Обеспечение качества неразъемных соединений титановых конструкций летательных аппаратов, выполненных сваркой плавлением


В. И. Муравьев, П. В. Бахматов, В. В. Григорьев












ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ СВАРКОЙ ПЛАВЛЕНИЕМ



Монография























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.791.7
ББК 34.641
     М91

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры инжиниринга технологического оборудования Института экотехнологий и инжиниринга Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
Алюшин Юрий Алексеевич;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой материаловедения, литейного и сварочного производства ФГБОУ ВО «СибГИУ», заслуженный изобретатель РФ, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, почетный работник сферы образования Российской Федерации
Козырев Николай Анатольевич


     Муравьев, В. И.
M91 Обеспечение качества неразъемных соединений титановых конструкций летательных аппаратов, выполненных сваркой плавлением : монография / В. И. Муравьев, П. В. Бахматов, В. В. Григорьев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 296 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0943-8

     Изложены теоретические основы образования дефектов неразъемных соединений при сборке титановых конструкций сваркой плавлением. Представлены сведения о свойствах титановых сплавов, входящих в состав конструкционных материалов современных летательных аппаратов. Приведено описание технологических процессов, специального и специализированного оборудования для сборки летательных аппаратов, включая технологию и средства образования неразъемных соединений в процессе сборки летательных аппаратов сваркой. Определены основные факторы образования поверхности раздела, вызывающие капиллярную конденсацию загрязнений, обосновано их влияние на дефектность металла шва неразъемного соединения при сборке титановых конструкций.
     Для специалистов НИИ, КБ, предприятий авиационно-космического комплекса, а также для студентов и аспирантов технических специальностей.

УДК 621.791.7
ББК 34.641



ISBN 978-5-9729-0943-8

    © Муравьев В. И., Бахматов П. В., Григорьев В. В., 2022
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ВВЕДЕНИЕ


     Современное развитие авиации отличается высочайшими темпами, требует внедрения новых материалов, способных выдерживать колоссальные перегрузки и обладающих большим эксплуатационным ресурсом. Одними из самых востребованных материалов удовлетворяющих постоянно возрастающие требования к летным характеристикам современных летательных аппаратов (ЛА) являются титановые сплавы. Важнейшими элементами в конструкции ЛА являются сложные, тонкостенные крупногабаритные панели из титановых сплавов. Уникальные свойства титановых сплавов (высокая удельная прочность, корози-онностойкость, удовлетворительная свариваемость, жаропрочность и др.) позволяют изготавливать из сварных титановых ребристых панелей основные силовые конструкции: хвостовую часть фюзеляжа, панели центроплана, защитные устройства и др. Технология их изготовления специфична и представляет определенные сложности из-за высокой химической активности (требуется защита поверхности от газонасыщения при нагревах под штамповку, термообработку, сварку и др.); пористости в неразъёмных соединениях выполненных сваркой; трудной обрабатываемости резаньем; неудовлетворительной пластичности при деформации и др.
     Защита поверхности от газонасыщения в процессе изготовлении ребристых панелей при использовании инертных газов - дорогостоящая технология; вакуумных печей, камер и установок - трудоемкие, продолжительные операции, и не всегда эффективные особенно из-за габаритов титановых элементов авиационных конструкций (особенно ребристых панелей). Стеклоэмалевые покрытия не обеспечивают полной защиты поверхности из-за размеров деталей и специфичности некоторых процессов, например сварки. Работы по использованию защитных свойств оксидно-нитридных плёнок на поверхности титана при изготовлении отдельных элементов титановых ребристых панелей, особенно при повышенных температурах (горячей листовой штамповке), практически отсутствуют. Исключение составляет работы по установлению влияния природной ок-сидно-нитридной пленки титана на эксплуатационную жаропрочность, что позволяет предположить возможность её использования для защиты поверхности при изготовлении титановых элементов авиационных конструкций.
     Достигнуты определенные успехи обеспечения бездефектности неразъемных соединений ребристых панелей путем обеспечения выдержки для дегазации сварочной ванны, использования флюсов, но работы направленны на исключение уже образовавшихся пор в жидком металле шва и связаны с ручной манипуляцией движения дуги, что ограничивает стабильность термического цикла в процессе сварки для получения требуемых свойств неразъемных соединений (НС) титановых элементов авиационных конструкций (на 8-12 % снижается прочность металла шва по сравнению с основным металлом).
     Научно-обоснованная гипотеза образования пор за счет попадания готовых зародышей в расплав сварочной ванны Редчица В. В., Никифорова Г. Д. практически подтверждается многими исследованиями. Согласно этой теории в расплаве химически активных тугоплавких металлов гидрогрупп титана и

