Методы твердофазного соединения порошковых жаропрочных сплавов

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы твердофазного соединения порошковых жаропрочных сплавов

28.01.2020

Диффузионная сварка. Под диффузионной сваркой понимают процесс соединения двух чистых номинально плоских поверхностей под действием повышенной T и давления. Температура составляет обычно от 0,5 Tm до 0,8 Tm. Величина давления должна быть такой, чтобы обеспечивался тесный контакт между соединяемыми поверхностями, но при этом отсутствовала макроскопическая деформация элементов изделия. Диффузионную сварку жаропрочных, в том числе дисперсноупрочненных, сплавов обычно проводят в вакууме или инертной среде. Необходимое давление чаще всего создается с помощью ТИП или горячего прессования. Последовательность операций при осуществлении диффузионной сварки методом ТИП показана на рис. 8.8.
Методы твердофазного соединения порошковых жаропрочных сплавов

Важнейшим преимуществом диффузионной сварки, как и других способов твердофазного соединения, является отсутствие плавления. Это исключает проблемы, связанные с ликвацией, растрескиванием, остаточными напряжениями. Материалы, упрочненные дисперсными частицами или волокнами, можно подвергать сварке, не нарушая структуры упрочняющей фазы и не снижая эффективности упрочнения. При этом сохраняется также зеренная структура. Кроме того, метод позволяет получать соединения с большой площадью контактной поверхности.

Согласно Овчарски, процесс диффузионной сварки протекает в три стадии (рис. 8.9). Первая (практически мгновенная) стадия состоит в пластической деформации поверхностных неровностей, сопровождающейся разрушением или смещением поверхностных оксидных пленок. Затем вследствие ползучести происходит образование тесного контакта на поверхности раздела. На заключительной стадии протекают диффузионные процессы, приводящие к исчезновению исходной поверхности раздела. Это может происходить путем рекристаллизации, при которой зерна прорастают через поверхность раздела, растворения или измельчения поверхностных загрязнений или, наконец, путем простой диффузии атомов вдоль этой поверхности.

Дарби и Уоллак предложили более строгую теоретическую модель, которая позволяет оценить относительную роль различных стадий и механизмов процесса, исходя из величины времени обработки, температуры, давления, степени шероховатости соединяемых поверхностей.

Общая скорость процесса определялась как сумма составляющих, обусловленных действием каждого из шести возможных механизмов массопереноса, изображенных на рис. 8.10.

Хотя общие закономерности, определяющие влияние параметров процесса и свойств свариваемых материалов на прочность связи, еще не совсем ясны, некоторые тенденции проявляются достаточно определенно:

1. Сравнительно небольшие изменения T вызывают значительные изменения кинетики процесса. Температура — это наиболее сильно влияющий параметр, поскольку она определяет величину контактной поверхности и скорость диффузии.

2. Увеличение длительности обработки при заданных значениях температуры и давления повышает прочность соединения до некоторого предела, по достижении которого ее рост прекращается.

3. Повышение давления, как правило, приводит к улучшению качества соединения при любых заданных значениях температуры и времени выдержки. Однако чрезмерно высокое давление может вызвать растрескивание. Сварку мелкозернистых порошковых сплавов можно, по-видимому, осуществлять при значительно более низких давлениях, чем сварку их грубозернистых литых аналогов, благодаря малой величине напряжения течения при повышенных температурах. При сварке особо твердых сплавов могут использоваться мягкие промежуточные слои (например, никелевый слой при сварке никелевых жаропрочных сплавов), позволяющие обеспечить хороший контакт при невысоком давлении. При этом прочность соединения существенно зависит от химического состава и толщины промежуточного слоя. Помимо этого, коэффициенты теплового расширения слоя и свариваемого сплава должны быть близки.

4. Хотя соединение грубо обработанных поверхностей затруднено, некоторая оптимальная степень шероховатости представляется необходимой для обеспечения надежной связи.

5. При соединении двух разных сплавов могут возникнуть проблемы, связанные с образованием пор (вследствие различий в скоростях диффузии), хрупких интерметаллических соединений и легкоплавких фаз. Подбирая условия сварки, соответствующие данным составам соединяемых сплавов, можно свести эти эффекты к минимуму.

Принципиально простой метод диффузионной сварки на практике может оказаться сложным из-за трудностей, возникающих при изготовлении технологической оснастки, предварительной обработке изделий и регулировании параметров процесса. Существует опасность деформации непрочных изделий сложной формы, подвергнутых воздействию необходимых для сварки температур и напряжений. Другим очевидным недостатком является большая длительность технологического цикла. Дальнейшей разработки требуют методы неразрушающего контроля таких соединений, поскольку обнаружение возникающих в них дефектов обычными способами затруднено.

