CC BY
83
на границах зёрен и увеличению прочности металла при комнатной и повышенных температурах.
Таким образом, при модифицировании наночастицами тугоплавких соединений совместно с поверх-ностно-активными веществами можно ожидать существенного повышении прочностных и пластических свойств металла одновременно.
Библиографический гиигок
1 Кли Р Ч . Хяоэеи Г1. Физическое метлллоиедсиис. Фазовый прспрпщешш и металлах н спламх с особыми физическими споВ-сними — М.. Металлургия. 1987 — I 2. -62-1 с.
2 Столофф Н.С Влияние легирования ил характеристики разрушения // Разрушение металлов: пир. с лиг. / подрал М Л Бер иП'СЙИЛ. — М : Метлллургия, 1976 - Т. 5 — С. 11 —85.
3 Бабаскин 10.3. Структуре исвоЛстм лк-гойстали. — Кие» Нлук.думкл, 1980. - 240 с
4 I улясп В.Б. Теория лкгомиых процессов. - Л.: Машино* строение, 1976, — 214с
5 Флеминге М Процессы злтверлешшия / пер С ЛШ. пол ред. Л-Л Жукопл и П В. Рабиновича. — М.; Мир. 1977 — 424 с 6. ГитЫП І). Гсюгуо!сдІлП5Є5писІсаПопЬу$иг1.іпсіі*р.іІс1н>5 -Л.СЬет РИуя.-1952-20. - №8. - Р 411-418.
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктортехнических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», директор машиностроительного института Омскою государственною технического университета.
ЕРЁМИН Андрей Евгеньевич, технический директор Центра управления проектом строительства магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь Тихий океан».
Адрес для переписки: 644050. г. Омск, пр. Мира, 11.
Стятъя поступила в редакцию 25.0S.2009 г.
& П. II. Ербмнн, Д. Е. Еремин
УДК 669.046.516:621.791.793 £ Ц. ЕРЁМИН
Омский государственный технический университет
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ_________________________________
Предложено для изготовления кольцевых заготовок из жаропрочных сплавов, используемых в энергетических установках, применять электрошлаковую сварку комбинированным электродом с модифицированием металла шва дисперсными частицами карбонит рида титана. Приведены результаты исследований металла шва при сварке сплава ХН7 7 ТЮР. Показаны преимущества новой технологии сварки.
Ключевые слова: электрошпаковая сварка, модифицирование, жаропрочный сплав, структура, механические свойства
Потребность современного производства в заготовках из жаропрочных сплавов исключительно целика. Особенно широко они применяются вдвига-телестроенни. Гак, например, в газотурбинных двигателях кольцевые детали из таких сплавов состав-ляют2.г> 30% общего веса двигателя [ 11. Производство заготовок таких изделий в сварном варианте позволяет существенно повысить коэффициент использовании дорогостоящих сплавов (КИМ). Однако такие сплавы обладают низкой свариваемостью и поэтому :1аготовки изготавливаются большей частью различными методами горячего передела — ковки, прошивки, раскатки, что обусловливает высокую трудоемкость их получения и низкий КИМ Применение таких технологических процессов является вынужденным решением, к которому прибегают из-за низкого качества сварных соединений. Поэтому изыскание технологии изготовления таких заготовок в сварном варианте является весьма актуальной задачей.
В этом отношении перспективно применение электрошлаковой сварки комбинированным электролом, осуществляемой одновременным вводом в шлаковую ванну неплавящегося и плавящегося электродов, обеспечивающей однопроходную сварку конструкций различной толщины.
