Г.К. Харченко, д-р техн. наук

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 інтерметалідного сплаву
γ-TіAl із сплавом титану ВТ8

Розроблено технологію дифузійного зварювання у вакуумі інтерметалідного сплаву γ-TiAl із сплавом титану ВТ8. Показано, що використання формуючих матриць сприяє обмеженню пластичної деформації титану й отриманню бездефектних з’єднань.

Постановка проблеми

З розвитком аерокосмічних технологій і появою нових конструкційних жароміцних сплавів виникає необхідність у їхньому зварюванні як в однорідному сполученні, так і різнорідному. До таких пар можна віднести інтерметалідний сплав γ-TіAl, який має структуру γ + α₂, і двофазний сплав титану ВТ8 із структурою α + β.

Відомо, що оптимальними параметрами для дифузійного зварювання сплавів титану є температура Т_зв = 800 ... 1050 °С, тиск Р_зв = 1 ... 10 МПа, час t_зв до 30 хв [1].

При зварюванні γ-TіAl оптимальним режимом слід вважати температуру Т_зв=1200°С, тиск Р_зв = 15…40 МПа, час t_зв = 20…60 хв [2; 3].

Однак параметри, які визначено як оптимальні при зварюванні сплавів титану, для зварювання інтерметалідних сплавів зі сплавами титану не прийнятні в наслідок значної пластичної деформації титану.

Формування цілей статті

Метою наших досліджень було розробити технологію одержання зварного з’єднан­ня γ-TіAl зі сплавом титану ВТ8.

Методика эксперименту

Зварювання інтерметалідного сплаву γ-TіAl (59,2Tі – 33,3Al – 4,8Nb – 2,7Cr мас. %) із сплавом титану ВТ8 (88,4Tі – 3,9Al – 7,6Mo – 0,1Sі мас. %) проводили у вакуумі В_зв = 1,33·10^-3 Па при температурі Т_зв = 1200 °С, тиску Р_зв = 20 МПа, часі t_зв = 20 хв, швидкість нагрівання складала V = 150 °С/хв. Підготовка зразків під зварювання складалася з розрізання їх на електроерозійному верстаті, шліфування поверхонь, які підлягали зварюванню, і знежирення. Шліфи зварних з’єднань для дослідження мікроструктури виготовляли за стандартною методикою з використанням алмазних паст. Виявлення мікроструктури проводили в суміші плавикової та азотної кислот з додаванням гліцерину. Мікроструктуру досліджували методом оптичної металографії на мікроскопі «Neophot-32». Хімічний склад зони з’єднання та ділянок металу, що прилягали до неї, визначали мікрорентгеноспектральним аналізом за допомогою растрового електронного мікроскопу JSM-840 фірми «JEOL». Мікротвердість структурних складових вимірювали на твердомірі фірми «LECO» навантаженням 50 г.

Виклад основного матеріалу досліджень

Як показали попередні наші дослідження, при зварюванні на режимах, оптимальних для зварювання інтерметалідного сплаву γ-TіAl, відбувається значна пластична деформація сплаву титану ВТ8. Ступінь пластичної деформації зразків із сплаву ВТ8 при 1200 °С складає ~ 40 %.

Аналіз мікроструктури з’єднань, отриманих при значеннях тиску, прийнятих для зварювання сплавів титану (Р_зв = 5 МПа), показує, що в зоні з’єднання спостерігається значна кількість дефектів. Відомо, що при одержанні біметалічних з’єднань м’яких матеріалів із твердими, котрі значно відрізняються за своїми механічними властивостями, добре зарекомендувала себе схема зварювання у формуючих обоймах [4; 5]. При цій схемі зварювання в зоні з’єднання практично відсутня пористість, що автори пояснюють "текучістю" більш м’якого з металів – міді [5] або титану [4] по поверхні твердого, що в кінцевому підсумку і призводить до забезпечення фізичного контакту.

Для проведення експериментів нами було спроектовано пристрій. На відміну від існуючих конструкцій формуючих пристроїв, які застосовують при зварюванні у твердій фазі [4; 5], у нашій конструкції обмежували пластичну деформацію тільки більш м’якого з матеріалів – сплаву титану ВТ8.

Схему пристрою для зварювання інтерметалідного сплаву γ-TіAl із сплавом ВТ8 представлено на рис. 1. Зразок із сплаву ВТ8 – 1 фіксували в розбірній втулці – 2, яку вставляли в обойму – 3. Знизу обойми – 3 знаходиться вкладиш – 4. За рахунок зміни висоти вкладиша – 4 задавали величину пластичної деформації сплаву ВТ8. Зверху ВТ8 встановлювали інтерметалідний сплав γ-TіAl – 5.

 

Рис. 1. Схема пристрою для зварювання інтерметалідного сплаву γ-TiAl зі сплавом ВТ8:
1 – зразок із сплаву ВТ8; 2 – розбірна втулка; 3 – обойма; 4 – вкладиш; 5 – зразок з
інтерметалідного сплаву γ-TiAl

 

Металографічними дослідженнями зварних з’єднань встановлено, що після електрохімічного травлення зона з’єднання являє собою чітко виражену смугу товщиною 10-15 мкм (рис. 2, а). При вивченні зварного з’єднання за допомогою растрової електронної мікроскопії на не травленому шліфі в зоні з’єднання дефекти зварювання не виявлені (рис. 2, б). Концентрація елементів (мас. %) у зоні з’єднання за даними мікрорентгеноспектрального аналізу складає (рис. 3, т. 1) 66,54Tі – 25,40Al – 6,22Nb – 1,15Cr – 0,69Mo (мас. %).