3

ванадия отсутствуют газовые флуктуации критического размера, что маловероятно для возникновения пузырьков, выделяющихся из раствора водорода в объеме ванны, т. е., необходимы готовые зародыши газовой фазы. Такими зародышами являются заваренные дефекты торцов кромок перед сварочной ванной, попадающие в расплавленную ванну и формирующие поры в металле шва. Во всех работах исследования по исключению пористости в металле шва направлены на удаление уже образовавшихся пор, например, последняя работа Б. Е. Патона и др. касаемая аргонодуговой сварки по слою флюса (что не безопасно), где показано снижение механических свойств сварного соединения. Однако отсутствуют работы, определяющие конкретные, оказывающие доминирующее влияние технологические операции способствующие образованию готовых зародышей пор, что связано с отсутствием надежных методов и критериев оценки качества соединяемых поверхностей заготовок для образования НС титановых элементов авиационных конструкций сваркой.
     Из-за низкой теплопроводности титановых сплавов технологические процессы изготовления сварных элементов авиационных конструкций приводят к значительным остаточным напряжениям и короблению в процессе механической обработки, пластической деформации и особенно в процессе образования НС сваркой.
     Обеспечение бездефектности НС сварных титановых элементов авиационных конструкций требует разработки принципиально новых технологических процессов изготовления, автоматизации процессов, исключения влияния человеческого фактора.
     Решение проблемы повышения эффективности технологии изготовления сложных тонкостенных крупногабаритных титановых элементов авиационных конструкций связано с исключением дефектности (исключением пористости, соответствие свойств НС свойствам основного металла) с повышением точности изготовления и сборки (исключение остаточных напряжений и коробления); улучшением качества поверхности стыкуемых кромок заготовок (разработки новых методов и критериев оценки качества), снижением массы (получением свойств идентичных свойствам основного металла), что, несомненно, актуально, поскольку позволит обеспечить рост надежности и ресурса работы ЛА.
     В настоящее время достигнуты существенные успехи в решении проблем исключения дефектности, повышения точности изготовления, улучшением качества и снижения массы элементов авиационных конструкций в работах отечественных исследователей: В. В. Фролова, А. А. Ерохина, Ф. Е. Третьякова, А. И. Горшкова, Г. Д. Никифорова, В. В. Редчица, В. Н. Замкова С. М. Гурьевича, Г. Л. Петрова, А. Н. Хатунцова и многих других) и зарубежных (центр LaRC or NASA Langley, ВИАМ-Пекин, ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ Украины и др): Б. Е. Патона, К. Ралселя, Д. Митчела, Д. Андреса, М. Махинара, С. Ямомото и др.).
     Исследование оценки качества поверхности стыкуемых заготовок для образования неразъемных соединений титановых сплавов ограничивались традиционными методами измерения шероховатости, которые позволяли выявлять только нарушения поверхности, но не обеспечивали выявление изменения приповерхностного слоя, образования в нем микродефектов, особенно, при

