CC BY
25
УДК 621.791.05
Канд. техн. наук Г. В. Пухальская1, И. Б. Марков2
1 Запорожский национальный технический унивнерситет, 2АО «Мотор Сич», г. Запорожье
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В РАЗЛИЧНЫХ ЗОНАХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ3-1
На образцах определены механические свойства сварных соединений по отношению к основному металлу и размеры зон с минимальным уровнем механических свойств.
Ключевые слова: титановые сплавы, сварные соединения, механические свойства, зона снижения свойств, место разрушения.
Повышение ресурса и надежности газотурбинных двигателей (ГТД) является актуальной задачей. Одними из наиболее нагруженных деталей в конструкции ГТД являются детали роторной части компрессора — лопатки вентилятора и компрессора. Лопатки изготавливают из двухфазных титановых сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9 и др.
Различные повреждения лопаток в процессе эксплуатации, с учетом высокой стоимости деталей, требуют разработки рациональных технологий ремонта.
Для ремонта повреждений на лопатках необходимо применение сварки.
В данном исследовании рассматривали вариант ремонта лопаток с заменой поврежденного фрагмента. Для обеспечения высокого качества сварных швов, повторяемости процесса, минимальной зоны термического влияния и минимальных деформаций деталей для приварки фрагмента выбран метод электронно-лучевой сварки (ЭЛС).
Однако двухфазные титановые сплавы являются ограниченно свариваемыми [1], при сварке происходят структурные изменения и снижаются механические свойства. Для обеспечения эксплуатационных свойств восстановленных деталей, актуальной задачей является применение методов упрочнения для сварных соединений [2]. В этой связи необходимо уточнить расположение зон в сварных соединениях, в которых происходит снижение механических свойств, а также определить фактический уровень механических свойств в этих зонах.
В настоящей работе рассмотрены вопросы, касающиеся определения механических свойств в различных зонах сварных соединений.
Методика
Исследования прочностных свойств сварных соединений проводили на образцах, применительно к ремонту лопаток вентилятора из материала ВТ3-1 с заменой поврежденного фрагмента и приваркой вставки методом ЭЛС. Сварку образ-
цов выполняли с двух сторон на установке ЭЛУ-20. Предел прочности определяли на плоских образцах, тип XIII, по ГОСТ 6996-66 [3], при этом испытывали 10 цельных и 10 сварных образцов. Испытания проводили на установке Ш8ТЯОК-8862 при скорости перемещения захватов 15 мм/мин. Установка оснащена компьютерной системой управления и по результатам испытаний получали графическую зависимость изменения усилия во времени. Также проводили замеры микротвердости на макрошлифах в поперечном сечении сварных соединений. Микротвердость измеряли на микротвердомере ММ7Т фирмы «В ИЕНЬЕЯ» при нагрузке индентора равной 50 г в течение 10 с.
Результаты исследований и их обсуждение
Так как листы из сплава ВТ3-1 не выпускаются, то изготовление образцов выполняли по технологии, которая соответствовала технологии изготовления лопаток.
Технология включает следующие основные операции:
- порезка исходного прутка на заготовки и подготовка торцев;
- осадка исходных заготовок;
- прокатка на полосы;
- термообработка и удаление поверхностного окисленного слоя;
- изготовление цельных образцов для проведения механических испытаний и заготовок для сварных образцов;
- сварка и термообработка;
- изготовление сварных образцов;
Образцы изготавливали в следующей после -
довательности:
1. Порезка исходного прутка 0 45 мм на мерные заготовки длиной 300 мм на ленточной пиле, снятие фасок на торцах деталей.
2. Предварительная осадка прутков с подогревом до высотного размера 27...29 мм на молоте ковочном.
© Г. В. Пухальская, И. Б. Марков, 2016
1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2016
- 89 -
3. Прокатка в нагретом состоянии предварительно осаженных прутков на полосы в продольном направлении на двухвалковом прокатном стане. Температура начала прокатки 10±10 °С.
Прутки прокатывались за несколько проходов, с промежуточным подогревом остывших полос на температуру Т = 910±10°С, до толщины 5+0 ,5мм, ширина прокатанных полос 65+5мм.
4. Изотермический отжиг в камерной электропечи по режиму: Т = 910 °С, выдержка 1 ч, охлаждение с печью до Т = 750 ° С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе, стабилизирующий отжиг при Т = 530 °С.
5. Удаление окисленного слоя, образовавшегося в процессе обработки обдувкой, разрыхлением и травлением.
6. Фрезеровкой изготовили цельные образцы толщиной 2 мм для механических испытаний и заготовки для последующей сварки толщиной 4 мм.
7. Электронно-лучевая сварка образцов. Сварку производили с выводными планками.
8. Отжиг по следующему режиму: 1 ступень — электронно-лучевой отжиг при Т = 910 °С, выдержка 10 мин, 2 ступень — печной отжиг в защитной атмосфере при Т = 650 ° С.
