CC BY
103
УДК 621.791.75
Вестник СибГАУ Т. 16, № 3. С. 735-742
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СВАРКА КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЭЛЕКТРОДАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ НАНОПОРОШКИ
Г. Г. Крушенко
Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 E-mail: genry@icm.krasn.ru. Spin-code 2974-6220
При изготовлении конструкций летательных аппаратов из алюминиевых сплавов применяется сварка, физическая сущность которой заключается в получении неразъемного соединения путем расплавления и совместной кристаллизации материалов сварочного электрода и соединяемых деталей. Однако при этом структура сварного шва и соединяемых деталей в области влияния нагрева укрупняется, что приводит к уменьшению механических свойств сварного изделия. Известно, что металлоизделия с мелкокристаллической структурой обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с крупнокристаллическими. При этом в практике литейного производства с целью измельчения структуры литых изделий применяется модифицирование, суть которого заключается во введении в жидкий металл с помощью лигатур веществ, служащих центрами кристаллизации. Однако возможности таких средств модифицирования достигли пределов, и в последние годы нашел применение новый способ модифицирования с использованием нанопорошков (НП) химических соединений (нитриды, карбиды, бориды, оксиды), который дает более высокий эффект повышения механических свойств литых изделий. Имея в виду тот факт, что механизмы кристаллизации литых изделий и сварного шва идентичны, технологию модифицирования жидких сплавов использовали для измельчения структуры сварного шва при изготовлении сварной конструкции летательного аппарата из листов на примере алюминиево-магниевого сплава АМг6 с применением сварочных прутков, содержащих НП. Результаты испытаний вырезанных из сваренной конструкции образцов показали, что св металла в области сварного шва при сварке прутком, содержащим НП BN, составляет 333 МПа, LaB6 - 338 МПа и TiCN - 345 МПа. Эти значения оказались соответственно выше на 4,1, 5,6 и 7,8 %, чем у образцов из сплава АМг6 (320 МПа), сваренных по стандартной технологии электродом из этого же сплава. Разработка защищена патентами Российской Федерации.
Ключевые слова: летательные аппараты, алюминиевые сплавы, сварка.
Vestnik SibGAU Vol. 16, No. 3, P. 735-742
MANUFACTURING TECHNOLOGY AND WELDING OF ALUMINUM ALLOYS ELECTRODES CONTAINING NANOPOWDERS
G. G. Krushenko
Institute Computational Modeling SB RAS 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: genry@icm.krasn.ru. Spin-code 2974-6220
In the manufacture of aircraft structures made of aluminum alloys used is the welding, physical essence of which is to obtain a permanent connection by melting and co-crystallization of the welding electrode materials and parts to be joined. However, while the structure of the weld and the joined parts of the influence of heat coarsen, which leads to a reduction in the mechanical properties of the welded articles. It is known that metal with fine-grained structure has higher mechanical properties compared to coarse. Thus in practice, for the purpose of foundry castings structure refinement modification is used, the essence of which consists in introducing alloys into the liquid metal using substances which serve as crystallization centers. However, the possibility of modifying such agents has reached the limits in recent years and a new method of modifying the application using nanopowders (NP) chemical compounds (nitrides, carbides, borides, oxides), which gives a high effect of enhancing the mechanical properties of the molded articles has been found. It should be beared in mind that the mechanism of crystallization of molded articles and weld identical technology modifying liquid alloy was used to grind the weld structure in the manufacture of a welded structure of the aircraft from the example sheets of aluminum-magnesium alloy AMg6 with welding rods containing NP. The test results are cut from the welded structure samples showed that с metal at the weld joint during the welding rod comprising NP
BN, is 333 MPa, LaB6 - 338 MPa, TiCN - 345 MPa. These values were higher than 4.1, respectively; 5.6 and 7.8 %, than the samples have AMg6 alloy (320 MPa), welded by the standard electrode of the same alloy. The development is protected by patents of the Russian Federation.
Keywords: aircraft, aluminum alloys, welding.
Введение. При изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов, использующихся в аэрокосмическом машиностроении, применяются разного рода способы и средства выполнения неразъемных соединений, включая и сварку [1; 2].
Физическая сущность сварки металлоизделий заключается в получении неразъемного соединения путем расплавления и совместной кристаллизации материалов сварочного электрода и соединяемых деталей. Однако при этом структура сварного шва и соединяемых деталей в области влияния нагрева укрупняется (рис. 1 [3]), что приводит к уменьшению механических свойств сварного изделия.
шат
"■'' г • • ¿4
Рис. 1. Структура сварного соединения
листов из сплава АМг5: а - основной материал; б - сварной шов [3]
При этом в многочисленных работах однозначно установлено, что металлоизделия с более измельченной кристаллической структурой обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с крупнокристаллическими. Такое поведение поликристаллических металлов описывается классическим соотношением Холла-Петча (Hall-Petch dependence) [4; 5]:
k
Hv (стт) = HоЮ +-j=,
где Hv - твердость материала; стт - предел текучести; H0 - твердость тела зерна; ст0 - внутреннее напряжение; препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна; k - коэффициент пропорциональности; D - размер зерна. Из приведенной формулы видно, что с уменьшением размера зерна происходит увеличение прочности материала.