Можна стверджувати, що структура зони з’єднання між інтерметалідом γ-TiAl і сплавом ВТ8 являє собою дуплексну структуру (γ + α₂). На ділянці, що прилягає до зони з’єднання з боку інтерметаліду γ-TiAl (рис. 3, т. 2), концентрація елементів становить: 64,69Ti – 24,27Al – 5,97Nb – 4,28Cr – 0,79Mo (мас. %).

Структура інтерметалідного сплаву γ-TiAl, що прилягає до зони з’єднання (рис. 3, т. 3 і 4), має ламелярну структуру (γ + α₂). У структурі інтерметалідного сплаву спостерігаються пластини світло-сірого кольору, окантовані округлими виділеннями, що містять ніобій. Фаза, що містить ніобій (т. 4), являє собою хімічну сполуку Tі₂AlNb.

Вміст елементів у т. 3 та 4 відповідно дорівнює:

- 62,86Ti – 25,11Al – 7,19Nb – 1,90Mo – 2,94Cr (мас. %);

- 61,58Ti – 29,31Al – 5,48Nb – 0,67Mo – 2,96Cr (мас. %).

 

 

а) б)

Рис. 2. Вигляд зони з’єднання γ-TiAl – BT8: а – оптична мікроскопія, х400; б – растрова
електронна мікроскопія, х1000

 

З боку сплаву ВТ8 до зони з’єднання прилягає безструктурна смуга товщиною 60…80 мкм (рис. 2, а). Ділянки, які досліджували (рис. 3, т. 5 і 6), розташовані в сплаві ВТ8 на відстані 30 і 120 мкм від зони з’єднання.

Вміст елементів у т. 5 та 6 відповідно дорівнює:

- 89,78Ti – 3,74Al – 0,84Nb – 4,25Mo – 1,39Cr (мас. %);

- 89,71Ti – 3,65Al – 0,62Nb – 6,02Mo (мас. %).

 

Рис.3. Мікроструктура зони з`єднання γ-TiAl – BT8 (растрова електрона мікроскопія), х2000

Характер розподілу елементів поблизу зони з’єднання вказує на дифузію атомів Al і Nb з алюмініду титану в сплав титану та атомів Tі в протилежному напрямку (рис. 4). Дифузійні процеси призводять до збагачення титаном та алюмінієм ділянки, що знаходиться між γ-TiAl і сплавом титану ВТ8. Можна припустити, що зміна концентрації легуючих елементів поблизу від зони з’єднання визначає його структуру і механічні властивості.

Рис. 4. Характер розподілу Tі, Al і Nb у зоні з’єднання γ-TiAl – BT8

 

Характер розподіл мікротвердості в зоні з’єднання представлено на рис. 5. Отримані результати підтверджують дані мікрорентгеноспектрального аналізу про наявність дифузійної зони з боку сплаву ВТ8.

Механічні випробування зварних з’єднань на зріз показали, що руйнування проходить по зоні з’єднання з присутністю в зламі окремих ділянок інтерметалідного сплаву. Міцність з’єднань на зріз дорівнює 260 МПа, що складає 72 % від міцності інтерметаліду.

Рис. 5. Розподіл мікротвердості в зоні з’єднання γ-TiAl – BT8

Висновки з дослідження

1. Розроблено технологію дифузійного зварювання у вакуумі інтерметалідного сплаву γ-TiAl із сплавом титану BT8 із застосуванням формуючих пристроїв.

2. При параметрах режиму зварювання: температура Т_зв = 1200 °С, тиск Р_зв = 20 МПа, t_зв = 20 хв отримано бездефектні зварні з’єднання.

3. Аналіз мікроструктури показує, що в процесі зварювання в зоні з’єднання формується кілька дифузійних зон з різним вмістом алюмінію, титану і ніобію.

4. Випробування зварних з’єднань на зріз показують, що руйнування проходить по зоні з’єднання з присутністю в зламі окремих ділянок інтерметалідного сплаву. Міцність з’єднань на зріз дорівнює 260 МПа, що складає 72 % від міцності інтерметаліду.

Список використаних джерел

1. Конюшков Г. В. Специальные методы сварки давленим: учебное пособие / Г. В. Ко­нюшков, Р. А. Мусин. – Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2009. – 632 с.

2. Получение неразъемных соединений сплавов на основе γ-TiAl с использованием нанослойной прослойки Ti/Al способом диффузионной сварки в вакууме / А. И. Устинов, Ю. В. Фальченко, А. Я. Ищенко [и др.] // Автоматическая сварка. – 2009. – № 1. – С.17-21.

3. Diffusion Bonding of Intermetallic Compound TiAl / Yoshikuni Nakao, Kenji Shinozaki, Masahiko Hamada // ISIJ International. – 1991. – Vol. 31, № 10. – P. 1260-1266.

4. Киреев Л. С. Сварка в вакууме технического титана со сталями 2Х13 и 12Х18Н10Т / Л. С. Киреев // Автоматическая сварка. – 1985. – № 3. – С. 56-58.

5. Структура соединений титана с медью, выполненных диффузионной сваркой в вакууме, при различных схемах деформирования / Л. Н. Лариков, М. Н. Белякова, В. Н. Замков, В. К. Сабо­карь // Автоматическая сварка. – 1982. – № 6. – С. 21-23.