Влияние микроструктуры контактных поверхностей на образование соединения при диффузионной сварке титана

Машиностроение и машиноведение

УДК 53.072:621.791.4

ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОБРАЗОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ТИТАНА

В.В. Пешков, А.Б. Булков, С.М. Ларсов

В данной статье описано влияние наличия и толщины слоя с мелкозернистой структурой на механические свойства диффузионно-сварных соединений. Появление этого слоя обусловлено рекристаллизацией в условиях сварки металла, подвергнутого деформации в процессе предварительной механической обработки. Глубина слоя с достаточной для рекристаллизации степенью деформации зависит от вида предварительной обработки и составляет от 8-10 мкм при шлифовании до 25 мкм при точении.

Исследования проводили на образцах из сплава ОТ4 с исходной крупнозернистой структурой. Контактные поверхности образцов подвергали механической обработке. Далее образцы делили на две партии в зависимости от вида обработки перед сваркой. Первая подвергалась сварке непосредственно после механической обработки, что приводило к образованию зоны мелкозернистого материала на границе раздела заготовок в процессе сварки. Вторая перед сваркой подвергалась вакуумному отжигу при 975 °С (выше температуры полиморфного превращения) для устранения влияния наклепа. Обе группы образцов сваривали при температурах 800-1000 °С и давлении 5 МПа, которое прикладывалось при достижении температуры сварки.

Экспериментальные исследования показали, что прочностные характеристики сварных соединений образцов первой группы в интервале исследованных температур и времени сварки (до температуры полиморфного превращения) имеют более высокие показатели прочности по сравнению с образцами второй группы.

Топография поверхностей разрушения сварных соединений показывает, что образцы первой группы в изломе имеют развитый рельеф, характеризуемый как транскристаллитным, так и интеркристаллитным распространением трещин. Образцы второй группы имеют квазихрупкий излом со слабо развитым рельефом. Разрушение сварного соединения происходит по плоскости контакта при интеркристаллитном распространении трещины.

Таким образом, наличие в зоне контакта рекристаллизованного слоя, обладающего большой деформационной способностью по сравнению с основным металлом будет способствовать повышению качества сварного соединения за счет создания благоприятных условий для развития собирательной рекристаллизации и формирования общих зерен вдоль линии стыка

Ключевые слова: титановые сплавы, микростуктура, диффузионная сварка, механическая обработка, рекристаллизация

Одной из специфических особенностей сварных соединений сплава с исходной крупнозернистой пластинчатой структурой, полученных при температурах ниже температуры полиморфного превращения, является наличие полосы мелкозернистого металла, в зоне контакта (рис. 1, а - г). Ее появление связано с механической обработкой контактных поверхностей перед сваркой и рекристаллизацией, развивающейся в деформированной матрице в условиях сварки. Причем такой слой с мелкозернистой равноосной структурой подчиняется тем же закономерностям изменения с температурой, что и материал с подобной исходной структурой, т.е. полиморфное превращение сопровождается образованием пластинчатой структуры, поэтому после отжига при температурах выше окончания полиморфного превращения слой материала с мелкозернистой структурой отсутствует (рис. 1, г).

Глубина слоя с мелкозернистой структурой зависит от степени деформации поверхности заготовок с крупнозернистой пластинчатой микроструктурой в процессе их механической обработки.

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

Ларсов Сергей Михайлович - ВГТУ, студент, e-mail: lar-sov sm@mail.ru

Чистовое точение и фрезерование значительнее деформируют матрицу по сравнению со шлифованием и в одинаковых температурно-временных условиях способствуют более полному развитию процесса рекристаллизации обработки. Так, при точении ширина слоя с мелкозернистой структурой составляет 15-25 мкм, при фрезеровании 12- 20 мкм, а при шлифовании около 8-10 мкм.

Исследование влияния микроструктуры контактных поверхностей на образование сварного соединения проводили на сплаве ОТ4 с исходной крупнозернистой пластинчатой структурой. Свариваемые образцы делили на две партии в зависимости от последовательности операций термической и механической обработки перед сваркой: А-заключительная операция - механическая обработка; Б - заключительная операция - вакуумный отжиг при 975 °С.

У образцов группы А в процессе сварки на границе раздела образуется зона мелкозернистого материала. Вакуумный отжиг образцов группы Б выше температуры полиморфного превращения проводили для ликвидации такой зоны перед сваркой. Сварку подготовленных таким образом образцов производили при температурах 800-1000 °С и давлении 5 МПа, которое прикладывалось при достижении температуры сварки.

Экспериментальные исследования показали, что наличие в поверхностном слое мелкозернистой

структуры оказывает положительное влияние на качество соединения.

Прочностные характеристики сварных соединений образцов группы Б во всем интервале исследованных температур и времени сварки (до температуры полиморфного превращения) имеют более низкие показатели прочности по сравнению с образцами группы А (таблица).