Отработка технологии элек трошлаковой сварки комбинированным электродом проводилась на образцах из сплава ХН77ТЮРтолщиной 22 43 мм. В качестве неплавящегося электрода использовался вольфрамовый пруток диаметром 10 мм Плавящимся электродом служила проволока ЭП-533 диаметром 3 мм
При сварке жаропрочных сплавов большое влияние на качество металла шва и его формирование оказывают флюсы. Наименьший угар гитана и алюминии — основных легирующих элементов жаропрочного сплава, образующих у*-фазу, обеспечивают флюсы А11Ф-7, А11Ф-1. Поэтому их чаще используют при сварке сплавов, легированных этими элементами |2|. Однако флюс АИФ-7 гигроскопичен, что
усложняет ого применение из-за необходимости частого прокаливания при нысоких температурах. Флюс ЛИФ-1 имеет высокую температуру плавления, что вызывает появление такого дефекта, как не-сплавление свариваемых кромок. В этом отношении флюс АНФ-21 системы CaFa —А1аО:, —ТЮа, предназначенной для электрошлакового переплава титансодержащих сгалей, также перспективен и лля сварки, поскольку не гигроскопичен, имеет пониженную темпера іуру плавления иобеспечиваеі высокую температуру шлаковой панны |3|
Оценку химического состава металла шва по основным легирующим элементам, являющихся о тветственными за свойства сплава, осуществляли і іа оптико-эмиссиониом анализаторе ARG-MET-930SP.
Результаты химического анализа металла электрода и шва при сварке сплава ХН77ТЮР под флюсом АІІФ-21. приведенные в табл. 1. показали целесообразность использования данного флюса, поскольку он обеспечивает химический состав металла шва требованиям технических условий, а также его качественное формирование.
Другой трудностью сварки жаропрочных никелевых сплавов являются низкие механические свойс тва металла шва и ею жаропрочность. В связи с этим провели исследование качества сварных соединений с помощью металлографии, механических испытаний и испытаний на жаропрочность. Образцы проходили термическую обработку в соответствии с ТУ на основной металл: закалка 1080 "С — 8 часов, охлаждение на воздухе, старение 700 ‘С — 16 часов, охлаждение на воздухе.
Результаты испытаний показали, что свойства металла шва, полученного с применением проволоки ЭП-533. не удовлетвори ют требованиям технических условий но всем показателям. Низка также и жаропрочность швов при температуре 750 *С и нагрузке 350 М Па, которая составляет 60 — 70 % от требуемой. Свойства околошовной зоны превышают свойства ме-
талла шва. Поэтому разрушение всегда происходит но шву. как наиболее слабому месту сварного соединения
Как показано авторами ряда работ |2, 4,5] наиболее целесообразно использовать при сварке металлургические нуги повышения свойств сварных соединений. К основному металлургическому приему следует отнести подавление столбчатого харак тера кристаллизации и измельчение кристаллической структуры путем модифицирования |6, 7] Кроме того, в случае получения равноосной структуры шва появляется возможность увеличения скорости сварки при неизменной погонной энергии |8|
В связи с этим для повышения свойств металла шва было применено модифицирование металлической ванны дисперсными инокуляторами |9|. Применили модификатор, в состав которого входя г частицы карбонитрида титана дисперсностью 0.01 — 0,1 мкм. Введение компонентов осуществляли переплавом д ополнительного трубчатого электрода на никелевой основе, внутренняя полость которого заполнялась порошкообразным модификатором.
Результаты испытаний образцов из сплава XI177ПОР представлены в табл. 2.
Металлографически исследовали места разрушений, величину зерна, распределение неметаллических включений и характер выделения упрочняющих фаз. Исследования макроструктуры показывают, что разрушение всех образцов носи т межзеренный характер. Макроструктура немодифицированного шва характеризуется развитойтранскриталлизацией от зоны сплавления к оси (рис. 1а). В средней части шва наблюдается область встречи двух кристаллизующихся фронтов- Столбчатые кристаллы имеют радиально-осевое направление с небольшим углом наклона. Такое расположение границ зерен представляют собой наиболее уязвимые места. Г>го хорошо видно по рельефу поверхностей излома металла шва, которые имеют блестящий камневидный вид без зон долома. что характеризует излом как хрупкий (рис. 2а).
