Ударная вязкость после термокомпрессионной сварки объемных наноструктурных материалов из титанового сплава Ti-6Al-4V Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 5З9.З

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ ПОСЛЕ ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЙ СВАРКИ ОБЪЕМНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ТІ-6А1-4У

© М.Х. Мухаметрахимов, Р.Я. Лутфуллин

Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа, Россия, e-mail: MSIA@mail.ru

Ключевые слова: титановый сплав; ударная вязкость; термокомпрессионная сварка.

Изучены механические свойства при испытаниях на ударный изгиб образцов наноструктурного (НС) титанового сплава Ti-6Al-4V после термокомпрессионной сварки (TKO) при пониженных температурах.

Известно [1, 2], что в условиях сварки давлением обеспечивается получение твердофазного соединения (ТФС) с высокими механическими свойствами, приближающимися к свойствам основного металла. Однако специфической особенностью сварки в твердом состоянии титана и его сплавов, соединенных с небольшой макропластической деформацией, является пониженная ударная вязкости ТФС при отсутствии в стыке оптически видимых дефектов [3]. В этой связи проводили исследование строения изломов сварных образцов на различных стадиях формирования соединения [4], а также монолитных ударных образцов из титанового сплава Ть6А1-4У. При этом выявили взаимосвязь между параметрами структуры излома и уровнем ударной вязкости соединения.

Соединение осуществляли в специальной оснастке за счет термонатяга в вакуумной печи СНВЭ-1.3.1/16-ИЗ-УХЛЧ.1 при остаточном давлении воздуха 2,0 •Ю-3 Па.

Для получения соединений с различным уровнем ударной вязкости сваривали НС заготовки из титанового сплава Т1-6А1-4У в температурном интервале 600...850 оС. Проводили испытания на ударный изгиб после соединения в режиме термонатяга. Такой вид испытания наиболее объективно отражает качество ТФС. Из соединенных заготовок готовили образцы Менаже с расположением разреза по шву к основному материалу. Для сравнительного анализа свойств материала испытывали образцы-свидетели, которые подвергали тем же условиям обработки, что и сварные образцы.

Анализ изломов монолитных образцов в исходном состоянии и после вакуумного отжига (термообработанном состоянии) показал, что при пониженных температурах обработки структурные составляющие более мелкие, структура более мелкодисперсная в сравнении со структурой изломов образцов в исходном состоянии. Неоднородность излома связана со структурной неоднородностью исходного НС титанового сплава Ть 6А1-4У. После вакуумного отжига характер излома более однороден, межзеренное разрушение уже нехарактерно. Анализ изломов отожженных образцов показывает, что после вакуумного отжига преобладает вяз-

кий излом, в котором присутствуют участки как вязкой (80 %), так и хрупкой (20 %) составляющей. Изучение общего строения изломов показало, что в них присутствуют ямки и утяжки, изломы характеризуются волнистой, матовой шероховатой поверхностью.

Осмотр изломов ударных образцов показал, что после ТКС при температуре 600 оС поверхность разрушения образцов остается плоской с ярко выраженными следами рельефа от механической обработки, что указывает на незавершенность процесса образования ТФС, и ударная вязкость составила 0,02 МДж/м2, что по техническим условиям (КСи = 0,2 МДж/м2) ниже свойств, установленных для титанового сплава Т1-6А1-4У При увеличении температуры ТКС до 650 оС электронно-фрактографический анализ выявил ямочное строение поверхности разрушения и значительную неоднородность в распределении ямок.

После ТКС при температуре 700 оС в изломе соединенных образцов четко выявляются центры активного адгезионного схватывания. При дальнейшем повышении температуры ТКС возможно достижение качественного соединения с ударной вязкостью, приближенной к показателям для основного металла.

Таким образом, увеличение температуры ТКС с 600 до 800 оС повышает ударную вязкость соединенных образцов НС титанового сплава Т1-6А1-4У. Ударная вязкость при этом возрастает до значений ударной вязкости исходного материала (0,35 МДж/м2).

На рис. 1. показано изменение ударной вязкости соединений сплава Т1-6А1-4У в зависимости от температуры ТКС.

Для сравнения механических свойств заготовки с микрокристаллической (МК) структурой соединяли ТКС в температурном интервале 650.900 оС. При фрактографическом анализе поверхности разрушения образцов после ударных испытаний выявлено, что при температуре ТКС 650 оС в зоне ТФС присутствует не до конца растворенная оксидная пленка и видны участки адгезионного схватывания по границам Р-фазы. Это согласуется с наблюдаемой картиной разрушения сварных соединений. Увеличение температуры ТКС до 750 оС приводит к формированию в зоне соединения отдельных очагов взаимодействия между соединяемыми

0,7 -0,6 -

2 0,5S 0,4 -

3 0,3 -

* 0,2 -

0,1 -0 -

Рис. 1. Ударная вязкость соединенных ТКС НС образцов из титанового сплава ТІ-6Л1-4У

поверхностями. И только с повышением температуры ТКС от 800 до 900 оС происходит формирование полноценного соединения. Разрушение соединения происходит по механизму квазискола, переходящего по мере увеличения температуры ТКС в слияние микропустот, что приводит к появлению на поверхности излома вязкой составляющей, в виде чашечного излома.

Таким образом, проведенные исследования выявили четкую взаимосвязь между величиной ударной вяз-

исх. 600 650 700 750 800 850

Температура сварки, оС

кости, строением излома и структурой в зоне соединения.

ЛИTЕРАTУРА

1. Kaibyshev O.A., Lutfullin R. Ya., Berdin V.K. The effect of superplasticity on the solid state weldability of the titanium alloy Ti-4, 5Al-3Mo-lV // Acta metallurgica. 1994. V. 42. P. 2609.

2. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970. 312 с.

3. Гельман А.А. Оптимальные параметры диффузионной сварки титановых сплавов различного фазового состава // Автоматическая сварка. 1977. № 4. С. 53-5S.

4. Мухаметрахимов М.Х., Лутфуллин Р.Я. Прочность твердофазного соединения наноструктурированного титанового сплава BT6 // Прочность и разрушение материалов и конструкций: материалы V междунар. науч. конф. Оренбург, 200S. T. 1. С. 270-274.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Mukhametrakhimov M.Kh., Lutphullin R.Ya. Impact strength properties of bulk nanostructured materials out of titanium alloy Ti-6Al-4Vafter thermal compression bonding.

The mechanical properties of nanostructured titanium alloy Ti-6Al-4V samples after thermal compression bonding at low temperatures, in particular impact strength properties are studied.

Key words: titanium alloy; impact strength; thermal compression bonding.