Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его выплавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов. Титан пластичен и легко обрабатывается давлением при комнатной и повышенной температурах. Горячую обработку давлением необходимо проводить в атмосфере защитных газов, так как при высокой температуре титановые сплавы склонны к газопоглощению, при этом пластичность их падает. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и дуговой сваркой в защитной атмосфере, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана являются низкие антифрикционные свойства, плохая обрабатываемость резанием (на порядок хуже, чем

уконструкционных углеродистых сталей).

11.2.ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ

ИСВОЙСТВА СПЛАВОВ ТИТАНА

11.2.1. Легирование, фазовый состав и классификация титановых сплавов

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и другими элементами. Как и в сплавах на основе железа, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру полиморфного превращения. На рис. 11.2 представлены схемы диаграмм состояния титан – легирующий элемент. В зависимости от влияния на температуру полиморфного превращения титана легирующие элементы подразделяются на три группы:

221

1)α-стабилизаторы;

2)β-стабилизаторы;

3)нейтральные упрочнители.

Легирующие элементы первой группы (α-стабилизаторы) повышают температуру полиморфного превращения α ↔ β (рис. 11.2, а), расширяя область твердых растворов на основе α-титана, так что α-фаза становится стабильной при более высоких температурах, область существования β-титана сужается. К α-стабилизаторам относятся металлы – алюминий, галлий, индий; неметаллы – углерод, азот и кислород. С учетом охрупчивающего действия азота и кислорода практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Алюминий является основным упрочняющим легирующим элементом, к тому же имеющим малую плотность, поэтому он обычно присутствует в большинстве титановых сплавов.

Рис. 11.2. Схема влияния легирующие элементов на температуру полиморфного превращения титана

222

Легирующие элементы второй группы (β-стабилизаторы), наоборот, понижают температуру полиморфного α↔β-превраще- ния (рис. 11.2, б) и расширяют область существования твердых растворов на основе β-титана, т.е. β-фаза становится стабильной при более низких температурах (ниже 882 °С). К β-стабилизаторам относятся V, Zr, Nb, Mo, Та, Cr, Мn, Fe, Сu, Ni, Рb, Si, W и др. Некото-

рые β-стабилизаторы (Cr, Mn, Fe, Ni, Сu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллические соединения типа TiX. В этом случае при охлаждении β-фаза претерпевает эвтектоидное превращение β → α + TiX (рис. 11.2, в). Такие β-стабилизаторы являются эвтек- тоидо-образующими.

Третья группа – нейтральные элементы: олово, цирконий, германий, гафний, торий – не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 11.2, г). Их называют нейтральными упрочнителями.

Полиморфное β→α-превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму, апри большом переохлаждении и быстром охлаждении– по бездиффузионному мартенситному механизму. При медленном охлаждении образуется полиэдрическая структура α-твердого раствора, а при быстром– игольчатая мартенситная структура, обозначаемая α' или при большей степени легированности– α". Кристаллическая структура α, α' и α" практически одинакова (гексагональная плотноупакованная решетка), однако решетка пересыщенных твердых растворов α' и α" более искажена при высокой скорости охлаждения. При старении из α'- иα"-фаз выделяютсяβ-фазаилиинтерметаллиднаяфаза(TiCr2).

Титановые сплавы подвергают термической обработке – рекристаллизационному отжигу, закалке и старению, а также химикотермической обработке.

Отжиг титановых сплавов проводят после холодной деформации. Температура их рекристаллизации составляет в среднем

223

500 °С, и отжиг при температуре 700–800 °С вполне достаточен для устранения наклепа.

Превращения при закалке и старении в титановых сплавах в принципе похожи на соответствующие превращения в стали. Однако из-за того, что α'-мартенсит в титановых сплавах мало отличается по прочности от равновесной α-фазы, столь существенного упрочнения, как в сталях, в титановых сплавах не происходит. В результате фазовой перекристаллизации происходит измельчение зерна, чтоположительносказываетсянаихпластическихсвойствах.

