ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ТС6 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СВАРКА, РОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.791.7

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-641-642

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ТС6

К.Н. Коржов, Л.И. Паршуков, А.В. Анцев, В.Б. Анисков

Технологические свойства термически упрочняемых титановых ß-сплавов типа ТС6 характеризуются видом используемой термообработки. В данной статье представлены результаты экспериментов, направленных на исследование структуры и свойств сварных швов из титанового сплава ТС6 и определение режимов их оптимальной термической обработки. В работе было рассмотрено влияние термоциклической обработки расфокусированным лучом на образцы сплава ТС6 и произведено сравнение результатов рентгеноструктурных, прочностных и металлографических исследований образцов в состоянии поставки, без термообработки и после термообработки расфокусированным электронным лучом. Исследование образцов сварного шва из сплава ТС6, изготовленные электронно-лучевой сваркой, показали, что сплав ТС6 сохраняет способность к термическому упрочнению при отпуске без предварительной закалки. По сегрегационным кривым и рентгеноэлектронным спектрам определен оптимальный температурный интервал упрочняющей термообработки сварного шва сплава ТС6. Сложное напряженно-деформированное состояние сплава ТС6 приводит к сдвигу температурного интервала старения в сторону меньших температур и стимулирует его структурно-фазовую перестройку. Термоциклирование образцов сварного шва из сплава ТС6 вызывает ускоренное дисперсионное упрочнение, протекающее в течение нескольких минут, что приводит к понижению остаточных сварных напряжений и повышает стойкость изделия к явлению «замедленного разрушения», свойственного титановым сплавам.

Ключевые слова: титановый сплав ТС6, термическая обработка, сварной шов, электронно-лучевая сварка, механические свойства, отжиг, старение.

Развитие отечественной космической отрасли определяется мерами государственной поддержки. Они включают ряд целевых программ, направленных на развитие материаловедения и разработку новых перспективных материалов как военного, так и гражданского назначений [1, 2].

Титановые сплавы нашли широкое применение в космических конструкциях благодаря своим технологическим свойствам: высокой удельной прочности, повышенному сопротивлению воздействия высокой температуры, сопротивлению усталости и окружающей среды. Однако изготовление конструкций из титана является очень трудоемким, так как обработка титана и его сплавов одна из самых сложных [3].

В связи с этим приобретает особое значение повышение технологичности процессов изготовления и улучшения ресурсных характеристик изделий из титановых сплавов [4-7]. Для решения этой комплексной задачи подходят титановые сплавы с необходимым уровнем технологической пластичности в отожженном или закаленном состоянии, термически упрочняемые, позволяющие обеспечить высокий уровень эксплуатационных свойств деталей [8, 9].

В данной статье представлены результаты экспериментов, направленных на исследование структуры и свойств сварных швов из титанового сплава ТС6 и определение режимов их оптимальной термической обработки.

При сварке титановых сплавов, металл, находясь в нагретом или даже расплавленном состоянии, активно реагирует с атмосферой, что приводит к дефектам в сварном соединении. Для предотвращения насыщения расплава титанового сплава газами электронно-лучевую сварку проводят в вакууме. Высокая концентрация энергии достигается благодаря сварке на высоких скоростях при малых энергозатратах, что обеспечивается электронно-лучевой сваркой узких швов с малой зоной термического влияния, а высокая скорость сварки позволяет получать мелкозернистую структуру шва.

Методики исследования. Для исследования структуры и свойств сварных швов из титанового сплава ТС6 на электронно-лучевой установке выполняли сварку титанового сплава ТС6 и локальную термоциклическую обработку (ТЦО). Регистрацию температуры в зоне сварного соединения производили с помощью прибора МР-64-02 и хромель-копелевой термопары диаметром 0,3 мм. Термопару устанавливали в центральной части корня сварного шва. Локальную термоциклическую обработку производили расфокусированным электронным лучом, который перемещали по вершине сварного шва. На дифрактометре ДРОН-3М выполнены рентгеноструктурные исследования. На спектрометре ЭС-2401 методом рентгеноэлектронной спектроскопии проведен анализ химического состава поверхностных слоев.

Испытание на статическое растяжение осуществлялось на машине ZD10/90 (для испытания на растяжение-сжатие) на уменьшенных плоских разрывных образцах с головками (с начальной расчетной длиной 16 мм и сечением образцов 2,5*6 мм).

Испытание на статический изгиб также проводили на машине ZD10/90 плоских образцов 2,5*10*50 мм. Образцы устанавливались в матрице с расстоянием между кромками углубления 32 мм. Изгибали образец при помощи оправки диаметром 5 мм до появления первой трещины в растянутой зоне и определяли угол загиба после снятия нагрузки.