Модифицирование нанопорошками. В то же время общеизвестно, что с целью измельчения структуры, например, литых изделий из различных сплавов применяется так называемое модифицирование [6-8], суть которого заключается во введении в жидкий металл небольших количеств веществ, либо служащих центрами кристаллизации, либо блокирующих рост формирующихся на зародышах кристаллических образований. В ряде случаев имеют место оба процесса, они либо идут одновременно, либо в последовательности: зарождение центров кристаллизации ^ блокирование роста кристаллов.
Существует достаточно большое количество средств и способов модифицирования - в основном путем введения модифицирующих добавок в жидкий металл лигатурами (сплав, состоящий из основы готовящегося сплава и модифицирующей добавки). Однако возможности таких средств модифицирования практически достигли своих пределов, и в последние годы нашел применение новый способ модифицирования с использованием нанопорошков (НП) химических соединений, по применению которого автором с коллегами выполнен в производственных условиях большой объем работ.
В качестве модификаторов алюминиевых литейных и деформируемых сплавов, чугуна и стали опробовано более 20-ти соединений, в частности: нитрид алюминия АШ; оксид алюминия А120з,; карбид бора В4С; нитрид бора ВМ, карбонитрид хрома Сг3С1,Ш04; нитрид гафния ИШ; диборид гафния ИШ2; гексаборид лантана ЬаВ6; карбид кремния Б1С; нитрид кремния Б13М4; нитрид тантала ТаМ; карбонитрид титана Т^Су^; оксикарбонитрид титана Т^Су^О^ нитрид титана Т^; двуокись титана ТЮ2; карбид ванадия УС; карбонитрид ванадия УхСуМ2; нитрид ванадия У0,75М0,25; а также смеси НП: АШ + ТШ; ВМ + В4С; 81С + В4С и ряд других. Эти соединения относятся к промежуточным фазам, характерной особенностью которых является высокая степень устойчивости, неметаллический характер и высокая температура плавления (в диапазоне 2273-3273 К). В результате введения НП В4С, 8Ю, Т1хСуМ,, ТаМ и смеси В4С + ВМ в алюминиевые литейные сплавы АК7, АК12, АК9ч, АК7ч, АК7Ц9 и др. измельчается макро- и микроструктура, что приводит к увеличению ств отливок на 2,5-19,3 % и 5 - в 1,5-7,3 раза. В результате введения НП В4С в сплавы АК7ч и АМ5 при получении из них деталей жидкой штамповкой повышается удлинение 5 соответственно на 50 и 19 % при сохранении уровня ств. При введении НП Б1С, В4С, ВМ, ЬаВ& ТаМ, Т1хСу]Ч2, ТЮШ, ТШ, ТЮ2, УхСуН,, смеси АШ + ВМ, смеси ИfN + ИШ2 в алюминиевые деформируемые сплавы при литье полунепрерывным способом слитков диаметром 190 мм из сплава Д16, диаметрами 300, 420 и 500 мм из сплава АМг6 и диаметром 480 мм из сплава Д1, происходит измельчение зерна в 1,7-20 раз, что приводит к повышению механических свойств отпрессованных из них профилей различного сечения: ств - на 2,5-8,8 %; ст0,2 - на 2,0-16,1 %; 5 - на 11,8-31,0 %. Кроме того, установлен эффект модифицирования с помощью НП чугунов СЧ15, ИСЦ, СЧЦ-1С и ИЧХ-12М и связанный с этим рост свойств отливок. Полученные результаты изложены в целом ряде статей и монографий [9-14] и защищены 26-ю патентами, начиная с 1981 г. [15] и по 2013 г. [16].
Нанопорошки представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования
с размерами частиц, не превышающими 100 нм (1 нм = 10-9 м), которые обладают уникальными физико-химическими свойствами и механическими характеристиками, существенно отличающимися от таковых для материалов того же химического состава в массивном состоянии. Причина уникальности свойств НП заключается в том, что количество атомов в их поверхностном слое и в объеме оказывается соизмеримыми [17]. Вследствие малых размеров и высокой реакционной способности НП и возникла идея их введения в металлические расплавы в качестве модификаторов. Однако существующие способы введения в металлические расплавы порошкообразных добавок не могли быть приняты при использовании НП вследствие их особых свойств по сравнению с более крупными порошками. Так, частицы НП легко «слипаются», их окисление начинается при сравнительно низких температурах, и, что особенно важно для выполнения роли центров кристаллизации, они плохо смачиваются жидким металлом, что является основанием для начала формирования кристаллов. Кроме того, несмотря на высокую плотность (от 1380 кг/м3 ТаМ до 2510 кг/м3 В4С), НП легко образуют в воздухе пылевидную взвесь, при определенных условиях самовозгорающуюся и даже взрывоопасную. Все это делает практически невозможным прямое введение НП в расплавы, поэтому был разработан принципиально новый способ их введения [18; 19], блокирующий перечисленные выше негативные явления.
Изготовление модифицирующих прутков. С этой целью в тонкостенный алюминиевый контейнер (0 165 мм, И = 235 мм, толщина стенки 2 мм) засыпали плакированные нанопорошком: а) частицы алюминия или алюминиевых деформируемых сплавов либо в виде гранул размером 1,5-3,0 мм, получаемых из сплавов Д1 или Д16 методом центробежной разливки, либо в виде крупки первичной марки АКП (ТУ 48-538-78) с размерами частиц в диапазоне 0,02-0,04 мм, получаемой из алюминия марки А5 методом распыления, либо «сечки» - частиц алюминия диаметром 2,0 мм, высотой 1,5-2,0 мм, получаемых нарезанием алюминиевой проволоки. Затем отверстие в контей-
нере закрывали алюминиевой крышкой, производили ее завальцовку, подвергали контейнер вращению в установке с эксцентричными осями. После чего его помещали в контейнер гидравлического пресса и с усилием прессования 100-120 тс со скоростью 3,5 см/с прессовали прутки диаметром от 5 до 9,5 мм, особенностью которых оказалось их волокнистое внутреннее строение при тонкой оболочке (десятые доли мм) (рис. 2, 3).
