CC BY
52
Технологии машиностроения
УДК 53.072:621.791.4
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ СПЛАВА ОТ4 В УСЛОВИЯХ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ
В.В. Пешков, А.Б. Булков, Д.Н. Балбеков, Г.В. Мальцев
На основании экспериментальных исследований, установлено влияние на ползучесть титана процесса его контактного взаимодействия со стальной оснасткой в условиях диффузионной сварки. Получено выражение, позволяющее определить сварочное давление, необходимое для сварки титановых заготовок, находящихся в стесненных условиях
Ключевые слова: диффузионная сварка, титановые сплавы, стальная оснастка, контактное упрочнение
Для диффузионной сварки титановых тонкостенных слоистых конструкций, состоящих из двух опорных решеток и расположенной между ними фольги (рис. 1), используется схема (рис. 2), по которой свариваемые заготовки (опорные решетки и фольга) размещаются между технологической оснасткой, передающей сжимающее давление на свариваемые заготовки и обеспечивающей требуемую форму конструкции.
Рис. 1. Секция тонкостенной слоистой конструкции
Рис. 2. Технологическая схема диффузионной сварки: 1-опорные решетки, 2-фольга, 3-технологическая оснастка
В качестве технологической оснастки используются листы из аустенитной стали 12Х18Н10Т, обладающие при диффузионной
Пешков Владимир Владимирович - В^У, д-р техн. наук, профессор, e-mail: otsp@vorstu.ru
Булков Алексей Борисович - В^У, канд. техн. наук, доцент, e-mail: otsp@vorstu.ru
Балбеков Дмитрий Николаевич - ВГ1У, аспирант, тел. (473) 278-38-84
Мальцев Григорий Валерьевич - ВГ1У, студент, тел. (473) 278-38-84
сварке большим сопротивлением высокотемпературной деформации, чем свариваемые титановые заготовки. В этом случае титановые элементы слоистой конструкции можно рассматривать как пластичную (мягкую) прослойку, расположенную между «жесткой» стальной технологической оснасткой.
В условиях диффузионной сварки при контакте титана со стальной оснасткой из-за наличия трения будет иметь место сдерживание сталью деформации титана, т.е. может происходить так называемое «контактное упрочнение» титана [1].
Поскольку в основе образования диффузионного соединения лежит высокотемпературная деформация свариваемых заготовок под действием сжимающего давления, то развитие «контактного упрочнения» может приводить к снижению скорости ползучести титана и ухудшению качества диффузионного соединения. Т.е. при разработке технологии диффузионной сварки титановых тонкостенных слоистых конструкций (рис. 1) необходимо корректировать режимы сварки (в частности сварочное давление) с учетом развития контактного упрочнения в свариваемых заготовках.
Целью данной работы было установление влияния на ползучесть титана процесса его контактного взаимодействия со стальной оснасткой в условиях диффузионной сварки.
Степень ограниченности деформации (контактного упрочнения) для случая сжатия «пластичного» слоя (титана), расположенного между двумя «жесткими» слоями (стали) будет зависеть как от технологических параметров испытания (температуры, приложенного давления), так и от геометрических размеров «пластичного» слоя - его относительной высоты 1 (1=к/^ где к - высота, d - диаметр или ширина слоя).
На первом этапе экспериментальные исследования проводили в установке (рис. 3), на цилиндрических образцах из сплава ОТ4 диаметром d=16 мм и высотой от 2 до 32 мм (величина 1 составляла 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0), которые устанавливали между образцами из стали 12Х18Н10Т диаметром 25 мм и высотой 30 мм, имитирующими технологическую оснастку.
Образцы испытывали на ползучесть в условиях сжатия при постоянной температуре 950 оС (используемой при диффузионной сварке сплава ОТ4) и давлениях р от 2,0 до 8,0 МПа, которые прикладывали к образцам после достижения ими температуры испытания. Деформацию титановых образцов измеряли в процессе ползучести с помощью индикатора часового типа (ИЧ) с ценой деления 10 мкм и измерительной головки 1МИГ с ценой деления 1 мкм. Общую деформацию, накопленную в процессе ползучести образцов, дополнительно определяли измерением их высоты до и после испытания.
