 |
Реклама. ООО "ГК "Велунд Сталь НН" ИНН 5262389270 Erid: 2SDnjdZde8T
| |
Двухфазные а + в-сплавы титана предназначены в основном для применения в термически упрочненном состоянии. Однако высокую прочность этих сплавов не всегда удается реализовать в конструкции. Прежде всего это объясняется пониженной пластичностью сварных соединений после упрочняющей термической обработки. Определенная сложность возникает при закалке крупногабаритных изделий, а также конструкций с элементами большой толщины из-за недостаточной прокаливаемости титановых сплавов.
Для получения высокой конструктивной прочности изделий детали подвергают упрочняющей термической обработке, затем сваривают и производят местный отжиг сварного соединения. При этом шов располагается на утолщении. Возможны следующие варианты последовательности операций сварки и термической обработки: закалка-старение-сварка-местный отжиг; закалка- сварка-старение.
Во второй схеме старение одновременно является отжигом сварных соединений. В тех случаях, когда применение этих схем невозможно или по условиям работы изделий сплав может быть использован без термоупрочнения, сварные конструкции следует подвергать отжигу. Это связано с тем, что в сварных соединениях данной группы сплавов в состоянии после сварки содержатся метастабильные фазы, склонные к распаду при последующих нагревах, а в некоторых случаях и при приложении нагрузки. В результате отжига структура стабилизируется, значительно повышается пластичность и ударная вязкость швов. Одновременно с этим снижаются внутренние напряжения, возникающие в процессе сварки, что особенно важно для обеспечения работоспособности всей конструкции.
Температура и время отжига зависят от марки сплава, типа сварных соединений и условий работы конструкций. Отжиг, обычно выполняемый в интервале 550-900° С, резко повышает стойкость швов и зоны термического влияния против образования холодных трещин.
При незначительном содержании в-фазы, что характерно для сплавов, содержащих в-стабилизирующие элементы в пределах их растворимости, целесообразен отжиг для снятия напряжений при температурах 500-550° С. С увеличением суммарного содержания p-стабилизаторов в шве до 3-6% необходим стабилизирующий отжиг, снижающий дисперсность а`-фазы.
Характерной особенностью макроструктуры швов, полученных электронно-лучевой сваркой на горячекатаном металле, является «наследственная» полосчатость в шве, продолжающая полосы структурной неоднородности основного металла (рис. 46). Оптимальный интервал температур отжига сварных соединений сплава титана ВТ16 720-780° С.
Для сварных конструкций из сплава титана ВТ22 предложен двойной отжиг. По данным авторов книги двойной отжиг дает аналогичные результаты с одноступенчатым отжигом и охлаждением в печи. Однако в случае термической обработки сварных конструкций пластичность металла околошовной зоны выше при полном одноступенчатом отжиге с охлаждением в печи.
Исследование режимов отжига показало, что только при температуре 750° С восстанавливается пластичность металла околошовной зоны (рис. 47). Однако процесс превращения метастабильных ω-, в- и а`-фаз в стабильное а+в-состояние, а также переход дисперсных а- и в-выделений в коагулированные происходит при более низких температурах. Есть основания предполагать, что в околошовной зоне сварного соединения сплава ВТ22 (вероятно, и у других высоколегированных титановых сплавов) при термическом цикле сварки образуется фрагментированная фаза, напоминающая титановый мартенсит. Эта фаза оказывает влияние на пластичность сварного соединения и является устойчивой. Для ее полного перехода в обычную фазу требуется температура отжига не ниже 700-750° С с последующим медленным охлаждением (с печью со скоростью 2-4 °С/мин).
Основным практическим методом стабилизации структуры и восстановления пластичности околошовной зоны высоколегированных сплавов критического состава является отжиг при температуре 750-780° С с последующим охлаждением с печью до 350-400° С, далее на воздухе.
Испытания серии образцов с имитацией термического цикла с различными значениями ва0хл по методике ИМЕТ-1, а также образцов, вырезанных из околошовной зоны натурных деталей после отжига по указанному режиму, показали резкое улучшение пластических свойств в интервале низкой пластичности. Свойства металла в околошовной зоне после отжига практически не зависят от параметров термического цикла до отжига. Высоколегированный металл шва для предотвращения охрупчивания также необходимо оставлять в отожженном состоянии.
Оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств в швах, образующих при сварке а`-фазу, обеспечивается отжигом при температурах 750-800° С с последующим охлаждением с печью до температуры 350-400° С.