Волокнистое строение прутка объясняется тем, что из-за нахождения частиц НП на поверхности частиц алюминия в процессе экструзии они деформировались изолированно друг от друга, что подтверждается результатами микроскопического изучения поверхности как плакированных частиц алюминия, так и волокон. Оказалось, что волокна полностью покрыты прочно внедрившимися в их поверхность частицами НП. Это наблюдение свидетельствует, во-первых, о большом количестве частиц НП в прутках и, во-вторых, об их достаточно равномерном распределении в их объеме, что гарантирует получение равномерно измельченной структуры в объеме литой детали. В прутках 0 9,5 мм насчитывалось от 1100 до 1200 волокон с площадью сечения в пределах 0,005-0,075 мм2. Расчет показал, что длина таких волокон в зависимости от размера частиц алюминия находилась в интервале 400-3200 мм. От размеров прессуемых частиц алюминия, т. е. от площади их поверхности, зависит содержание НП в объеме прутка, и чем частицы меньше, тем суммарная площадь находящихся в объеме контейнера частиц алюминия больше, следовательно, в прутке будет содержаться больше НП. Результаты взвешивания показали, что содержание НП в прутках находилось в пределах 1,5-2,7 масс. %. Полученные прутки служили носителем модификатора: при их введении в расплав алюминиевая матрица расплавлялась, и частицы НП оказывались в объеме жидкого металла, минуя контакт с атмосферой. Количество любого из НП, вводимого в любые исследуемые сплавы, не превышало 0,05 %, а в отдельных случаях - всего до тысячных долей процента. Расход прутка при этом составляет 20-25 кг на 1 т металла.
б
Рис. 2. Отпрессованные прутки: а - 0 5,0 мм, Ь = 15,0 м; б - 0 9,5 мм, Ь = 4,0 м (черная полоска в нижней части рисунка - линейка Ь = 160 мм); в и г - фрагменты прутка со вспоротой оболочкой
а
в
г
Механизм наномодифицирования. В то же время, несмотря на достаточно обширный объем публикаций, описывающих измельчающее воздействие частиц НП тугоплавких химических соединений разного состава на структуру практически любых металлов и сплавов, что приводит к росту механических свойств получаемых из них литых изделий, к настоящему времени отсутствует четкое понимание механизма зародышеобразующего воздействия частиц на-норазмерного диапазона. Например, в работе [20] сделана попытка разработки математической модели механизма зародышеобразующего воздействия НП, которая исходит из таких допущений, что частицы НП условного состава СтВт имеют условную сферически-симметричную форму, а в качестве сплава принят «модельный сплав» условного состава А+В. Кроме того, с целью упрощения расчетов принят ряд допущений. В результате проведенных расчетов авторы получили зависимость, описывающую условия «полного модифицирования» при разных дозах вводимого НП:
/ =
100
г ^ у
Л у
где р - доля порошка, масс. % (от 0,01 до 0,1 масс. %); V - соотношение плотностей сплава и порошка (не оговариваются); г - радиус кривизны частицы; _у0 -исходный размер частиц.
Рис. 3. Волокна, извлеченные из прутка, отпрессованного из композиции «частицы алюминия + НП»
Авторы считают, что при/ > 1 имеет место полное модифицирование, т. е. вся структура закристаллизованного металла имеет глобулярную форму, а при/ < 1 происходит неполное модифицирование, т. е. имеет место «смешанная» структура, а часть сплава 1 - / кристаллизуется в виде обычной дендритной формы. При этом авторы не приводят примеры реализации разработанных рекомендаций при использовании конкретных НП и сплавов.
В другой работе [21] механизм модифицирования НП рассматривается на неметаллическом материале с привлечением понятий синергетики на примере получения неорганического стеклопластика (композит на основе гидрооксиапатита кальция [Са10(Р04)6(0И)2], применяемого в зубопротезировании) при введении в него НП карбонитрида титана ТЮ0,3М0,7. Однако и в этом исследовании, несмотря на обилие синергетиче-ской и термодинамической терминологии, фактически механизм зародышеобразующего воздействия НП не представлен.
При этом следует отметить, что в проведенных нами исследованиях было установлена практически одинаковая эффективность измельчающего воздействия всех используемых в работе НП - независимо от
их химического состава, типа кристаллической системы и класса, элементов симметрии, пространственной группы, структурного типа, периода решетки, плотности, температуры плавления и других рассмотренных параметров, все они обладали близким модифицирующим эффектом, несмотря на существенные структурные отличия.
