О ВЛИЯНИИ РАЗРЕЖЕНИЯ В КОНТАКТНОМ ЗАЗОРЕ НА КИНЕТИКУ АВТОВАКУУМИРОВАНИЯ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ТИТАНА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Машиностроение и машиноведение

DOI 10.36622^Ти.2022.18.4.016 УДК 621.785.532

О ВЛИЯНИИ РАЗРЕЖЕНИЯ В КОНТАКТНОМ ЗАЗОРЕ НА КИНЕТИКУ АВТОВАКУУМИРОВАНИЯ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ТИТАНА

А.Б. Булков, В.В. Пешков, И.Б. Корчагин, Г.В. Селиванов

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: целью данной работы являлось исследование влияния разрежения воздуха в сварочной камере на развитие процесса автовакуумирования зазора между контактными поверхностями при диффузионной сварке. Исследования проводились на цилиндрических образцах диаметром 16 мм из титанового сплава ОТ4 и армко-железа, собранных с зазором 0,1 мм. На поверхности образцов из армко-железа путем отжига предварительно формировались оксидные пленки толщиной 70 мкм. Отжиг образцов осуществлялся в вакууме от 10-2 до 2,6 Па в интервале температур от 525 до 600 °С. По результатам изменения интерференционной окрашенности образцов из армко-железа и эл-липсометрических измерений после вакуумного отжига определяли уменьшение толщины оксидной пленки. Установлено, что процессу растворения оксидного слоя на поверхности армко-железа предшествует некоторый период времени, названный инкубационным, в течение которого давление в контактном зазоре падает до давления упругости диссоциации оксидов железа. Длительность инкубационного периода растет с увеличением давления в вакуумной камере и существенно снижается с повышением температуры. Обработка экспериментальных данных показывает, что процесс автовакуумирования контактного зазора контролировался диффузией кислорода в титане. По результатам проведенных исследований получены зависимости, позволяющие оценивать время автовакуумирования контактного зазора в зависимости от степени разрежения воздуха и температуры нагрева

Ключевые слова: титан, охрупченные слои, автовакуумирование, контактный зазор

Введение

При диффузионной сварке титана и его сплавов одним из основных условий получения качественного соединения, характеризуемого равнопрочностью основному металлу при минимальной накопленной деформации свариваемых заготовок, является формирование физического контакта между поверхностями, свободными от оксидов и обладающими высокой реакционной способностью к образованию металлических связей, т.е. схватыванию [1, 2].

При развитии физического контакта между заготовками, на свариваемых поверхностях которых присутствует оксидная фаза, образующаяся при нагреве в результате взаимодействия титана с остаточными газами вакуумиро-ванного пространства, а также с адсорбированными его поверхностными слоями газа и влаги, происходит формирование межфазной границы, содержащей субоксиды и являющейся устойчивым барьером, препятствующим развитию процесса сварки [3, 4].

Учитывая высокую активность титана и устойчивость образующихся оксидов (упру-

© Булков А.Б., Пешков Селиванов Г.В., 2022

В.В., Корчагин И.Б.,

гость диссоциации при комнатной температуре составляет 1,3 10-44 Па), а также ограниченные технические возможности получения разрежения воздуха в сварочных камерах (порядка 10~2...10~3 Па), условия для очистки свариваемых поверхностей титана от оксидов могут быть реализованы только при нагреве в результате развития автовакуумирования ограниченного объема контактного зазора и последующего растворения оксидов, образовавшихся на стадии автовакуумирования, в металлической основе.

Поэтому целью данной работы было установление влияния разрежения воздуха в сварочной камере на кинетические закономерности развития процесса автовакуумирования зазора между контактными поверхностями.

Методика экспериментальных исследований

В связи с малыми значениями геометрических параметров контактного зазора между свариваемыми заготовками получить количественную информацию о развитии автовакуу-мирования путем прямого замера остаточного давления газа не представляется возможным.

Данные, характеризующие кинетику развития этого процесса в условиях диффузионной

сварки титана, можно получить исходя из следующих соображений.

Если контактный зазор моделировать в виде двух образцов, один из которых изготовлен из титана, а второй, например, из железа (рис. 1), то при нагреве титан, обладая высокой способностью растворять в себе кислород, и упругость диссоциации оксидов (РТ02) которого значительно ниже упругости диссоциации оксидов железа (Р^о) (так, при 1000 °С Рто2=5,810"34 Па; PFeо=3,4• 10"16 Па [5]), будет активно адсорбировать газы, содержащиеся в контактном зазоре. Этот процесс будет сопровождаться понижением давления кислорода (т.е. развитием автовакуумирования) и создаст условия для диссоциации оксидов железа по схеме:

20(ок)^20(адс)+4е, 20(адс)^02(адс), 02(адс)^02(г), 02(г)+Т1(т)^ТЮ2(т), 2Ме2+(ок)+4е^2Ме(т),

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(202"+Ме2+)(ок)+Т1(т)^Т102(т)+ 2Ме(т) (6) Здесь: (ок) - оксидная пленка; (адс) - газообразный адсорбированный кислород; (г) - газообразный кислород; (т) - твердая фаза.