При наличии в шве а + в-фаз кроме высокотемпературного отжига возможно проведение ступенчатого изотермического отжига в две стадии - сначала в в-области, а затем в а + в - области. Если в процессе сварки возможен распад в-фазы с образованием охрупчивающих фаз, то увеличения пластичности можно достичь путем низкотемпературной закалки из а + в - области с последующим старением при температуре 480-540° С.
В металле сварных швов с суммарным содержанием в-стабилизаторов, близком к критическому, возможна фиксация в-фазы при однопроходной сварке с высокими скоростями охлаждения. Указанная фаза является термически и механически нестабильной. После высокотемпературного отжига шов представляет собой сочетание а- и в-фаз, однако имеет пониженные пластические свойства, поэтому для получения благоприятного сочетания механических характеристик всего сварного соединения сплава ВТ22 необходимо наряду с проведением отжига изменять химический состав металла шва.
Упрочнение двухфазных среднелегированных а + в - сплавов происходит в процессе распада при старении метастабильных а`- и в - фаз, образовавшихся в результате предварительной закалки. При этом свойства сплавов после термического упрочнения определяются главным образом исходной структурой. По данным, при мелкозернистой и однородной структуре листа сплава ВТ14 после закалки в воду от 880° С и старения при 550° С в течение 8 ч σв≥115 кгс/мм2, δ≥6%, φ≥25%, ан≥2 кгс•м/см2. В случае грубой крупнокристаллитной структуры, свойственной горячекатаному или недостаточно проработанному в двухфазной области металлу, механические свойства после аналогичной термической обработки значительно ниже: σв=105-110 кгс/мм2, δ=2-3%, φ=4-6%, ан=1,3-1,7 кгс•м/см2.
По данным, термическое упрочнение сварных соединений среднелегированных а + в-сплавов по режимам, рекомендуемым для основного металла, не приемлемо. Это объясняется неоднородностью и крупнозернистостью литого металла швов и околошовных участков.
Обычно термическая обработка повышает прочность сварных соединений, но при этом резко понижается пластичность и возрастает чувствительность к трещинообразованию в эксплуатации.
В термически упрочненном состоянии по данным, удовлетворительная пластичность металла шва сохраняется у сплавов, содержащих p-стабилизаторы в количестве, условно эквивалентном 5% Мо.
При дальнейшем увеличении содержания в-стабилизаторов проведение упрочняющей термообработки приводит к резкому снижению пластических свойств металла шва, что особенно присуще многослойным сварным швам, так как увеличение в-стабилизаторов, в особенности эвтектоидообразующих, ведет к повышению вредных закалочных явлений в металле шва с вероятным образованием хрупких фаз и интерметаллидов при температуре старения.
Работы в направлении изыскания режимов упрочняющей термической обработки, одинаково приемлемых и для основного металла и для сварных соединений, проводились многими исследователями. Некоторого улучшения механических характеристик сварных соединений, в частности повышения прочности, можно достичь повышением температуры закалки, но не выше границы а+в>в-перехода. Например, для сплава ВТ14 рекомендуется 920° С, однако при этом наблюдается значительная неоднородность свойств.
Исследования показали, что максимальная прочность металла шва и основного металла достигается при различных температурах закалки. Наиболее вероятное объяснение этого явления - различие фактических температурных границ а + в>в-перехода для основного металла и шва ввиду неоднородности и крупнозернистости литой структуры. Такой металл термодинамически менее стабилен, и процессы распада в нем, вызванные изотермическим нагревом, проходят неравномерно по объему. В соответствии с данными, полученными на одной партии листового сплава ВТ14 (рис. 48), температуры закалки, обеспечивающие максимальную прочность основного металла и металла шва, различаются на 40° С. Так как сварку выполняли без присадочной проволоки, то это не вызвано изменением состава шва.
Для сварных соединений и основного металла сплава ВТ6С температуры закалки, по мнению многих исследователей, совпадают и находятся в интерчале 850-900° С. Последующее старение при 500° С в течение 2 ч обеспечивает для швов σв=100-110 кгс/мм2.
Упрочняющая термическая обработка несколько повышает прочностные свойства металла шва, но одновременно понижает его ударную вязкость. Металл шва представляет собой крупноигольчатую a`-фазу в пределах зерна в-фазы. Нагрев в процессе старения ведет к коагуляции тонких игл a`-металла шва.
Уровень прочности 110 кгс/мм2 имеют швы на сплаве ВТ14 после закалки и старения при 525-550° С. Если же сварные соединения подвергать старению при 450-475° С, то разрушение образцов хрупкое при низкой прочности. Основной же металл после такой термической обработки имеет σв=130-140 кгс/мм2 и удовлетворительную пластичность. Свойства сварных соединений сплава ВТ14 малой толщины, выполненных различными видами автоматической аргонодуговой сварки с несколькими типами присадочных проволок и по различным схемам термической обработки, даны в табл. 27.
