Г.К. Харченко, д-р техн. наук, професор

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

Ю.В. Фальченко, канд. техн. наук

Л.В. Петрушинець, інженер

Ін-т електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, Україна

дифузійне зварювання У вакуумі алюмініду титану
з нержавіючоЮ сталлю

Розроблено технологію дифузійного зварювання у вакуумі алюмініду титану з нержавіючою сталлю. Для запобігання утворення в зоні з’єднання крихких інтерметалідів запропоновано застосовувати двохстадійний процес зварювання та прошарки Tі, Nb та Cu у вигляді фольг суцільного перетину.

Постановка проблеми. Сплави на основі алюмінідів титану є перспективними жароміцними матеріалами для виготовлення ряду деталей гарячого тракту газотурбінних двигунів [1]. Практичне використання TiAl ставить питання про отримання з’єднань з іншими конструкційними матеріалами. В цій роботі розглянуто можливість отримання зварного з’єднання алюмініду титану зі сталлю.

Титан з основними елементами нержавіючої сталі (залізом, хромом, нікелем) має обмежену взаємну розчинність, утворює інтерметаліди та низькотемпературні евтектики, що виключає можливість безпосереднього з’єднання титану зі сталлю всіма відомими способами зварювання плавленням – зварні шви виходять крихкі. Завдання щодо зварювання титану зі сталлю може бути вирішена лише шляхом використання проміжних вставок. Титан задовільно зварюється з дуже обмеженою кількістю металів: цирконієм, гафнієм, ніобієм, танталом, ванадієм.

У літературі найбільш широко висвітлено питання з’єднання титану зі сталлю зварюванням у твердій фазі, тобто без розплавлення контактуючих металів. Можливість з’єднання титану безпосередньо з залізом і сталлю, тобто без прошарків, вивчалася для випадків ДЗВ [2], пресового зварювання [3], зварювання вибухом [4], зварювання тертям [5] та інших.

Найбільш перспективним способом зварювання титану зі сталлю є зварювання тиском з використанням проміжних прошарків з інших металів. Одинарні прошарки не вирішують завдання одержання працездатного зварного біметалічного вузла при температурах вище 400 ºС, тому що в зоні контакту відбувається ріст крихкого перехідного шару, що містить або карбіди, або інтерметаліди, або обидва типи хімічних сполук одночасно.

Двошарові прошарки ніобій-мідь застосовуються при зварюванні титану із сталлю вибухом [6], дифузійному зварюванні [7], зварюванні прокаткою [8]. Ніобій з міддю інтерметалідних з’єднань не утворюють, мають слабку взаємну розчинність і зварювання цих металів серйозних ускладнень не викликає. При оптимальних умовах з’єднання має високу міцність і задовільну пластичність. При низьких температурах (до 268,8 ºС) і при високих температурах (до 1000 ºС) випробування руйнування з’єднань відбувається по шару міді [6].

Однак прошарки ніобій-мідь також мають істотні недоліки. Шари ніобію, міді, а також сталі і титану мають дуже різні коефіцієнти лінійного розширення, що призводить до появи тріщин у шарі міді при термоциклічних режимах роботи вузлів [9]. Таким чином, необхідно знизити рівень напружень за рахунок зниження різниці в значеннях коефіцієнтів лінійного розширення металів, що з’єднуються. При дифузійному зварюванні вибір оптимальних режимів ускладнюється, тому що ніобій при температурах близько 1000 ºС непластичний, у той час як при цих температурах титан і мідь мають низькі показники міцності.

Змінюючи товщину проміжного шару міді, тобто м’якого шару, можна керувати ступенем контактного зміцнення цього шару, одержуючи необхідні показники механічних властивостей зварного вузла в цілому. Істотний недолік такої технології – це низька температура плавлення прошарку з міді та її сплавів.

Формування цілей статті. Метою роботи є розробка технології дифузійного зварювання у вакуумі інтерметалідного сплаву γ-TiAl зі сталлю12Х18Н10Т.

Виклад основного матеріалу дослідження. Об’єктом досліджень були інтерметалідний сплав γ-TiAl (Tі – 31-33 %Al – 2-3 %Cr – 3-4 %Nb, % мас.) і нержавіюча сталь 12Х18Н10Т. Для усунення перегріву металу заготовки зі сталі й інтерметаліду розрізали на зразки розміром 15 × 15 × 5 мм за допомогою електроерозійного верстата. Зварювання зразків проводили способом дифузійного зварювання у вакуумі.

Поверхні зразків, що підлягали зварюванню, шліфували на алмазному колі і безпосередньо перед зварюванням знежирювали ацетоном. Зварювання зразків проводили в стик у вільному стані. Для усунення утворення крихких інтерметалідів у зоні з’єднання застосовували прошарки у вигляді фольг суцільного перетину: Tі – 100 мкм, Cu – 50 мкм, Nb – 50 мкм.

Послідовність елементів для зварювання була наступна: γ-TіAl – Ti – Nb – Cu – 12Х18Н10Т.

