СПОСОБ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА
METHOD OF PRESSURE WELDING OF WORKPIECES FROM TITANIUM ALLOY

Изобретение относится к области сварки давлением заготовок из титанового сплава через промежуточную прокладку из титанового сплава и может быть использовано в промышленности при изготовлении разнообразных изделий, в том числе сложнопрофильных и/или крупногабаритных изделий из отдельных более мелких и/или простых по форме заготовок.
Соединение при сварке давлением образуется в результате развития взаимосвязанных и одновременно конкурирующих между собой физических процессов. Общим для всех способов сварки давлением является то, что соединение образуется в результате пластической деформации приконтактных объемов. Условия протекания деформации приконтактных объемов, такие как чувствительность деформационного упрочнения к степени и скорости деформации, характер структурных превращений при деформации и нагреве, характеристики диффузионных процессов, определяют особенности образования соединения, качество и эксплуатационные свойства сварного соединения в целом.
Повысить качество и эксплуатационные свойства сварного соединения возможно, управляя упомянутыми физическими процессами, приводящими к образованию соединения.
Известны способы сварки давлением, различающиеся характером приложения давления [1], а именно:
- способ сварки со свободным деформированием, характеризующийся условиями, при которых практически реализуется ползучесть металлов;
- способ сварки с импульсным деформированием, когда на свариваемые заготовки в течение короткого промежутка времени действует импульс силы, приводящий к пластической деформации;
- способ сварки с принудительным деформированием, для которого скорость деформации свариваемых заготовок в процессе сварки остается постоянной или изменяется по заданной программе, то есть является управляемым параметром.
Последний способ за счет подбора или регламентированного изменения скорости деформации и температуры сварки дает возможность в большей степени, чем другие способы, управлять процессом образования соединения.
Процесс образования соединения при любых способах сварки давлением рассматривается протекающим в три основные стадии:
- образование физического контакта, то есть сближение соединяемых заготовок за счет пластической деформации на расстояние, при котором возможно на последующих стадиях физическое взаимодействие между молекулами материалов заготовок, обусловленное ван-дер-ваальсовскими силами;
- активация контактных поверхностей, то есть образование на них активных центров, представляющих собой, в частности, дислокации с полями напряжений. Длительность этой стадии зависит от особенностей пластической деформации заготовок. При сварке заготовок из разнородных металлов с различным сопротивлением пластической деформации на поверхности заготовки из менее пластичного металла в силу его меньшей релаксационной способности происходит образование большего количества активных центров, чем на поверхности другой заготовки. То же происходит при сварке заготовок из однородных металлов с различной структурой, обуславливающей их различную пластичность. При этом стадия активации может быть смещена во времени относительно стадии образования физического контакта. При соединении заготовок из однородных металлов с однородной структурой стадии образования физического контакта и активации, сопровождаемые совместной пластической деформацией заготовок, практически соединяются в одну стадию;
- объемное взаимодействие, при котором происходит образование прочных металлических связей между заготовками. Процесс объемного взаимодействия протекает на активных центрах и носит диффузионный характер. На поверхности контакта он заканчивается слиянием дискретных очагов взаимодействия с образованием общих зерен при наличии между отдельными зернами когерентных границ, а в объеме - релаксацией напряжений. Образование общих зерен при сварке заготовок из титановых сплавов наблюдается в том случае, когда заготовки имеют мелкозернистую структуру или когда заготовки имеют смешанную структуру, но соединяются через прокладку со специально подготовленной мелкозернистой структурой. При сварке непосредственно двух заготовок из титановых сплавов с пластинчатой структурой рекристаллизованных зерен в контактной зоне не наблюдается, но за счет активной миграции границ возможно прорастание пластин из одной свариваемой поверхности в другую [2].
По сравнению со стадиями образования физического контакта и активации стадия объемного взаимодействия является наиболее длительной по времени и фактически определяет общее время сварки.
Заготовки при сварке традиционно сразу нагревают до температуры, необходимой для прохождения стадии объемного взаимодействия.
Длительность и температура стадии объемного взаимодействия должны быть достаточны для интенсивного развития диффузионных процессов и необходимой полноты их протекания. Только в этом случае при сварке однородных металлов структура зоны соединения может быть неотличимой от структуры основного металла. Такие соединения имеют ударную вязкость, пластичность и прочность на уровне этих показателей для основного металла.