4

обработке физическими и физико-химическими методами. Для косвенной оценки качества геометрических размеров сварного шва и анализа деформаций используют электронную ширографию сварных титановых панелей в режиме реального времени (Л. М. Лабанов, В. А. Пивторак и др. ИЭС им. Е. О. Патона, Украина; Rastagi P. K. Амстердам, Голландия; Hung Y. Y., Ho H. P., Китай). При этом как при аргонодуговой сварке, так и при сварке погруженным вольфрамовым электродом по слою активирующего флюса, обнаружены участки резких изменений, при рентгеновском контроле которых выявились скопления пор. Кроме того исправление дефектов (устранение дефекта и последующая ручная подварка) приводит к снижению ресурса работы при эксплуатации.
     Совершенствованием прогнозирования напряженно-деформированного состояния сварных соединений тонколистовых конструкций и их термической правкой занимаются во многих странах F. Boilot (ESI Group, Франция), D. Camilleri и T. Gray (Universiti of Strathclyde, Glasgow, Великобритания), H. Murakawa (JWRI, Япония), P. Michaleris (Pensylvania State University, США) и др. При этом наряду с традиционной термической правкой в вакууме Б. Е. Патоном, Л. М. Лабановым и др. (ИЭС им. Е. О. Патона, Украина) и Гуань Цяо (ИАТ г. Пекин, Китай) предложен метод исправления деформаций и коробления предварительным упругим деформированием и высокочастотной механической проковкой сварного шва. Указанные методы сложные, дорогостоящие, что требует изыскания других, более совершенных, методов.
     Для снижения деформаций, повышения трещиностойкости и сохранения легкоиспаряющихся элементов В. М. Нестеренко, Л. А. Кравчцком и др. (ИЭС им. Е. О. Патона, Украина) предложено применять повышенную скорость сварки, при этом отсутствуют критерии подбора технологических режимов сварки.
     Положительное влияние низкотемпературного отжига в воздушной среде на свойства сварных листовых конструкций титановых сплавов отмечается в работах Шахова С. В. (ПАО Воронежское акционерное самолетостроительное общество), Коломенского Б. А. (ГОУВПО «Воронежский ГТУ»), при этом наблюдается некоторое газонасыщение поверхности, особенно водородом, что связано с определением его без учета вида адсорбированных загрязнений, кроме того отсутствуют исследования защитных свойств оксидно-нитридных пленок при повышенных температурах, а также методов удаления этих пленок с поверхности сварных титановых конструкций.
     Таким образом, существующие в настоящее время методы снижения пористости не гарантируют полного исключения дефектов, а методы увеличения времени существования расплавленной ванны при полном исключении пористости не гарантируют требуемых механических свойств и, кроме того, не позволяют управлять режимами ТЦС, обеспечивающих требуемые условия фазовых превращений, позволяющих улучшить структуру и свойства титановых конструкций.
     Высокая производительность процесса сварки, хорошее качество сварных соединений и экономичное использование металла способствовали тому, что сварочная техника развилась в ведущий технологический процесс производства