Оптимальною температурою для зварювання інтерметалідного сплаву γ-TіAl є температура Т = 1200 ºС, але при цих умовах відбувається розплавлення міді, що негативно впливає на якість зварних з’єднань [10]. Тому було запропоновано двохстадійний процес зварювання інтерметаліду γ-TіAl із сталлю 12Х18Н10Т. Спочатку при температурі Т = 1200 ºС проводили зварювання алюмініду титану з титаном та ніобієм, а потім до отриманого з’єднання при температурі Т = 1000 ºС приварювали через прошарок міді сталь 12Х18Н10Т.

Циклограма процесу дифузійного зварювання наведена на рис. 1. Тиск зварювання на обох стадіях становив Р = 20 МПа, час витримки t = 20 хв.

Металографічні дослідження з’єднань, отриманих при дифузійному зварюванні у вакуумі γ-TіAl – Ti – Nb – Cu – 12Х18Н10Т, показали, що в зоні з’єднання дефектів у вигляді пор, тріщин не виявлено. На рис. 2 представлена мікроструктура зварного з’єднання, отриманого в режимі зворотно розсіяних електронів на нетравленому шліфі. Як видно з рисунка (рис. 2) і розподілу елементів (табл. 1), у процесі зварювання у стику активно відбуваються дифузійні процеси з утворенням з боку інтерметаліду широкої зони об’ємної взаємодії. Між інтерметалідним сплавом γ-TіAl і прошарками титану та ніобію відбувається плавне вирівнювання складу.

Таблиця 1

Локальний аналіз хімічного складу елементів у зоні з’єднання TіAl зі сталлю 12X18H10T через прошарки суцільного перетину: титану, ніобію і міді

 

Дослідження розподілу мікротвердості в напрямку перпендикулярному до зони з’єднання γ-TіAl – 12X18H10T (рис. 3) показали підвищення мікротвердості до 4050 МПа в дифузійній зоні γ-TіAl з прошарком титану за рахунок дифузії алюмінію у бік титану. Прошарок титану має підвищені показники мікротвердості до 2800 … 4050 МПа внаслідок дифузії як алюмінію, так і ніобію (табл. 1, т. 2).

З боку нержавіючої сталі в зоні з’єднання з мідним прошарком спостерігається зниження мікротвердості до 1100 МПа, що відповідає мікротвердості міді.

Висновки дослідження. Проведені дослідження показують, що застосування двохстадійного процесу зварювання γ-TіAl з нержавіючою сталлю з використанням проміжних прошарків з титану, ніобію та міді дозволяє отримати бездефектні з’єднання.

Список використаних джерел

1. Механические свойства литых сплавов γ-TiAl / О. А. Банных, К. Б. Поварова, Г. С. Браслав­ская [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1996. – № 4. – С. 11-14.

2. Биметаллические соединения / К. Е. Чарухина, С. А. Голованенко, В. А. Мастеров, Н. Ф. Казаков. – М.: Металлургия, 1970. – 280 с.

3. Причины снижения прочности сварных соединений титана со сталью / Л. Н. Лариков, М. Н. Белякова, В. Н. Замков [и др.] // Автоматическая сварка. – 1984. – № 4. – С. 17-20.

4. Седых В. С. Особенности микронеоднородности сваренных взрывом соединений / В. С. Седых // Труды Волгоградского политехнического института. – 1975. – Вып. 2. – С. 3-39.

5. О возможности регулирования температуры при сварке трением разнородных материалов / Ю. Д. Потапов, В. В. Трутнев, А. Ф. Якушин [и др.] // Сварочное производство. – 1971. – № 2. – С. 1-3.

6. Влияние низких температур на работоспособность сваренных взрывом титано-стальных соединений / Ю. Н. Кусков, В. Д. Сапрыгин, В. С. Седых [и др.] // Сварочное производство. – 1975. – № 11. – С. 20-21.

7. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов / С. М. Гуревич, В. Н. Замков, В. Е. Блащук, Г. К. Харченко [и др.]. – 2-е изд., дополн. и перераб. – К.: Наук. думка, 1986, – С. 240.

8. Свойства соединений титановых сплавов со сталью, полученных через тонкие металлические прослойки / В. Е. Иванов, В. М. Амоненко, В. М. Годин [и др.] // Физика и химия обработки материалов. – 1971. – № 2. – С. 101-104.

9. Тронь А. С. Влияние циклических нагревов на свойства соединения разнородных металлов / А. С. Тронь, Л. А. Забашта, А. Г. Лопата // Проблемы прочности. –1975. – № 12. – С. 57-60.

10. Diffusion welding of γ-TiAl based alloys through nano-layered foil of Ti/Al system / A. I. Ustinov, Yu. V. Falchenko, A. Ya. Ishchenko, G. K. Kharchenko, T. V. Melnichenko, A. N. Muraveynik // Intermetallics. – 2008. – № 16. – Р. 1043-1045.