В противном случае образование сварного соединения заканчивается только схватыванием контактных поверхностей. При полностью сформированном физическом контакте такие соединения имеют высокое временное сопротивление при нормальной температуре и могут даже эксплуатироваться в условиях, когда к соединению не предъявляются повышенные требования по пластичности, ударной вязкости, прочности.
Как было уже отмечено выше, стадии образования сварного соединения сопровождаются конкурирующими между собой физическими процессами, что часто делает невозможным достижение высокого качества соединения, поэтому требуется тщательный поиск оптимальных условий осуществления каждой из стадий образования соединения и их согласования друг с другом.
На стадии образования физического контакта, когда под влиянием приложенного давления происходит смятие микронеровностей на поверхности соединяемых заготовок и их сближение на необходимое расстояние, практически закладывается фундамент качественного соединения. Однако образование физического контакта практически всегда сопровождается образованием пор. Наличие в зоне контакта пор делает невозможным в дальнейшем на месте их расположения возникновение активных центров, представляющих собой дислокации, а на стадии объемного взаимодействия поры осложняют условия миграции границ зерен. Микропоры, размер которых соизмерим с размером зерен в заготовках, обычно залечиваются в процессе сварки или в процессе последующей термообработки. В наибольшей степени негативно влияют на качество соединения макропоры, образование которых напрямую связано с деформационным упрочнением приконтактного объема, возникающим при смятии микронеровностей в процессе образования физического контакта. Упрочнение может достичь такого значения, что физический контакт вообще прекращает развиваться. Упрочнение приконтактного объема обусловлено скоростью и степенью пластической деформации микровыступов на поверхности свариваемых заготовок, которые независимо от способа сварки давлением всегда намного выше скорости и степени пластической деформации, задаваемой и фиксируемой в процессе сварки.
Степень упрочнения также зависит от чистоты обработки соединяемых поверхностей. При грубой обработке поверхности, когда высота микровыступов на контактной поверхности большая, эффект деформационного упрочнения проявляется в большей степени. Поэтому традиционно осуществляют тщательную подготовку соединяемых поверхностей под сварку посредством шлифования и последующего полирования.
Для уменьшения упрочнения рекомендуется проводить процесс сварки в температурно-скоростных условиях сверхпластичности свариваемых заготовок, имеющих подготовленную мелкозернистую глобулярную структуру. При сверхпластической деформации, основным механизмом которой является зернограничное проскальзывание (ЗГП), деформационное упрочнение при образовании физического контакта возникает в значительно меньшей степени, чем при деформации, осуществляемой за счет дислокационного скольжения. Кроме того, при уменьшении размера зерен увеличиваются количество и протяженность межзеренных границ, способствующих при деформации релаксации напряжений в заготовках. Наконец, чем меньше размер зерен в заготовках, тем меньший размер будут иметь микропоры в зоне соединения.
Причем, чтобы не подготавливать структуру во всем объеме свариваемых заготовок, зачастую осуществляют их соединение через прокладку, способную к сверхпластической деформации.
Известен способ сварки давлением с принудительным деформированием [3], согласно которому между свариваемыми заготовками из титанового сплава располагают прокладку из титанового сплава, способную к сверхпластической деформации, с размером зерен менее 1 мкм. Давление к заготовкам в процессе сварки прикладывают при температуре, необходимой для прохождения стадии объемного взаимодействия. Для титановых сплавов эта температура лежит с учетом исходной структуры заготовок и интенсивности диффузионных процессов в интервале 800-950°С [2]. Причем, как было отмечено выше, заготовки сразу нагревают до указанной температуры.
Время сварки выбирается достаточным для прохождения всех стадий образования соединения и может составлять 2 и более часов в зависимости от габаритов и исходной структуры заготовок.