Необходимое сочетание физико-механических свойств титановых сплавов обеспечивается часто комбинированным легированием α-, β-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями.

За основу классификации титановых сплавов принято соотношение α- и β-фаз в структуре сплава и особенности структурных превращений, происходящих при их термической обработке. Группы титановых сплавов различаются по величине условного коэффициента стабилизации Kβ, который показывает отношение содержания β-стабилизирующего легирующего элемента к его содержанию в сплаве критического состава. При содержании в сплаве нескольких β-стабилизирующих элементов их Kβ суммируется.

По классификации, использующей фазовый состав титановых сплавов, их делят на пять групп (табл. 11.2):

1)α-сплавы – легированные лишь α-стабилизаторами, при температуре20 °Ссостоят изα-фазы;

2)псевдо-α-сплавы– легированные α-стабилизаторами и небольшим количеством β-стабилизаторов, в структуре присутствует до

5 % β-фазы;

3)двухфазные (α + β)-сплавы – легированные α-стабилизатора-

ми и β-стабилизаторами, при температуре 20 °С состоят из смеси α- иβ-фаз;

4)псевдо-β-сплавы – в структуре присутствует до 5 % α-фазы;

5)β-сплавы – притемпературе20 °Ссостояттолькоиз β-фазы.

224

225

вы, он также повышает термическую стабильность β-фазы. Алюминий уменьшает удельный вес сплавов и тем самым компенсирует действие тяжелых переходных элементов.

Нейтральные упрочнители, например олово, цирконий, тоже увеличивают прочность титана, уменьшая его пластичность. Они также увеличивают жаропрочность титана.

При легировании титана β-стабилизаторами в количестве, близком к их растворимости в α-фазе, они упрочняют α-фазу. Сильно упрочняют α-фазу хром, железо, молибден, марганец, кремний, в значительно меньшей степени влияют ванадий, тантал, ниобий. Прочность двухфазных (α + β)-сплавов возрастает при переходе от α- к β-структуре, т.е. по мере увеличения концентрации β-стабили- заторов. Прочностные свойства β-сплавов выше, чем прочность предельно насыщенных α-сплавов. Изменение механических свойств отожженных титановых сплавов в зависимости от содержания β-стабилизаторов показано на рис. 11.4. Если в структуре сплава имеется небольшое количество второй фазы, его прочность близка к прочности матрицы. С увеличением количества второй фазы темп изменения свойств нарастает и достигает наибольшей величины, когда α-матрица сменяется на β-матрицу. В результате изменение свойств двойных (α + β)-сплавов описывается кривой, схематически представленной на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Схемазависимостипрочностиотожженных титановыхсплавовотфазовогосостава

227

Одной из важнейших характеристик титановых сплавов является термическая стабильность. Термическая стабильность – это неизменность структуры и свойств сплавов с течением времени при повышенных температурах. Она недостаточна у (α + β)-сплавов с большим количеством β-стабилизаторов и с активными эвтектоидными β-стабилизаторами, а также у сплавов с высоким содержанием алюминия. Введение β-изоморфных стабилизаторов позволяет повысить термическую стабильность β-фазы, а следовательно, и жаропрочность.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют большую прочность, в том числе при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость. Титановые сплавы склонны к повышенному налипанию на инструмент, что в сочетании с их низкой теплопроводостью затрудняет процесс механической обработки. При обработке резанием целесообразно применение инструмента с твердосплавными пластинами. Титановые сплавы обладают низкими антифрикционными свойствами. Для повышения износостойкости их подвергают азотированию. Азотирование повышает поверхностную твердость, износостойкость и жаропрочность. Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию.

Структура титановых сплавов различного класса зависит от ряда технологических факторов: условий кристаллизации, деформации, режимов термической обработки.

11.3. СВАРИВАЕМОСТЬ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Рассматривая вопросы свариваемости титана, необходимо учитывать некоторые особенности его физических свойств. Титан обладает достаточно высокими температурами плавления (1668 °С) и кипения (3260 °С). Скрытая теплота плавления и кипения титана почти в два раза больше чем у железа, поэтому расплавление титана требует больших́ затрат энергии.