Таблица 1
Концентрации ОСНОВНЫХ легирующих :»лемсіпоп в силаш- ХН77ТЮР
ОСыгкт исследовании Концентрация элементов, % пес
ЛІ Tí
Электрод 0.ÍU» 2.76
Lllou 0.65-0.77 2,50-2.54
Требования ТУ 0.6 1.0 24-2.9
Таблица 2
Результати испытаний сплава
ОО-ьект исследований о.. МПа о.- МПа 5. % V. % KCU. МДж/м4 т2, час
1 ^модифицированный 8Э0-856 676-689 9.2—9.8 Ш-dUJ Q.22 - ДД9 3.L=i2
шов 843 684 9.6 12.8 0,26 36
ОШ-3. 934 - 9 Ш 718—726 13.2-_Щ ИД-1Ы <Шг.МВ
936 722 12,7 15.6 0,35 48
М0ДИ||1ИЦИр0Ш1ННЫН Î8fit=j.0.»2 ш- 769 12,?- 19,7 20,2-21,4 0*78—ОІЙ 92-99
шоп 906 762 19.4 20.7 0,81 94
О.Ш.З. 958 - 960 743-752 13.8- 14.5 15.9- 16.8 0*39^0,47 аь.57
961 748 14,2 16.1 0,44 53
Требования ТУ 2950 2650 212 214 20,3 >50
в) 61
Рис. I. Фрагменты микроструктуры сварных соединений, полученных ЭШС: а — 6es модифицирования 1x0,51; б — с модифицированием (xl I
а)
б|
Рис. 2. Характер разрушения образцов нсмодифнциропанного металла шва после испытаний на ударную вязкость (а) и жаропрочность (6)
а)
6)
Рис. 3. Характер разрушении образцов модифицированного металла шва после испытаний на ударную вязкость |а) и жаропрочность (6)
/ • у '.' "Х f-' *
. ?.'>V í-4 ' V »i «. • \ 4
•V ‘Я ,fu<
" ’v: ', ; J>¿éjh •: Ti v • t *. :У. \ .* • -v JV t . t< *4 .» •> ¡ f *■ fSr • ^
•A W .Л** / *• * v Ж ■л-о,-:АЬ!,f .
а) б)
Рис. 4. Микроструктура металла шва: а — 6е^ модифицирования (х240); б — с модифицированием (х520)
Ко »ффицмснт ликвации КА огнопных легирующих •лемрнтпи гпляпа ХН77ТЮР
Состояние м«*тпллл Элементы
А1 Т1 Сг N1
1 (омоднфицироилппыи 1.06 1,94 0.92 1.11
Модифицированный 1.03 1.15 0.96 1.08
При изучении мест разрушения образцов из ] «омодифи ц пропан I юго металла шва после длительных жаропрочных испытаний, установлено, что они всегда происходят н зоне направленной кристаллизации. Особенно низка жаропрочность металла шва, у которого границы кристаллитов расположены перпендикулярно, либо под небольшим углом к действию главных напряжений (рис. 26),
Это можно объяснить тем. что важными факторами, определяющими качество и служебные свойства жаропрочных сплавов, являются фазовый состав, состояние границ зерен, их величина, степень однородности и морфология и топография включений |0. 10|.
3 макроструктуре модифицированного шва имеют место зерна, границы которых в основном приблизительно одинаково удалены от центра (рис 16). Размер зерна при тгом уменьшается до 1.0-2,0 мм. Дефектов металла шва на всех шлифах не обнаружено. Модифицирование металла шва приводит к существенному изменению макрорельефа изломов ударных образцов, в которых появляются боковые зоны и зоны долома, а поверхность излома становится мелкозернистой и матовой (рис. За). Разрушение образцов во время длительных жаропрочных иенытанин происходит н зоне равноосных относительно мелких зерен (рис 36). Образование такой структуры, устраняющей зону «слабины» по оси шва, приводит к повышению технологической прочности, что позволяет, в свою очередь, вдвое повысить скорость сварки.
Микроструктура немодифицированного металла шва характеризуется наличием большого количест ва строчечных карбидов, иногда игольчатой формы, бо-ридиыхэвтектических фаз на границах и значительным количеством мелких неметаллических включений вблизи границ (рис. 4а). Близкая картина наблюдайся и вокалошовной зоне. Боридныс зптектнкн, имея относительно низкую температуру плавления, способствуют появлению кристаллизационных трещин при сварке.
Изучение микроструктуры металла модифициро-нанпого шва (рис. 46) показывает, что карбиды в этом случае скоагулированны, они имеют компактную округлую форму, расположены большей частью на границах зерен, что по-видимому и упрочняет их, обусловливая повышенную жаропрочность такого металла Количество неметаллических включений в этом случае незначительно. Структура околошовной зоны аналогична предыдущему случаю, но вследствие более высокой скорост и сварки имеет меньший размер зерна, что несколько повышает свойства свар-ного соединения в целом
Изменение градиента температур и скорости перемещения фронта кристаллизации, имеющее место при модифицировании, существенным образом влияет на дендритную структуру, размер составляющих и фазовый состав жаропрочных сплавов.
