Ударная вязкость сварных титановых соединений с окисленной поверхностью Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.785.3: 669.29

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ СВАРНЫХ ТИТАНОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ОКИСЛЕННОЙ

ПОВЕРХНОСТЬЮ

А.Б. Коломенский, С.В. Шахов, Б.А. Коломенский

В данной работе оценено воздействие оксидных плёнок, формирующихся в процессе отжига в интервале температур 350-650 °С, на ударную вязкость сварных соединений листовых титановых сплавов. Исходные листовые заготовки имели регламентированные газонасыщенные подслои различной микротвёрдости. Стыковые сварные швы на листовых заготовках с целью исключения фактора перепада кромок имитировали сквозным проплавлением заготовок на автомате неплавящимся электродом без присадки с местной защитой аргоном. После сварки из заготовок вырезали образцы для испытаний на ударную вязкость (КСи) согласно ГОСТ 6996-66. Центр надреза 02 мм располагали на расстоянии 1 мм от линии сплавления. В заключение образцы подвергали одночасовому воздушному финишному отжигу. Показано, что оксидная плёнка, образующаяся после низкотемпературного отжига, способствует росту ударной вязкости технического титана ВТ1-0. Повышение температуры финишного отжига снижает значения КСи технического титана до исходного состояния без отжига. Для высокопрочного сплава ВТ6ч отмечено полезное влияние на ударную вязкость состояния поверхности после отжига при 650 °С. Отмечено, что превалирующее влияние на характер зависимости ударной вязкости от температуры отжига оказывают внутренние структурные изменения, протекающие при отжиге, а не состояние поверхности

Ключевые слова: титановые сплавы, сварка, оксидные плёнки

При нагреве титановых сплавов выше 300 °С на поверхности формируются интерференционно окрашенные оксидные плёнки, а при температурах выше 550 °С начинается заметное растворение кислорода в титан, что может приводить как к падению [1,2], так и к росту [3,4] механических характеристик металла.

Одной из важных механических характеристик является ударная вязкость металла. В работе [5] было показано, что для титановых сплавов низкой и средней прочности проявляется эффект роста ударной вязкости при температуре финишного отжига 450 °С, что связано с полезным влиянием оксидной плёнки, повышающей работу по зарождению и распространению трещины. Данный эффект проявляется как при наличии, так и при отсутствии поверхностных газонасыщенных слоев.

Полученные сведения могут быть полезны при оптимизации технологических параметров процесса получения титановых полуфабрикатов, а также при назначении режимов финишного отжига деталей из листовых титановых сплавов. При этом, однако, отсутствуют данные, как будут воздействовать оксидные плёнки и газонасыщенные слои на сварные соединения и, в частности, металл с крупнозернистой в-превращённой структурой, формирующейся в зоне термического влияния (ЗТВ).

Цель работы - изучение воздействия газонасыщения и оксидных плёнок на ударную вязкость зоны термического влияния листовых титановых сплавов.

В работе использовали листовые сварные образцы сплава ВТ6ч толщиной 0,8 мм и технического титана ВТ1-0 толщиной 1,2 мм. Заготовки под сварку подвергали отжигу по режимам 800 °С, 2 ч. (ВТ1-0) и 850 °С, 1 ч. (Вт6ч) для формирования газонасыщенных слоев глубиной ~ 100 мкм [5, рис. 1]. Далее по методике [5] производили послойное удаление газонасыщенного слоя и аргоно-дуговую сварку заготовок.

Стыковые сварные швы на листовых заготовках с целью исключения фактора перепада кромок имитировали сквозным проплавлением заготовок на автомате АРК-2 неплавящимся электродом без присадки с местной защитой аргоном (ААрДЭС) на скорости =40 м/ч.

После ААрДЭС из заготовок вырезали образцы для испытаний на ударную вязкость (КСЦ) согласно ГОСТ 6996-66, надрез с радиусом 1 мм выполняли с помощью сверла 0 2 мм. Центр надреза располагали в центре шва и в ЗТВ на расстоянии —1±0,1 мм от линии сплавления рис. 1. В заключение образцы подвергали одночасовому воздушному финишному отжигу при температурах 350-650 °С.