В связи с этим возникло предположение, что зарождающая способность частиц НП может определяться каким-то одним общим для всех фактором, не зависящим напрямую от перечисленных параметров. Анализ показал, что одинаковым для всех видов НП является способ изготовления модифицирующих композиций - путем совместного прессования частиц алюминия и частиц НП, а также способ введения прессованных композиций в расплав. О том, что это эти условия, по-видимому, играют определяющую роль, по крайней мере, в процессе модифицирования алюминия и его сплавов, свидетельствуют данные эксперимента (во всех описываемых исследованиях количество вводимого во все изученные сплавы НП не превышало 0,05 масс. %), в котором макрозерно сплава Д16 измельчалось в большей степени в результате введения в него прутка 0 9,5 мм, отпрессованного из гранул и НП в нагретом до 653-673 К контейнере, по сравнению с эффектом от введения прутка, отпрессованного без нагрева. Так, размер макрозерна при модифицировании прутком, содержащим НП 81С, оказался меньше на 86,7 %, чем в случае использования холоднопрессованного прутка. В случае применения таких же прутков, но содержащих НП ВМ, зерно уменьшилось на 75,0 %.
Можно полагать, что универсальность модифицирующего воздействия НП на различные металлы и сплавы связана со свойствами используемых нано-порошков. Во-первых, все они имеют высокую температуру плавления, во-вторых, они не обладают высокой реакционной способностью, в-третьих, они обладают высокой седиментационной устойчивостью в жидкостях. Если значение двух первых свойств достаточно понятно, то относительно третьей характеристики можно сказать следующее. Даже если вводимые в металлические расплавы модифицирующие агенты по известному набору характеристик [6; 7] отвечают соответствующим требованиям, то не во всех случаях они работают достаточно эффективно из-за оседания под действием силы тяжести. Частицы же НП обладают исключительно высокой седиментационной устойчивостью из-за своих малых размеров (до 100 нм) и высокой удельной поверхности, что еще в 1905 г. установлено А. Эйнштейном [22], который показал, что для частиц размером до 1 мкм энергии броуновского движения достаточно для того, чтобы они находились в постоянном движении и не оседали под действием силы тяжести. Поэтому частицы НП, можно сказать, обладают двойным модифицирующим воздействием: во-первых, они служат центрами кристаллизации, а во-вторых, будучи весьма многочисленными по количеству и находясь длительное время во взвешенном состоянии, блокируют диффузию соответствующих атомов (кластеров, блоков) к зарождающимся и растущим кристаллам, что, в конечном
счете, и способствует формированию мелкокристаллической структуры литых изделий. Кроме того, как было нами установлено и отмечалось выше [23], частицы НП могут упрочнять присутствующие в расплавах интерметаллические соединения. Все эти эффекты и ведут к повышению механических свойств тех же литых изделий.
По-видимому, в результате прессования композиции, состоящей из частиц НП, обладающих высокой твердостью, и из пластичного алюминия, при прохождении отверстия фильеры, где возникают большие усилия (согласно расчетам - в пределах 300-800 МПа) в связи с существенным уменьшением площади сечения прессуемого материала - с 0 165 мм алюминиевого контейнера (Рсеч = 21382,15 мм2) до 0 фильеры от 5,0 мм (Рсеч = 19, 635 мм2) до 9,5 мм (Рсеч = = 70,88 мм2) - сечение уменьшается соответственно в 1089 и в 301 раз, вследствие развития высоких температур в области фильеры пластичность алюминия еще в большей степени увеличивается, что может привести к его «намазыванию» на поверхности частиц НП в виде монослоя, который впоследствии и служит подложкой для наращивания кристаллического материала при охлаждении и затвердевании металла. Если принять такое объяснение, то при этом на 100 % соблюдается принцип так называемого структурного и размерного соответствия, предложенного П. Д. Дан-ковым еще в 1946 г. [24], согласно которому гетерогенное зарождение вызывают нерастворимые примеси, обладающие структурным сходством с кристаллизующимся веществом. Такие примеси называют изоморфными с кристаллизующимся веществом и модификаторами 2-го рода. Изоморфными являются примеси, периоды решетки которых отличаются от периода решетки кристаллизующегося металла не более чем на 10-15 % [25; 26].
Приведенные в работе [27] данные показали (см. таблицу), что параметры кристаллических решеток всех приведенных химических соединений больше чем на 10-15 % отличаются от параметров решетки алюминия и алюминиевых сплавов (гранецентри-рованный куб с параметром решетки 4,04 нм). Таким образом, можно считать, что зарождение центров кристаллизации начинается на монослое алюминия, сформировавшемся на частицах НП при прессовании
композиции «частицы алюминия + частицы нанопо-рошка».
Применение наномодификаторов при сварке.
Исходя из идентичности механизмов кристаллизации литых деталей и сварного шва, было решено опробовать сварку описанными выше прутками, прессование которых производилось по той же технологии, но с дополнительным введением в прессуемую композицию флюса АН-А4 (57,0 % КС1; 28,0 % ВаР2; 7,5 % LiF; 7,5 % A1F3) [28].
Следует при этом отметить, что, если для изготовления подобных электродов, названных «пучковыми», применялась достаточно сложная технология [29], которая заключалась в нарезании сварочной проволоки на мерные заготовки, вкладывании их в кондуктор, обжимании в нагретом состоянии до плотного прилегания, вставлении их в муфту, которая вместе с прутками нагревается до сварочной температуры, после чего сваривается с прутками проковкой, далее изготовленный пучковый электрод вынимается из кондуктора и окунается в обмазку, которая является элементом, связующим отдельные прутки в электрод, то технология изготовления сварочных прутков, содержащих НП, оказывается значительно проще. И заключалась она практически в выполнении только двух операций: 1) смешивание частиц алюминия с частицами НП и с флюсом; 2) прессование этой композиции в сварочную проволоку (пруток).