Указанный размер зерен в прокладке позволяет локализовать деформацию в прокладке на стадии образования физического контакта, а также значительно увеличить вклад зернограничного проскальзывания и соответственно уменьшить вклад дислокационного скольжения в деформацию прокладки. Кроме того, указанный размер зерен в прокладке позволяет повысить релаксационную способность прокладки за счет большой объемной доли и протяженности границ зерен. Благодаря столь малому размеру зерен прокладка сохраняет способность к сверхпластической деформации в достаточно широком интервале скоростей деформации, поэтому уменьшается влияние на процесс деформационного упрочнения скорости деформации микровыступов на поверхности прокладки, которая, как уже отмечалось, превосходит скорость пластической деформации, задаваемую и фиксируемую в процессе сварки. На стадии активации контактных поверхностей меньшее, чем у свариваемых заготовок, сопротивление пластической деформации материала промежуточной прокладки способствует образованию активных центров на контактной поверхности заготовок. На стадии объемного взаимодействия процесс образования общих зерен протекает на активных центрах, образовавшихся на контактной поверхности заготовок, представляющих собой дислокации с полями напряжений, и активных центрах, имеющихся на контактных поверхностях прокладки, в качестве которых могут выступать многочисленные границы зерен.
Однако при температуре сварки в прокладке происходит рост зерен. Рост зерен начинается уже в процессе нагрева собранных заготовок и прокладки под сварку. Причем, учитывая низкую теплопроводность титановых сплавов и необходимость выравнивания температуры по сечению всех заготовок, как правило, одна из которых или вся сборка является крупногабаритной, нагрев под сварку занимает достаточно много времени. Нагрев под сварку является даже более длительным, чем непосредственно стадия образования физического контакта. При этом чем меньше исходный размер зерен в прокладке, тем в большей степени проявляется нестабильность ее структурного состояния и тем быстрее в прокладке происходит рост зерен. В частности, средний размер зерен в прокладке из сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V), в исходном состоянии равный 0,4 мкм, сохраняется таковым только в интервале температур до 550-650°С. При температуре 650°С размер зерен начинает увеличиваться и при температуре 750°С достигает 1,6 мкм при нагреве в течение часа [4]. Средний размер зерен в прокладке, равный в исходном состоянии 1 мкм, увеличивается начиная с температуры ~750°С [4]. Учитывая тот факт, что заготовки в зависимости от их исходной структуры нагреваются, как было отмечено, до температуры 850-950°С, приходится констатировать весьма быстрый рост зерен в прокладке. В лучшем случае при достаточно кратковременном нагреве к началу стадии образования физического контакта средний размер зерен составляет 2-3 мкм. При длительном нагреве, от 30 мин до 1 часа, зерна вырастают до 5 и более мкм.
При увеличении размера зерен в прокладке большая часть перечисленных выше преимуществ от ее использования теряется. Существеннее всего то, что при образовании физического контакта
- уменьшается степень локализации деформации в прокладке;
- изменяется баланс между ЗГП и дислокационным скольжением при деформации прокладки в сторону уменьшения вклада ЗГП;
- даже при незначительном увеличении размера зерен в прокладке, в частности до 3 мкм, протяженность и количество границ зерен уменьшаются в десятки раз и соответственно уменьшается релаксационная способность материала прокладки;
- сужается скоростной интервал сверхпластичности материала прокладки.
В конечном счете, в процессе образования физического контакта возрастает риск деформационного упрочнения прокладки.
Снижение степени локализации деформации в прокладке наряду с развитием деформационного упрочнения при образовании физического контакта, не считая возникновения пор в зоне контакта, приводит к увеличению объемной деформации заготовок. Последнее обстоятельство отмечается в качестве критики данного способа при описании другого способа сварки давлением [5].
Согласно способу [5] сварку ведут при скорости деформирования, соответствующей сопротивлению пластической деформации материала промежуточной прокладки меньшему, чем у свариваемых заготовок. В этом способе заготовки и прокладка выполняются из разных титановых сплавов, поэтому указанные значения их сопротивления деформации сохраняются в течение времени образования физического контакта и последующих стадий сварки.
В результате при образовании физического контакта сохраняется заданная степень локализации деформации в прокладке. При активации контактных поверхностей сопротивление пластической деформации материала промежуточной прокладки, меньшее, чем у свариваемых заготовок, способствует, так же как в способе [3] образованию активных центров на поверхности заготовок. На стадии объемного взаимодействия градиент по количеству легирующих элементов способствует более активному протеканию диффузионных процессов.
Однако для изготовления изделий, к которым предъявляются требования однородности структуры и свойств по всему сечению, данный способ не может быть использован из-за ограниченных технологических возможностей.