Испытание на ударный изгиб по ГОСТ 6996-66 [10] и ГОСТ 9454-78 [11] проводили на маятниковом копре 2010 КМ-30 на плоских ударных образцах с концентратором вида «и» при комнатной температуре. Максимальная энергия удара 150 Дж, глубина концентратора (надреза) 2 мм при ширине образца 8 мм. Образцы для механических испытаний готовились электроискровым методом, без зачистки поверхности реза (с изменением микроструктуры на глубину до 30 мкм).

Эксперименты проводили на технологических образцах из титанового сплава ТС6 толщиной 2,5 мм, прошедших штатную обработку, включающую закалку и старение (выдержка 28 часов при 475 °С) и имеющих прочность на разрыв 122 кг/мм2. Химический состав металла, из которого готовились образцы для исследований, представлен в табл. 1.

Титановый сплав ТС6, прошедший закалку, имел однофазную Р-структуру, стабильную при низких температурах. Способность сплава к термическому упрочнению определяется наличием термодинамически нестабильной фазы. В свою очередь упрочнение титанового сплава обусловлено выделением а-фазы при температуре старения.

Таблица 1

Химический состав титанового сплава ТС6

и % А1, % Мо, % V, % Сг, % Fe, % Sn, % гг, % ^ % Примеси, %

Основа 2,20-2,30 1,60-2,40 9,1010,60 9,4011,50 0,90-1,55 0,70-1,30 0,80-1,50 0,04-0,08 <0,100

Результаты исследований. Известно, что поверхностные сегрегации компонентов сплавов при термических воздействиях отражают структурно-фазовые изменения в объеме материала. Кроме того, характер поведения концентраций компонентов в поверхностном слое применяют в качестве диагностической функции для определения оптимальных температур термообработки.

В условиях высокого (10-6 Па) вакуума пластина сплава ТС6 со сварным швом была подвергнута термообработке в интервале температур от комнатной до 600 °С. По достижении значений температур, обозначенных на рис. 1 точками-символами, образец выдерживался в течение 3 мин и выполнялся элементный анализ состава поверхностного слоя методом рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС).

Из полученных данных для сварного шва сплава ТС6 следует, что незначительные изменения в сплаве начинаются уже при Т > 350 °С, что, по-видимому, связано с началом подвижности дефектов при релаксации напряжений в сварном шве. С приближением температуры термообработки к 500 °С поверхностный слой материала обогащается алюминием (а-стабилизатор) при одновременном обеднении по хрому и ванадию (Р-стабилизаторы). Аналогичные процессы происходят в микрообъемах внутри сварного шва. Следовательно, при температуре 500 °С в сварном шве происходит образование а-фазы. Обратное понижение концентрации алюминия при температурах, существенно превышающих 500 °С может быть связано с последующим уменьшением количества выделений а-фазы. Полученные результаты показывают, что оптимальной температурой термообработки сварного шва является Т=500 °С, а в процессе обработки необходим контроль параметров воздействия во избежание перестаривания сплава.

С(Т|, А1. V). эт % 90 80

100

200

300

400

500

600

температура, С

Рис. 1. Поверхностные термостимулированные сегрегации компонентов ТС6

Были проведены рентгеноструктурные исследования четырех образцов сплава ТС6: образец в состоянии поставки, (исходное состояние сварного шва - Р-фаза (100%); сварной шов без термообработки; шов после вакуумной термообработки (ступенчатый нагрев до 570 °С с выдержкой 3 мин при каждой температуре (см. рис. 1); образец, вырезанный из сварного шва, прошедшего термоциклическую обработку электронным лучом.

Рентгеноструктурные исследования сварного шва после термообработки в камере спектрометра при максимальной температуре 570 °С и выдержке 3 мин подтвердили выводы о том, что в сварном шве происходит образование а-фазы в количестве 15 об.% (12,4 вес.%). Аналогичные исследования структуры были выполнены на сварном шве, подвергнутом термоциклированию электронным лучом. В этом случае объемная доля выделений а-фазы достигает 30 об.% (25,7 вес.%), остальную долю составляет Р-фаза. В сплаве после штатной термообработки доля а-фазы составляет 35,7 об.% (30,8 вес.%), Р - 64,3 об.% (69,2 вес.%). Сравнение данных для сплава поставки с данными по шву после ТЦО следует, что использованный режим кратковременной ТЦО позволил получить выделения а-фазы в количестве 85% по сравнению со штатной термообработкой. Для достижения сравнимого результата следует увеличить число циклов примерно на 30-40%.