Следует отметить, что применение нанопорошко-вых материалов при сварке описано в нескольких работах. Так, в работе [30] представлены результаты использования НП серебра с размерами частиц 5 и 100 нм в качестве «вставного материала» (using silver nanoparticles as an insert material) при лазерной сварке листов из магниевого сплава. При этом на листы предварительно наносили пасту, содержащую НП серебра, после чего их нагревали до 100 °С в течение 60 с с целью испарения пасты. Затем листы накладывали друг на друга сторонами, плакированными магниевыми наночастицами, и сканировали поверхность верхнего листа лазером, в результате чего частицы магниевого порошка расплавлялись, и при последующей кристаллизации магниевого расплава происходило прочное скрепление листов.
Характеристики кристаллического строения НП химических соединений, используемых в работе в качестве модификаторов [27]
Характеристика Химическое соединение
AI2O3 B4C BN LaB6 SiC Si3N4 TaN
Кристаллическая система Ромбоэдрическая Кубическая Гексагональная
Периоды решетки, нм a b c с/а 0,475 1,299 2,734 0,561 1,212 2,165 0,362 0,416 0,308 1,008 3,27 0,7818 0,5591 0,7151 0,519 0,2910 0,56
В другой работе, выполненной в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН [31], сварку разнородных металлов (Al-Ti, Ti-сталь) проводили с помощью непрерывного СО2-лазерного излучения с применением модифицирующих инокуляторов в виде порошков нитрида титана TiN и оксида иттрия Y203 (размер частиц до 20 мкм), частицы которых плакировали хромом. При этом так же, как и в предыдущей работе, предварительно приготовленная суспензия, содержащая эти порошки, наносилась на поверхность свариваемых пластин толщиной 1-2 мм. В результате применения этого способа структурные составляющие сварного шва измельчаются в 2-4 раза, а вместо игольчато-дендритной формируется дисперсная равноосная структура, выравниваются механические характеристики, уменьшаются размер шва и зона термического влияния, соответственно, повышаются механические свойства: временное сопротивление разрушению ств - в 1,23-1,35 раза, предел текучести ст02 - в 1,8-2,0 раза и относительное удлинение 5 -в 2,0-4,9 раза. По-видимому, меньший эффект повышения механических свойств, чем в случае сварки электродом, содержащим нанопорошки (размер частиц - нанометры), связан со значительно большими размерами частиц (микроны) применяемых порошков. Существенным недостатком описанных способов сварки является необходимость использования пасты и суспензии в качестве «магазинов» хранения порошков, с вытекающим из этого такого последствия, как сложность нанесения слоя именно такой толщины, которая обеспечит присутствие в сварочном шве требуемого количества порошка. Другой недостаток заключается в сложности закрепления пасты и суспензии на поверхностях, лежащих в трех измерениях. Эти недостатки отсутствуют при сварке электродами, содержащими НП.
Работа была выполнена в производственных условиях при изготовлении объемной конструкции из листового сплава АМг6 в связи с тем, что при ее сварке с использованием присадочной проволоки, изготовленной из этого же сплава, не всегда обеспечивалась требуемая прочность сварного соединения. Как показало металлографическое исследование, причиной этого оказался тот факт, что металл сварного шва отличался от металла листа более крупными зернами а-твердого раствора и более крупными выделениями Р-фазы (Al3Mg2) по их границам. В работе применяли электрод с волокнистым строением диаметром 8 мм, содержащий порядка 2,0 % НП нитрида бора BN или гексаборида лантана LaB6, или карбонитрида титана TiCN и 2,0 % флюса АН-А4. Сварку производили с помощью автоматической установки в среде аргона. Фрагменты сварки листов АМг6 приведены на рис. 4.
™ - '■> шш
а б
Рис. 4. Фрагменты сварки электродом, содержащим нанопорошок карбонитрида титана ТЮМ, листовой конструкции из сплава АМг6 толщиной: а - 5,0 мм; б - 8,0 мм
Качество шва по требованиям приемочной документации оценивали по величине временного сопротивления разрушению ств при испытании вырезанных из сварной конструкции плоских образцов с размерами 15^50 мм. Результаты испытаний показали, что ств металла в области шва при сварке прутком, содержащим НП ВМ, составляет 333 МПа, НП ЬаВ6 - 338 МПа и НП ТЮМ - 345 МПа. Эти значения оказались соответственно выше на 4,1, 5,6 и 7,8 %, чем у образцов из сплава АМг6 (320 МПа), сваренных по стандартной технологии электродом из этого же сплава.
Изучение микроструктуры сварного шва показало, что в его объеме какие-либо дефекты отсутствуют. При этом зерно в свариваемом листе вытянуто вдоль прокатки, а его размеры лежат в интервале ~0,3-0,4 мм. Зерно в сварном шве - мелкое, равноосное, его размеры составляют -0,01-0,03 мм, что в среднем меньше, чем в основном металле в 17,5 раза. Интерметаллид-ные фазы оказались в раздробленном состоянии. Можно полагать, что повышение ств связано не только с измельчением структуры шва и измельчением интерметаллидов, но и с дисперсионным упрочнением а-твердого раствора сплава тонкодисперсными частицами НП. Микротвердость основного металла и сварного шва одного уровня - 76,4-78,7 ИУ (среднее - 77,55 ИУ или 73,5 НВ), т. е. при сварке разупрочнение не происходит.
