СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ЛИТЕЙНОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ
DIFFUSION WELDING OF NICKEL-BASED CASTABLE REFRACTORY ALLOY

Изобретение относится к сварке, а именно к способам соединения деталей из литейного жаропрочного сплава на никелевой основе методом диффузионной сварки, и может быть использовано для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, реактивных двигателях, атомно-энергетических установках и т.д.
2
Прототипом данного изобретения является способ диффузионной сварки сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. - М.: Машиностроение, 1976 г., 312 с.). Способ заключается в том, диффузионную сварку проводят при температуре 1000°С, удельное давление сжатия 2 кг/мм, с последующей выдержкой при 1200°С в течение 20 мин.
Недостатком этого способа является, то что за время сварки при указанной температуре (не более 20 мин) не успевает сформироваться прочное соединение. Температура 1000°С для сварки литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе низкая для диффузионной активности. Свойства, характеризующие пластичность, по сравнению со свойствами основного металла занижены. Сварное соединение имеет низкую прочность на разрыв.
2
Известен способ изготовления детали из литейных никелевых сплавов ЖС32 и ЖС32МОНО (патент №2494161, МПК С22С 19/00, В23К 20/14, В23К 103/08, дата публикации 27.09.2013 г.), по которому изготовляют детали из литейных никелевых сплавов ЖС32 или ЖС32МОНО, которые в себя включают не менее двух фрагментов детали из упомянутых сплавов путем диффузионной конгломерации с приложением нагрузки 11 г/мм в вакууме при температуре 1320°С в течение 40 мин - 1 ч.
2
Недостатком этого способа является то, что для двигателестроения, где предъявляются высокие требования к характеристикам сварных соединений, химическому составу и микроструктуре зоны сварки приложенная нагрузка 11 г/мм недопустима, т.к. эксплуатационные и прочностные характеристики сварных деталей по этой причине снижаются. Отсутствие требуемой нагрузки не позволяет стабилизировать и повысить прочностные свойства соединений, т.к. крайне низкая диффузионная активность.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа диффузионной сварки литейного жаропрочного сплава на никелевой основе без промежуточных прослоек в вакууме с оптимальным подбором режимов сварки. Это позволяет:
- исключить изменения в структуре свариваемого материала;
- минимизировать пластическую деформацию детали;
- обеспечить необходимую стабильную прочность соединения.
s
св
лп
лп
св
s
2
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе диффузионной сварки из литейного жаропрочного сплава на никелевой основе, включающем сборку элементов под сварку, вакуумирование, температуру сварки выбирают из соотношения 0,987T<Т<1,001Т, где Т - температура локального плавления литейного сплава, Т - температура сварки, T - температура солидуса свариваемого материала, а сжатие осуществляют сварочным усилием 1-3 кг/мм, обеспечивающим макропластическую деформацию в течение времени, которое требуется на осуществление процесса сварки, 0,5-2,5 часа, затем снимают сварочное усилие и охлаждают до комнатной температуры со скоростью не более 30-50°С/мин.
Экспериментально установлено, что при таком удельном давлении и за это время пластическая деформация свариваемых деталей не превышает 5%, что указывает на то, что происходит лишь деформация микровыступов на свариваемых поверхностях. А это, в свою очередь, не приводит к структурным изменениям в сплаве, что положительно влияет на прочность сварного соединения. Кроме того, для повышения технологических характеристик после снятия сварочного усилия охлаждают до комнатной температуры со скоростью не более 30-50°С/мин.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выбранный режим диффузионной сварки, позволяет активизировать диффузионные процессы, протекающие в зоне контакта. А выбранная скорость охлаждения способствует выделению упрочняющих частиц, стабилизации структуры сплава, что обеспечивает высокий уровень прочности и неизменность микроструктуры материала. Все это увеличивает ресурс и надежность сварной конструкции, работающей в условиях жесткого нагружения.
Пример 1
s
св
лп
лп
св
св
s
2
Были изготовлены детали из сплава ЖС32 с размерами 17×40 каждая. Детали под сварку собирались торцевыми поверхностями и помещались в диффузионную установку. Рабочую камеру установки вакуумировали, нагревали до температуры сварки, определяемой из следующего соотношения: 0,987T<Т<1,001Т, где Т - температура локального плавления литейного сплава, Т - температура сварки, Т=1328°С, T - температура солидуса свариваемого материала, а сжатие осуществляли сварочным усилием 1 кг/мм, обеспечивающим макропластическую деформацию в течение времени, которое требуется на осуществление процесса сварки, 1,5 часа. Затем снимают сварочное усилие и охлаждают до комнатной температуры со скоростью не более 30-50°С/мин.
Пример 2
s
св
лп
лп
св
св
s
2
Были изготовлены детали из сплава ЖС32 с размерами 17×40 каждая. Детали под сварку собирались торцевыми поверхностями и помещались в диффузионную установку. Рабочую камеру установки вакуумировали, нагревали до температуры сварки, определяемой из следующего соотношения 0,987T<Т<1,001Т, где Т - температура локального плавления литейного сплава, Т - температура сварки, Т=1290°С, T - температура солидуса свариваемого материала, а сжатие осуществляли сварочным усилием 2,5 кг/мм, обеспечивающим макропластическую деформацию в течение времени, которое требуется на осуществление процесса сварки, 2,5 часа. Затем снимали сварочное усилие и охлаждали до комнатной температуры со скоростью не более 30-50°С/мин.
Пример 3
s
св
лп
лп
св
св
s
2
Были изготовлены детали из сплава ЖС32 с размерами 17×40 каждая. Детали под сварку собирались торцевыми поверхностями и помещались в диффузионную установку. Рабочую камеру установки вакуумировали, нагревали до температуры сварки, определяемой из следующего соотношения 0,987T<Т<1,001Т, где Т - температура локального плавления литейного сплава, Т - температура сварки Т=1322°С, T - температура солидуса свариваемого материала, а сжатие осуществляли сварочным усилием 2 кг/мм, обеспечивающим макропластическую деформацию в течение времени, которое требуется на осуществление процесса сварки, 1 час. Затем снимали сварочное усилие и охлаждали до комнатной температуры со скоростью не более 30-50°С/мин.
Результаты испытаний механических свойств деталей из ЖС32 при температуре 20°С и рабочей температуре 650°С по стандартным методикам испытания представлены в таблице.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает на деталях при рабочей температуре 650°С получение жаропрочности гораздо выше по сравнению с прототипом и более высокий уровень прочности, сохранение высокой пластичности. Сварные соединения имеют механические свойства, равноценные основному металлу.
В результате применения предлагаемого способа сварки деталей из литейного жаропрочного сплава на никелевой основе методом диффузионной сварки значительно повышается их ресурс и надежность. Кроме того, возможность получения сварных соединений из таких сплавов может привести к изменению конструкций двигателей, уменьшению их массы.