Согласно способу [3] при сварке заготовок из титанового сплава можно использовать прокладки из того же сплава, что и заготовки. Но способ [3] также имеет ограниченные технологические возможности, поскольку он не может быть использован для изготовления ряда изделий, в частности крупногабаритных изделий с достижением всех тех преимуществ, которые дает использование прокладки с размером зерен, меньшим 1 мкм, что, как уже рассматривалось, обусловлено длительностью нагрева заготовок под сварку. Хотя именно для изготовления достаточно крупногабаритных изделий из более мелких заготовок в первую очередь и предназначены любые способы сварки.
Необходимо также отметить, что подготовка структуры в прокладке для получения в ней размера зерен менее 1 мкм является достаточно энергоемкой и трудоемкой операцией и, безусловно, должна быть оправданной.
За прототип заявляемого способа принят способ сварки давлением заготовок из титанового сплава [3], как наиболее близкий по технической сущности.
Основной задачей изобретения является расширение технологических возможностей способа сварки давлением заготовок из титанового сплава через промежуточную прокладку из титанового сплава с размером зерен менее 1 мкм при повышении качества соединения.
Поставленные задачи решаются в том случае, когда способ сварки давлением заготовок из титанового сплава, включающий размещение между заготовками промежуточной прокладки из титанового сплава с исходным размером зерен менее 1 мкм и соединение заготовок и прокладки путем приложения давления к заготовкам, отличается тем, что соединение заготовок и прокладки осуществляют за два этапа, причем на первом этапе давление прикладывают при температуре ниже температуры второго этапа и близкой к нижней границе температурного интервала, обеспечивающего соответствующую условиям сверхпластичности прокладки скорость деформации, в течение времени, достаточного для образования физического контакта между соединяемыми поверхностями заготовок и прокладки, а второй этап проводят при температуре и в течение времени, необходимых для развития объемного взаимодействия.
Задачи изобретения решаются также в случае, когда:
- исходный размер зерен промежуточной прокладки составляет менее 0,5 мкм;
- осуществляют предварительный наклеп соединяемых поверхностей заготовок с последующей термообработкой заготовок, которую проводят при температуре 750-850°С в течение 1 часа;
- после второго этапа сварки проводят окончательную термообработку при температуре, обеспечивающей получение однородной структуры во всем объеме сварной заготовки.
Объяснение сущности изобретения
Предлагается сварку давлением заготовок из титанового сплава через промежуточную прокладку из титанового сплава с исходным размером зерен менее 1 мкм осуществлять в два этапа. При этом на первом этапе сварки давление необходимо прикладывать при температуре близкой к нижней границе температурного интервала, обеспечивающего соответствующую условиям сверхпластичности прокладки скорость деформации, в течение времени, достаточного для образования физического контакта между соединяемыми поверхностями заготовок и прокладки. Второй же этап проводят при температуре и в течение времени, необходимых для развития при соединении объемного взаимодействия.
В течение времени образования физического контакта при указанной температуре первого этапа появляется возможность замедлить и даже предотвратить рост зерен в прокладке и, следовательно, сохранить вклад ЗГП в деформацию прокладки, количество и протяженность границ зерен, определяющих при образовании физического контакта релаксационную способность материала прокладки, за счет этого значительно снизить степень деформационного упрочнения прокладки при образовании физического контакта и, как результат, повысить качество соединения.
Также появляется возможность на первом этапе максимально локализовать деформацию в прокладке за счет ощутимой разницы между значениями напряжения течения материала прокладки и заготовок при указанной температуре. Максимально возможная локализация деформации в прокладке при образовании физического контакта приводит к тому, что последующая стадия активации свариваемых поверхностей заготовок протекает в условиях, когда физический контакт уже образован. Эти условия фактически приравниваются к условиям всестороннего сжатия, что в свою очередь приводит к более равномерному распределению активных центров на поверхности заготовок. Кроме того, сохранившийся после первого этапа сварки, благодаря локализации деформации в прокладке, рельеф поверхности заготовок способствует возникновению большего количества активных центров на их поверхности. При эксплуатации изделия сформированный таким образом рельеф поверхности соединения будет препятствовать развитию усталостных трещин.
Все эти обстоятельства способствуют дальнейшему повышению качества соединения.
-3
-1
Данные эксперимента наглядно демонстрируют разницу между значениями напряжения течения материала прокладки с размером зерен менее 1 мкм и заготовок и степени ее возрастания с понижением температуры. В таблице 1 приведены значения напряжения течения в прокладке и заготовках из сплава ВТ6 с размером зерен 0,3 и 3 мкм соответственно при одной и той же скорости деформации ~10 с при различных температурах.