Оценка размеров блоков когерентного рассеяния показала, что при термоцик-лировании выделения а-альфы более крупноблочные, чем при изотермическом воздействии в течение 3 мин. При ТЦО наблюдается измельчение блоков исходной Р-

структуры термически не обработанного шва. Это связано с движением дефектов при релаксации остаточных внутренних напряжений, возникших в процессе выполнения шва. Таким образом, одновременно с образованием а-фазы в сварном шве при ТЦО происходит снятие внутренних напряжений.

Для определения прочностных характеристик сварного шва из титанового сплава ТС6 на термически упрочненной пластине были нанесены два сварочных шва. Один сварочный швов был термоциклически обработан расфокусированным лучом. Далее из сварочных швов были изготовлены образцы для исследований механических характеристик на изгиб, растяжение и ударную вязкость. Результаты данных исследований, представленные в табл. 2, показали, что предел прочности термоциклированных образцов превосходит предел прочности необработанного сварного шва, а пластичность термоциклического обработанного сварного шва уступает необработанному. Это связано со структурными превращениями, происходящих при ТЦО.

Были проведены металлографические исследования сварных швов. На рис. 2 и 3 представлена макроструктура сварных швов до и после термоциклирования образцов после испытаний на изгиб. Из фотографий (см. рис. 2) видно, что в сварном шве до термообработки наблюдается неоднородность свойств. Пластическая деформация в образце со сварным швом локализуется в зоне термического влияния шва. Металл в образцах из сварного шва при этом не деформируется. Эта закономерность проявляется в нарушении плавности линии изгиба. В случае термоциклированного образца (см. рис. 3) изгиб происходит по кривой второго порядка, что говорит об однородности прочностных свойств. Кроме того, при термоциклировании образца расширяется область однородности микроструктуры, также в результате ТЦО в образцах сварного шва произошло исчезновение темных включений. Это обстоятельство позволяет считать, что данный способ термоциклирования создает когерентное выделение дисперсионных частиц в основном металле образцов. Как известно из литературы они предпочтительнее по прочностным свойствам, чем структура металла в образцах поставки.

Рис. 2. Макроструктура сварного шва, Рис. 3. Макроструктура сварного шва *11,5 после термоциклирования, *11,5

На рис. 4 представлены три образца, подвергнутые различным видом термообработки. Металл верхнего образца имеет состаренную структуру при температуре 475 °С в течение 28 ч. Макроструктура металла поставки представлена на рис. 5 и имеет две фазы. На среднем образце (см. рис. 4) в центральной части находится сварной шов. Как видно, образец разрушился по линии сплавления сварного шва с образованием шейки. У нижнего образца (см. рис. 4) после термоциклической обработки разрушение произошло по центру сварного шва без заметной пластической деформации. Данный факт свидетельствует о структурных превращениях в металле, произошедших в результате ТЦО. На наш взгляд при ТЦО образцов сварного шва вместо дислокационного произошел дисперсионный механизм упрочнения. Замечено, что зёренная структура сварного шва после ТЦО (рис. 6) значительно лучше травится в реактиве, используемым при выявлении микроструктуры, в отличие от структуры сварного шва без термообработки (рис. 7).

^ -щ

Рис. 4. Внешний вид разрывных образцов

Рис. 5. Микроструктура металла поставки, *300

Рис. 6. Микроструктура сварного шва после термоциклической обработки,

Рис. 7. Микроструктура сварного шва, х12

Таблица 2

Механические свойства титанового сплава ТС6 (лист толщиной 2,5 мм) в состоянии поставки, после электронно-лучевой сварки и после последующей

Режим обработки Испытание на статическое растяжение Испытание на ударный изгиб Испытание на статический изгиб

Временное сопротивление, Н/м Относительное удлинение Характер разрушения образца Ударная вязкость, Дж/см2 Характер разрушения образца Приложенная нагрузка, Р, кгс Угол загиба до образования первой трещины, а 0 Примечание

Состояние поставки: лист 2,5 мм, прошедший закалку и старение 1215 9 Разрушение без образования шейки 83 Хрупкое разрушение по надрезу 315 - Хрупкое разрушение

52 315 15

58 310 19

Сварной шов, сваренный электронным лучом 940 - Разрушение по шву с образованием шейки 124 По надрезу, по границе сплавления металла шва 205 35 Без разрушения

114 200 30

123 200 32

Сварной шов, сваренный электронным лучом после термоциклической обработки 955 - Разрушение по шву без образования шейки 93 Хрупкое разрушение по надрезу - -

Выводы. Исследование образцов сварного шва из сплава ТС6, изготовленные электронно-лучевой сваркой, показали, что сплав ТС6 сохраняет способность к термическому упрочнению при отпуске без предварительной закалки. Скорость охлаждения сплава ТС6 достаточна для того, чтобы в процессе естественного остывания закалилась метастабильная Р-фаза благодаря высокой концентрации Р-стабилизаторов.

