CC BY
54
УДК 621. 791.4:669.295
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОФАЗНОГО СОЕДИНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ ЛИСТОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6
© М.Х. Мухаметрахимов
Ключевые слова: низкотемпературная сверхпластичность; нанокристалический титановый сплав; твердофазное соединение; сварка давлением; прочность; механические свойства; электронная микроскопия.
Исследована твердофазная свариваемость нанокристаллического титанового сплава ВТ6 в области температур 650...750 °С. Установлена деформационная природа формирования твердофазного соединения при сварке давлением нанокристаллического сплава ВТ6 в условиях низкотемпературной СП. С понижением температуры сварки давлением от 750 до 650 °С уровень прочности на сдвиг как основного материала, так и материала с ТФС заметно повышается.
Рост потребности в новой технике и развитие современного машиностроения связаны с изысканием новых экономически эффективных технологий формообразования деталей сложной конфигурации из традиционно труднообрабатываемых материалов. Одним из перспективных технологических направлений машиностроения является сварка давлением, совмещенная со сверхпластической формовкой (СПФ/СД) [1]. Однако при использовании диффузионной сварки, являющейся разновидностью сварки давлением, не всегда возможно получение гарантированного высокого качества твердофазного соединения (ТФС) на уровне основного материала. Дело в том, что диффузионная сварка - это структурно неконтролируемый процесс, осуществляемый при температуре, как правило, не ниже 0,8Гпл. и напряжениях, меньших предела текучести материала. Решение задачи получения гарантированного качества ТФС возможно при сварке давлением в условиях традиционной сверхпластичности (СП) [2]. Применение нанокристаллических (НК) материалов [3] повышает актуальность использования сварки давлением в сверхпластичном состоянии как одной из наиболее приемлемых технологий их обработки для достижения высоких механических свойств изделий, полученных ТФС двух или одновременно нескольких заготовок в условиях низкотемпературной СП.
Целью работы являлось изучение свариваемости листовых титановых заготовок из НК сплава ВТ6 в температурном интервале проявления низкотемпературной СП для экспериментальной проверки достижимости в полученной зоне ТФС уровня сдвиговой прочности, соответствующей основному материалу.
Материалом для исследования был выбран промышленный двухфазный титановый сплав ВТ6 стандартного химического состава по ГОСТ 19807-91. Исходные заготовки сплава имели МК структуру со средним размером зерен 3-5 мкм. В результате всесторонней ковки исходных заготовок в них была сформирована наноструктура со средним размером зерен/субзерен около 0,3 мкм [4]. Соединение листовых заготовок, собранных в пакет, выполняли в штамповом блоке, включающем силовые плиты и крепежные эле-
менты [5]. Штамповый блок устанавливали в вакуумную печь СНВЭ-1,3.1/16-иЗ-УХЛЧ.1. Полученную таким образом сборку стягивали силовыми элементами штампа, а затем устанавливали в вакуумную печь. Сварку в твердом состоянии осуществляли при температурах 650-750 °С в течение 120 мин. приложением газообразного аргона (давление 5 МПа) из штуцера через гибкую мембрану на свариваемые образцы. Качество ТФС оценивали по результатам механических испытаний на сдвиг по методике подробно представленной в [6], а также металлографических исследований с помощью сканирующего электронного микроскопа «TESCAN МшАз LMU». Для механических испытаний использовали универсальную машину фирмы «Инстрон» модели 5982. Механические свойства исследуемого сплава на сдвиговую прочность определяли при комнатной температуре.
Образцы вырезались таким образом, что условная линия ТФС располагалась в средней части образца параллельно оси растяжения (рис. 1).
Рис. 1. Поперечное сечение образца для испытаний на сдвиговую прочность
Успешное решение ряда сложнейших технологических задач производства возможно с использованием процесса твердофазной деформационной сварки объемных полуфабрикатов в НК состоянии на основе эффекта низкотемпературной СП. Поэтому эксперименты по соединению листовых заготовок из НК сплава ВТ6 проводили при повышенном сварочном давлении (5 МПа) в интервале температур от 650-750 °С.