Как видно из таблицы 1, при температуре 875°С значение напряжения течения материала прокладки меньше значения напряжения течения материала заготовок ~ в 3 раза. Такая разница может быть стерта в процессе нагрева заготовок и прокладки под сварку. Причем нагрев под сварку, как уже отмечалось при критике прототипа, может быть достаточно длительным. И чем меньше исходный размер зерен в прокладке, тем в большей степени проявляется нестабильность ее структурного состояния и тем быстрее происходит в прокладке рост зерен с увеличением температуры, что также отмечалось при критике прототипа.
При температуре, близкой к нижней границе температурного интервала, обеспечивающего соответствующую условиям сверхпластичности прокладки скорость деформации, включая нижнее граничное значение температуры, разница между значениями напряжения течения материала прокладки и заготовок составляет ~6 раз. Причем в промышленных крупногабаритных заготовках размер зерен намного превышает 3 мкм, соответственно разница между значениями напряжения течения материала прокладки и заготовок будет еще большей и гарантированно сохранится в течение времени нагрева заготовок под сварку и образования физического контакта.
Время первого этапа должно быть достаточным для образования физического контакта между свариваемыми поверхностями прокладки и заготовок. Как уже отмечалось, стадия образования физического контакта является достаточно кратковременной по сравнению со стадией объемного взаимодействия. В частности, для сплава ВТ14 (Ti-5Al-3Mo-1V) при температуре сварки 950°С время образования физического контакта составляет 10 мин; при температуре 850°С - 20 мин [1]. Как показали эксперименты, в заявляемом способе при сварке заготовок из сплава ВТ6, являющегося более пластичным, чем сплав ВТ14, с использованием прокладки из того же сплава с размером зерен 0,4 мкм время образования физического контакта при температуре 650°С составило ~ 30 мин при общем времени сварки ~ 2 часа.
Стадия активации поверхностей заготовок может начаться на первом этапе и продолжиться на втором этапе сварки, или же она проходит на втором этапе сварки.
На втором этапе сварки температура и время, так же как в способе-прототипе, выбираются необходимыми для прохождения, прежде всего, стадии объемного взаимодействия, длительность и температура которой должны быть достаточны для интенсивного развития и полноты диффузионных процессов, то есть для окончательного соединения заготовок и прокладки.
На втором этапе сварки деформация, в отличие от способа-прототипа, может происходить как в условиях обычной горячей деформации, так и в условиях сверхпластичности материала прокладки. Последнее обстоятельство является более предпочтительным и легко реализуемым, поскольку, благодаря наличию первого этапа сварки и выбранной температуре первого этапа, размер зерен в прокладке к началу второго этапа не увеличивается, как правило, до значений более 5 мкм. На стадии объемного взаимодействия при деформации прокладки в условиях сверхпластичности за счет ЗГП увеличивается вероятность возникновения большего количества когерентных границ зерен прокладки и заготовок и соответственно образования общих зерен на активных центрах. Помимо образовавшихся активных центров на поверхностях заготовок, представляющих собой дислокации с полями напряжений, в качестве активных центров могут выступать, так же как в способе-прототипе, границы зерен прокладки. Однако в способе-прототипе этих границ в прокладке значительно меньше, поскольку размер зерен при нагреве под сварку и в течение времени образования физического контакта увеличивается.
Целесообразно при сварке заготовок из титанового сплава со смешанной глобулярно-пластинчатой структурой дополнительно интенсифицировать процесс образования общих зерен. Для этого осуществляют предварительный наклеп соединяемых поверхностей заготовок с последующей термообработкой заготовок при температуре 750-850°С в течение 1 часа, обеспечивающей в наклепанном приповерхностном объеме заготовок первичную статическую рекристаллизацию. Данный прием позволяет трансформировать структуру в приконтактном объеме заготовок так, чтобы на втором этапе стала возможной деформация и прокладки и приконтактного объема заготовок в условиях сверхпластичности, тогда за счет ЗГП возрастает вероятность возникновения еще большего количества когерентных границ зерен прокладки и заготовок. Следовательно, возрастает вероятность образования большего количества общих зерен.
Таким образом, наличие первого этапа сварки положительно сказывается не только на стадии образования физического контакта, но и на стадиях активации контактных поверхностей и объемного взаимодействия.