Дендритную струк туру принято характеризова ть дисперсностью - средним расстоянием между осями дендритов второго порядка и плотностью, которую в данной работе определяли по отношению суммарных длин отрезков осей и межосных пространств, выявляемых микрорентгеиоспоктральиым методом 1 '^одновременность крист аллизации металла в межосных пространствах создает ликвацноипую неоднородность по химическому составу.
При изучении дендритной структуры сплава установлено, что с введением модификатора расстояние между осями дендритов второго порядка уменьшается от 43 до 21 мкм. Плотность дендритной структуры возрастает от 1,3 до 1,9, дисперсность увеличивается в 2,3 раза.
В связи с этим можно ожидать меньшее развитие дендритной ликвации. 11а практике ликвация в сложных сплавах достаточно пол! ю характеризуемся с ост гашением концентраций элемента в пределах дендритной ячейки — Кл = Сч/С()1 где См — концентрация элемента в межосном пространстве, С0 — в оси дендрита.
Коэффициенты ликвации по основным легирующим элементам сплава ХН77ТЮР, установленным на рентгеновском микроанализаторе МБ-4Ь «Сатеса», приведены втабл. 3.
Из таблицы следует, что дендритная ликвация алюминия, хромай никеля незначительна и они равномерно распределен!.« между осями и межосными пространствами. Ликвация титана достаточна велика.
Если легирующий элемент имеет коэффициент распределения К> 1, то он концентрируется в межосных пространствах и наоборот - оси дендритов обогащены элементами с КА< 1 В соответствии с этим у’-образующие элемен ты, такие, как алюминии, титан, оттесняются в межоспые пространства, а хром концентрируется преимущественно в осях дендри-тов. Выделяющиеся в межосном пространстве (разы обедняют их состав, что также должно приводить к снижению жаропрочности сплавов 111|. Кроме того, вследствие значительной ликвации элементов и скопления их в карбидах и борндах эвтектики, обедняется твердый раствори уменьшается количество у'-фазы, что также оказывает существенное влияние на понижение параметров жаропрочности.
После модифицирования титан, имеющий высокую склонность к ликвации перераспределяется более равномерно, обеснсчипая заметное выравнивание состава между осями дендритов и межосными участ ками. При этом наблюдается тенденция к формированию более однородной структуры по сравнению с немодифицнровапным сплавом. Эго можно объяснить тем, что модифицирование активизирует диффузионные процессы в расплаве и тем самым способствует более полному устранению ликвации.
Изучение у*-фазы показывает, что образующиеся при распаде твердого раствора выделения упрочняющей фазы уже в литом состоянии являются достаточно мелкими и равномерно распределенными для
модифицированного металла шва, кристаллизую-1ЦСГОСЯ при относительно высоких скоростях.
В структур«* немодифицированного шва наблюдаются обширные выделения вторичных фаз. занимающих значительную часть у-матрицы, вследспше чего количество у"-фазы существенно меньше.
Таким образом, проведенные исследования показывают. что повышение свойств металла шва при его модифицировании связано со снижением уровня ликваций, совершенствованием у'-фазы, улучшением морфологии и топографии карбидных фаз.
Полученные результаты свидетельствуют о широких технологических и металлургических возможностях инокулирующего модифицировании при злект-рошлаковой сварке комбинированным электродом в производстве изделий ответственного назначении из жаропрочных сплавов.
Применение разработанной технологии сварки позволяет существенно экономить материальные и денежные ресурсы за счет повышения качества и увеличении весовой точности кольцевых заготовок из жаропрочных сплавов в авиационном двигателе-строении.
Kllft.MIOI рафнчсский список
1. Медовар Б.И.. Чу котило A.B., Павлов A.B. Элсктрошла-конам выплавка полых стальных шготовок // Специальная лаокт-ромигаллургмц - 1972. Выи. 17. - С. 23 —38.
2. МсдовдрБ.И. Сварка жаропрочныхаустештшхсталсА и Сплавов, - М.: Машиностроение, I9G6 — 430с.
