Металловедение сварки титановых сплавов


В. В. ОВЧИННИКОВ, Н. В. УЧЕВАТКИНА, М. А. ГУРЕЕВА









            МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ



Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.791
ББК 34.641
      0-35




Рецензенты :

Редчиц В. В., д-р техн. наук, профессор;
Шаров В. М., канд. техн. наук, генеральный директор
ООО «НПП «Источник»











      Овчинников, В. В.
0-35      Металловедение сварки титановых сплавов : учебное пособие / В. В. Ов      чинников, Н. В. Учеваткина, М. А. Гуреева. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 192 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0454-9

      Рассмотрены виды современных титановых сплавов и режимы их термической обработки. Дано описание типовых структур полуфабрикатов, приведены сведения об основных способах сварки сплавов, о процессах их структурных изменений под влиянием термического цикла сварки. Рассмотрены механические свойства сварных соединений, а также дефекты, встречающиеся в сварных соединениях. Приведены режимы термической обработки соединений после сварки и типовые макро- и микроструктуры сварных соединений.
      Для студентов высших учебных заведений машиностроительных специальностей, а также инженерно-технических работников, исследующих механические свойства и структуры металлических материалов.

                                                                  УДК 621.791
                                                                  ББК 34.641




ISBN 978-5-9729-0454-9  © Овчинников В. В. , Учеваткина Н. В., Гуреева М. А., 2020
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ...............................................5

ВВЕДЕНИЕ..................................................6

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ..............................9
1.1. Классификация титановых сплавов......................9
1.2. Термическая обработка титановых сплавов.............10
1.3. Структура и свойства распространенных промышленных свариваемых титановых сплавов............................16
1.4. Применение сварных соединений из титановых сплавов в авиационной промышленности.............................27

Глава 2. ФИЗИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ      СВАРКЕ ............30
2.1. Плавление и кристаллизация титановых сплавов при сварке...............................................30
2.2. Современные способы сварки титановых сплавов........40
2.3. Свариваемость титановых сплавов.....................52
2.4. Подготовка поверхности титановых сплавов под сварку.55
2.5. Структурные и фазовые превращения в титановых сплавах при сварке...........................55
2.6. Механические свойства сварных соединений титановых сплавов ...62
2.7. Термическая обработка сварных соединений титановых сплавов........................................72
2.8. Свойства сварных соединений р-сплавов..............84
2.9. Малоцикловая усталость сварных соединений..........118

Глава 3. ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ....................135
3.1. Классификация дефектов сварных соединений..........135
3.2. Предупреждение пористости в сварных соединениях....151
3.3. Предупреждение трещин в сварных соединениях........162


3

Глава 4. ТИПИЧНЫЕ МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ.................167
4.1. Макроструктуры сварных соединений титановых сплавов.....................................167
4.2. Микроструктуры сварных соединений титановых сплавов....................................171
4.3. Фрактограммы изломов сварных соединений.........180
4.4. Дислокационные субструктуры сварных соединений титановых сплавов....................................184
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................190
ЛИТЕРАТУРА...........................................190

4

    ПРЕДИСЛОВИЕ


    В учебном пособии обобщены сведения по структуре и свойствам сварных соединений титановых сплавов. Проанализирована роль легирующих элементов и примесей. Рассмотрено формирование микро- и субструктуры титановых сплавов в процессе неравновесной кристаллизации и последующей термической обработки. Рассмотрены общие особенности механических свойств титановых сплавов и их сварных соединений. Систематизированы основные дефекты, возникающие в соединениях, и представлены основные аспекты технологического процесса их устранения с помощью сварки. Приведены свойства и структура сварных соединений титановых сплавов и примеры выполнения сварных конструкций.
    Учебное пособие предназначено для студентов машиностроительных направлений подготовки. Оно может быть полезно для широкого круга инженерно-технических и научных работников различных отраслей промышленности.