В процессе нагрева заготовок под второй этап сварки и в течение времени второго этапа увеличение объемной доли β-фазы способствует залечиванию остаточных микропор в зоне соединения.
С наибольшей эффективностью удается добиться перечисленных преимуществ заявляемого способа, используя прокладку с нанометрическим размером зерен. В настоящее время использование материалов с нанометрическим размером зерен весьма актуально. В рассматриваемой области техники размер зерен менее 0,5 мкм может уже характеризоваться как нанометрический. В этом случае, благодаря значительной протяженности границ зерен и их объемной доле (~ 5-10%) [6], практически полностью отсутствует деформационное упрочнение при образовании физического контакта. Тогда как при использовании прокладки даже с субмикронным размером зерен, ~0,5-1 мкм, по вершинам отдельных микровыступов на поверхности прокладки упрочнение все же может иметь место из-за увеличения там скорости и степени деформации. Кроме того, при использовании прокладки с нанометрическим размером зерен возможно образование наиболее полного физического контакта между заготовками и прокладкой за счет уменьшения размера микропор, поскольку их размер соизмерим с размером зерен в прокладке.
С учетом температуры и времени первого этапа сварки нестабильность структурного состояния материала прокладки с нанометрическим размером зерен не оказывает существенного влияния на образование физического контакта. В частности, размер зерен 0,4 мкм в образце из титанового сплава ВТ6 при отжиге при температуре 650°С сохраняется в течение 1 часа [4]. Указанное значение времени вдвое превосходит значение времени, необходимое для образования физического контакта между заготовками и прокладкой с таким же размером зерен и при такой же температуре. Кроме того, использование прокладки с нанометрическим размером зерен, проявляющей свойство низкотемпературной сверхпластичности, позволит увеличить разницу между значениями напряжения течения материала прокладки и заготовок и тем самым в наибольшей степени локализовать деформацию в прокладке.
Локализация деформации в прокладке в заявляемом способе позволяет с позиций теории пластичности взаимодействие на первом этапе сварки между микровыступами на поверхности заготовок и пластичной прокладкой с плоскими поверхностями приближенно рассматривать как задачу о внедрении твердого (недеформируемого) клина в жесткопластическую среду, ограниченную плоскостью [7]. Свариваемые поверхности прокладки являются плоскими, поскольку прокладка, как правило, изготавливается из листа. Размеры клина сопоставимы с величиной шероховатости свариваемых поверхностей заготовок. С учетом рассмотренных предпосылок можно исключить из способа традиционно используемую трудоемкую операцию тщательной подготовки поверхности заготовок к сварке посредством шлифования и последующего полирования, ограничившись только шлифованием или даже обычной токарной обработкой, и тем самым значительно снизить трудоемкость способа при подготовке поверхности соединяемых заготовок к сварке.
Проведение заключительной термообработки, так же как в прототипе, направлено на выравнивание структуры сварной заготовки.
Термообработка в зависимости от требований эксплуатации и/или исходной структуры сварной заготовки может быть проведена при температуре α+β- или β-области.
Такая термообработка может не проводиться, если в эксплуатации к изделию, которое будет изготовлено из сварной заготовки, не предъявляются требования однородности структуры.
Кроме того, так же как в прототипе, можно заготовки и прокладку выполнять из одного и того же титанового сплава, хотя в общем случае возможно использование разных сплавов. При использовании разных титановых сплавов для изготовления заготовок и прокладки, как, например, в способе [5], преимущества такого способа сварки и преимущества заявляемого способа суммируются. Так, в частности, разница между значениями напряжения течения материала прокладки и заготовок на стадии образования физического контакта в способе [5] составляет ~2 раза, в заявляемом способе ~6 раз. При одновременном использовании приемов известного и заявляемого способов разница между значениями напряжения течения материала прокладки и заготовок на стадии образования физического контакта может дойти, в частности, до ~12 раз.
Вышеприведенные доводы подтверждают новизну и неочевидность признаков изобретения и возможность решения основной поставленной задачи изобретения, касающейся расширения технологических возможностей способа сварки давлением заготовок из титанового сплава через промежуточную прокладку из титанового сплава с размером зерен менее 1 мкм при повышении качества соединения. Возможно также решение дополнительной задачи изобретения, касающейся снижения трудоемкости способа при подготовке поверхности соединяемых заготовок к сварке.