Общим недостатком термически упрочняемых двухфазных сплавов считают уменьшение отношения σв шва/σв ом по мере упрочнения основного металла, поэтому наиболее применяемый вариант создания высокопрочных конструкций из данной группы сплавов - расположение швов в утолщенных зонах. Этот метод нашел применение в промышленности и пока является единственным, позволяющим эффективно использовать титановые сплавы с высокой удельной прочностью в сварных конструкциях. Как отмечено выше, для сварки по утолщенным кромкам известны две возможные схемы последовательности операций сварки и термической обработки конструкций. Детали вначале подвергают термической обработке по режимам, оптимальным для данного сплава, а затем сваривают, или же детали сваривают и весь узел подвергают термоупрочнению. Однако в любом случае проводится местный отжиг т.в.ч. швов в утолщенных зонах при температурах 730-780° С.
Сварку по утолщенным кромкам можно выполнять различными методами, но предпочтительны те, при которых меньше тепловложение, так как ширина утолщения зависит от протяженности зоны термического влияния.
Поскольку при сварке по утолщенным кромкам прочностные характеристики швов равны прочностным характеристикам отожженного основного металла, то в качестве присадочных материалов используют проволоки СПТ2, ВТ2 и в некоторых случаях даже титан ВТ1.
Изготовление конструкций с утолщениями в местах расположения швов - трудоемкий и дорогостоящий процесс. Утолщенные кромки получают путем утонения поверхности заготовки механическим путем или химическим фрезерованием, поэтому большое количество металла теряется. В случае применения химического фрезерования необходимо строгое соблюдение режимов процесса во избежание наводораживания поверхности детали. Наличие утолщений в местах сварки увеличивает массу конструкции и снижает эффективность применения высокопрочных сплавов.
Емкости из сплава ВТ14, изготовленные с утолщенными кромками (закалка от 900° С и старение при 500-520° С, 16 ч) с последующим отжигом швов, имели при гидравлических испытаниях конструктивную прочность 120-130 кгс/мм2.
Есть и другой путь обеспечения высокой конструктивной прочности. По данным В. Н. Моисеева и др. получена высокая конструктивная прочность узлов из сплава ВТ14 без утолщения в местах расположения швов. После термической обработки по режиму: закалка от 870° С, старение 580° С в течение 4 ч сварные соединения на образцах имели σв= 102-104 кгс/мм2. Но такие соединения обладали высокой пластичностью (δ=10%), поэтому достигнуто σк=115-120 кгс/мм2. Однако отношение вк/вобр резко меняется в зависимости от состава и качества полуфабрикатов и поэтому результаты для разных партий металла различны. Кроме того, такое соотношение вк/вобр свойственно лишь сплаву ВТ14.
Следует отметить, что после термической обработки во избежание хрупкого разрушения с поверхности сварных узлов должен быть удален слой металла, загрязненного газами при нагревах.
После закалки от 850-900° С и старения при 500-550° С в течение 10 ч сварные соединения сплава ВТ6 имеют σв=120 кгс/мм2 и δ=5-7%. Но данных о практическом использовании или конструктивной прочности каких-либо элементов, подвергнутых такой термической обработке, нет.
Вероятно, не исчерпаны также возможности термической обработки сварных соединений существующих сплавов. Об этом свидетельствуют результаты исследований, проводившихся в последнее время.
Для оценки возможности термического упрочнения сварных соединений сплава ВТ6С и изыскания оптимальных режимов термической обработки использован метод математического планирования эксперимента, в частности композиционное планирование. Этот метод позволяет устанавливать количественные взаимосвязи между параметрами режима термического упрочнения и показателями качества сварных соединений, т. е. получать математические модели в виде уравнений регрессии. Количество опытов для получения такой информации невелико и зависит от числа переменных и вида плана.
Для идентичности состава шва основному металлу сплав ВТ6С толщиной 6 мм сваривали без разделки кромок аргонодуговым методом по флюсу АНТ-17А. Присадочную проволоку не применяли. План эксперимента составляли с учетом целесообразности изменения температуры закалки сварных соединений Т1 в пределах 850-950° С, варьирование температуры старения Т2 было выбрано в интервале 350-550° С. Время старения t2 изменяли от 6 до 18 ч. Подробно методика исследования описана в литературе. Здесь лишь отметим, что поверхность отклика была описана полиномом второго порядка. При этом уравнения регрессии, полученные в результате обработки экспериментальных данных на ЭВМ «Минск-22», имели следующий вид:
σв = - 556,5 + 1,18Т1 + 0,46Т2 + 2,1t2 - 0,00062Т21 - 0,00049Т22 - 0,02t22 - 0,003t2T2;
ан = 61,32 - 0,112Т1 - 0,025T2 - 0,265T2 + 0,00006Т21 + 0,000026 Т22 + 0,00428t22 + 0,000365t2T2.
