разрыв листов титановых сплавов после отжига при 350-450°С выявлен устойчивый максимум прочностных свойств, связанный с эффектом дорекристаллизационного упрочнения. При циклических испытаниях листов показано, что для обеспечения максимальной повторно-статической долговечности листов титановых сплавов, поставляемых в упрочненном состоянии (после проглаживания), достаточен неполный отжиг при 350-450°С.

При изучении вопроса влияния остаточных напряжений на работоспособность сварных конструкций принципиальное значение имеют, во-первых, масштабный фактор и, во-вторых, схема напряженного состояния в процессе испытаний. В связи с этим дополнительно проводили испытания натурных образцов сварных труб 080 мм из технического титана ВТ 1-0 и сплава ОТ4 толщиной 0,8 мм пульсирующим внутренним давлением (Г =0,25 Гц, ошах=5 МПа; Я=0); при этом реализовывалась схема двухосного напряженного состояния. Наибольшую долговечность показали сварные трубы после неполного воздушного отжига при 430-450°С - как и в случае листовых образцов. Полный отжиг (550°С для титана ВТ1-0 и 660°С для сплава ОТ4) снижает долговечность труб в -1,5 раза.

В работе исследовали влияние степени деформации и температуры последующего отжига на повторно-статическую долговечность сварных соединений.

Определена практическая возможность осуществления холодной деформации сварных соединений титановых сплавов. При изгибе технический титан без существенных потерь в долговечности можно деформировать до 18%, сплавы ОТ4 и ВТ6ч. - до 7 и 2% соответственно. Деформация растяжением этих сплавов на 23; 3 и 1,5% соответственно сопровождается значительным ростом долговечности титана ВТ 1-0, сохранением долговечности на исходном уровне для сплава ОТ4 и снижением ее на -30% для сплава ВТ6ч.

На рис. 2 показаны результаты исследования влияния температуры отжига на повторно-статическую долговечность сварных образцов, подвергнутых предварительному изгибу с регламентированной степенью деформации. Образцы изготовляли с продольным сварным швом и центральным отверстием-концентратором. Отверстие 02,5 мм при ширине рабочей зоны 15 мм (коэффициент концентрации по Нейберу 2,6) выполняли непосредственно перед испытанием. Представленные данные показывают, что низкотемпературный отжиг в наибольшей мере повышает повторно-статическую выносливость деформированных сварных соединений из титановых сплавов. Причина этого также связана с эффектом дорекристаллизационного упрочнения. Данная устойчивая зависимость проявляется при всех исследованных технологических вариантах -

при обеих схемах деформирования (изгиб и растяжение), при отсутствии и наличии геометрических концентраторов, для сплавов различных групп прочности, сварных соединений и основного металла. Разупрочнение при высоких температурах во всех случаях оказывает преобладающее негативное воздействие на циклическую прочность.

N кцикл 5

а)

100 300 500 700

К, кцикл 14

б)

К, кцикл

б)

100 300 500 700 Температура отжига, °С

100 300 500 700

Рис . 2. Зависимость долговечности при повторно-статическом растяжении сварных соединений толщиной 0,8 мм с предварительной деформацией изгиба

Полученные в работе результаты свидетельствуют о неоправданности назначения для сварных холоднодеформированных конструкций высокозатратного полного отжига, осуществляемого, как правило, в вакуумных печах либо в контейнерах с инертными газами.

При соблюдении технологического процесса, исключающего возможность наво-дороживания металла, а также при отсутствии необходимости в термоправке конструкции целесообразно в качестве окончательного назначать экономичный низкотемпературный отжиг в воздушной среде, обеспечивающий изделиям наибольшую эксплуатационную долговечность в условиях повторно-статического нагружения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коломенский А.Б., Муравьев И.И. Характеристики работоспособности сварных соединений титана ВТ1-0 и сплава ОТ4 после различных вариантов отжига //В кн.: Актуальные проблемы сварки цветных металлов: Докл. на II Всесоюзной конференции.- Киев: Наукова думка, 1985, с. 183-184.

2. Коломенский А.Б., Муравьев И.И. Влияние вариантов отжига на усталостные характеристики сварных листовых соединений сплава ВТбч. //III Всесоюзн. конференция по сварке цветных металлов. Тез. докл.- Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 1986, с. 47.

3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов.- М.: Металлургия, 1986, 480 с.