5

конструкций всех видов, благодаря подавляющему преимуществу сварных конструкций перед литыми, штампосварными, клепанными и другими.
     Создание неразъемных соединений сваркой во многом упрощает задачу и позволяет изготавливать конструкции сложнейших форм и размеров. Разработка новых и усовершенствование предложенных ранее наукоемких технологий формирования неразъемных соединений в конструкциях и изделиях одно из важнейших требований практически всех отраслей промышленности, и особенно в производстве продукции машиностроения, авиации, космонавтики, энергетики, ядерной техники и др.
     Согласно принятой классификации все виды сварки подразделяют на сварку плавлением, при осуществлении которой соединяемые материалы разогревают до температуры плавления или несколько более высокой температуры, и сварку в твердой фазе (без расплавления соединяемых материалов).
     Сварка плавлением имеет целый ряд особенностей, как металлургических, так и технологических: сопровождается образованием химической и физической неоднородности зоны соединения, что, как правило, ведет к снижению технологических и эксплуатационных характеристик. При этом искажаются геометрические размеры конструкции из-за возникновения сварочных напряжений, появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики и другие показатели.
     В работе приводится статистический анализ дефектов сварных соединений ребристых панелей и их имитаторов из титанового сплава ВТ20, показано, что из общего числа дефектов поры составляют от 43 до 56 %. Многочисленными исследованиями установлено существенное влияние пор на прочность и надежность сварных соединений из титановых сплавов.
     В условиях статического нагружения несущая способность сварных соединений, имеющих поры, снижается пропорционально уменьшению сечения шва от пор. Отрицательное воздействие пор максимально при работе конструкций в условиях циклического нагружения. Снижение усталостных характеристик связано не только с действием пор как геометрических концентраторов напряжений, но, в основном, с уменьшением запаса пластичности металла вблизи границ пор из-за увеличения в нем в несколько раз концентрации водорода. Поэтому эффективным средством увеличения надежности и ресурса летательных аппаратов будет исключение пористости и снижение остаточных сварочных напряжений в сварных титановых конструкциях.
     Авторы выражают благодарность коллективам специалистов ОАО «ОКБ Сухой», ПАО «Компания „Сухой” „КнААЗ им. Ю. А. Гагарина”», ФГБОУ ВО «КнАГУ», ФГБОУ ВО «ТОГУ», ФГБОУ ВПО «МАТИ» за ценные замечания, дополнения и помощь в проведении исследований, внедрении положительных результатов и написании монографии.
     Благодарим редакции журналов «Авиационная промышленность», «Металловедение и термическая обработка материалов», «Сварочное производство», «Контроль и диагностика», «Сварка и диагностика», «Известия вузов. Машиностроение» и др. за помощь в опубликовании результатов исследований.

6

Глава 1


ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ КАК КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1.1. Основные физико-химические свойства титана и его сплавов

    Высокое содержание сырьевых запасов титана - 0,63 % (занимает четвертое место по сравнению с алюминием, железом и никелем) и уникальные свойства (таблица 1.1) позволили в широких масштабах использовать его в конструкциях летательных аппаратов [1]. Академик И. П. Бардин, назвал титан «младшим братом» железа, превосходящим его по всем основным качествам, и предвещал этому материалу большое будущее в технике.
                 Таблица 1.1 Физические свойства титана

Атомный номер                                                         22     
Атомная масса                                                        47,9    
Плотность, кг/м3:                                                            
при 20 °C                                                            4505    
при 900 °C                                                           4320    
Кристаллическая решетка Ti с a-фазой (Т < 882 °C)                 ГПУ        
Периоды решетки, нм:                                                         
а                                                                   0,29503  
с                                                                   0,48631  
с/а                                                                 1,5873   
Кристаллическая решетка Ti с Ц-фазой (Т > 882 °C)                 ОЦК        
Период решетки а, нм:                                               0,3283   
Температура, °C:                                                             
плавления                                                            1668    
кипения                                                              3260    
Удельная теплота, кДж/кг:                                                    
плавления                                                             358    
испарения                                                            8970    
полиморфного превращения                                             67800   
Удельная теплоемкость при 20 °C, кДж/(кг-К)                          0,54    
Коэффициент теплопередачи при 20 °C, Вт/(м-К)                        18,85   
Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, Ом-м-108:                    
иодидного титана                                                      42     
магниетермического титана                                             55     
Коэффициент линейного расширения a-106, К-1, при температуре, °C:            
20...100                                                              8,2    
20...200                                                              8,6    
20...300                                                              8,8    
20...400                                                              9,1    
20...500                                                              9,3    
20...600                                                              9,5    
Модуль, ГПа:                                                                 
упругости                                                             112    
сдвига                                                               39,2    
Коэффициент Пуассона                                              0.35...0.38