Полученные уравнения позволили описать зависимость предела прочности сварных соединений и ударной вязкости в виде сечений поверхностей отклика при изменении температуры закалки в интервале 815-985° С и температуры старения в пределах 280- 620° С в течение 2-22 ч. Зависимость этих свойств от режимов термического упрочнения представлена на рис. 49. Экспериментальная проверка показала адекватность полученных уравнений и диаграмм. В табл. 28 представлены результаты испытания контрольных образцов и для сравнения приведены механические характеристики, полученные в виде прогноза. Анализируя уравнения регрессии, можно легко установить влияние каждого из трех параметров термической обработки на предел прочности и ударную вязкость сварных соединений сплава ВТ6С. Задаваясь пределом прочности, можно вычислить режимы термической обработки, которые обеспечат максимально возможную ударную вязкость или наоборот.
Диаграммы наглядно иллюстрируют тенденцию влияния режимов термоупрочнения на свойства соединений. С повышением температуры закалки при прочих равных условиях увеличивается предел прочности состаренного металла шва. В то же время максимумы прочности при всех температурах закалки находятся в одном и том же режиме старения. Наиболее интенсивно оно протекает в диапазоне 400-475° С. С продлением выдержки предел прочности снижается при более высоких температурах старения. Одинаковые механические свойства можно получить после различных режимов термической обработки. Эти исследования и удовлетворительное совпадение результатов расчета и опыта позволили наметить оптимальный режим термического упрочнения сварных соединений сплава ВТ6С, который позволяет получить высокую прочность 120 кгс/мм2 при удовлетворительной ударной вязкости 3 кгс•м/мм2. Этот режим включает закалку от 950° С и старение при 475° С в течение 22 ч. Характерно, что сплав ВТ6С на такую прочность не рассчитывали.
Таким образом, методами планирования эксперимента удается создать статистическую модель процесса термического упрочнения сварных соединений, на основе которой можно рассчитать режимы термической обработки с минимальной затратой времени и средств.
Аналогичные исследования проведены и для соединений сплава ВТ14, выполненных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом без разделки кромок с отжигающим валиком.
В плане экспериментов предусмотрено четыре схемы термической обработки сварных соединений с целью выбора лучшей из них. Рассматривали закалку и высокотемпературный кратковременный отпуск, закалку и высокотемпературный кратковременный отпуск с последующим старением, закалку и старение, закалку и старение с последующим высокотемпературным отпуском. Установлено, что наиболее оптимальной схемой термической обработки сварных соединений сплава ВТ14 является закалка с последующим старением. Следует отметить, что это и дальнейшие результаты относятся к сплаву толщиной менее 8 мм с содержанием 3,5-4,5 А1.
Планирование эксперимента по оптимальной схеме термической обработки проводили с учетом выбора постоянной температуры закалки. Для исследованной партии сплава она составляла 920° С.
Полученные уравнения регрессии позволили рассчитать режим низкотемпературного термического упрочнения, состоящий из закалки от 920° С и старения при температуре 350° С в течение 8-12 ч. В соответствии с расчетом сварные соединения должны иметь σв=118 кгс/мм2, а = 30°. Экспериментальная проверка показала, что σв=122 кгс/мм2, а = 28°, ан=4,1 кгс•м/см2. При этом свойства основного металла превосходят соответствующие характеристики после стандартных режимов термической обработки (температура закалки 880-900° С и старения 480-500° С, 8-12 ч) σв= 125 кгс/мм2, вт = 123 кгс/мм2, δ=13%, φ = 49%, ан = 4,5 кгс•м/см2, а = 42°.
Режим термического упрочнения сварных соединений сплава ВТ14, найденный расчетным методом, не только позволяет получить равнопрочность их основному металлу, но и удовлетворительную пластичность. Ввиду низкой температуры старения практически исключается окисление металла в процессе нагрева. Дальнейшие исследования в этом направлении, вероятно, приведут к изысканию режимов термического упрочнения сварных соединений и для других сплавов. Это будет способствовать более эффективному использованию данной группы сплавов в промышленности. | 
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