CC BY
372
УДК 621.791
Материаловедение
ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙПРИ СВАРКЕ И ТЕРМООБРАБОТКЕ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ТИПАВЖЛ-14 Р.Ю. Киреев, В.П. Чумарный
В статье представлен обзор публикаций, посвящённых причинам трещинообразования в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов. В ходе анализа были выявлены общие пути снижения склонности этих сплавов к образованию трещин
Ключевые слова: никелевые сплавы, у' - фаза, трещинообразование
Целью данного обзора является сравнительный анализ причин образования дефектов при сварке и термообработке жаропрочных дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов, на основании которого предлагаются пути снижения интенсивности растрескивания.
Увеличение ресурса работы современных авиационных двигателей достигается за счёт применения жаропрочных никелевых сплавов. Условия работы сварных узлов из таких сплавов характеризуются воздействием высоких рабочих температур до 850 - 1000 °С, нагрузок и
агрессивной среды. В тоже время для данных сплавов предъявляются требования получения качественных сварных соединений, что является сложной задачей, т.к. сплавы этого типа относятся к ограниченно или плохо свариваемым. Это подтверждается их высокой склонностью к растрескиванию при сварке и термообработке.
Особенностью жаропрочных дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов является наличие большого количества дисперсионных включений, а высокая жаропрочность обеспечивается за счёт выделения интерметаллидного упрочнения дисперсной у' - фазы М3(Л1, И). Причём, чем больше в сплаве содержится титана и алюминия и, следовательно, выделяющейся у' - фазы, тем выше его жаропрочность и хуже свариваемость. Свариваемость жаропрочных никелевых сплавов зависит не только от суммарного количества титана и алюминия, но и от количественного соотношения этих элементов. Для обеспечения
удовлетворительно свариваемости и снижения склонности к появлению трещин в процессе термической обработки обычно выдерживается отношение содержания титана к алюминию равным два к одному [1]. По данным более поздних публикаций [2] влияние легирования алюминием на образование трещин при термообработке в 1,4 раза сильнее, чем влияние такого же количества титана. Авторы указывают, что это связано, с более высоким содержанием у' - фазы у сплавов,
Киреев Роман Юрьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-871-61-79
Чумарный Владимир Петрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8 (473) 246-40-67
легированных алюминием, по сравнению со
сплавами, имеющими такое же количество титана.
Так же в [2] была установлена связь склонности никелевых сплавов к образованию трещин при термообработке с содержанием в них алюминия и титана. Эти сплавы условно разделилина 3 группы. В первую группу включены сплавы не склонные к образованию трещин при сварке и термообработке. Это гомогенные и
слабостареющие сплавы с содержанием у' - фазы не более 3 - 5%. Вторую группу составляют сплавы умеренно склонные к трещинообразованию. Содержание в них у' - фазы не превышает 18 - 20% (титана 2-5%, алюминия 1,5-3,6%). К третьей группе отнесли плохо свариваемые высокожаропрочные
сплавы с содержанием у' - фазы более 20 - 25%.
Содержание углерода в рассматриваемых
никелевых сплавах находится в пределах от 0,02 до 0,1 %, однако, несмотря на его малое содержание он оказывает большое влияние на структуру и свойства, так как образует не только трудно растворимый карбид титана, но и карбиды хрома, а в присутствии молибдена - двойные карбиды. После закалки и старения карбиды могут выделяться по границам зёрен в виде непрерывного слоя, что влияет на технологическую прочность. Известно, что одним из основных факторов, определяющих технологическую прочность сплава, является его состав. Даже сотые доли легирующего элемента могут существенно изменять склонность к образованию горячих трещин. Технологическая прочность дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов в значительной степени зависят от объёма, структуры и скорости выделения у' - фазы, поэтому наибольшее внимание уделяется содержанию в сплаве алюминия, титана и ниобия. В работе [5] пытались оценить склонность ряда жаропрочных никелевых сплавов к горячим трещинам при сварке по суммарному содержанию алюминия и титана. По данным работы вероятность образования горячих трещин растёт с увеличением содержания суммарного содержания алюминия и титана. Для сплавов, содержащих суммарное количество этих элементов менее 4%, такая закономерность не всегда сохраняется. Это объясняется различным содержанием в сплавах легирующих элементов (хрома, молибдена, вольфрама, ниобия, кобальта).