3. Металлургия электрошлакового процесса / Медовар Б И . Цыкулеико А К.. Шевцов В.Л. идр - Киев: Наук лумкл, 1986 — 248 с.
Л. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы — М. : Металлургия. 1969 — 752 с.
5. Шоршоров М.Х. Горячи«'трещины присвархе жаропроч них сплавов — М : Машиностроение, 1973. — 224 с
6. Земэнн В.Н Жаропрочность сварных соединений - А, Машиностроение. 1972. - 272 с.
/ Влияние переплавных процессов на структуру и свойства сталей / Башвин Ю.А., Исакова В.Н., Масленковл Е.А - М. Металлургии. 1991. - 240 с.
8. Дудко Д.А. Пути снижении тепло вложении и свариваемый металл при электрошлаковой сварке толстостенных конструкций /ДА. Дудко, в.С. Сидорук, Г.С. Тягун-Белоус // Автоматическая сварка. — 1982 — К« 10. — С. 48 — 50.
9. Сабуров В П. Упрочняющее модифицирование стали н силдвов // ДнтеЯное производство. — 1998. — N«9 — С. 7 —8.
10. Логунов А. В. Прогнозирование влияния структурных факгоровнамг*хппнческиесїЮйсгеажлрапро*іньіхсіілдвов/Л.В Логунов. 11 В. Петрушин. Б А Кулешова, Ю.М. Должанский // Ми ТОМ - 1981. - N*0 - С. 16-20.
II Кишкии С Т Особенности структурных превращений жаропрочного никелевого сплава в процессе высокотемпературного нагрева//Изв. АН СССР. Металлы. - 1980. - N06. -С. 190.
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», директор машиностроительного института Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: 64-1050. г. Омск. пр. Мира. 11.
Статья поступила п редакцию 23.03.2009 г.
© Е. Н. Еремин
Книжная полка
Корнеев, Н. В. Теория автоматического управления с практикумом (Текст]: учеб. пособие для вузов по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» / Н. В. Корнеев, Ю. С. Кустарев, Ю. Я. Мор-говский. — М.: Академия, 2008.—210, (1] с.: рис., табл. — (Высшее профессиональное образование). — Библиогр.:с. 213-215. — ISBN 978-5-7695-4274-9.
Приведены основные сведения по теории автоматического управлении в технических системах Рассмот рены современные методы описания систем автоматического управления, структурные подходы к синтезу стохастических систем, в том числе управление с наблюдателем, вопросы машинных исследований в фазовом пространстве. Описаны алгоритмы реального времени, использующие корневые методы и методы модальной теории, и перспективные алгоритмы адаптивного типа.
Путятина, Л. М. Экономика машиностроительных предприятий (Текст): учеб. пособие для вузов по специальности «Экономика и управление на предприятии машиностроении» / Л. М. Путятина, А. Е. Путятин. — М.: Академия, 2008. — 301, [ 1) с.: рис., табл. — (Высшее профессиональное образование). — Библиогр.: с. 297-299. — ISBN 978-5-7695-5096-6.
Рассмотрены цели, задачи и содержание производственно-хозяйственной деятельности предприятии в условиях развития рыночной экономики России. Большое внимание уделено ресурсам предприятии и эффективности их использования. Описан экономический механизм функционировании предприятия.
Сандлер, А. И. Производство червячных передач [Текст] / А. И. Сандлер, С. А. Лагутин, А. В. Верховский ,* под ред. С. А. Лагутина. — М.: Машиностроение, 2008. — 271 с.: рис., табл. — Библиогр.: с. 268-271. — ISBN 978-5-217-03411-6.
Рассмотрены особенности технологии производства червячных передач, в том числе многозаходных и крупномодульных с цилиндрическим червяком, а также глобоидных передач. Изложены вопросы проектировании и реализации локализованного контакта в червячной передаче, обеспечения эксплуатационной стойкости и технологичности изготовления черничных фрез для червячных колес на стадии проект ирования, поверхности нитка червяка и производящей поверхности фрезы. Подробно описаны методы решении технологических вопросов изготовлении фрез для нарезания колес глобоидных передач, а также инструментального обеспечения производства червячных передач с жидкостным трением.