9. Фрезеровка образцов, толщиной 2 мм для проведения механических испытаний.
В процессе проведения механических испытаний сварных образцов определяли место разрушения по отношению к оси сварного шва (В, мм). При этом установлено (рис. 1), что разрушение сварных образцов происходило в зоне термического влияния.
Результаты механических испытаний цельных образцов приведены в табл. 1.
Результаты механических испытаний сварных образцов приведены в табл. 2.
Таблица 1 — Механические свойства цельных образцов
№ обр. а„, МПа 8, %
1 113,0 18,0
2 112,0 15,7
3 112,7 17,0
4 114,7 16,7
5 113,9 17,3
6 112,7 17,3
7 113,0 15,7
8 113,8 17,0
9 111,9 16,3
10 114,0 16,3
Средн. 113,2 16,7
Таблица 2 — Механические свойства сварных образцов
№ обр. ств, МПа 8, % В, мм
1 108,3 11,7 8,0
2 110,0 6,7 1,0
3 112,6 7,0 3,5
4 109,6 7,3 4,0
5 111,7 7,3 9,0
6 109,8 8,3 7,0
7 109,4 8,0 0,0
8 109,6 10,0 3,8
9 111,1 8,3 3,8
10 112,4 10,0 6,7
Средн. 110,4 8,5 4,68
Для определения протяженности зоны снижения свойств выполнили замеры микротвердости. Замеры выполняли на поперечных макрошлифах, по трем линиям, расположенным на разной высоте, в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.
Шов№\ | 1 \
> 1 1 г )
£ = = \
^ 1 0,1м о с
Ось швов Шов №2
Рис. 2. Схема замеров микротвердости
Результаты замеров микротвердости сварных образцов приведены на рис. 3—5.
Анализ результатов замеров микротвердости показал, что в зоне термического влияния происходит снижение микротвердости до 330ИУ как относительно сварного шва, имеющего микротвердость порядка 420 ИУ, так и основного металла, с микротвердостью 370 ИУ. По результатам замеров, протяженность зоны снижения механических свойств, в поперечном направлении, составляет 1,5...8,0 мм, от оси сварного шва.
HV
430 -420 ■ 410 ■ 400 -3S0 ■ 380 -370 -360 -350 -340 -330 320 -
д
/ •
L
A
А л л
\ ■ i ¡Ail¡9А К «ЛлАглМ
•
.у.
Щ
1,25 2,5 3,75
6,25 7,5 8,75 10 11,3 12,5
13,8 15 ММ
Рис. 3. Результаты замеров микротвердости на обпазтте № 13
HV
410
400 390 380 370 360 350 340 330 320
Ч л
\
Л: V J .
0 1,25 2,5 3,75 5 6,25 7,5 8,75 10 11,2 12,5 13,7 15
ММ
Рис. 4. Результаты замеров микротвердости на образце № 11
HV
Сравнением расположения места разрушения образцов при механических испытаниях с результатами замеров микротвердости установлено, что разрушение образцов происходило примерно по центру зоны снижения механических свойств.
Выводы
Установлены размеры зоны снижения механических свойств для сварных образцов из сплава ВТ3-1, при этом, протяженность зоны снижения механических свойств в поперечном направлении составляет 1,5...8,0 мм от оси сварного шва.
Определено место разрушения сварных образцов, которое расположено в зоне снижения механических свойств, в среднем, на расстоянии 4,68 мм от оси сварного шва.
Фактическое снижение уровня механических свойств сварных образцов составило: ав ~ 3 %, 8 ~ 50 %.
Список литературы
1. Замков В. Н. Металлургия сварки титана и его сплавов / В. Н. Замков. — К. : Наукова думка, 1986. — 240 с.
2. Сайдахмедов Р. Х. Прогрессивные технологии производства конструкций летательных аппаратов из титановых сплавов / Р. Х. Сай-дахмедов. — Ташкент : ТГАИ, 2005. — 54 с.
3. Сварные соединения. Методы определения механических свойств: ГОСТ 6996-66. — М. : Стандартинформ, 2006. — 44 с.
Поступила в редакцию 10.05.2016
Рис. 5. Результаты замеров микротвердости на образце № 12
Пухальська Г.В., Марков I.Б. Визначення мсхашчних властивостей в рвних зонах зварних з'еднань з титанового сплава ВТ3-1
На зразках визначеш мехашчш властивостi зварних з 'еднань по вiдношенню до основного металу i розмiри зон з мшмальним pieHeM мехашчних властивостей.
Ключовi слова: титановi сплави, зварш з 'еднання, мехашчш властивостi, зона зниження властивостей, мюце руйнування.
Pukhal'skaya G., Markov I. Determination of welded joints mechanical properties of the ВТ3-1 titanium alloy in various zones
There were determined the specimen mechanical properties in comparison with the core metal and size of zones with minimum mechanical properties.
Key words: titanium alloys, welded joints, mechanical properties, area reduction properties, place of destruction.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2016
- 91 -