228

Коэффициент теплопроводности титана почти в четыре раза меньше, чем у железа, и в 13 раз меньше, чем у алюминия, поэтому при сварке титана наблюдается меньше потерь энергии, осуществляется концентрированный нагрев при значительном градиенте температурных напряжений. Это может привести к значительному возрастанию внутренних напряжений, что необходимо учитывать при выборе оптимальных режимов сварки титана.

Титан обладает высоким электросопротивлением, в шесть раз большим, чемужелеза, ив20 разбольшим, чемуалюминия. Этонеобходимо учитывать при сварке плавлением с использованием присадочнойпроволокиприправильномвыбореконтактирующихустройств.

Обязательным условием получения качественного сварного соединения является надежная защита от газов атмосферы. Насыщение металла шва водородом, кислородом и азотом происходит уже при температуре более 350–400 °С. Это резко снижает пластичность и длительную прочность сварных конструкций. Сварку необходимо вести в среде защитных газов высокой частоты под специальными флюсами или в вакууме. Защитные средства должны обеспечивать защиту не только зоны сварки, но и остывающих участков металла шва и околошовной зоны вплоть до температуры 350 °С. Необходимо также тщательно защищать и обратную сторону шва даже в том случае, если слои металла не расплавлялись, а только нагревались выше этой температуры.

Титановые сплавы обладают повышенной чувствительностью к термическому циклу сварки, что выражается в протекании полиморфного превращения α ↔ β, резком росте зерна β-фазы, перегреве на стадии нагрева, образовании хрупких фаз при охлаждении и старении, неоднородности свойств сварных соединений, зависящих от химического и фазового состава сплава. Перегрев шва и зоны термического влияния связан с низкой теплопроводностью титана. Устранить указанные трудности удается с помощью применения оптимальных режимов сварки:

–снижения погонной энергии для α- и псевдо-α-сплавов;

–повышения погонной энергии для (α + β)-сплавов.

229

Положительные результаты дает применение высококонцентрированныхисточниковтепла: электронно-лучеваяилазернаясварка.

Титан и его сплавы не склонны к образованию кристаллизационных (горячих) трещин в металле шва. Это объясняется благоприятным сочетанием физико-механических свойств титана и его сплавов: малой величиной линейной усадки наряду с повышенной прочностью и пластичностью металла в области высоких температур.

Наиболее распространенными дефектами сварных швов являются поры и холодные трещины. Основная причина образования пор в швах – газовые примеси (в первую очередь водород), растворенные в основном и присадочном металле и адсорбиронанные на проволоке, флюсе и поверхностях свариваемых кромок. Поры в сварных соединениях, чаще всего располагающиеся в виде цепочки по зоне сплавления, снижают их статическую и динамическую прочность.

Для того чтобы получить беспористые швы, необходимо обеспечить требуемую чистоту основного металла и сварочных материалов (прокалку флюсов, применение защитного газа высокого качества, вакуумную дегазацию, зачистку перед сваркой сварочной проволоки), сварку выполнять на оптимальных режимах с соблюдением всех требований технологии. Перед сваркой с поверхности титана необходимо убрать газонасыщенный слой (альфированный), в особенности это относится к деталям, изготовленным давлением, или после термообработки, проводимой без защитных газов.

Холодные трещины возникают в результате повышенного содержания водорода в сварном соединении в сочетании с растягивающими напряжениями первого рода (остаточными сварочными и от внешней нагрузки). Такие трещины могут возникать как сразу после сварки, так и после вылеживания сварных изделий до нескольких лет (процесс замедленного разрушения). Мерами предотвращения образованияхолодныхтрещинявляются:

–снижение газов в основном и присадочном материале

(H2 < 0,008 %, O2 < 0,1…0,12 %, N2 < 0,04 %);

–соблюдение технологии сварки для предотвращения попадания паров воды и газов в зону сварки;

230