Получение необходимого структурного
состояния, обеспечивающего высокие
эксплуатационные характеристики никелевых сплавов, не может быть достигнуто путём одного легирования, а должно сочетаться со сложной термической обработкой - закалкой и старением. Закалка выполняется с целью выравнивания химического состава сплава, образования однородной структуры. Зачастую никелевые сплавы подвергаются второй закалке. Целью второй закалки - частичный распад твёрдого раствора с образованием относительно крупных частиц выделений, что приводит к улучшению
пластических свойств без снижения прочности. В результате последующего старения достигается повышение прочности за счёт выделения у' - фазы, при дисперсионном твердении.
Необходимо так же отметить, что на склонность к растрескиванию, по-видимому,
существенное влияние оказывает разница в размерах зёрен металла у литейных и деформируемых сплавов. Литейные сплавы имеют, как правило, значительно больший по сравнению с деформируемыми размер зерна, а это, в свою очередь, уменьшает суммарную протяжённость межзёрненных границ, ухудшает условия межзёренного проскальзывания в процессе термодеформационного цикла сварки и протекания релаксационных явлений при термообработке.
В [6] указывается, что литые никелевые сплавы уменьшают склонность к образованию горячих трещин при увеличении содержания углерода и уменьшении количества алюминия. Однако варьирование основного состава сплава с целью уменьшения склонности к горячим трещинам возможно в ограниченных пределах, поэтому предпринимались попытки легирования металла шва присадками в виде порошка или фольги, а так же присадочной проволокой оптимального состава.
Трещины, возникающие при сварке никелевых сплавов, имеют межзёренный характер и располагаются как на поверхности так внутри металла. В [7] отмечается, что раскрытие трещин при сварке и термообработке происходит в плоскости перпендикулярной линии сплавления. Анализируя возможные причины
трещинообразования в околошовной зоне соединений, выявлено, что если сварку производить после циклов термообработки, то за счёт быстрого роста температуры в ОШЗ и последующего охлаждения происходит растворение карбидов и упрочняющей у' - фазы. Это способствует
разупрочнению тела зерна и повышению относительной прочности границ зёрен. Внутренние трещины также преимущественно
распространяются в околошовной зоне, однако могут возникать и в сварном шве [3,4], распространяться и в околошовную зону. Раскрытие внутренних трещин лежит в плоскости свариваемых листов. Возникновение этих дефектов чаще всего происходит там, где наблюдается наибольшее искривление поверхности сплавления основного
металла с металлом шва или межфазной поверхностью.
Трещины в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов, возникают в результате термической обработки также имеютмежзёренный характер и располагаются чаще в околошовной зоне [8,9]. Что касается внутренних, не выходящих на поверхность трещин, то об их образовании сказать что-либо определённое затруднительно, так как момент их возникновения (при сварке или при термообработке) не всегда однообразно трактуются.
Наиболее подробно расположение трещин в деформированных дисперсионно-твердеющих
сплавах с различным содержанием упрочняющих элементов описано в [7,10]. Здесь же рассмотрена природа возникновения трещин при сварке рис. 1, 2.
Рис. 2. Поверхностная трещина. Сплав ВЖЛ-14. (х10)
Сварочные трещины по результатам металлографического анализа классифицируются как кристаллизационные, возникающие при затвердевании шва по жидким прослойкам; подсолидусные, появляющиеся при подсолидусных температурах в результате провала пластичности металла и термические, возникающие при температурах дисперсионного упрочнения и наличии термических, фазовых и остаточных сварочных напряжений. Такая классификация трещин, приведённая в [7,10], отнесена к сплавам с содержанием суммарного количества упрочняющих элементов до 5-9 %.
По склонности сварных соединений к растрескивания при термообработке жаропрочные никелевые сплавы располагаются в том же порядке, что и по склонности к дисперсионному твердению. Эта склонность тем выше, чем выше содержание в основном металле упрочняющих элементов [11].