5

    ВВЕДЕНИЕ


    Благодаря особым физико-химическим свойствам (малая плотность, высокая прочность при нормальной и повышенных температурах, коррозионная стойкость во многих агрессивных средах и др.) титан и сплавы на его основе находят все большее применение в разных отраслях промышленности. Успехи, достигнутые в области металлургии химически активных металлов, способствовали тому, что за короткий период титан и его сплавы стали доступными конструкционными материалами.
    Титановые сплавы благодаря сочетанию уникальных физико-химических характеристик находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, особенно там, где требуется малая удельная масса, устойчивость к воздействию высоких и криогенных температур и т. д. Помимо летательных аппаратов, они все шире используются на транспорте, в химическом машиностроении, судостроении, промышленном и гражданском строительстве. Этому способствует рост объема производства полуфабрикатов из этих сплавов.
    Основным технологическим процессом в производстве конструкций из алюминиевых сплавов является сварка. Растущая потребность в ответственных конструкциях различного назначения определяет основные этапы развития сварочной техники и технологии.
    Во многих случаях сварке принадлежит ведущая роль в решении сложных технических задач создания новых конструкций из алюминиевых и магниевых сплавов. Имеются многочисленные примеры из области самолетостроения, ракетостроения, космической техники, где ученые и специалисты-сварщики внести определенный вклад в создание новых прогрессивных конструкций и в принципиальные изменения технологии их производства. Конечная цель сварочного производства - создание технологичной, надежной и экономичной сварной конструкции.
    Наибольшее распространение в отечественном и зарубежном машиностроении получили технический титан (ов = 350-450 МПа) и его низколегированные сплавы (ов = 800-900 МПа). Успешно преодолены затруднения при сварке титана, вызываемые большой химической активностью металла в расплавленном состоянии и при повышенных температурах. Освоена сварка разнообразных изделий из титана, в том числе изделий ответственного назначения. Внедрены в производство новые способы сварки титана, специализированная сварочная 6

аппаратура, оригинальные устройства и приспособления. В нашей стране и за рубежом создано большое количество сплавов с а, (а + Р) и p-структурой. Более широко стали применять термическую обработку титановых сплавов. Если раньше отжиг проводили с целью устранения внутренних напряжений, то в последнее время в практику внедряются методы изотермического отжига, закалки и старения для получения необходимой структуры и свойств.
     Основное применение в сварных конструкциях находят а-сплавы, обладающие важными достоинствами - термической стабильностью, хорошей свариваемостью, экономическими преимуществами. Однако в тех областях промышленности, где применение титановых сплавов диктуется стремлением к снижению массы конструкции, особый интерес представляют сплавы высокой прочности. Только при определенном уровне прочности возможна заметная экономия массы по сравнению со стальными конструкциями. Известно, что средством повышения прочности а-сплавов титана служит комплексное легирование. При этом, однако, снижается пластичность, что является существенным недостатком при изготовлении конструкций, работающих на вибрацию, повторную статику, изгиб, ударные нагрузки. Поэтому в ряде областей промышленности в последнее время все большее внимание уделяется а + Р-сплавам с различной степенью легирования и Р-сплавам после упрочняющей термической обработки.
     Несмотря на сложность изготовления сварных конструкций из высокопрочных титановых сплавов, в литературе недостаточно полно отражена эта проблема, можно найти ответы лишь на отдельные вопросы металловедения сварки титановых сплавов.
     Качество сварных соединений определяется комплексом механических и специальных свойств, являющихся, как правило, структурно чувствительными характеристиками.
     Оценка строения и структуры сварных соединений позволяет в большинстве случаев характеризовать их качество и свойства, а также наметить пути управления структурными и фазовыми превращениями с применением современных технологий (в том числе и нанотехнологий).
     Эта задача в сварочном производстве решается с помощью методов металловедения и регулированием параметров сварочного процесса с целью получения конструкций с заданными эксплуатационными свойствами, не содержащих дефектов.
     Стоит подчеркнуть, что металловедение сварных соединений имеет ряд специфических особенностей по сравнению с «классическими» методами. Здесь превращения при сварке протекают в неравновесных условиях,

7

а температура нагрева значительно превышает, например, температуру термической обработки. Значительно отличаются условия кристаллизации, что обусловлено характером тепловых полей, малыми объемами зоны расплавления, а в ряде случаев и механическими воздействиями. Поэтому подходы к оценке микроструктурного состояния сварных соединений должны быть иными, чем, например, при термической обработке, в литейном производстве и т. д.
    Данное пособие содержит основные положения металловедения сварки и термической обработки сварных соединений и является переходным мостиком между изучением курсов «Материаловедение» и «Производство сварных конструкций» в части более глубокого понимания влияния микроструктурного состояния металла шва и зоны термического влияния сварки на качество сварных соединений. В учебном пособии приведены наиболее встречаемые в практических условиях дефекты основного металла и сварных соединений, эксплуатационные дефекты.
    Перед студентами ставятся следующие задачи: ознакомление с физическим строением металла шва и зоны термического влияния с физикохимическими процессами, протекающими при сварке; изучение научных подходов к проблеме качества сварных соединений, к возникновению локальных дальнодействующих полей внутренних напряжений; изучение основных положений теории и технологии термической обработки сварных соединений; изучение основных видов дефектов, образующихся в основном металле и металле сварных соединений на различных этапах его жизненного цикла, как на стадии изготовления, монтажа, так и в процессе длительной эксплуатации.
    Учебное пособие обобщает многочисленные результаты в анализируемой области и позволяет с помощью приведенных методических рекомендаций определять причины повреждений сварных соединений и, как следствие, предотвращать подобные разрушения.

