CC BY
135
УДК 621.7
В.И. Лукин, В.Г. Ковальчук, М.Л. Саморуков, Ю.М. Гриднев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ РОТАЦИОННОЙ СВАРКИ ТРЕНИЕМ ДЕФОРМИРУЕМОГО ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ВЖ175 НА СТРУКТУРУ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Рассмотрен актуальный вопрос выбора приемлемой технологии сварки деталей из жаропрочных никелевых сплавов - основного материала при производстве элементов горячего тракта газотурбинных двигателей. Высокое содержание упрочняющих фаз в структуре материала значительно усложняет применение сварки плавлением ввиду вероятности образования горячих трещин в шве. Альтернативой такому методу получения сварных соединений может стать сварка в твердой фазе в том случае, если конструкция удовлетворяет требованиям технологического процесса по соосности и является телом вращения.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: сварные соединения, металлография, ротационная сварка трением, жаропрочные сплавы.
Развитие авиационного и энергетического машиностроения в России и мире предполагает четкое понимание цели и ориентиров как в краткосрочной перспективе, так и в более отдаленном будущем. Один из приоритетов сегодня - разработка и внедрение технологий, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик газотурбинного двигателя и снижение трудоемкости его изготовления. Такая перспективная технология, как ротационная сварка трением, позволяет получать бездефектные сварные соединения одноименных и разноименных сочетаний жаропрочных никелевых сплавов. Использование сварки плавлением, как известно, для соединения жаропрочных никелевых сплавов вызывает определенные трудности.
Существуют различные методы оценки свариваемости жаропрочных сплавов. В работах [1, 2] предложено ее оценивать по склонности сплавов к образованию термических трещин при сварке и термообработке; в [2, 3] - в зависимости от содержания Al, Ti и количества выделившейся у'-фазы, в наибольшей степени влияющих на уровень образующихся остаточных термических напряжений. Для количественной оценки свариваемости сплавов используется диаграмма, в которой никелевые сплавы подразделяются на три группы (рис. 1).
AI, % 10'
-ВКНА-25 ВКНА-4У ЭП-975 • ЭП57
ЭП881 ЭК-79
^617
ВЖ-172Х: %
ЭП886 I ЭИ437А щ III \ )
10 Ti,%
Рис. 1. Диаграмма оценки свариваемости жаропрочных никелевых сплавов по склонности к образованию термических трещин:
I - хорошо свариваемые; II - удовлетворительно свариваемые; III - плохо свариваемые
Сложности соединения жаропрочных сплавов на никелевой основе методами сварки плавлением обусловлены высоким содержанием у'-фазы [4] в современных сплавах, которая играет главную роль в их упрочнении. Сваркой в твердой фазе обеспечивается качество получаемых сварных соединений никелевых сплавов при низком уровне трудоемкости ее применения. Она позволяет организовать полностью автоматизированные участки в серийном и массовом производстве.
Рассматривая вопросы совершенствования эксплуатационных характеристик газотурбинного двигателя (ГТД), имеют в виду в том числе и повышение его мощности, которое, в свою очередь, является следствием увеличения температуры газа в турбине высокого давления. Это требование определяет необходимость выбора новых сплавов с улучшенной жаропрочностью для изготовления элементов горячего тракта турбины. Для их соединения между собой применять методы сварки плавлением не всегда целесообразно по изложенным выше причинам. Практически безальтернативным вариантом при производстве узлов типа вал-вал и вал-диск современных и перспективных ГТД является ротационная сварка трением.
В данной статье приводятся исследования свойств сварных соединений жаропрочного никелевого сплава ВЖ175, полученных ротационной сваркой трением на установке ПСТ-50М.
Сварные образцы диаметром 16 мм, длиной 70 мм на первом этапе подвергали испытаниям на статический изгиб и определяли оптимальные режимы сварки для двух технологических схем: 1) полная термическая обработка + сварка; 2) сварка + полная термическая обработка. В результате выбраны два режима, которые можно отнести к режимам средней жесткости. На следующем этапе оценивали прочностные и структурные свойства сварных соединений (таблица).
Механические свойства сварных соединений сплава ВЖ175
Вариант технологии а+20, МПа о650, МПа а650 100, МПа КСи+20, кДж/м2
Термообработка + сварка 1226-1236 1232 1295 638 263-297 280
Сварка + 1560 1491-1530 844 230-293
термообработка 1510 260
Исследования прочности ов при температуре +20 °С показали, что образцы, выполненные в термоупрочненном состоянии, имеют средний показатель о+20 = 1232 МПа, коэффициент ослабления сваркой (К = осв.с/оо.м) составляет 0,79 от прочности сплава ВЖ175. Сварные соединения с последующей термообработкой практически рав-
+20
нопрочны основному материалу: ов = 1560 МПа, К = 0,97.
Средние значения пределов кратковременной прочности при температуре испытаний +650 °С для варианта 1 составляют ов650 = = 1295 МПа (К = 0,87); для варианта 2 - ов650 = 15 1 0 МПа (К = 1,0).
Предел длительной прочности при температуре испытаний +650 °С на базе 100 ч для сварных соединений без последующей термической обработки равен 638 МПа (К = 0,61), с термообработкой после сварки - 844 МПа (К > 0,80).
Разрушение образцов, выполненных по режиму 1, как в случае испытаний при температуре +20 °С, так и при кратковременных и длительных испытаниях при +650 °С, происходило по сварному шву. Образцы, полученные по режиму 2, разрушались по основному материалу.
При подготовке образцов для испытаний на ударный изгиб и-образную проточку фрезеровали в сварном шве. Испытания при температуре +20 °С показали близкие средние значения ударной вязкости для обоих вариантов и для основного материала -
КСЦ+20 = 260...280 кДж/м2. Изломы образцов имели малопластичное строение.