Рис. 3. Схема установки для диффузионной сварки: 1 - титановые образцы; 2 - стальные образцы; 3 -металлический шток; 4 - контейнер из нержавеющей стали; 5 - индикатор часового типа; 6 - направляющие втулки; 7 - алюминиевый грибок; 8 - резиновая мембрана; 9 - муфельная печь; 10 - вакуумметр; 11 - нихромовая спираль; 12 - термопара; 1314 - система автоматического регулирования температуры; 16 - вакуумный вентиль; 17 - редуктор; 18 -форвакуумный насос; 19 - баллон с аргоном
Результаты экспериментальных исследований по влиянию относительной высоты образцов 1 на развитие их деформации в виде зависимостей е=ф(т) приведены на рисунке 4.
Видно, что с уменьшением 1 величина накопленной деформации е за одинаковый промежуток времени уменьшается. Но это заключение в большей степени носит качественный характер, т.к. с уменьшением 1 (т.е. с уменьшением к) будет всегда иметь место и уменьшение величины е.
Є, мм
Рис. 4. Кинетика развития деформации образцов из сплава ОТ4 при 950 оС, давлении 4 МПа и 1 (к, мм): 1 - 2,0 (32); 2 - 1,0 (16); 1 - 0,5 (8); 4 - 0,25 (4); 5 - 0,125 (2)
Влияние условий деформации металла на его механические свойства характеризуют коэффициентом упрочнения [1, 2], который в рассматриваемом случае высокотемпературной ползучести можно определить как отношение средних скоростей ползучести материала в свободном и стесненном состоянии:
ку =е / е у, (1)
где ку - коэффициент упрочнения; е - скорость ползучести титана в свободном состоянии; е -
скорость ползучести титана в стесненном состоянии.
Скорость ползучести сплава ОТ4, с использованием данных приведенных на рис. 4, определяли по выражению
е = е/(кт), (2)
где е - изменение высоты образца за время т; к - исходная высота образца.
Зависимость е = Л) приведена на рис. 5. Из нее видно, что при изменении 1 от 2,0 до 0,5 (уменьшении к в 4 раза - от 32 до 8 мм) скорость ползучести уменьшается в 1,6 раза, а при изменении 1 от 0,5 до 0,125 (уменьшении к в 4 раза - от 8 до 2 мм) е уменьшается в 4,8 раза.
О 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 Я
Рис. 5. Зависимость е = р(1) при 950 оС и р=4 МПа
Зависимость ку=р(к) приведена на рис. 6. При вычислении значений ку по выражению (1) принимали е =9,4 40-5 с-1, что соответствовало скорости ползучести образца высотой 32 мм (1=2,0).
0 0,2 0,6 1,0 Л
Рис. 6. Зависимость ку= Л) при 950 оС и р=4 МПа
Уменьшение скорости ползучести образцов из сплава ОТ4 с уменьшением их относительной высоты 1 обусловлено развитием эффекта контактного упрочнения, который, как видно из данных, приведенных на рис. 6, наиболее ярко проявляется при 1<0,5.
Экспериментальные исследования по влиянию давления на ползучесть образцов сплава ОТ4, проводили по описанной выше методике на образцах диаметром 16 мм и высотой 32 мм и 4 мм (1=2,0 и 0,25 соответственно). Результаты испытаний в виде кинетических зависимостей е= (р(т) приведены на рис. 7.
0 1,8 3,6 г-10 3,с 0 1,8 3,6 т-ю'3,с
а б
Рис. 7. Кинетика развития деформации образцов с относительной высотой 1: а - 2,0 и б - 0,25 при 950 оС и давлениях, МПа: 1 - 1,0; 2 - 2,0; 3 - 3,0; 4 - 5,0; 5 - 7,0; 6 - 8,0
По выражению (2) с использованием данных, приведенных на рис. 7, вычислены значения скоростей ползучести е , представленные в виде зависимостей е =р(р), на рис. 8.