Металлографические исследования показали, что в зоне ТФС присутствуют преимущественно единичные поры сферической формы и относительная протяжен-
2000
ность микропор в зоне ТФС при температуре 650 °С составила 0,5, при 700 °С - 0,1 и с повышением температуры до 750 °С уменьшилась до 0,06. При этом средний размер зерен в образцах, соединенных при 750 °С, возрос до 3 мкм (рис. 2).
в
Рис. 2. Микроструктура зоны ТФС НК титанового сплава ВТ6 после сварки давлением при температурах: а) 650 °С; б) 700 °С; в) 750 °С
Результаты механических испытаний при комнатной температуре показали, что сдвиговая прочность ТФС составила примерно 98 % от соответствующей прочности основного материала.
При всех исследованных температурах сдвиговая прочность ТФС лишь на менее чем на 2,5 % меньше прочности основного материала. Если учесть, что погрешность измерения сдвиговой прочности находится в пределах 5 %, то с определенной вероятностью можно говорить о практическом достижении в ТФС сдвиговой прочности на уровне основного материала. При этом следует отметить, что общий уровень прочности на сдвиг как основного материала, так и ТФС приблизительно на 13 % снижается с повышением температуры процесса соединения от 650 до 750 °С, что очевидно связано с наблюдаемым при эксперименте интенсивным ростом зерен.
Taблицa 1
Результаты механических испытаний на сдвиговую прочность из НК титанового сплава BT6
№ Т “С 1 сварки, т, МПа Примечание
1 650 658,4 Основной материал
2 645,8 Сварка между НК + НК
3 700 591,8 Основной материал
4 576,9 Сварка между НК + НК
5 750 582,8 Основной материал
6 569,6 Сварка между НК + НК
Таким образом, изучены прочностные свойства твердофазного соединения НК листов из титанового сплава ВТ6 в условиях низкотемпературной СП и экспериментально доказана технологическая возможность достижения сдвиговой прочности ТФС уровня близкого к сдвиговой прочности основного материала.
Однако для окончательного утверждения высказанного предположения требуется проведение дополнительных исследований на усталость.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lutfullin R.Ya, Kruglov A.A., Safiullin R.V., Mukhametrahimov M.K., Rudenko O.A. Processing properties of nano- and submicro-crystalline Ti-6Al-4V titanium alloy // Materials Science and Engineering A. 2009. V. 503. P. 52-54.
2. Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я. Перспективы применения наноструктурных титановых сплавов в машиностроении // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. № 1. C. 69-72.
3. Кайбышев О.А., Салищев Г.А., Галеев Р.М. и др. Способ обработки титановых сплавов // Патент Российской Федерации № 2134308.
4. Kaibyshev O.A., Salishchev G.A., Galeyev R.M., Lutfullin R.Ya and Valiakhmetov O.R. // Patent PCT/US97/18642. WO 9817836. 30.04.1998.
5. Казачков И.В., Бердин В.К Методика оценки качества диффузионного соединения тонколистовых металлических материалов // Заводская лаборатория. 1989. 55. № 7. С. 82-84.
6. Бердин В.К., Лутфуллин Р.Я., Казачков И.В. Образец для испытания металлического соединения на сдвиг // Авт. свид. №1619112. 1991. Бюл. изобр. № 1.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Mukhametrakhimov M.Kh. STRENGTH PROPERTIES OF SOLID-PHASE JOINING OF SHEETS FROM TITANIC ALLOY ВТ6
The solid-phase weld-ability of titanium microcrystalline structures allow VT6 in the temperature range 650...750 °С is studied. The deformation origin of solid state joining of the nanostructured alloy during pressure welding in the conditions of low temperature is stated. As the pressure welding temperature is decreased from 750 to 650 °C the shear strength of both the base material and the SSB material is noticeably increased.
Key words: low temperature superplasticity; nanocrystalline titanium alloy; solid-phase joining; pressure welding; strength; mechanical properties; electron microscopy.
2001