После испытаний на ударный изгиб фрактографические исследования сварных соединений проводили на макроскопе Leica MZ 12,5 и растровом электронном микроскопе JSM-6490 LV. При рассмотрении излома образца, выполненного на режиме 1 (КСЦ+20 = 297 кДж/м2), в центре излома отмечается зона повышенной шероховатости. В изломе образца, выполненного на режиме 2 (КСи+20 = 293 кДж/м2), зона повышенной шероховатости выражена слабо и меньше по размеру, на матовом фоне излома наблюдается значительно больше блестящих фасеток большего размера. Вторичные трещины в изломах часто связаны с выкрашиванием карбидов (рис. 2, а, г). В начальной зоне под надрезом разрушение происходит по механизму сглаживания и вытягивания. Размер этой зоны для образца режима 1 составляет 16.18 мкм, для образца режима 2 - 10.15 мкм. Дальнейшее развитие разрушения происходит преимущественно путем образования ямочного рельефа и фасеток скола различных размеров и пластичности. В изломе образца, термически обработанного после сварки, фасетки значительно крупнее, пластичность ямочного рельефа выше, чем в образцах, подвергнутых термической обработке перед сваркой (рис. 2, б-е).
Металлографические исследования микрошлифов сплава ВЖ175 и сварных соединений, выполненных по режимам 1 и 2, проводили на оптическом микроскопе Olympus GX51.
Структура сплава ВЖ175 в термически упрочненном состоянии мелкозернистая, с 7-8-м баллом зерна, содержит карбиды и у'-фазу (рис. 3, а). При рассмотрении структуры сварных соединений без травления видно, что в случае режима 1 присущее сварке трением «закручивание» выражено нечетко вследствие проведения процесса сварки сплава в упрочненном состоянии (рис. 3, б). При сварке с последующей термообработкой характерное «закручивание» ярко выражено (рис. 3, в). Ширина зоны шва узкая и составляет для обоих вариантов 0,175.0,250 мм (рис. 3, г, д). При исследовании микрошлифов сварных соединений после травления выявлено, что структура шва очень мелкая: размер зерна в 2-2,5 раза меньше, чем в основном материале (см. рис. 3, г, д), вследствие термодеформационного измельчения структуры в процессе сварки.
Методом растровой электронной микроскопии исследована микроструктура сварных образцов. Выявлено, что микроструктура вдали от шва является типичной для данного сплава и представляет собой зерна у-твердого раствора, внутри которых наблюдаются мелкодисперсные выделения вторичной у'-фазы; по границам зерен расположены крупные частицы первичной у'-фазы. Границы зерен упрочнены частицами карбидов и зернограничной у'-фазы.
Рис. 2. Микростроение изломов сварных соединений сплава ВЖ175:
а-в - вариант 1; б-е - вариант 2; а, г - вторичные трещины; б, д - зоны страгивания трещин; в, е - центральные зоны изломов
В сварном шве образца, полученном на режиме 1 (рис. 4, а-в), отмечается более мелкозернистая структура, чем в основном материале, частицы первичной и вторичной у'-фазы отсутствуют. В шве присутствуют карбиды. В околошовной зоне наблюдаются более крупные зерна, чем в основном материале вдали от шва. Частицы вторичной у'-фазы внутри зерен около шва мельче, чем в основном материале. Границы зерен, также как в основном материале, упроч-
нены карбидами и частицами зернограничной у'-фазы; по границам зерен расположены крупные частицы первичной у'-фазы. Отсутствие в шве частиц у'-фазы обусловливает пониженные значения свойств сварных соединений, особенно длительной прочности.
В образце после сварки и последующей полной термической обработки (режим 2, рис. 4, г-е) в сварном шве, околошовной зоне и в материале вдали от шва наблюдается практически идентичная
д
Рис. 3. Микроструктура сплава ВЖ175 и сварных соединений (*200):
а - сплав ВЖ175 (закалка + старение); б - вариант 1, без травления; в - вариант 2, без травления; г - вариант 1, после травления; д - вариант 2, после травления
Рис. 4. Микростроение сварных соединений сплава ВЖ175:
а, г - структура в сварном шве; б, д - границы зерен около шва; в, е - морфология частиц у'-фазы
структура. Однако существует различие в размере зерен: самые мелкие зерна находятся в сварном шве, самые крупные - в околошовной зоне.
Вывод. В работе приведено исследование структуры и прочностных свойств сварных соединений сплава ВЖ175, полученных по двум схемам термической обработки и сварки. Анализ прочностных характеристик показывает, что соединения с полной термической обработкой после сварки обладают свойствами на уровне основного
материала при температурах +20 и +650 °С. Прочностные характеристики соединений, полученных в термоупрочненном состоянии без последующей термической обработки, составляют 0,80-0,87 от свойств основного материала. Структурные исследования показывают, что данные показатели являются следствием практически полного отсутствия упрочняющей у'-фазы в шве и околошовной зоне в сварных соединениях, полученных без последующей термической обработки. Проведение термической обработки после сварки способствует выделению упрочняющей фазы в шве и околошовной зоне. В результате сварные соединения становятся равнопрочными основному материалу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сорокин Л. И. Свариваемость жаропрочных никелевых сплавов в состаренном состоянии // Автоматическая сварка. 1983. № 7. С. 12-16.
2. Сорокин Л. И., Тупикин В. И. Классификация жаропрочных никелевых сплавов по их стойкости против образования трещин при термической обработке сварных соединений // Автоматическая сварка. 1985. № 5. С. 23-25.
3. Сорокин Л. И. Свариваемость жаропрочных сплавов, применяемых в авиационных газотурбинных двигателях // Сварочное производство. 1997.
№ 4. С. 4-11.
4. Симс Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1976.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