Сварка электродом, содержащим НП карбонитри-да титана ТЮМ, была успешно применена для заварки трещины в ступице массивного винта станции газоочистки цеха технологических котлов целлюлозно-бумажного комбината. Заварку производили в среде аргона. Было установлено, что в металле шва и в околошовной зоне трещины отсутствовали, тогда как при наплавке принятой по технологии алюминиевой проволокой этот дефект зачастую присутствует [32].
В следующей серии работ было установлено, что в результате предварительной механоактивации композиции, состоящей из частиц алюминия и НП, и последующего ее прессования содержание НП (на примере НП ТМ) в прутке увеличивается до 7,7 масс. % [16; 33], что в еще большей степени позволяет повысить скорость сварки при одновременном уменьшении расхода электродной проволоки.
Заключение. В результате выполненной в производственных условиях работы была установлена возможность измельчения структуры сварного шва и повышения механических свойств сварного изделия типа оболочки из листов алюминиево-магниевого сплава АМг6 с применением в качестве модификаторов нанопорошков химических соединений нитрида бора ВМ, гексаборида лантана ЬаВ6 и карбонитрида титана Т1СК
Библиографические ссылки
1. Пат. 2357841 Российская Федерация, С 2 МПК В 23 К 9/23; В 23 К 9/16; В 23 К 33/00. Способ дуговой сварки в инертных газах стыковых соединений разнородных алюминиевых сплавов / Алексеев В. В., Овчинников В. В., Грушко О. Е. и др. № 2006128314/ 02 от 03.08.2006, Бюл. № 16. 2009.
2. Hartman D. A., Davé V. R., Cola M. J. In-process quality assurance for aerospace welding II Welding Journal. 2GG9. Vol. 88, № 1. P. 28-31.
3. Паршин С. Г. Электродуговая сварка с применением активирующих флюсов. Самара : Самарский научный центр РАН, 2GG6. 38G с.
4. Hall E. O. The deformation and Ageing of Mild Steel: III. Discussion of Results II Proceeding of the Physical Society. Section B. 1951. Vol. 64, № 9. P. 717-753.
5. Petch N. J. The Cleavage Strength of Polycrystals II Journal of Iron and Steel Institute. 1953. Vol. 174. P. 25-28.
6. Mодифицирование силуминов. Киев : АН УССР, 197G. 179 с.
7. Бондарев Б. И., Напалков В.И., Тарарышкин В. И. Mодифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. M. : Mеталлургия, 1979. 224 с.
8. Лепинских Б. M., Телицын И. И. Физико-химические закономерности модифицирования железоуглеродистых расплавов. M. : Наука, 1986. 96 с.
9. Измельчение структуры сплава Д16 при модифицировании прутками с ультрадисперсными порошками I Г. Г Крушенко [и др.] II Цветная металлургия. 1991. № 4. С. 8-1G.
1G. Повышение механических свойств алюминиевых литейных сплавов с помощью ультрадисперсных порошков I Г. Г. Крушенко [и др.] II Литейное производство. 1991. № 4. С. 17-18.
11. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов I В. П. Сабуров [и др.] Новосибирск : Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. 344 с.
12. Крушенко Г. Г. Нанопорошки химических соединений - средство повышения качества металлоизделий и конструкционной прочности II Заводская лаборатория. 1999. Т. 65, № 11. С. 42-5G.
13. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза I M. Ф. Жуков [и др.] Новосибирск : Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. 312 с.
14. Нанопорошковые технологии в машиностроении I В. В. Mосквичев [и др.] ; Сибирский федеральный университет. Красноярск, 2G13. 186 с.
15. А. с. 83184G SU А1, M^5 C 22 C1IG6. Способ модифицирования литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа I Г. Г. Крушенко, Ю. M. Mусо-хранов, И. С. Ямских и др. № 283116G от 17.1G.1979, Бюл. № 19. 1981.
16. Пат. 2475334 РФ C 2 B 22 F 3I2G; C 22 C 1IG6; B 22 F 1IGG; C 22 C 21IG4. Способ получения модификатора для доэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов I Крушенко Г. Г., Фильков M. Н. № 2G11122498IG2 от G2.G6.2G11, Бюл. № 5. 2G13.
17. Mорохов И. Д., Трусов Л. И., Чижик С. П. Ультрадисперсные металлические среды. M. : Атом-издат, 1977. 264 с.
18. Пат. РФ 247555G С 1 С 22 С 1IG6; С 22 С 21IG2; С 22 В 9I1G. Способ модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов I Крушенко Г. Г. № 2G1113G628 от 21.G7.2G11, Бюл. № 5. 2G13.
19. Крушенко Г. Г., Фильков M. Н. Mодифициро-вание алюминиевых сплавов нанопорошками II Нано-техника. 2GG7. № 4. С. 58-64.
2G. Черепанов А. Н., Борисов В. Т. К теории гетерогенного зародышеобразования на ультрадисперсных сферических частицах II ДАН. 1996. Т. 351, № 6. С. 783-785.
21. Седельников В. В. Структурообразование кристаллизующихся систем при модифицировании их ультрадисперсными порошками II Литейное производство. 2GG5. № 1. С. 2-5.
22. Einstein A. Uber die von der molekularkinetischen Theorie der Warme geforderte Bewegung von in ruhenden Fluessigkeiten suspendierten Teilchen II An-nalen der Physik. 19G5. B 17. S. 549-56G.