По сегрегационным кривым и рентгеноэлектронным спектрам определен оптимальный температурный интервал упрочняющей термообработки сварного шва сплава ТС6.

Сложное напряженно-деформированное состояние сплава ТС6 приводит к сдвигу температурного интервала старения в сторону меньших температур и стимулирует его структурно-фазовую перестройку.

Термоциклирование образцов сварного шва из сплава ТС6 вызывает ускоренное дисперсионное упрочнение, протекающее в течение нескольких минут, что приводит к понижению остаточных сварных напряжений и повышает стойкость изделия к явлению «замедленного разрушения», свойственного титановым сплавам.

Список литературы

1. Сварные соединения титановых сплавов / В.Н. Моисеев [и др.]. М.: Металлургия, 1979. 248 с.

2. Каблов Е.Н. Из чего сделать будущее? Материалы нового поколения, технологии их создания и переработки - основа инноваций // Крылья Родины. 2016. № 5. С. 8-18.

3. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974. 368 с.

4. Лясоцкая В.С. Термическая обработка сварных соединений титановых сплавов. М.: Экомет, 2003. 352 с.

5. Исследование влияния различных режимов термической обработки на свойства полуфабрикатов и сварных соединений из сплава ВТ22М / С.В. Путырский [и др.] // Авиационные материалы и технологии. 2019. №1 (54). С. 3-10.

6. Колачев Б.А., Садков В.В., Талалаев В.Д. Вакуумный отжиг титановых конструкций. М.: Машиностроение, 1991. 224 с.

7. Швецов О.В., Кондратьев С.Ю. Влияние режимов закалки и старения на эксплуатационные свойства сплава ВТ23 // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 2. С. 119-133.

8. Исследование структуры и механических свойств сварных соединений из сплава ВТ6Ч / А.А. Арисланов [и др.] // Авиационные материалы и технологии. 2019. № 4 (57). С. 74-79.

9. Масс А.В., Тюрин А.Г. Исследование структуры и свойств сварных соединений из разнородных титановых сплавов, полученных лазерной сваркой // Инновации в машиностроении (ИнМаш-2020). Материалы XI Международной научно-практической конференции. Бийск, 2020. С. 296-303.

10. ГОСТ 6996-66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. М.: Стандартинформ, 2006. 62 с.

11. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. М.: Издательство стандартов, 2003. 12 с.

Коржов Кирилл Николаевич, начальник отдела, KorzhovKN@,laspace.ru, Россия, Химки, АО «НПО Лавочкина»,

Паршуков Леонид Иванович, канд. физ.-мат. наук, ведущий инженер, Parshu-kovLI@,laspace.ru, Россия, Химки, АО «НПО Лавочкина»,

Анцев Александр Витальевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, a.antsev@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Анисков Виктор Борисович, студент, amigo69rus2008@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

STUDY OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF WELDED JOINTS FROM TS6

TITANIUM ALLOY

K.N. Korzhov, L.I. Parshukov, A.V. Antsev, V.B. Aniskov

The type of used heat treatment characterizes technological properties of heat-hardened titanium fi-alloys of the TS6 type. This article presents the results of experiments aimed at studying the structure and properties of welds from titanium alloy TS6 and determining the modes of their optimal heat treatment. In this work, the effect of thermal cycling treatment with a defocused beam on TS6 alloy samples was considered and the results of X-ray diffraction, strength and metallographic studies of samples in the as-delivered condition, without heat treatment, and after heat treatment with a defocused electron beam were compared. The study of samples of welded seam from alloy TS6, made by electron beam welding, showed that alloy TS6 retains the ability to heat harden during tempering without pre-quenching. The segregation curves and X-ray electron spectra were used to determine the optimum temperature range for hardening heat treatment of a welded joint of the TS6 alloy. The complex stress-strain state of the TS6 alloy leads to a shift in the aging temperature range towards lower temperatures and stimulates its structural-phase rearrangement. Thermal cycling of weld samples from TS6 alloy causes accelerated dispersion hardening that occurs for several minutes, which leads to a decrease in residual weld stresses and increases the resistance of the product to the "delayed fracture" phenomenon inherent in titanium alloys.

Key words: titanium alloy TS6, heat treating, weld, electron beam welding, mechanical properties, annealing, aging.

Korzhov Kirill Nikolaevich, head of the department, KorzhovKN@laspace.ru, Russia, Moscow region, Khimki, Lavochkin Association,

Parshukov Leonid Ivanovich, candidate of physical and mathematical sciences, lead engineer, ParshukovLI@laspace.ru, Russia, Moscow region, Khimki, Lavochkin Association,

Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, a.antsev@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Aniskov Viktor Borisovich, student, amigo69rus2008@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University