CC BY
17
Неровный В.М. ©
Профессор, д.т.н., кафедра «Технологии сварки и диагностики»,
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
ОСОБЕННОСТИ ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ДУГОВОЙ НАПАЙКЕ В ВАКУУМЕ
Аннотация
При нанесении покрытия на титановые детали дуговой напайкой в вакууме дополнительного насыщения поверхности кислородом практически не происходит, что позволяет применять этот способ для упрочнения и восстановления рабочих поверхностей ответственных деталей, воспринимающих значительную динамическую нагрузку.
Ключевые слова: дуговая напайка в вакууме, титановые сплавы, газонасыщеность поверхности.
Keywords: arc soldering in vacuum, titanium alloy, the saturation of the surface.
Новым перспективным способом упрочнения и восстановления рабочих поверхностей титановых деталей является дуговая напайка в вакууме. Использование в качестве локального источника нагрева дугового разряда с полым катодом (ДРПК) и подача непосредственно в зону обработки порошкообразного композиционного припоя дают возможность раздельно управлять скоростью обработки и температурой нагрева основного и присадочного материала в широком диапазоне. Локальность нагрева с помощью ДРПК позволяет проводить напайку при температуре, близкой к интервалу полиморфного а- и /превращения титановых сплавов, а значит, использовать припои на титановой основе, температура плавления которых составляет 1120-1170 К [1]. Дуговая напайка в вакууме позволяет наносить на поверхность титановых деталей качественные композиционные покрытия, состоящие из припоя на титановой основе (ВПр16) и армирующих частиц (карбидов вольфрама). При этом армирующие частицы не подплавлены, а в приповерхностном слое основного металла практически отсутствует рост зерна, что позволяет сохранить механические свойства основы. Вместе с тем наличие вакуумной защиты (давление в камере рк = 110-1 -510-2 Па) не исключает возможности окисления и газонасыщения поверхностного слоя материала основы в зоне нагрева, что может привести к его охрупчиванию. Особенно это нежелательно для деталей, воспринимающих значительную динамическую нагрузку.
Из анализа литературных данных следует, что эффективность очистки поверхности от оксидов повышается при понижении парциального давления газа-окислителя и увеличения температуры нагрева. Так, в интервале температур 1070-1270 К оксидная пленка на титане отсутствует только при парциальном давлении кислорода ниже 610-3 Па [2].
Сказанное выше относится к случаю общего нагрева в печах, что не позволяет использовать эти данные для варианта локального нагрева потоком аргоновой плазмы ДРПК низкого давления [3,4]. Отличие заключается, во-первых, в том что при дуговой напайке в вакууме продолжительность нагрева и выдержки поверхности титановой детали до момента смачивания ее припоем составляет 1-15 с. Во-вторых, плазменный поток ДРПК, по сути, дополнительно изолирует обрабатываемую поверхность, поскольку в прианодной области разряда давление аргоновой плазмы на порядок и более выше, чем в вакуумной камере [5].
Цель работы - исследовать кинетику очистки поверхности титановых деталей от оксидов при обработке ее потоком плазмы ДРПК в процессе дуговой напайки в вакууме.
Эксперименты проводили на установке для дуговых сварочных процессов в вакууме, содержащей горелку с полым газопроточным термокатодом, питатель для подачи порошкового
© Неровный В.М., 2014 г.
присадочного материала и водоохлаждаемый анод, на который устанавливали образцы в форме пластин размером 100х20х2,5 мм из титанового сплава марок ВТ5-1, АТ4, ВТ20Л.
Изучение плазмы ДРПК показали, что в прианодной области она сильно ионизирована — со степенью ионизации при разрядном токе от 10 до 80 А свыше 8-10 %. Концентрация электронов в центральной части прианодной области в диапазоне длин дугового промежутка 1,0-3,0 см колеблется в пределах пе = (0,2-4,0)-1012 см -3, температура электронов Те - 1,5-4,5 эВ. Полное давление плазменного потока в этой области изменяется в пределах ро = (1-30) Па. Причем с уменьшением длины дугового промежутка до 0,5 см полное давление может достигать 40-45 Па [5].
Расчетная оценка, с учетом содержания кислорода в аргоне, степени диссоциации в полости катода, достигающей 60-80 %, температуры атомов кислорода 5000-7000 К, показала [6], что в дуговой плазме низкого давления, образующейся за счет прокачки через полый катод аргона высшего сорта, парциальное давление кислорода в прианодной области, как правило, ниже 110-4 Па. В то же время парциальное давление кислорода (рО2) при давлении в камере остаточной атмосферы рк < 5-10-2 Па составляет (6-9)-10-4 Па [5].
Следовательно, несмотря на то, что в плазменном потоке ДРПК давление в несколько раз выше, чем в вакуумном пространстве камеры, парциальное давление кислорода почти на порядок меньше, чем аналогичный показатель для остаточной атмосферы при давлении в камерерк = (4-8)-10-2 Па и скорости натекания воздуха 0,5-2 (дм3-Па)/с.
Для оценки эффективности защиты поверхности в зоне воздействия аргоновой плазмы ДРПК провели нагрев образцов из сплава ВТ5-1 в центральной части неподвижного пятна нагрева до температуры 1150-1170 К с выдержкой до 5 с при изменении скорости натекания воздуха в камеру от 1 до 100 (дм3-Па)/с. Воздух подавали с помощью трубки, конец которой располагали на расстоянии 2 см от обрабатываемой поверхности и под углом к ней 45о. После выдержки ДРПК выключали. Затем подачу аргона через полость катода увеличивали в 1,5 раза по сравнению с рабочим режимом, а сопло приближали к образцу от 2,5 до 0,5 см, обеспечивая, таким образом, на стадии охлаждения в нагретой части поверхности образца примерно такое же давление этого потока аргона, как и плазменного потока при работе ДРПК. Подачу аргона прекращали только при полном охлаждении образца.