23. Крушенко Г. Г., Балашов Б. А. Упрочнение частиц TiAl3 в алюминиевом композиционном материале II Литейное производство. 1995. № 1G. С. 16-17.
24. Данков П. Д. Кристаллохимический механизм взаимодействия поверхности кристалла с чужеродными элементарными частицами II ЖФХ. 1946. Т. 2G, вып. 8. С. 853-867.
25. Близнаков Г. M. Адсорбция посторонних примесей и механизм роста кристаллов II Кристаллография. 1959. Т. 4, № 2. С. 15G-156.
26. Портнов В. Н. Влияние примесей на скорость роста граней кристаллов из раствора. Нижний Новгород : Издательство Нижегород. гос. ун-та, 2G13. 166 с.
27. Нараи-Сабо И. Неорганическая кристаллохимия. Будапешт : Издательство АН Венгрии, 1969. 5G4 с.
28. Пат. 2429958 РФ С 2 ЫПК В 23 К 35I4G. Способ изготовления электродной проволоки для сварки алюминиевых сплавов I Крушенко Г. Г. № 2GG9131289IG2 от 17.G8.2GG9, Бюл. № 27. 2G11.
29. А. с. 87411 SU Класс 21h, 3G.6. Способ изготовления пучковых электродов I Н. В. Бродович, А. В. Обухов. № 411121 от 15.12.1949.
3G. Ishak M., Maekawa K., Yamasaki K. The characteristic of laser welded magnesium alloy using silver nanoparticles as insert material II Materials Science and Engineering: A. 2G12. Vol. 536. P.143-151.
31. Воздействие высококонцентрированных потоков энергии на материалы с целью изменения их физико-химических свойств и улучшения эксплуатационных характеристик I Сибирское отделение РАН. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2GG8. С. 138-139.
32. Балашов Б. А., Крушенко Г. Г., Лепихин А. M. Применение модифицирующего прутка Al-Ti-Be в сварке алюминия и алюминиевых сплавов II Современные проблемы сварочной науки и техники : материалы Рос. науч.-техн. конф. Пермь : ТПИ. 1995. Ч. I. С. 197-198.
33. Крушенко Г. Г., Фильков M. Н. Технология получения алюминиевого композита с повышенным содержанием упрочняющих нанопорошков II Вестник СибГАУ. 2G11. № 1 (34). С. 139-142.
References
1. Alekseev V. V., Ovchinnikov V. V., Grushko O. E. et al. Sposob dugovoy svarki v inertnykh gazakh stykovykh soedineniy raznorodnykh alyuminievykh splavov [Method of arc welding in inert gases butt joints of dissimilar aluminum alloys]. Patent RF, no. 2357841, 2GG9.
2. Hartman D. A., Davé V. R., Cola M. J. In-process quality assurance for aerospace welding. Welding Journal. 2GG9, Vol. 88, No. 1, P. 28-31.
3. Parshin S. G. Elektrodugovaya svarka s prime-neniem aktiviruyushchikh flyusov [Arc welding using activating fluxes]. Samara, Samarskiy nauchnyy tsentr RAN Publ., 2006, 380 p.
4. Hall E. O. The deformation and Ageing of Mild Steel: III. Discussion of Results. Proceeding of the Physical Society. Section B. 1951, Vol. 64, No. 9, P. 717-753.
5. Petch N. J. The Cleavage Strength of Polycrystals. Journal of Iron and Steel Institute. 1953, Vol. 174, P. 25-28.
6. Modifitsirovanie siluminov. [Inoculation of the materials silumina]. Kiev, AN USSR Publ., 1970, 179 p.
7. Bondarev B. I., Napalkov V. I., Tararyshkin V. I. Modifitsirovanie alyuminievykh deformiruemykh splavov. [Inoculation of wrought aluminium alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1979, 224 p.
8. Lepinskih B. M., Telicyn I. I. Fiziko-khimicheskie zakonomernosti modifitsirovaniya zhelezo-uglerodistykh rasplavov. [Physico-chemical principles of inoculation of iron-carbon melts]. Moscow, Nauka Publ., 1986, 96 p.
9. Krushenko G. G., Fil'kov M. N., Balashov B. A. i dr. [Refinement of the structure of the alloy D16 when modifying the bars with ultra-fine powders]. Tsvetnaya metallurgiya. 1991, No. 4, P. 8-10 (In Russ.).
10. Krushenko G. G., Balashov B. A., Vasilenko Z. A. et al. [Improvement of mechanical properties of aluminum casting alloys with ultrafine powders]. Liteynoe proizvodstvo. 1991, No. 4, P. 17-18 (In Russ.).
11. Saburov V. P., Cherepanov A. N., Krushenko G. G. et al. Plazmokhimicheskiy sintez ul'tradispersnykh poroshkov i ikh primenenie dlya modifitsirovaniya met-allov i splavov. [Plasmachemical synthesis of ultradis-persed powders and their application for modification of metals and alloys]. Novosibirsk, Nauka, Sibirskaya izdatel'skaya firma RAN Publ., 1995, 344 p.
12. Krushenko G. G. [Nanopowders of chemical compounds is a means of improving the quality of the metal and structural strength]. Zavodskaya laboratoriya. 1999, Vol. 65, No. 11, P. 42-50 (In Russ.).