Способ осуществляется следующим образом
Производят сборку заготовок, имеющих, в частности, форму дисков, вырезанных из горячекатаного прутка с глобулярной, пластинчатой или смешанной глобулярно-пластинчатой структурой, и прокладки с подготовленной глобулярной структурой с размером зерен менее 1 мкм. Подготовку структуры в прокладке осуществляют, в частности, одним из методов интенсивной пластической деформации (ИПД) с последующей прокаткой. До сборки свариваемые поверхности заготовок и прокладки тщательно очищают от окисных пленок посредством механической обработки с одновременным достижением чистоты поверхности заданного класса. Нагревают сборку до температуры первого этапа сварки, выбираемой из температурного интервала, в котором прокладка с конкретным размером зерен проявляет свойства сверхпластичности, но более близкой к нижней границе этого интервала, включая нижнее граничное значение температуры. Прикладывают к сборке давление. Величину давления выбирают обеспечивающей скорость деформации прокладки, соответствующую условиям сверхпластичности прокладки. Время первого этапа определяют из условия образования физического контакта между прокладкой и заготовками расчетным или экспериментальным путем или путем моделирования.
Далее сборку нагревают для осуществления второго этапа сварки. Между первым и вторым этапом может быть промежуток во времени, сопровождающийся охлаждением сборки, либо этапы могут следовать один за другим, тогда нагрев для осуществления второго этапа производят от температуры первого этапа. Время и температуру второго этапа выбирают необходимыми для развития объемного взаимодействия между заготовками и прокладкой. Время второго этапа составляет 1,5÷2 часа.
После сварки возможен отжиг сварной заготовки в зависимости от исходной структуры заготовок и/или требований эксплуатации при температуре α+β- или β-области для выравнивания структуры в будущем изделии.
Примеры конкретного выполнения способа.
пп
При выполнении способа использовали титановый сплав ВТ6, Т990°С. Нижеприведенные примеры конкретного выполнения способа не ограничивают его возможностей в отношении других титановых сплавов, используемых для изготовления заготовок и прокладки, исходной структуры заготовок, их размеров и формы.
a
-4
-3
-1
Пример 1. Осуществили сварку двух цилиндрических заготовок высотой 40 мм, диаметром 200 мм. Заготовки имели мелкозернистую глобулярную структуру с размером зерен 10÷15 мкм. Для соединения заготовок использовали промежуточную наноструктурную прокладку толщиной 0,8 мм из сплава ВТ6 с размером зерен 300÷400 нм. Свариваемые поверхности заготовок и прокладки подвергли механической обработке с достижением значения шероховатости, равным R 1,25 (обычное шлифование). Собранные вместе с прокладкой заготовки поместили в стальной контейнер, который герметизировали аргонодуговой сваркой. Контейнер соединили трубопроводом с вакуумной системой и создали во внутренней полости контейнера вакуум с остаточным давлением не более 1,33 Па. Затем контейнер со свариваемыми заготовками установили между плоскими бойками пресса, имеющими возможность подогрева посредством индуктора до необходимой температуры, осуществили нагрев сборки до температуры первого этапа, равной 650°С, при которой материал прокладки проявляет низкотемпературную сверхпластичность. После нагрева к сборке приложили усилие пресса и за 30 мин произвели деформацию сборки, обеспечивая скорость деформации в интервале 10÷10 с, соответствующую условиям низкотемпературной сверхпластической деформации прокладки. Далее сборку свариваемых заготовок нагрели до температуры второго этапа, равной 820°С, и под давлением 3 МПа произвели выдержку в течение 1,5 часа. По окончании процесса сварки давлением сборку охладили на воздухе, затем механической обработкой удалили стальной контейнер и выполнили отжиг при температуре 900°С, соответствующей (α+β)-области сплава ВТ6, для выравнивания структуры во всем объеме полученной сварной заготовки.
Пример 2. Способ осуществили так же, как в примере 1. Отличие состояло в том, что:
- заготовки имели смешанную глобулярно-пластинчатую структуру;
- для соединения заготовок использовали промежуточную прокладку толщиной 0,8 мм из сплава ВТ6 с размером зерен 600÷800 нм;
- температура и время первого этапа составили соответственно 700°С и 25 мин;
- температура второго этапа составила 870°С при времени выдержки под давлением 2,5 часа;
- окончательную термообработку для выравнивания структуры в сварной заготовке не выполняли.