Экспериментально установлено, несмотря на столь значительное натекание воздуха в область образца и увеличение равновесного давления остаточной атмосферы в камере до (0,9-1,0)-10-1 Па в зоне диаметром 1,8-2,0 см поверхность образца протравлена и не окислена, имеет блестящий металлический цвет. Не окисленная зона А (Рис.1) окружена кольцом шириной 5-7 мм, цвет которого переходит из темно-желтого в бледно-желтый на периферии.
Рис.1. Характер окисления титана при нагреве с помощью ДРПК в вакууме (натекание воздуха в
камеру - 100 (дм3 -Па)/с, рк = 0,1 Па,)
Таким образом, поток аргоновой плазмы ДРПК в прианодной области по отношению к титановым сплавам является более инертной средой, чем остаточная атмосфера в диапазоне давлений рк = 8-10-3-1 -10-1 Па, обычно используемый для промышленных сварочных процессов.
Установлено, что для получения покрытий толщиной 0,2-0,6 мм дуговой напайкой в вакууме с подачей порошковых композиционных припоев оптимальной является скорость напайки 0,3-0,8 см/с [1].
В таких условиях важно выяснить возможность очистки поверхности от оксидной пленки плазменным потоком ДРПК в процессе нагрева подложки до температуры, соответствующей температуре пайки, за период времени, который позволяет наносить с вышеуказанной скоростью качественное покрытие за один проход.
Расчетами установлено, что очистка поверхности титановых сплавов от оксидной пленки при парциальном давлении кислорода в плазменном потоке ДРПК рО2 - (5-9)-10-5 Па длится не более 1 -10-5 с [6].
Несмотря на приближенность расчетной оценки, можно утверждать, что фактически очистка деталей происходит уже на этапе термической активации поверхности плазмой ДРПК, т. е. на стадии нагрева подложки до температуры пайки.
В условиях плазменно-дуговой обработки удаление оксидной пленки с поверхности титановых деталей происходит за счет преимущественного перехода кислорода вглубь металла. Для оценки уровня газонасыщения приповерхностного слоя материала основы были проведены эксперименты по специально разработанной методике.
Образцы нагревали плазмой ДРПК до температуры в зоне обработки, равной 1150-1170 К. Для контроля температуры с обратной стороны образцов устанавливали хромель-алюмелевую термопару. Продолжительность выдержки образцов в указанном интервале температур изменяли от 5 до 100 с. Во избежание поглощения газов на этапе охлаждения после окончания выдержки в интервале температур пайки на поверхность образцов припоем ВПр16 наносили консервирующее покрытие, затем образцы полностью охлаждали в вакуумной камере. Распределение кислорода по поперечному сечению образца определяли с помощью прибора «Камебакс». Измерения показали, что на всех образцах сигнал от кислорода, превышающий по амплитуде фоновый, отсутствует (предельно регистрируемая данным прибором концентрация кислорода составляла около 0,1 ат. %).
Таким образом, независимо от продолжительности воздействия ДРПК в вакууме происходит полное удаление оксидной пленки с поверхности исследуемых титановых сплавов за счет ее перехода вглубь металла. Малая продолжительность очистки не требует специального выделения ее в отдельную операцию, так как изменения концентрации кислорода в поперечном сечении образцов не выявлено. Следовательно, дополнительного насыщения поверхности кислородом практически не происходит, что указывает на отсутствие охрупченного слоя при нанесении покрытия на титановые детали дуговой напайкой в вакууме.
Выводы
1. Несмотря на избыточное давление в прианодной области потока аргоновой плазмы ДРПК, составляющее 1-30 Па, при давлении остаточной атмосферы в вакуумной камере (0,6-8)10-2 Па плазменный поток является весьма эффективной защитной средой, поскольку парциальное давление кислорода в нем в 5-20 раз меньше, чем в остаточной атмосфере.
2. Согласно расчетной оценке, в случае предварительной механической обработки и обезжиривания поверхности титановой детали процесс очистки ее от оксидной пленки происходит на стадии нагрева плазменным потоком ДРПК в течение 1 -10-5 с, что позволяет совмещать операции активации поверхности и нанесения на нее покрытия в режиме напайки.
Литература
1. Неровный В. М., Перемитько В. В. Технологические основы дуговой напайки в вакууме деталей из титановых сплавов //Вестник МГТУ. Машиностроение - 1993. - № 4. - С. 52-60.
2. О кинетике растворения окисных пленок в титане / В. В. Пешков, Ф. К. Рыжков. Е. С. Воронцов и др. // Журн. физ. химии. -1985. - № 5.- С. 1244-1246.
3. Лясоцкая В.С. Термическая обработка сварных соединений титановых сплавов. - М.: Экомет. 2003.-352 с.
4. Вакуумный отжиг титановых конструкций / Б. А. Колачев, В. В. Садков, В. Д. Талалаев и др. — М.: Машиностроение. 1991. - 224 с.
5. Неровный В. М., Ямпольский В. М. Сварочные дуговые процессы в вакууме. - М.: Машиностроение. 2002.- 264 с.
6. Легасов В. А., Смирнов Б. М., Чайванов Б. Б. Интенсивные химические процессы с учетом атомов //Химия плазмы. - М. : Энергоатомиздат, 1982. - С. 100-117.