Коломенский Александр Борисович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор; ВАСО, главный металлург, e-mail: metallurg@air.vrn.ru

Шахов Сергей Викторович - ВАСО, ведущий инженер-конструктор, e-mail: shahovsv@gmail.com Коломенский Борис Александрович - ВАСО, канд. техн. наук, помощник директора по качеству, e-mail: b-kolomenskiy@air. vrn.ru

00

/ М

п/

С >5 1

Ш1 /?/

-- 0411

Щ

55

Рис. 1. Образцы для испытаний на ударную вязкость по ГОСТ 6996-66: а - с концентратором по центру шва; б - с концентратором в ЗТВ на расстоянии 1,0±0,1 мм от линии сплавления

кса

кг

ДНУ -48%

ЮО 200 ЗОО 400 500 БОО 700

т,°с

На рис. 2 и 3 приведены результаты испытаний образцов в ЗТВ на ударную вязкость.

кси. кгм^м1

19

Д НУ = о %

ЮО 200 ЗОО 400 500 ООО

"700

т,°с

кси. кг мАм-

ДНУ= 8 °Л>

ЮО 200 ЗОО 400 500 ООО 700

т,°с

Рис. 2. Зависимости КСи=ДТ) для ЗТВ технического титана ВТ1-0 при АНУ, %: а - 0 %; б - 8 %; в - 19 %; г - 48 %; д - 78 %; е - 112 %

кси,

кг н/сы2

19

Д НУ =19%

ЮО 200 ЗОО 400 500 ООО 700

т,°с

кси.

кг нкн1

ДНУ - 78%

ЮО 200 ЗОО 400 500

700

т,°с

Рис. 2. Зависимости КСи=ДТ) для ЗТВ технического титана ВТ1-0 при АНУ, %: а - 0 %; б - 8 %; в - 19 %; г - 48 %; д - 78 %; е - 112 % (продолжение)

а

в

г

а

кси.

кг sitoi:

Д HV =112%

О loo 200 ЗОО 400 "ИМ! GOO Villi

т,°с

е

Рис. 2. Зависимости KCU=f(T) для ЗТВ технического титана ВТ1-0 при AHV, %: а - 0 %; б - 8 %; в - 19 %; г - 48 %; д - 78 %; е - 112 % (окончание)

кси.

кг nfot5

ДНУ 0%

loo 200 ЗОО 400 500 GOO VIII]

т°с

кси.

f Г М с м-'

ДНУ=5%

кси. кгмЛы2

Д HV- 9%

кси.

кг м/см-

ЮО 200 ЗОО 400 Villi GOO Villi

т,°с

ДНУ-16%

ЮО 200 ЗОО 400 500 БОО 700

т,с

кси.

tXSl'cM-

ДНУ-27%

±00 200 ЗОО 400 500 ООО 700

О ЮО 200 ЗОО 400 Villi БОО 700

т,°с

б

Рис. 3. Зависимости KCU=f(T) для ЗТВ сплава ВТ6ч при AHV, %: а - 0 %; б - 5 %; в - 9 %; г - 16 %; д - 27 %; е - 68 %

Рис. 3. Зависимости KCU=f(T) для ЗТВ сплава ВТ6ч при AHV, %: а - 0 %; б - 5 %; в - 9 %; г - 16 %; д - 27 %; е - 68 % (продолжение)

в

г

а

кси. кгы/сы*

ДНУ =68%

еоо

о

Т,С

Рис. 3. Зависимости КСИ=^Т) для ЗТВ сплава ВТ6ч при АНУ, %: а - 0 %; б - 5 %; в - 9 %; г - 16 %; д - 27 %; е - 68 % (окончание)

Видно, что для технического титана КСи имеет максимум при температуре о отжига 350 °С для перепадов микротвёрдости поверхности по отношению к сердцевине АНУ=0...112 %. Следует отметить, что для основного металла зафиксирован устойчивый максимум при Т=450 °С [5]. Наибольший эффект повышения КСИ приходится на варианты без газонасыщенного подслоя - рост КСИ на ~30 %. Характерно, что для варианта без газонасыщенного подслоя выявляется максимум при Т=550 °С.

Повышение температуры финишного отжига выше 350 °С в целом снижает значения КСИ до исходного состояния. При этом видно, что рост температуры отжига от 450 до 650 °С практически не вызывает снижения КСИ. Данная закономерность обнаруживается для

газонасыщенных слоёв с АНУ=8-78 %.

Для слоя с АНУ=112 % финишный отжиг с Т=450 до 650 °С вызывает заметное (до 30 %) падение КСИ.