Предел прочности (ств) и ударная вязкость (ан) сварных образцов групп А и Б

tсe, °С тсe, мин ае, МПа ан, МДж/м2

А Б А Б

800 30 120 30 - -

60 270 200 - -

120 440 184 - -

180 400 164 - -

850 30 360 200 - -

60 560 274 - -

120 676 370 0,04 -

180 704 360 0,07 -

900 30 650 264 - -

60 740 500 0,09 -

120 724* 510 0,18 -

180 740* 670 0,31 -

950 30 754 680 0,20 -

45 730* 730 0,25 0,04

60 730* 724 0,52* 0,04

1000 5 720 710 0,15 0,18

10 730 720 0,17 0,18

* - разрушение по основному металлу

После сварки при 950 °С и т>45 мин соединения образцов обеих групп имеют практически одинаковую прочность при испытаниях на статическое растяжение (таблица). Однако величина ударной вязкости и характер разрушения образцов групп А и Б выявляют различие полученных соединений (рисунок). После сварки при 1000 °С прочностные характеристики соединений становятся сопоставимыми для образцов обеих групп, что вероятно связано с одинаковым структурным состоянием свариваемых заготовок и их контактных поверхностей. Продолжительность сварки при этой температуре ограничивается величиной остаточной деформации образцов, которая за 10 мин составляла более 9 % (деформация свариваемых образцов групп А и Б при 950 °С и 60 мин составляла 5-6 %).

Анализ поверхностей разрушения сварных соединений показал, что они для образцов группы А и Б существенно различаются. Это особенно ярко проявляется при небольших увеличениях (до 100 крат). Образцы группы А в изломе имеют развитый рельеф (рис. 2, а), характеризуемый значительной неоднородностью, обусловленной как транскри-сталлитным, так и интеркристаллитным распространением трещины (рис. 2, б-г).

Рис. 1. Микроструктуры сварных соединений сплава ОТ4, полученных при температуре 950 °С и давлении 5 МПа в течение 60 мин. Финишная обработка контактных поверхностей (*500): а - шлифование; б - точение; в -фрезерование; г - точение с последующим отжигом при 975 °С

Образцы группы Б имеют квазихрупкий излом со слабо развитым рельефом (рис. 3, а). Разрушение сварного соединения происходит по плоскости контакта при интеркристаллитном распространении трещины, сопровождающемся образованием на большей части поверхности разрушения типичного сотового (мелкоямочного) рельефа (рис. 3, б). На некоторых участках присутствуют отдельные слаборазвитые гребни отрыва (рис. 3, в) или ручеистый излом (рис. 3, г).

На рис. 4 приведена топография участков свариваемых поверхностей на которых физический контакт не успел образоваться полностью ^се=950 °С, Р=5 МПа, т=30 мин). Эти участки характеризуются наличием субмикрорельефов, формирование которых связано с развитием высокотемпературной деформации при сварке.

г Х6600

Рис. 2. Топография поверхностей разрушения сварного соединения сплава ОТ4 с крупнозернистой пластинчатой структурой полученного при 950 °С, Р=5 МПа, т=60 мин и финишной обработке контактных поверхностей - точение

УЧ V \Ч" «

г х1500

Рис. 3. Топография поверхностей разрушения сварного соединения сплава ОТ4 с крупнозернистой пластинчатой структурой полученного при 950 °С, Р=5 МПа, т=60 мин и финишной обработке контактных поверхностей - отжиг при 975 °С

а х3000

б х6 000

г х6000

Рис. 4. Топография поверхностей разрушения сварного соединения сплава ОТ4, полученного при 950 °С, Р=5 МПа, т=30 мин: а, б - группа А; в, г - группа Б

В условиях ползучести отдельные объемы зерен, разориентированные друг относительно друга, могут смещаться и создавать дополнительный мик-

роструктурный и субструктурный рельеф [1]. Внутренние напряжения, обусловленные, например, анизотропными свойствами кристаллов, или развитием полиморфного превращения, также могут приводить к формированию на поверхности титана субструктурного рельефа [2].

В соответствии с размерами зерен, характеризующих микроструктуру на контактных поверхностях (5-10 мкм для образцов группы А и 300-400 мкм для образцов группы Б), линейные размеры «сдвигаемых» субмикрообъемов могут отличаться в десятки раз. Ширина участков субструктурного рельефа для образцов группы А составляет 0,15-0,3 мкм, для образцов группы Б - 0,6-1,2 мкм.

Для объяснения влияния микроструктуры контактных поверхностей образцов групп А и Б на механические характеристики сварных соединений можно предложить упрощенную схему формирования границы между свариваемыми заготовками.

