Научная статья на тему 'Структура и свойства соединений титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, полученных линейной сваркой трением'

Структура и свойства соединений титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, полученных линейной сваркой трением Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
360
506
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ / ЛИНЕЙНАЯ СВАРКА ТРЕНИЕМ / УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЕ СОСТОЯНИЕ / СВАРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ / TITANIUM ALLOY / LINEAR FRICTION WELDING / ULTRA-FINE CONDITION / WELD

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Гринь Регина Равиловна, Караваева Марина Владимировна, Бычков Владимир Михайлович, Медведев Александр Юрьевич, Супов Андрей Владимирович

Исследованы структурные особенности соединений, полученных линейной сваркой трением, заготовок из титановых сплавов ВТ8-1 и ВТ6 в различных структурных состояниях. Получено и проанализировано распределение значений микротвердости по зонам термического и деформационно-термического влияния сварных соединений. Проведена оценка прочностных свойств сварных соединений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Гринь Регина Равиловна, Караваева Марина Владимировна, Бычков Владимир Михайлович, Медведев Александр Юрьевич, Супов Андрей Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Structure and properties of joints of titanium alloys with ultra-fine structure, obtained by linear friction welding

The structural features of the joints of titanium alloy VT8-1and VT6 in different structural state billets obtained by linear friction welding were investigated. The distribution of microhardness values in the thermomechanically affected and heat affected zones of weldswas received and analyzed. The strength characteristicestimation of welded joints was performed.

Текст научной работы на тему «Структура и свойства соединений титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, полученных линейной сваркой трением»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 669.295:621.791.14

Р. Р. Гринь, М. В. Караваева, В. М. Бычков, А. Ю. Медведев, А. В. Супов,

И. В. Александров, В. В. Латыш, Ф. Ф. Мусин

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ЛИНЕЙНОЙ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ

Исследованы структурные особенности соединений, полученных линейной сваркой трением, заготовок из титановых сплавов ВТ8-1 и ВТ6 в различных структурных состояниях. Получено и проанализировано распределение значений микротвердости по зонам термического и деформационно-термического влияния сварных соединений. Проведена оценка прочностных свойств сварных соединений. Титановый сплав; линейная сварка трением; ультрамелкозернистое состояние; сварное соединение

ВВЕДЕНИЕ

Линейная сварка трением (ЛСТ) - инновационная технология, которая позволяет получать высококачественные соединения трудно-свариваемых материалов. При этом в отличие от своей предшественницы - ротационной сварки трением, - эта технология может применяться к деталям, не имеющим осевой симметрии [1].

Процесс формирования соединения при ЛСТ можно описать следующим образом [2]. Сначала интенсивный разогрев свариваемых поверхностей за счет трения при их относительном движении способствует пластификации материала. В объемах материала, непосредственно прилегающих к свариваемым поверхностям, за счет адгезионного схватывания и отрыва материала происходит перемешивание и измельчение исходной структуры. Осадка на заключающем этапе сварки обеспечивает формирование неразъемного соединения по всей поверхности свариваемых деталей. При этом в зоне соединения в условиях высокой температуры и интен-

Контактная информация: 8-917-739-95-07 Работа выполнена в рамках проекта «Создание технологий и промышленного производства узлов и лопаток ГТД с облегченными высокопрочными конструкциями для авиационных двигателей новых поколений» (шифр 2010-218-01-133) в рамках реализации Постановления № 218 Правительства РФ от 09.04.2010 г. «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» совместно ОАО «УМПО» и ФГБОУ ВПО УГАТУ. Экспериментальные результаты получены с использованием оборудования НОЦ «Наноструктурные материалы и высокие технологии» ФГБОУ ВПО УГАТУ.

сивной пластической деформации могут протекать фазовые превращения, а также процессы наклепа, динамического возврата и динамической рекристаллизации.