Дисперсионное упрочнение и обусловленное им относительное разупрочнение границ зёрен
являются в большинстве случаев главной причиной охрупчивания, однако это не исключает действия других факторов, снижающих пластичность металла околошовной зоны и шва таких, как прямое разупрочнение границ зёрен в результате развития при сварке высокотемпературного проскальзывания, сегрегацию легирующих элементов и примесей, образование хрупких фаз и других. Вероятность образования трещин при термической обработке возрастает с увеличением размеров и жёсткости сварного узла. Это связано с тем, что релаксация напряжений в сварных узлах происходит не за счёт однородной равномерной деформации ползучести во всей конструкции, а главным образом, за счёт развития ползучести в узкой зоне максимальных значений остаточных напряжений (вблизи сварного шва). Анализу причин образования трещин при термической обработке жаропрочных никелевых сплавов после сварке посвящены работы [8,11,12,13]. Согласно представлениям, развитым в этих работах, появление трещин связывается с высоким уровнем остаточных напряжений в сварных конструкциях, с напряжениями, обусловленными изменением объёма при старении, и с локализацией пластической деформации в зоне термического влияния, происходящей из-за различной релаксационной стойкости зон сварного соединения.
Таким образом основными факторами ответственными за образование дефектов является комплексное воздействие химического состава свариваемого материала, жёсткости конструкции и последовательности термодеформационного цикла сварки и термообработки. В связи с неоднозначностью трактовки влияния основных факторов образования дефектов в исследуемых сплавах, важно уделить особое внимание отработке технологии, режимов и последовательности циклов сварки и термообработки.
Литература
1. Зимин Л.Н. Свариваемость жаропрочных никелевых сплавов и принципы их легирования//
Материаловедение и термическая обработка. - 1977. -№11. - С. 2 - 7.
2. Сорокин Л.Н., Туникин 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. Эйдельман В.Е., Якушин Б.Ф., Столбов В.И. Высокотемпературная деформация и образование околошовных трещин при сварке сплава типа нимоник// Автоматическая сварка. - 1976. - №11. - С.40-44.
4. Морочко В.П., Панов Ю.П., Соколов А.П. Повышение сопротивляемости жаропрочных сплавов образованию горячих трещин при электроннолучевой сварке// Автоматическая сварка. - 1979. - №8. - С.52-55.
5. Морочко В.П., Сорокин Л.Н., Якушин Б.Ф., Сравнительная оценка свойств сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных электронно-лучевой сваркой// Сварочное производство. -1982. - №6. - С.28-32.
6. Труд МИС, Исследование образования сварочных трещин в литых никелевых сплавах// Сварочное производство. - 1971. - №4. - С.57-59.
7. Чумарный В.П., Плетенев В.М., Башкатов А.В., Петренко В.Р.Х Всесоюзная конференция «Электроннолучевая сварка» тезисы докладов. Л. 1988 г.
8. Земзин В.Н., Шрон Р.З. Термическая обработка и свойства сварных соединений. - Л.: Машиностроение, 1978. - 387 с.
9. Морочко В.П., Жегина И.П., Сорокин Л.И. Характер разрушения сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов при нагреве// Сварочное производство. - 1981. - №7. - С.27.
10. Морочко В.П., Зорин Н.Я. Характер и причины образования трещин при однородной электроннолучевой сварке жаропрочных никелевых сплавов// УВсесоюз. конф. по электроннолучевой сварке: Тез.докл. - Киев, 1975. С.66-75.
11. Franklin E. and Savad W.F. Stress relaxation and strainage cracking in Rene-41 Weldments. - Welding Journal, 1974, №9, р.380-388.
12. McReown D. Reheat cracking in high nickel alloy heat affected zones. - Welding Journal, 1971, №5, р.201-206.
13. Dix A.W. and Savage W.F. Factors influencing Strain-age cracking in Inconol X-750. - Welding Journal, 1971 №6, р.247-252.
14. Плетенев В.М., Чумарный В.П., Ефимчик Е.П., стойкость жаропрочных никелевых сплавов против растрескивания. Обзор центр научно-технической информации «Поиск». Воронеж. ГОИНТИ-19, 1988 г.
BopoHe^CKHHrocygapcTBeHHbiHTexHHHecKHHyHHBepcHTeT
REASONS OF FORMATIONDEFECTSOF WELDED JOINTSIN WELDING ANDHEAT TREATMENT OF NICKELALLOYS SUCH ASVGL-14 R.Ju. Kireev, V.P. Chumarniy
The article presents areview of publicationson the causescrack formationin welded jointsof heat-resistantnickel alloys.During the analysisbeen identifiedcommonways of loweringpropensityof these alloysto cracking
Keywords:nickel alloys, у '- phase,cracking