В условиях диффузионной сварки в контакт вступают поверхности с развивающимся (или уже развитым) структурным или субструктурным микрорельефом. Начальный контакт таких поверхностей будет формироваться на отдельных микроучастках, являющихся очагами схватывания. Плотность таких участков и ширина зоны их расположения в контакте будут определяться микроструктурой поверхностей и, соответственно, размерами формирующегося микрорельефа.

На рис. 5 приведена схема формирования очагов схватывания между свариваемыми поверхностями в зависимости от их микроструктуры.

в г

Рис. 5. Схемы образования очагов схватывания, образующихся в зоне контакта в результате развития микроструктурных (а, б) и субструктурных (в, г) рельефов при сварке образцов: а, б - группа А; в, г - группа Б

Наличие на контактных поверхностях слоя с мелкозернистой микроструктурой будет обеспечивать формирование в зоне контакта свариваемых заготовок значительно более узкой разупорядочен-ной границы с высокой плотностью очагов схватывания.

Сужение зоны разупорядочения и превращение ее в границу, аналогичную существующим в основ-

ном металле, будет происходить в результате развития деформации и диффузионных процессов в зоне контакта. Очевидно, чем шире начальная граница между свариваемыми заготовками и меньше плотность очагов схватывания, тем большая деформация и длительность процесса требуются для ее упорядочения.

Наличие в зоне контакта рекристаллизованно-го слоя, обладающего большой деформационной способностью по сравнению с основным металлом (о чем свидетельствует пониженная на 20 % микротвердость в зоне мелкого зерна: 3190 МПа по сравнению с 3990 МПа), будет способствовать уменьшению дефектности границы, а также созданию условий для развития собирательной рекристаллизации и формированию общих зерен вдоль линии стыка.

Выводы

1. Проведенные исследования показали, что при диффузионной сварке титановых сплавов с крупнозернистой пластинчатой структурой повышение качества соединения можно достичь за счет предварительной механической обработки контактных поверхностей.

2. Анализ топографии поверхностей излома диффузионо-сварных соединений показывает, что причиной повышения качества является формирование слоя с равноосной мелкозернистой структурой, обеспечивающего формирование в зоне контакта свариваемых заготовок узкой разупорядоченной границы с высокой плотностью очагов схватывания.

Литература

1. Розенберг В.М. Ползучесть металлов / В.М. Ро-зенберг. - М.: Металлургия, 1967. - 276 с.

2. Пешков В.В. Диффузионная сварка титановых тонкостенных слоистых конструкций / В.В. Пешков, А.Б. Булков. - М.: Изд-во «РИТМ», 2016. - 242 с.

Воронежский государственный технический университет THE EFFECT OF CONTACT SURFACES MICROSTRUCTURE ON THE JOINT FORMATION

AT DIFFUSIVE WELDING OF TITANIUM

V.V. Peshkov1, A.B. Bulkov2, S.M. Larsov3

'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 3Student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: larsov sm@mail.ru

The article describes the impact of the presence and thickness of a layer with fine-grained structure on the mechanical properties of diffusive welded joints. The appearance of the layer is provided by recrystallization during welding of metal, subjected to deformation during preliminary machining. The depth of the layer with deformation degree sufficient for recrystallization depends on the type of pretreatment and is from 8-10 microns at grinding to 25 microns at turning.

The tests are carried out on the samples from alloy OT4 with original coarse-grained structure. Contact surfaces of the samples are machined. Then the samples are divided into two groups, depending on the type of treatment before welding. The first one is directly subjected to welding after machining, which led to the formation of fine-grained material zone at the interface of the blanks during welding. The second group is subjected to vacuum annealing at 975 ° C (higher than the polymorphic transformation temperature) before welding to eliminate the effect of work hardening. Both groups are welded at temperatures of 800-1000 ° C and a pressure of 5 MPa, applied when the welding temperature has been established.

The experimental studies have shown that strength properties of the welded joints of the first group in the range of the temperatures studied and the welding time (up to polymorphous transformation temperature) have higher strength as compared with the samples from the second group.

The topography of the fracture surfaces of the welded joints shows that the first group of samples has developed relief, characterized both with transcrystalline and intercrystalline crack propagation at the fracture. The samples of the second group have a quasi-brittle fracture with a weakly developed relief. The destruction of the welded joint takes place on the plane of contact at intercrystalline crack propagation.

Thus, the presence of recrystallized layer that has greater deformation ability than the base metal in the contact zone will enhance the quality of the welded joint through creation of favourable conditions for the development of collective recrystalli-zation and grain formation along the general line of the joint

Key words: titanium alloys, microstructure, diffusive welding, machining, recrystallization

References

1. Rozenberg V.M., "Creep of metals" ("Polzuchest'metallov"), Metallurgy (1967): 276

2. Peshkov V.V., Bulkov A.B., "Diffusion welding of titanium thin-layered structures" ("Diffuzionnaja svarka titanovyh tonkostennyh sloistyh konstrukcij"), Rhythm ("RITM") (2016): 242