Ультрамелкозернистые (УМЗ) материалы привлекают внимание специалистов и исследователей в связи с их высокими механическими свойствами. Однако на сегодняшний день не было предпринято попыток получить сварные соединения УМЗ материалов методом ЛСТ. Прежде всего, это связано с интенсивным разогревом контактирующих поверхностей за счет трения, что может привести к росту зерна и потере преимуществ УМЗ состояния. Между тем, разогрев зоны контакта носит кратковременный характер, что позволяет предполагать возможность получения достаточно высокодисперсной структуры в зоне шва. Поэтому исследование особенностей изменения структуры при ЛСТ материалов с ультрамелкозернистой структурой является актуальной задачей, решение которой может позволить оптимизировать параметры процесса ЛСТ и получить конструкции, обладающие повышенным комплексом технологических свойств.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния процесса ЛСТ на микроструктурные изменения и свойства титановых сплавов ВТ6 в ультрамелкозернистом (УМЗ) состоянии и ВТ8-1 в мелкозернистом (МЗ) состоянии. Оба сплава: ВТ6 и ВТ8-1 относятся к двухфазным титановым сплавам и широко используются в газотурбинных двигателях летательных аппаратов для изготовления лопаток и диска компрессора.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В данной работе исследовались два различных опытных сварных соединения: 1 - соединение сплава ВТ6 с УМЗ структурой и ВТ8-1 с мелкозернистой структурой; 2 - соединение двух одинаковых заготовок сплава ВТ6 с УМЗ структурой. На рис. 1, а, б представлена исходная микроструктура титановых сплавов ВТ8-1 и ВТ6. Структура сплава ВТ6 получена ковкой с переменой оси нагружения, обладает выраженной металлографической текстурой в направлении, перпендикулярном оси поступательного движения при ЛСТ. Сплав ВТ8-1 имеет дуплексную структуру, состоящую из зерен первичной а-фазы, расположенной в в- превращенной матрице. Средний размер а-зерен составляет 14,3 мкм, толщина а-пластин в в- превращенных зернах - 1,1 мкм.

б

Рис. 1. Исходная микроструктура исследуемых сплавов: а - ВТ6 (УМЗ), ОМ; б - ВТ8-1, ОМ

Образцы для микроструктурных исследований были вырезаны из центральной зоны сварных соединений. Для выявления структуры, использовался водный раствор азотной и плавиковой кислот. Микроструктурные исследования проводились на оптическом микроскопе ОЬУМРиБ ОХ-51 и растровом электронном микроскопе ШОЬ 1БМ-6490ЬУ. Локальный химический анализ осуществлялся на растровом электронном микроскопе ШОЬ 1БМ-6490ЬУ,

оснащенным приставкой энерго-дисперсион-ного анализа INCA Oxford Instruments Ltd.

Для определения механических характеристик были проведены испытания на статическое растяжение плоских образцов сварного соединения сплавов ВТб и ВТ8-1 типа XXIV по ГОСТ б99б-бб (рис. 2). Плоскость сварного соединения в образце была перпендикулярна оси приложения нагрузки. Испытания на растяжение проводились на электромеханической машине INSTRON 5982 со скоростью нагружения 1 мм/мин.

1 г 3 ч 5 6 І Я

Рис. 2. Образец после испытаний на статическое разрушение

Измерения микротвердости проводились на микротвердомере ЕтсоТеБ1 БигаБсап 50. Нагрузка составляла 1 Н, время приложения - 10 с, шаг между измерениями - от 0,05 до 0,15 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенные микроструктурные исследования показали, что в зоне сварного соединения (СС) обоих образцов отсутствуют видимые дефекты в виде несплошностей, непроваров, пор (рис. 3, а, б).

Содержание основных легирующих элементов сплавах ВТ8-1 и ВТ6, приведено в табл. 1. Проведенный элементный анализ СС ВТ6 + + ВТ8-1 по линии, проходящей перпендикулярно сварному шву, показал отсутствие перемешивания этих сплавов в зоне шва.

Таблица 1

Содержание основных легирующих элементов в сплавах ВТ6 и ВТ8-1

Сплав Al V Zr Mo Sn

ВТб 5,7 4,3 - - -

ВТ8-1 б,0 - 2,2 3,5 1,3

ЛСТ привела к формированию трех характерных зон в обоих сплавах: рекристаллизован-ной зоны (РЗ), зоны термомеханического влияния (ЗТМВ) и недеформированной зоны основного материала (ОМ).

На электронно-микроскопических снимках микроструктуры шва обоих исследуемых образ-

цов, видны границы исходных р-зерен (средний размер 15,0 мкм), внутри которых расположены тонкодисперсные пластины мартенсита (рис. 3, а, б). Т олщина пластин не превышает 400...500 нм (рис. 4). В образце 1, содержащем соединение ВТ6 + ВТ8-1, отчетливо различима линия стыка двух сплавов, в отличие от образца 2, где в зона соединения явно не выявляется.

Так как в РЗ наблюдается структура мартенсита, то можно сделать выводы о том, что в зоне контакта во время сварки трением температура превысила температуры полиморфного превращения обоих сплавов. Обычно мартенситное превращение в титановых сплавах наблюдается при ускоренном охлаждении с температуры р-области, например при закалке в воду. В случае ЛСТ ускоренное охлаждение может обеспечиваться за счет того, что узкая зона нагретого трением материала остывает благодаря теплообмену с прилегающими слоями металла, имеющими температуру окружающей среды [1].