0 2 4 6 8 дМПа
Рис. 8. Зависимость е =р(р) при 950 оС
и относительной высоте образцов 1: 1 - 2,0; 2 - 0,25
Известно, что скорость ползучести металлов находится либо в линейной (е ~р), либо в степенной (е ~рп), либо в экспоненциальной (е ~вхр(-ур/ЯГ)) зависимости от напряжения.
Из рис. 8 видно, что зависимость е =р(р) имеет нелинейный характер. Полученные значения скоростей ползучести достаточно хорошо ложатся на прямые линии в логарифмических координатах 1п е - 1п р (рис. 9) с тангенсом угла наклона 1,2, как для образцов с 1 = 2,0, так и для образцов с 1 = 0,25, т.е. независимо от относительной высоты образцов 1 скорость ползучести е ~рп. Это дает основание считать, что при высокотемпературной деформации, как в свободном состоянии (1=2,0), так и в стесненном (1=0,25) ползучесть развивается по одному из механизмов вязкого течения.
0 1 2 1п р
Рис. 9. Зависимость 1п е =р(1п р) при 950 оС и 1: 1 - 2,0; 2 - 0,25
Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют определить давление ру, которое необходимо приложить к титановым заготовкам, находящимся в стеснен-
ных условиях (1 < 2,0), чтобы обеспечить их ползучесть со скоростью е у, равной скорости ползучести заготовок е , находящихся в свободном состоянии (1 > 2,0) при заданном р.
Учитывая одинаковую зависимость скоростей ползучести е и е у от приложенного дав/ • 12 • 1 2ч
ления (е ~р и е у~р ) можно получить вы-
ражение:
ру = • р , (3)
где ку - коэффициент упрочнения, значения которого в зависимости от относительной высоты заготовок (при от 0,125 до 1,0) можно определить по графической зависимости ку=р(1), приведенной на рис. 6 или вычислить по выражению
,, = 0,954 + °,'97 2 ,
у (0,042 + 1)2
полученному путем аппроксимации экспериментальных данных.
Литература
1. Бакши О.А. О напряженном состоянии мягких прослоек в сварных соединениях при растяжении (сжатии) / О. А. Бакши // Труды ЧПИ, Челябинск, 1965. - Вып. 33. - С. 5-26.
2. Пешков В.В. Диффузионная сварка титановых слоистых конструкций аэрокосмической техники / В.В. Пешков, А.Б. Булков, И. Л. Батаронов и др., под ред. В.С. Рачука. - Воронеж: ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”.-2012.-312 с.
3. Розенберг В.М. Основы жаропрочности металлических материалов / В.М. Розенберг. - М.: Металлургия, 1973. - 326 с.
4. Моделирование процесса развития физического контакта при высокотемпературной термодеформационной обработке титана / В.В. Пешков, С.В Сафонов, А.Б. Булков, А.И. Стрыгин, Д.Н. Балбеков // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 5. С. 108-114.
5. Влияние технологических параметров на процесс диффузионной сварки титана / В.В. Пешков, С.В. Сафонов, А.Б. Булков, Д.Н. Балбеков, С.М. Небольсин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 7-1. С. 70-75
Воронежский государственный технический университет
HIGH TEMPERATURE CREEP OF ALLOY OT4 IN CONDITION OF DIFFUSION WELDING V.V. Peshkov, A.B. Bulkov, D.N. Balbekov, G.V. Maltzev
Based on the experimental studies, the influence of titanium on the creep process of its contact interaction with steel snap in diffusion welding. An expression that specifies the necessary welding pressure for welding titanium pieces that are in cramped conditions
Key words: diffusion welding, titanium alloys, steel equipment, contact hardening