8

    Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

1.1 Классификация титановых сплавов

    Титан является ценным материалом в тех отраслях техники, где выигрыш в массе играет доминирующую роль, в частности, в ракетостроении и авиации. Применение титановых сплавов в авиационной и ракетной технике наиболее целесообразно в интервале температур 250-600 °C, когда легкие алюминиевые и магниевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности.
    Титан расположен в IVA подгруппе первого большого периода периодической системы Д. И. Менделеева, он относится к переходным элементам. Титан плавится при довольно высокой температуре (1668 ±4 °C); скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.
    Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная a-модификация, существующая до 882,5 °C, обладает гексагональной плотно-упакованной решеткой. При температуре 25 °C отношение периодов решетки титана составляет c/a = 1,5873 (это соотношение близко к соотношению плоскостей для идеальной гексогональной плотноупакованной решетки, которое равно 1,633). Высокотемпературная P-модификация, устойчивая от 882,5 °C до температуры плавления, имеет объемно-центрированную кубическую решетку.
    Плотность титана при комнатной температуре составляет 4,505 г/см³. При переходе a-титана в P-титан объем металла несколько уменьшается. (.'крытая теплота аллотропического превращения в титане близка к 4100 Дж/г-атом.
    Чистейший йодидный титан обладает высокими пластическими свойствами при сравнительно низкой прочности (оВ = 220-260 МПа; о₀,₂ = 100-125 МПа; 5 = 50-70 %), за счет соотношения осей с/a.
    Основой производства технического титана и сплавов на его основе служат титановая губка, получаемая магнийтермическим методом. Различное содержание примесей в титановой губке предопределяет разную чистоту технического титана, который по этому признаку разделяют на два сорта: ВТ1-00 (самый чистый титан) и ВТ 1-0 (более загрязненный).
    Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов, предложенная C. Г. Глазуновым, основана на структуре, которая формируется в них 9

по принятым в промышленности режимам термической обработки. Согласно этой классификации, следует различать:
    1)  а-титановые сплавы, структура которых представлена а-фазой;
    2)      пседо-а-сплавы, структура которых представлена в основном a-фазой и небольшим количеством Р-фазы (не более 5 %);
    3)      (а + Р)-сплавы, структура которых представлена в основном а-и Р-фазами;
    4)      псевдо-Р-сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной a-фазой и большим количеством Р-фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией с температур Р-области можно легко получить однофазную Р-структуру;
    5)      Р-сплавы структура которых представлена термодинамически стабильной Р-фазой;
    6)  сплавы на основе интерметаллидов титана.
    По структуре в закаленном состоянии титановые сплавы можно разделить на следующие классы;
    1)      сплавы мартенситного класса, структура которых после закалки с температур Р-области представлена а'- или а"-мартенситом;
    2)      сплавы переходного класса, структура которых после закалки с температур Р-области представлена мартенситом а'(а") и Р-фазой, независимо от того, образовалась в ней или нет го-фаза;
    3)      Р-сплавы, структура которых после закалки представлена Р- или Р(го)-фазами.
    По свойствам в закаленном состоянии сплавы мартенситного класса разбиваются на две подгруппы:
    а)  сплавы, твердеющие при закалке (со структурой а'), и
    б)  сплавы, мягкие после закалки (со структурой а'').
    По стабильности Р-фазы после закалки с температур Р-области титановые сплавы можно разделить на три подгруппы:
    а)  сплавы с механически нестабильной Р-фазой;
    б)  сплавы с механически стабильной Р-фазой и
    в)  сплавы с термодинамически стабильной Р-фазой.

1.2  Термическая обработка титановых сплавов

    Для титана и его сплавов применяют в основном следующие виды термической обработки: отжиг, закалку, старение, в меньшей степени химикотермическую и термомеханическую обработку.