Исходя из рассмотренных окислительно-восстановительных реакций (1-6), протекающих при нагреве в замкнутом контактном зазоре между образцами из титана и железа (рис. 1), следует, что о развитии процесса автовакууми-рования можно судить по изменению цвета оксидной интерференционно-окрашенной пленки. Пленку определенной толщины наносят перед термическим циклом на поверхность образца из железа и фиксируют изменение ее толщины и, как следствие, цвета, обусловленное понижением давления Р02<Рр-е0 и диссоциацией оксидов железа.

Рис. 1. Схема отжига образцов: 1 - образец из титана ВТ1-0, 2 - образец из армко-железа, 3 - разделительная шайба, 4 - экран из титановой фольги, 5 - нагреватель

В соответствии с формально-кинетическим представлением об автовакууми-ровании, как термически активируемом процессе, можно считать, что время та, необходимое для понижения исходного остаточного давления кислорода Р02 до Рр-е0 в самом общем случае при постоянной величине контактного зазора между образцами (рис. 1) зависит от степени разрежения воздуха в зазоре и является экспоненциальной функцией температуры:

та = СЯБ)ехр(ШТ), (7)

где Е - энергия активации процесса, контролирующего автовакуумирование, R - газовая постоянная, Т - температура в градусах Кельвина, Б - параметр, характеризующий разрежение воздуха в сварочной камере, С - коэффициент пропорциональности, являющийся функцией.

Таким образом, при экспериментальном исследовании кинетики процесса автовакууми-рования в качестве индикатора развития процесса можно использовать изменение толщины и интерференционной окрашенности оксида железа, а в качестве кинетической характеристики - длительность отжига, приводящего к этим изменениям.

Экспериментальные исследования проводили на образцах диаметром 16 мм и толщиной 2 мм из армко-железа и титана марки ОТ4, поверхность которых полировали и обезжиривали. Образцы из армко-железа окисляли на воздухе при 300 °С до образования на их поверхности оксидных пленок синего цвета (спектра первого порядка). При этом толщина оксидных пленок (у) по результатам эллипсометрических измерений составляла порядка 70 нм. Затем образцы собирали по схеме (рис. 1). В качестве параметра, характеризующего размер контактного зазора, использовали толщину разделительной шайбы (И), равную 0,1 мм. Заданное разрежение воздуха поддерживается постоянным в течении эксперимента с помощью системы вакуумных насосов и игольчатого вентиля. Диапазон разрежений воздуха составлял от 10"2 до 2,6 Па.

После вакуумирования камеры до заданного разрежения образцы сжимали осевым усилием Q=5 кН и отжигали. По результатам изменения интерференционной окрашенности образцов из армко-железа и эллипсометриче-ских измерений до и после вакуумного отжига определяли уменьшение толщины оксидной пленки (Лу).

Результаты исследований

На рис. 2 приведены экспериментально полученные зависимости Ду=ф(т), отражающие кинетику процесса уменьшения исходной толщины оксидных пленок на армко-железе в интервале температур отжига от 525 до 600 °С в условиях проведенных экспериментов.

На начальных участках зависимостей Ау= ф (т) присутствует период времени (ти) условно названный инкубационным, в течение которого не наблюдается изменений в окрашенности образцов (сохраняется синий цвет) и не происходит уменьшения толщины оксидных пленок.

Рис. 2. Кинетика утонения оксидных пленок на образцах из армко-железа при величине контактного зазора h=0,1 мм и температурах отжига, °С: 1 - 525; 2 - 550; 3 - 575; 4 - 600

Наблюдаемый процесс утонения оксидов при т>ти не может быть объяснен их возгонкой или восстановлением растворенными в армко-железе примесями, что вытекает из следующих соображений:

- давление насыщенного пара оксидов мало;

- по данным РСМА на поверхности титановых образцов после отжига по схеме (рис. 1) не обнаружено возрастания концентрации железа;

- при замене титана на армко-железо в экспериментах по схеме (рис. 1) изменений толщины оксидных пленок не происходило.

Поэтому можно считать, что процесс утонения оксидов на поверхности образцов из армко-железа обусловлен развитием автоваку-умирования контактного зазора и последующим восстановлением оксидов по реакциям (1)-(6). При этом длительность инкубационного периода ти на зависимостях Ау=ф(г) соответствует времени, требующемуся для понижения остаточного давления кислорода в контактном

зазоре до давления упругости диссоциации оксидов железа, т.е. ти = та.