13. Zhukov M. F., Cherskiy I. N., Krushenko G. G. et al. Uprochnenie metallicheskikh, polimernykh i elas-tomernykh materialov ul'tradispersnymi poroshkami plazmokhimicheskogo sinteza. [Hardening of metallic, polymeric and elastomeric materials ultrafine powders plasmachemical synthesis]. Novosibirsk, Nauka, Sibirskaya izdatel'skaya firma RAN Publ., 1999, 312 p.
14. Moskvichev V. V., Krushenko G. G., Burov A. E. et al. Nanoporoshkovye tekhnologii v mashinostroenii. [Nanopowder technology in mechanical engineering]. Krasnoyarsk, Sibirskiy federal'nyy universitet, 2013, 186 p.
15. Krushenko G. G., Musohranov Ju. M., Jamskih I. S. et al. Sposob modifitsirovaniya liteynykh alyuminievykh splavov evtekticheskogo tipa [The method of inoculation of cast aluminum alloys of eutectic type]. Patent RF, no. 831840, 1981.
16. Krushenko G. G., Fil'kov M. N. Sposob polu-cheniya modifikatora dlya doevtekticheskikh alyuminievo-kremnievykh splavov [The way to obtain a modifier for hypoeutectic aluminum-silicon alloys]. Patent RF, no. 2475334, 2013.
17. Morohov I. D., Trusov L. I., Chizhik S. P. Ul'tra-dispersnye metallicheskie sredy [Ultrafine metal environment]. Moscow, Atomizdat Publ., 1977, 264 p.
18. Krushenko G. G. Sposob modifitsirovaniya alyu-minievo-kremnievykh splavov. [The method of inoculation of aluminum-silicon alloys]. Patent RF, no. 2475550, 2013.
19. Krushenko G. G., Fil'kov M. N. [Inoculation of aluminium alloys by nanopowders]. Nanotehnika. 2007, No. 4, P. 58-64 (In Russ.).
20. Cherepanov A. N., Borisov V. T. [The theory of heterogeneous nucleation on ultrafine spherical particles]. DAN. 1996, Vol. 351, No. 6, P. 783-785 (In Russ.).
21. Sedel'nikov V. V. [The formation of the crystallizing systems by modifying their ultrafine powders]. Liteynoe proizvodstvo. 2005, No. 1, P. 2-5 (In Russ.).
22. Einstein A. Uber die von der molekularkinetischen Theorie der Warme geforderte Bewegung von in ruhenden Fluessigkeiten suspendierten Teilchen. Annalen der Physik. Mai 1905. B 17. P. 549-560.
23. Krushenko G. G., Balashov B. A. [Hardening of TiAl3 particles in aluminum composite material]. Liteynoe proizvodstvo. 1995, No. 10, P. 16-17 (In Russ.).
24. Dankov P. D. [Crystal-chemical mechanism of interaction between the crystal surface with alien elementary particles]. ZhFH. 1946, Vol. 20, No. 8, P. 853-867 (In Russ.).
25. Bliznakov G. M. [Adsorption of impurities and the mechanism of crystal growth]. Kristallografiya. 1959, Vol. 4, No. 2, P. 150-156 (In Russ.).
26. Portnov V. N. Vliyanie primesey na skorost' rosta graney kristallov iz rastvora. [The effect of impurities on the growth rate of the faces of the crystals from the solution]. Nizhniy Novgorod, Izdatel'stvo Nizhegorodskogo gosuniversiteta Publ., 2013, 166 p.
27. Narai-Sabo I. Neorganicheskaya kristallokhimiya [Inorganic chemistry]. Budapesht, Izdatel'stvo AN Ven-grii Publ., 1969, 504 p.
28. Krushenko G. G. Sposob izgotovleniya elektrod-noy provoloki dlya svarki alyuminievykh splavov [A method of manufacturing an electrode wire for welding of aluminium alloys]. Patent RF, no. 2429958, 2011.
29. Brodovich N. V., Obuhov A. V. Sposob izgotov-leniya puchkovykh elektrodov [A method of manufacturing a beam-type electrodes]. Patent RF, no. 87411, 1949.
30. Ishak M., Maekawa K., Yamasaki K. The characteristic of laser welded magnesium alloy using silver nanoparticles as insert material. Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 536. P. 143-151.
31. Vozdeystvie vysokokontsentrirovannykh potokov energii na materialy s tsel'yu izmeneniya ikh fiziko-khimicheskikh svoystv i uluchsheniya ekspluatatsionnykh kharakteristik. Sibirskoe otdelenie RAN v 2007 godu. [The impact of highly concentrated streams of energy to materials to change their physical-chemical properties and improved performance. Siberian branch of the Russian Academy of Sciences in 2007]. Novosibirsk, Izdatel'stvo SO RAN Publ., P. 138-139.
32. Balashov B. A., Krushenko G. G., Lepihin A. M. [The use of modifying rod Al-Ti-Be in the welding of aluminum and aluminum alloys] Sovremennye problemy svarochnoy nauki i tekhniki: Materialy Rossiyskoy nauchno-tekhnich. konf. Ch. I. [Modern problems of welding science and technology: Proceedings of the Russian scientific and tech. Conf. Part I]. Perm', TPI, 1995, P. 197-198.
33. Krushenko G. G., Fil'kov M. N. [Technology for producing aluminum composite material with a high content of reinforcing powders]. Vestnik SibGAU. 2011, No. 1(34), P. 139-142 (In Russ.).
© KpymeHKO r. r., 2015