а б

Рис. 3. Микроструктура сварного соединения сплавов: а - ВТ6+ВТ6; б - ВТ6+ВТ8-1

Подобные микроструктурные изменения наблюдались ранее в работе [3] при сварке образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ8-1 в мелкозернистом состоянии. В образце, полученном сваркой разных титановых сплавов (рис. 3, б) протяженность зон со стороны заготовок из ВТ8-1 и ВТ6 отличается: ширина РЗ в сплаве ВТ6 (около 650.700 мкм) в четыре раза больше, чем в сплаве ВТ8-1 (160.180 мкм). Вероятно, это связано с тем, что сплав ВТ8-1 имеет более низкую температуру полиморфного превращения по сравнению со сплавом ВТ6, а термическому воздействию при сварке трением подвергается только узкая околошовная область. Таким образом, область нагрева в однофазной в-области шире для сплава ВТ6. Поэтому общая протяженность РЗ в образце 2 больше, чем в образце 1.

б

Рис. 4. Микроструктура области соединения (рекристаллизованная зона)

Измеренная протяженность ЗТМВ в ВТ6 больше, чем в ВТ8-1 (550.600 мкм и 300. 330 мкм соответственно). Следует отметить, что в ЗТМВ сплава ВТ6 металлографическая текстура, свойственная исходному состоянию заготовок, не сохранилась, частицы а-фазы распределены более равномерно.

В сплаве ВТ8-1 наблюдается резкий переход от ЗТМВ к ОМ (рис. 3, б). В ЗТМВ в результате деформации а-пластины раздробились на от-

дельные частицы, окруженные рекристаллизо-ванными Р-зернами.

Распределение микротвердости (рис. 5) по сечению образцов после ЛСТ хорошо согласуется с расположением зон сварного соединения. В образце, сваренном из заготовок ВТ6 (УМЗ) и ВТ8-1 (рис. 5, а), распределение микротвердости со стороны сплава ВТ8-1 менее однородное, чем со стороны ВТ6. В ЗТМВ сплава ВТ8-1 наблюдается некоторое (на 40.. .60 Ну) повышение микротвердости. Это, по-видимому, связано с тем, что рассматриваемые области материала подверглись значительной пластической деформации в процессе ЛСТ. Пластины а-фазы подверглись дроблению на отдельные мелкие части, равномерно распределенные в объеме Р-фазы. В РЗ сплава ВТ8-1 также наблюдаются повышенные (в среднем 415 Ну) относительно ОМ (в среднем 340 Ну) значения микротвердости. Это объясняется тем, что эта область претерпела мартенситное превращение с образованием тонкоигольчатых пластин.

Детальное исследование микротвердости образца, сваренного из заготовок ВТ6 (рис. 5, б) по сечению сварного соединения, выявило ее уменьшение на ~30 Ну относительно показателей для основного материала в ЗТМВ. Микротвердость РЗ сплава ВТ6 близка к значениям, полученным в ЗТМВ, но непосредственно в области сварного соединения наблюдается повышение микротвердости до 420 Ну.

Таким образом, оба сварных соединения демонстрируют максимум микротвердости в непосредственной близости к сварному шву.

Проведенные механические испытания растяжение показали, что значения предела текучести и предела прочности соединения сплавов ВТ6 и ВТ8-1 составляют 1118 МПа и 1120 МПа, соответственно, и приближаются к уровню характеристик исходных титановых сплавов (ов = 1150 МПа для ВТ8-1 и ов = 1122 МПа для ВТ6 в УМЗ состоянии). При этом величина пластической деформации составила 2 %.

Распределение микротвердости, ВТ-б (УМЗ) - ВТ8-1

500

>

X 450

-О* ь— 400

и

о се 350

о

ш 300

о

1- о 250

о.

Эе 200

X

150

100

50

0

|

[

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000

Расстояние от сварного шва, мкм

а

Распределение микротвердости, ВТ6 (УМЗ) - ВТ6(УМЗ)

500

>

х 400

О 300

а

ф

и 200 то р

* 100 иМ

-2500 -1500 -500 500 1500 2500

Расстояние от сварного шва, мкм

б

Рис. 5. Распределение микротвердости по сечению сваренных образцов: а - ВТ6+ВТ8-1; б - ВТ6+ВТ6

ВЫВОДЫ

Таким образом, при ЛСТ титановых сплавов с УМЗ структурой в зоне сварного соединения происходит разогрев до температуры выше температуры полиморфного превращения, что в сочетании с последующим быстрым охлаждением вызывает формирование тонкодисперсной мартенситной структуры. Благодаря незначительному времени протекания процесса средний размер рекристаллизованных b-зерен составляет 15,0 мкм.