7

     При рассмотрении физико-химических свойств титана в сравнении с алюминием, железом и магнием следует отметить следующее:
     -       у титана, по сравнению с железом, значительно ниже плотность, выше температура плавления и кипения, более высокая удельная теплоемкость, следовательно необходимы повышенные затраты энергии для расплавления титана [2].
     -       при сварке титана [2] из-за низкого коэффициента теплопроводности (почти в 4 раза меньше, чем у железа) выше эффективность проплавления. Для ряда технологических процессов и особенно для сварки важным является то, что удельное электросопротивление титана выше, чем для железа в 6 раз, для алюминия более чем в 20 раз и зависит от чистоты и температуры (рис. 1.1, 1.2), а при температуре около 273 К он становится сверхпроводником.
     Высокий коэффициент поверхностного натяжения (при 1600 °C Онат = = 1,7 Дж/м² в 1,5 раза выше, чем у алюминия) обеспечивает благоприятное формирование корня шва при сварке титана и его сплавов.


Рис. 1.1. График зависимости электросопротивления титана при комнатной температуре от химического состава после закалки в воде при 1000 °C (по данным Б. В. Коллинза)

Рис. 1.2. График зависимости электросопротивления нелегированного титана и сплавов Ti-Al от температуры (числа у кривых - Al, % ат (по данным Б. В. Коллинза)


     Отличительной особенностью титана является то, что являясь парамагнитным металлом с повышением температуры вплоть до 1373 °C у него происходит увеличение магнитной восприимчивости [2].
     Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой

8

пленки обычно достигает 5-6 нм. Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения. В восстановительных средах он довольно быстро корродирует из-за разрушения защитной оксидной пленки.
      Один из недостатков титана - его низкий модуль упругости (в два раза меньше, чем у железа и никеля), поэтому в некоторых случаях для получения более жестких конструкций необходимо увеличение сечения отдельных элементов. С повышением температуры модуль упругости понижается по линейному закону (рис. 1.3), легирование же титана заметно повышает его значение. Коэффициент линейного расширения титана интенсивно возрастает с повышением температуры до 400 °С.


Рис. 1.3. Графики влияния кислорода (а), азота (б), водорода (в) и углерода (г) на механические свойства титана

     Различают примеси внедрения - кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность и вязкость [3, 4], причем наиболее сильное отрицательно действие оказывают примеси внедрения, особенно газы (рис. 1.3). Водород, вызывающий водородную

9

хрупкость титановых сплавов, особенно вреден. В металл водород попадает при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в а-титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.
     Примеси ухудшают технологические свойства титана (главным образом свариваемость) при обработке.
     Холодная пластическая деформация технического титана изменяет его механические свойства, полный возврат которых происходит после отжига выше температуры рекристаллизации (600...700 °C) (рис. 1.4).
     Титан и титановые сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением, но их обработка резанием затруднена, так как они сохраняют высокую прочность даже при 500...600 °C. При 300...350 °C они на порядок прочнее алюминиевых и магниевых сплавов, кроме того, имеют высокую удельную прочность и коррозионную стойкость (рис. 1.5).

Рис. 1.4. Графики зависимости механических свойств титана, наклепанного на 70 %, от температуры отжига

Рис. 1.5. Удельная прочность (св /у) ряда конструкционных металлов

     Легирование титана различными элементами позволяет получить сплавы более высокой прочности и коррозионной стойкости по сравнению с техническим титаном. Существенно изменяются и другие свойства титана: уменьшаются теплопроводность до 7,0...8,8 Вт/(м-К) и коэффициент термического линейного расширения - до (7,8...8,5)-10⁶ K⁻¹; удельная теплоемкость существенно не меняется, в то время как удельное электросопротивление сплавов титана ((100...165)-10⁸ Ом-м) в 2,0...2,5 раза повышается [5].
     Фазовый состав титановых сплавов зависит от легирующих элементов и их количества [5-7]. Действие легирующих элементов характеризуют по их влиянию на температуру полиморфного превращения титана.
     По этому признаку легирующие элементы делятся на три группы.

10