10

    Титан и а-титановые сплавы подвергают отжигу первого рода для снятия наклепа, обусловленного пластической деформацией. Легирующие и примесные элементы, как правило, повышают температуру начала рекристаллизации йодидного титана, поэтому титановые сплавы отжигают при более высоких температурах, чем титан. Температура отжига, с другой стороны, не должна быть чрезмерно высокой из-за роста зерна. В частности, температура нагрева не должна превышать точку Ас₃, так как в P-области бурно растет зерно. По склонности к росту зерна титан и его сплавы сходны с наследственно крупнозернистыми сталями.
    Разупрочнение нагартованного титана и титановых сплавов с преобладанием а-фазы начинается уже на стадии возврата, поскольку в них из-за большой энергии дефектов упаковки и малого расщепления дислокаций легко развивается полигонизация, приводящая не только к формированию субзеренной структуры, но и к уменьшению общей плотности дислокаций. В связи с этим эффективное разупрочнение нагартованных полуфабрикатов из титана, псевдо-а- и многих (а + Р)-титановых сплавов достигается не только рекристаллизационным, но и дорекристаллизационным отжигом.
    Отжиг (а + Р)-сплавов сочетает элементы отжига первого и второго рода. Температура отжига (а + P)- титановых сплавов, во-первых, должна быть достаточно высокой, чтобы снять наклеп, а во-вторых, достаточно низкой, чтобы обеспечить такое содержание легирующих элементов в P-фазе, которое способно не только предотвратить ее распад в процессе охлаждения, но и обеспечить достаточную стабильность при эксплуатации готового изделия. Чем ниже температура отжига в (а + Р)-области, тем больше концентрация P-стабилизаторов в P-фазе и тем выше ее термическая стабильность. Количество P-фазы, определяемое известным правилом рычага, будет при этом уменьшаться.
    Самый простой режим отжига (а + P)-сплавов заключается в их нагреве при наиболее низких температурах, достаточных для снятия наклепа (рис. 1). Температура простого отжига обычно составляет около 800 °С. Для (а + P)-титановых сплавов, помимо простого отжига, применяют изотермический отжиг. Он состоят из нагрева сплава до сравнительно высоких температур t₁ (800-950 °С), достаточных для снятия наклепа, охлаждения до температур t₂ (500-650 °С), обеспечивающих высокую стабильность P-фазы, и выдержки при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе. Такой отжиг обеспечивает сочетание довольно высокой прочности и жаропрочности и хорошей пластичности.

11

Рис. 1. Схема политермического разреза системы Ti-Al-P-стабилизатор при постоянном содержании алюминия и температурные интервалы:
Тр - рекристаллизации, 1 - простого отжига, 2 и 3 - верхняя и нижняя ступень изотермического и двойного отжига, 4 - отжига для снятия остаточных напряжений, 5 - р-отжига

    Помимо этого, для (а + Р)-сплавов применяют двойной отжиг (см. рис. 1). Он отличается от изотермического отжига тем, что после выдержки на высокотемпературной ступени сплав охлаждают на воздухе до комнатной температуры и лишь затем нагревают до температуры второй ступени, в то время как при изотермическом отжиге переход от температуры t₁ к t₂ осуществляют или охлаждением металла с печью, или переносом его из печи в печь. После охлаждения сплава с высокотемпературной ступени на воздухе в нем фиксируется метастабильная P-фаза, которая при последующем нагреве до температуры второй ступени распадается, вызывая упрочнение сплава. В итоге двойной отжиг обеспечивает более высокую прочность (а + Р)-сплавов при пониженной пластичности.
    Оптимальное сочетание прочности, пластичности и вязкости разрушения обеспечивает смешанная (дуплексная) структура, представленная первичными зернами а-фазы и P-превращенной тонкопластинчатой матрице. Такую структуру можно получить отжигом при температурах несколько ниже (а + Р) ^ Р-перехода (точки Ас₃). Эту термическую обработку можно назвать псевдо-Р-отжигом.
    Для уменьшения остаточных напряжений, образующихся в титановых сплавах при различных технологических операциях (механической обработке, правке, сварке и т.д.), применяют неполный отжиг при сравнительно низких температурах (450-650 °C), недостаточных для развития рекристаллизации и полигонизации. Снятие напряжений при этих температурах осуществляется, по-видимому, в результате дислокационной ползучести.

12