Пример 3. Способ осуществили так же, как в примере 1. Отличие состояло в том, что:
- заготовки имели смешанную глобулярно-пластинчатую структуру;
- осуществили предварительный наклеп соединяемых поверхностей заготовок путем обработки дробью с последующим отжигом заготовок при температуре 850°С в течение 0,5 часа для формирования в приповерхностном слое заготовок в результате рекристаллизации мелкозернистой глобулярной структуры;
- для соединения заготовок использовали промежуточную прокладку толщиной 0,8 мм из сплава ВТ6 с размером зерен 600÷800 нм;
- температура и время первого этапа составили соответственно 700°С и 25 мин;
- температура и время второго этапа составили соответственно 870°С и 2,5 часа;
- окончательную термообработку сварной заготовки выполнили при температуре 930°С.
срез
Для оценки качества твердофазного соединения были выполнены механические испытания образцов, полученных по заявляемому способу (1) и способу-прототипу (2) при комнатной температуре. Образцы по заявляемому способу были изготовлены с использованием режимов, приведенных в примере 1. Определили сдвиговую прочность (напряжение среза τ) и ударную вязкость (KCU) в зоне сварного соединения. Результаты испытаний представлены соответственно в таблицах 2 и 3. Также для обоих случаев в таблицах 2, 3 приведены отношения значений сдвиговой прочности и ударной вязкости к значениям этих параметров для основного металла.
По результатам испытаний можно сделать вывод о том, что сварное соединение, полученное по заявляемому способу, превосходит по качеству сварное соединение, полученное по способу-прототипу, несмотря на использование в обоих случаях прокладки с размером зерен менее 1 мкм, что свидетельствует о полном использовании преимуществ от использования такой прокладки в заявляемом способе.
Таблица 1
Температура, °С
Размер зерен, мкм
Напряжение течения, МПа
875
0,3
12
3
38
775
0,3
17
3
76
700
0,3
45
3
250
650
0,3
70
3
450
Таблица 2
№ образца
τ<sub>срез</sub>, МПа (основной материал)
τ<sub>срез</sub> <sup>1</sup>, МПа (соединение по заявляемому способу)
τ<sub>срез</sub> <sup>1</sup> τ<sub>срез</sub> <sup>осн</sup>
τ<sub>срез</sub> <sup>2</sup>, МПа (соединение по способу-прототипу)
τ<sub>срез</sub> <sup>2</sup> τ<sub>срез</sub> <sup>осн</sup>
1
530
518
0,98
484
0,90
2
515
507
466
3
510
500
459
4
525
514
460
5
520
512
470
Среднее значение
520,0
510,2
467,8
Таблица 3
№ образца
KCU<sup>осн</sup>, МДж/м<sup>2 </sup>(основной материал)
KCU<sup>1</sup>, МДж/м<sup>2 </sup>(соединение по заявляемому способу)
KCU<sup>1 </sup>KCU<sup>осн</sup>
KCU<sup>2</sup>, МДж/м<sup>2 </sup>(соединение по способу-прототипу)
KCU<sup>2 </sup>KCU<sup>осн</sup>
1
0,54
0,48
0,91
0,43
0,75
2
0,51
0,46
0,38
3
0,52
0,46
0,39
4
0,47
0,43
0,36
5
0,50
0,47
0,34
Среднее значение
0,508
0,46
0,38
Источники информации
1. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с.
2. Гельман А.А., Семенова Н.М., Мозолевская О.А., Голубева Г.В. Особенности структуры диффузионно-сварных соединений из титановых сплавов // Металлы, 1982, № 3, с.89-92.
3. Патент US 3713207, МПК В23К 20/227, 1973 г.
4. Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я., Мухаметрахимов М.X., Руденко О.А., Сафиуллин Р.В. Средний размер зерен в титановом сплаве ВТ6 и выбор рациональной схемы интегрального процесса сверхпластической формовки/сварки давлением // Перспективные материалы, 2005, № 6, с.79-85.
5. А.С. СССР 631282, МПК В23К 19/00, 1978 г.
6. Мулюков Р.Р., Назаров А.А., Имаев Р.М. Деформационные методы наноструктурирования материалов: предпосылки, история, настоящее и перспективы // Известия высших учебных заведений. Физика, 2008, № 5, с.47-59.
7. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. - М.: Наука, 1969, 420 с.