Для высокопрочного титанового сплава ВТ6ч повышение температуры финишного отжига до 650 °С в целом вызывает рост ударной вязкости. Особенно заметно данная тенденция проявляется для вариантов без газонасыщенного слоя (АНУ=0 %)и с небольшим газонасыщенным подслоем (АНУ=5 %): рост показателя КСИ в этих случаях составляет 60...70 % в сравнении с вариантом без финишного отжига.

Следует учесть, что при изучении влияния температуры финишного отжига на показатель КСИ сварных соединений воздействуют два фактора: изменение состояния поверхности (окисление и газонасыщение) и внутренние структурные изменения. Металл ЗТВ после однопроходной аргонодуговой сварки можно рассматривать как закаленный из в-области. При отжиге такого

металла происходит распад метастабильных в- и аЛ-фаз, зафиксированных в процессе ускоренного охлаждения при однопроходной аргонодуговой сварке. Поэтому целесообразно было сравнить полученные результаты на рис. 2а и 3 а с результатами испытаний аналогичных сварных соединений соответственно на рис. 4а и 4б [6], которые перед испытаниями прошли облагораживающее травление с целью исключения влияния фактора окисления поверхности.

кси,

кг-м/см2

□ 100 200 ЗОО 400 500 600 700 800

Х^С

кси,

кг-м/см2

ЮО 200 ЗОО 400 ЭОО 600 700 800

Т,°С

Рис. 4. Зависимости КСИ=А(Т) для сварных соединений прошедших после отжига облагораживающее травление на глубину 50 мкм для удаления газонасыщенного подслоя: а - для технического титана ВТ1-0; б - для сплава ВТ6ч

Из сравнения видно, что ход зависимостей КСИ=А(Т) определяется, в целом, влиянием фактора внутренних структурных изменений.

Путём сопоставления кривых с травленой после отжига и нетравленой поверхностью выявлено заметное положительное влияние оксидной плёнки: для титана ВТ1-0 - после отжига при 350 °С, а для ВТ6ч - во всём исследованном

е

а

диапазоне Т=350...650 °С. Особенно заметно повышение КСи после отжига с Т=650 °С.

Выполняли также отверстие и по центру сварного шва после операции проплавления перед финишным отжигом. В данном случае кислород газонасыщенного поверхностного слоя

перемешивался в сварном шве, что незначительно повышало его среднюю концентрацию и практически не влияло на твёрдость шва; имевшиеся газонасыщенные слои составляли от 3 до 13% от общей толщины образцов.

И для титана ВТ1-0, и для сплава ВТ6ч не обнаружено заметного влияния на КСи некоторого легирования металла шва кислородом, перешедшим в сварной шов при перемешивании поверхностного газонасыщенного слоя.

Выводы

1. Установлено, что оксидные плёнки, формирующиеся в процессе финишного отжига, могут повышать ударную вязкость сварных соединений из титановых сплавов.

Полученные данные могут быть использованы при выборе режимов отжига сварных титановых листовых изделий, работающих в условиях динамического нагружения.

2. Для сварных соединений технического титана показатель КСи имеет максимум при температуре финишного отжига 350 °С.

Данная закономерность имеет место как для металла без газонасыщенного слоя, так и при его наличии при значении ДНУ вплоть до 78%.

Из сравнения с металлом с удалённым окисленным слоем следует, что оксидная плёнка, формирующаяся при Т = 350 °С, оказывает полезное влияние на показатель КСи металла ЗТВ.

3. Для высокопрочного сплава ВТ6ч при наличии небольших (AHV<5%) газонасыщенных слоёв также выявлено полезное влияние на ударную вязкость оксидных плёнок, формирующихся при отжиге при температурах 350... 650 °С. Особенно большой рост KCU обнаруживается после отжига с Т=650 °С, когда начинается заметное растворение кислорода в титане.

Литература

1. Колачев, Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов / Б.А. Колачев,

B.А. Ливанов, В.И. Елагин. - М.: Металлургия, 1981. -416 с.

2. Глазунов, С.Г. Конструкционные титановые сплавы / С.Г. Глазунов, В.Н. Моисеев. - М.: Металлургия. 1974. - 368 с. с ил.