Значения ти при вакуумировании контактного зазора до 10-2 Па зависят от температуры отжига и с ее увеличением ти уменьшается (рис. 3), а при вакуумировании до 2,6 Па эти зависимости смещаются в область более высоких температур (рис. 3).

■1С)"3, с

12

\ 2

V

550

600

650 t/C

1пт„

1 у

110

115

1.20

10"/ТЛ

б

Рис. 3. Зависимость длительности инкубационного периода от температуры отжига в координатах а - ты=ф(?); б - Ы ти=ф(1/Т) при вакуумировании контактного зазора, Па: 1 - 10-2; 2 - 2,6

Из зависимости (7) и равенства т=та следует, что построение экспериментально полученных значений ти=ф() в координатах 1п ти -1/Т позволяет оценить эффективное значение энергии активации процесса, контролирующего автовакуумирование.

Опытные данные в координатах 1п ти - 1/Т ложатся на прямые линии (рис. 3, б), из угловых коэффициентов которых следует что Е в пределах погрешности, которая не превышает 10 %, не зависит от степени вакуумирования и составляет 241 кДж/моль. Найденное значение Е сопоставимо с энергией активации диффузии кислорода в титане (которая, например, соглас-

а

но [6], составляет 258 кДж/моль), что дает основания считать, что процесс автовакуумиро-вания контактного зазора в описанных экспериментах контролировался диффузией кислорода в титане.

На рис. 4 в координатах ти - lg Б приведены зависимости, отражающие влияние степени вакуумирования контактного зазора на длительность инкубационного периода.

Рис. 4. Зависимость длительности инкубационного периода от степени вакуумирования контактного зазора в координатах ти = Б) при температурах отжига, °С: 1 - 575; 2 - 600

Из приведенных данных следует, что при постоянных температурах испытания зависимости ти = ф^ Б) имеют линейный характер и с учетом выражения (7) и равенства та = ти могут быть аппроксимированы выражением

Та=7,710"12(/£Б+2,15)ехр(-241000^Т). (8)

Полученные результаты исследований имеют не только научное, но и практическое значение, так как позволяют оценить время та, в течении которого будет развиваться автовакуу-мирование и сопутствующий ему процесс окисления титана. Анализ титановых образцов после их отжига по схеме (рис. 1) в течение ти=та показал, что на их поверхности за это время формируется оксидная фаза в виде охруп-ченного слоя (рис. 5), толщина которого (дыр) возрастает с увеличением остаточного давления воздуха в зазоре, характеризуемого степенью разрежения В (Па) (рис. 6).

Для очистки контактных поверхностей от этих слоев и повышения их реакционной способности к схватыванию перед приложением

сжимающего давления при диффузионной сварке требуется дополнительное время отжига тв (с), которое можно оценить по выражению

[7]:

тв=доХр /(5 •10■exp(-268000/RT)).

(9)

Рис. 5. Типичный вид охрупченных оксидных слоев, образующихся на поверхности образцов из сплава титана ОТ4 после их отжига по схеме (рис. 1) в течение времени та и последующего разрушения изгибом, х10000

80кр. мкм

0,7

0,5

0,3

0,1

У7/, й

А г

-1

о

1д В, Па

Рис. 6. Область значений дохр=ф(В), образующихся на поверхности сплава ОТ4 после отжига в течение времени та

Выводы

1. Сформулирована и опробирована методика, позволяющая оценить время, необходимое для понижения за счет автовакуумирования давления кислорода в контактном зазоре при диффузионной сварке титана до уровня упругости диссоциации оксидов железа.

2. Сопоставление найденного значения эффективной энергии активации процесса ав-товакуумирования с литературными данными дает основание считать, что автовакуумирова-ние контактного зазора контролируется диффузией кислорода в титане.

3. Получено эмпирическое выражение, позволяющие оценивать время та, необходимое для автовакуумирования контактного зазора в зависимости от степени разрежения воздуха и температуры нагрева.

4. Установлено, что за время автовакуу-мирования контактного зазора величиной h =0,1 мм на поверхности сплава ОТ4 формируются оксидные охрупченные слои, толщина которых возрастает приблизительно от 0,2 мкм до 0,72 мкм при изменении степени разрежения от 10-2 до 2,6 Па, соответственно.

Литература

1. Семенов А.П. Схватывание металлов. М.: Машгиз, 1958. 280 с.

2. Пешков В.В., Булков А.Б. Диффузионная сварка титановых тонкостенных слоистых конструкций. М.: Изд-во «РИТМ», 2016. 242 с.