Однако, микротвердость сплава ВТ6 в РЗ и ЗТМВ ниже на 30 Hv, чем микротвердость основного материала с УМЗ структурой, следовательно, зона соединения может быть ослаблена по сравнению с основным материалом. Возможно, последующая термическая обработка приведет к выравниванию твердости в около-шовной зоне. В сплаве ВТ8-1, напротив, в этих зонах наблюдается некоторое (на 40.. .60 Hv) повышение микротвердости, что связано с деформационным воздействием при ЛСТ в ЗТМВ и с фазовым превращением РЗ. Оба сварных соединения демонстрируют максимальную микротвердость в непосредственной близости к сварному шву (до 420. 430 Hv).

Установлено, что прочность соединения сплавов ВТ6 + ВТ8-1, определенная при испытаниях на статическое растяжение близка к уровню прочности основных материалов, входящих в соединение: ов = 1120 МПа - сваренные образцы, ов = 1150 МПа - ВТ8-1, ов = 1122 МПа - ВТ6 в УМЗ состоянии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гнюсов С. Ф. Структура и свойства соединений сталей перлитного класса, полученных сваркой трением в температурном интервале сверхпластичности // Сварочное производство. 2005. № 1. С. 23-24.

2. Mitchell L. A. A Theory of friction and wear based on a new characterization of asperity interactions // Mat. Sci. 1999. № 40. Р. 75-78.

3. Влияние величины осадки на формирование сварного соединения при линейной сварке трением / М. В. Караваева [и др.] // Письма о материалах. 2012. Т. 2. С. 40-44.

4. Vairis A., Frost M. High frequency linear friction welding of a titanium alloy // Wear 217 (1998). P. 117-131.

ОБ АВТОРАХ

Гринь Регина Равиловна, инженер каф. материаловедения и физики металлов. Дипл. магистр техники и технологии (УрФУ, 2012). Иссл. в обл. линейной сварки трением.

Караваева Марина Владимировна, доц. той же каф. Дипл. инженер-механик по машинам и технологиям обработки металлов давлением (УАИ, 1987). Канд. техн. наук (ИПСМ РАН, 1997). Иссл. в обл. объемных наноструктурных материалов.

Бычков Владимир Михайлович, доц. каф. оборудования и технологии сварочн. производства. Дипл. инженер-механик (УАИ, 1976). Канд. техн. наук по машинам и технологии сварочн. производства (Уральск. политехн. ин-т, 1980). Иссл. в обл. физики и техники дуговых и плазменных процессов в сварочном производстве.

Медведев Александр Юрьевич, доц. той же каф. Дипл. магистр техники и технологий по машинам и технологии сварочного производства (УГАТУ, 1999). Канд. техн. наук по машинам и технологии сварочного производства (Тольяттинск. гос. ун-т, 2003). Иссл. в обл. моделирования нагрева при сварке, аргонодуговой сварки, сварки трением.

Супов Андрей Владимирович, нач. технологическ. бюро ООО «Уфимское моторостроительное производственное объединение». Дипл. инженер-техник (УГАТУ, 2009). Иссл. в обл. в области линейной сварки трением.

Александров Игорь Васильевич, проф., гл. науч. сотр., зав. каф. физики. Дипл. физик (БГУ, 1976). Д-р физ.-мат. наук по физике твердого тела (ИФМ УрНЦ РАН, 1997). Иссл. в обл. физики прочности и пластичности материалов.

Латыш Владимир Валентинович, высш. науч. сотр., директор ИНТ НП «Технопарк Авиационных Технологий». Дипл. инженер-механик (УАИ, 1976). Канд. техн. наук (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. деформационной обработки металлов и сплавов, эволюции микроструктуры и механических свойств металлических материалов.

Мусин Фаниль Фанусович, доц. каф. материаловедения и физики металлов, техн. директор НОЦ «Наноструктурные материалы и высокие технологии». Дипл. инженер-механик по машинам и технологиям обработки металлов давлением (УАИ, 1988). Канд. физ.-мат. наук (ИПСМ РАН, 1994). Иссл. в обл. материаловедения алюминиевых, титановых сплавов и сталей.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.