3. Влияние регламентированного съема травлением поверхностного газонасыщенного слоя на долговечность при малоцикловой усталости листов из титана ВТ1-0/ А.Б. Коломенский, Б.А. Колачев, А.В. Дегтярев, А.Н. Рощупкин // Технология легких сплавов. -1990. - №6. - C. 20-24.

4. Вавилова, В.В. Влияние кислорода на свойства титана и его сплавов / В.В. Вавилова // Металловедение и термическая обработка металлов. -1973. - №10. - С. 1014.

5. Коломенский, А.Б. Влияние газонасыщенных слоёв и оксидных плёнок на ударную вязкость титановых сплавов различных групп прочности / А.Б. Коломенский,

C.В. Шахов, Б.А. Коломенский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2017. -Т.13. - №2. - С.132-140.

6. Зубарев, В.Ю. Влияние мягких и жёстких режимов сварки на ударную вязкость сварных соединений титановых сплавов/ В.Ю. Зубарев, А.Б. Коломенский, Б.А. Коломенский // Сварочное производство. - 2010. - N 4. - C. 9-11.

Воронежский государственный технический университет Воронежское акционерное самолетостроительное общество

IMPACT TOUGHNESS OF TITANIUM WELDED JOINTS WITH OXIDE FILMS

A.B. Kolomenskiy1, S.V. Shakhov2, B.A. Kolomenskiy3

1 Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University; Chief Metallurgist, Voronezh Joint-Stock Aircraft Company,

Voronezh, Russian Federation e-mail: metallurg@air.vrn.ru 2 Leading Engineer, Voronezh Joint-Stock Aircraft Company, Voronezh, Russian Federation

e-mail: shahovsv@gmail.com 3 PhD, Assistant Quality Director, Voronezh Joint-Stock Aircraft Company, Voronezh, Russian Federation

e-mail: b-kolomenskiy@air.vrn.ru

In this paper, the effect of oxide films formed during annealing in the temperature range 350-650 ° C on the impact toughness of welded joints of sheet titanium alloys is estimated. The initial sheet blanks had regulated gas-saturated sublayers of various microhardness. Butt welds on the sheet blanks for the purpose of excluding the edge difference factor were imitated by the automatic through penetration with a non-consumable electrode without an additive with argon local protection. After welding, pieces for impact toughness testing (KCU) were cut from the blanks according to GOST 6996-66. The center of the notch 02 mm was located at the distance of 1 mm from the weld line. Finally, the samples were subjected to a one-hour air finish annealing. It is shown that the oxide film formed after low-temperature annealing contributes to the growth of the impact toughness of technical titanium VT1-0. An increase in the finishing annealing temperature reduces the KCU values of technical titanium to the initial state without annealing. For a high-strength alloy VT6ch, a beneficial effect of the surface state

after annealing at 650 ° C was noted. The prevailing influence on the nature of the dependence of the toughness on the

annealing temperature is due to internal structural changes that occur during annealing, not the surface state

Key words: titanium alloys, annealing, oxide films

References

1. Kolachev B.A., Livanov V.A., Elagin V.I. "Metal science and heat treatment of nonferrous metals and alloys" ("Metallovedenie i termicheskaya obrabotka tsvetnykh metallov i splavov"), Moscow, Metallurgia, 1981, 416 p.

2. Glazunov S.G., Moiseev V.N. "Structural titanium alloys" ("Konstruktsionnye titanovye splavy"), Moscow, Metallurgia, 1974, 368 p.

3. Kolomenskiy A.B., Kolachev B.A., Degtyarev A.V., Roshchupkin A.N. "Influence of regulated removal made by etching of the surface gas-saturated layer on the durability under the condition of low-cycle fatigue of titanium sheet", Light alloys technology (Tekhnologiya lyegkikh splavov), 1990, no. 6, pp. 20-24.

4. Vavilova V.V. "Influence of oxygen on titanium and its alloys properties", Metal science and heat treatment of metals (Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov), 1973, no. 10, pp. 10-14.

5. Kolomenskiy A.B., Shakhov S.V., Kolomenskiy B.A. "Effect of gas-saturated layers and oxide films on the impact toughness of titanium alloys of different strength grades", The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2017, no. 2, pp. 132140.

6. Zubarev V.U., Kolomensky A.B., Kolomensky B.A. "Effect of the soft and tough welding conditions on the impact toughness of titanium alloy welding joints", Welding engineering (Svarochnoeproizvodstvo), 2010, no. 4, pp. 9-11.