3. Пешков В.В., Булков А.Б., Кущев С.Б. Особенности развития процесса диффузионной сварки титановых тонкостенных слоистых конструкций с тавровым соединением // Сварочное производство. 2018. № 12. С. 9 - 18.

4. Влияние физико-химического состояния контактных поверхностей титана на прочность и топографию разрушения сварного соединения / А.Б. Булков, В.В. Пешков, И.Б. Корчагин и др. // Сварочное производство. 2021. № 9. С. 22-27

5. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. М.: Химия, 1975. 535 с.

6. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия, 1979. 511 с.

7. Кинетика восстановления пластических свойств окисленных поверхностей титана и его сплавов путем отжига / А.Б. Булков, В.В. Пешков, И.Б. Корчагин и др. // Сварочное производство. 2021. № 11. С. 38 - 44.

Поступила 21.04.2022; принята к публикации 19.08.2022 Информация об авторах

Булков Алексей Борисович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. 8-960-124-38-11, e-mail: abulkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7326-4846

Пешков Владимир Владимирович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. 8-473-278-38-84, e-mail: vlvlpeshkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2802-6574

Корчагин Илья Борисович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. 8-950-756-82-83, e-mail: ikorchagin@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2399-2319

Селиванов Георгий Владимирович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. 8-473-278-38-84, e-mail: selivanovgv@bk.ru

ON THE EFFECT OF DILUTION IN THE CONTACT GAP ON THE KINETICS OF AUTOVACUUMING DURING DIFFUSION WELDING OF TITANIUM

A.B. Bulkov, V.V. Peshkov, I.B. Korchagin, G.V. Selivanov

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the purpose of this work is to study the effect of air vacuum in the welding chamber on the development of the process of auto-vacuuming the gap between the contact surfaces during diffusion welding. The studies were carried out on cylindrical samples with a diameter of 16 mm made of titanium alloy OT4 and armco-iron, assembled with a gap of 0.1 mm. Oxide films with a thickness of 70 microns were previously formed on the surface of armco-iron samples by annealing. Annealing of the samples was carried out in a vacuum from 10-2 to 2.6 Pa in the temperature range from 525 to 600 °C. According to the results of changes in the interference coloration of armco-iron samples and ellipsometric measurements after vacuum annealing, we determined a decrease in the thickness of the oxide film. We established that the process of dissolution of the oxide layer on the surface of armco-iron is preceded by a certain period of time, called incubation, during which the pressure in the contact gap drops to the pressure of the elasticity of the dissociation of iron oxides. The duration of the incubation period increases with increasing pressure in the vacuum chamber and decreases significantly with increasing temperature. The processing of experimental data shows that the process of autovacuuming of the contact gap was controlled by the diffusion of oxygen in titanium. According to the results of the conducted studies, we obtained dependences that allow estimating the time of autovacuuming of the contact gap depending on the degree of air dilution and heating temperature

Key words: titanium, annealing, gas-saturated layers, strength, topography

References

1. Semenov A.P. "Setting of metals" ("Skhvatyvanie metallov"), Moscow: Mashgiz, 1958, 280 p.

2. Peshkov V.V., Bulkov A.B. "Diffusion welding of titanium thin-walled layered structures" ("Diffuzionnaya svarka titano-vykh tonkostennykh sloistykh konstruktsiy"), Moscow, RITM, 2016, 242 p.

3. Peshkov V.V., Bulkov A.B., Kushchev S.B. "Features of the development of the process of diffusion welding of thin-walled titanium laminated structures with a T-joint", Welding Production (Svarochnoe proizvodstvo), 2018, no. 12, pp. 9-18.

4. Peshkov V.V., Bulkov A.B., Korchagin I.B. "Influence of the physico-chemical state of titanium contact surfaces on the strength and topography of failure of the welded joint", Welding Production (Svarochnoe proizvodstvo), 2021, no. 9, pp. 11-16.

5. Kireev V.A. "Methods of practical calculations in thermodynamics of chemical reactions" ("Metody prakticheskih raschetov v termodinamike himicheskih reakcij"), Moscow: Khimiya, 1975, 535 p.

6. Zwicker W. "Titanium and its alloys" ("Titan i ego splavy"), Moscow Metallurgiya, 1976, 447 p.

7. Peshkov V.V., Bulkov A.B., Korchagin I.B. "Kinetics of recovery of plastic properties of oxidized surfaces of titanium and its alloys by annealing", Welding Production (Svarochnoe proizvodstvo), 2021, no. 11, pp. 38-44.

Submitted 21.04.2022; revised 19.08.2022

Information about the authors

Aleksey B. Bulkov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: abulkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7326-4846

Vladimir V. Peshkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: vlvlpeshkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2802-6574

Il'ya B. Korchagin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: ikorchagin@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2399-2319

Georgiy V. Selivanov, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: selivanovgv@bk.ru