Обычные и порошковые жаропрочные сплавы. В какой мере тот или иной жаропрочный сплав поддается диффузионной сварке, во многом зависит от суммарного содержания в нем Al и Ti, прочные поверхностные оксиды которых препятствуют образованию надежных связей. Железо, при большом его содержании в сплаве, также может играть отрицательную роль, тогда как влияние Cr, Nb, Mo и Co можно, по-видимому, считать незначительным.

При диффузионной сварке жаропрочных сплавов граница между соединяемыми деталями может служить местом преимущественного выделения частиц Ti (С, N) и NiTiО3, которое приводит к резкому снижению прочности соединения. Эти устойчивые соединения образуются в результате взаимодействия углерода или азота, сегрегирующих у поверхности свариваемой детали, с присутствующим в сплаве титаном. Закрепленная такими частицами граница сохраняет плоскую форму и является местом преимущественного зарождения трещин.

Обработка свариваемой поверхности в атмосфере Н2+НСl, приводящая к ее обеднению Ti и Al, оказалась эффективным способом устранения указанных выделений. Обеднение происходит потому, что хлориды титана и алюминия более устойчивы, чем хлорид водорода, и при высокой температуре летучи. На рис. 8.11 показано влияние обработки хлористым водородом поверхности сплава IN100 на его поведение при диффузионной сварке. В зоне соединения предварительно обработанных поверхностей сформировалась хорошо рекристаллизованная структура. В то же время, при соединении поверхностей, не прошедших обработку, на них активно выделяется карбид титана. Другой метод основан на использовании металлических промежуточных слоев в виде фольги или электролитического покрытия, позволяющих изолировать содержащийся в сплаве Ti от находящихся на поверхности газовых примесей и снижения их концентрации.

По существу здесь имеет место та же проблема, которая возникает при компактировании порошков жаропрочных сплавов, сопровождающемся выделением карбидов на границах исходных частиц. В порошковых жаропрочных сплавах, особенно тех из них, рабочим состоянием которых является состояние после ТИП, указанный недостаток должен проявляться в меньшей степени, и их диффузионная сварка должна быть облегчена, поскольку их состав уже заранее подобран таким образом, чтобы подавить выделение Ti(C, N). Например, при сварке сплава IN100, компактирование которого осуществляют с помощью процесса Геторайзинг, приходится применять промежуточный слой, тогда как при сварке сплава MERL76, работающего в состоянии после ГИП, необходимость в таком слое не возникает.

Сварка при T ниже у'-сольвуса с применением никелевого промежуточного слоя может привести к образованию почти непрерывной пленки, состоящей из крупных частиц у'-фазы, которая может играть столь же отрицательную роль, как и выделения Ti (С, N). Эту трудность можно преодолеть, используя промежуточный слой из сплава никеля с кобальтом. Кобальт вызывает локальное понижение у'-сольвуса, предотвращая этим выделение частиц у'-фазы.

Дисперсноупрочненные сплавы. При диффузионной сварке дисперсноупрочненных сплавов можно, как показывает опыт, получать соединения, обладающие большой прочностью при повышенных температурах. Большая часть выполненных до настоящего времени работ посвящена TD-нихрому. Имеется также некоторая информация о сварке TD-никеля и сплава TD-NiCrAl.

При сварке TD-нихрома промышленного производства возможно образование вблизи поверхности раздела мелкозернистой рекристаллизованной структуры, показанной на рис. 8.12. Наблюдаемые рекристаллизационные явления могут быть вызваны холодной деформацией поверхности при ее струйно-абразивной обработке перед сваркой и интенсивной деформацией поверхностных неоднородностей в процессе сварки. Соединение с такой структурой имеет низкую длительную прочность на сдвиг.

Предотвратить образование мелкого зерна можно путем электрополировки или химической полировки поверхностей перед сваркой, сглаживающей поверхностные неоднородности и устраняющей наклепанный слой металла. Однако в этом случае высокая стабильность микроструктуры промышленного TD-нихрома при T сварки препятствует сколько-нибудь существенному прорастанию зерна через поверхность раздела. Холко и Myp показали, что эту трудность можно преодолеть, подвергая диффузионной сварке «специально обработанный» (SP) TD-нихром. Этот материал по существу представляет собой TD-нихром, не прошедший окончательный рекристаллизационный отжиг. Его рекристаллизация в процессе сварки приводит к интенсивному росту зерен через поверхность раздела.

В результате сварки сплава SPTD-NiCr по двуступенчатому режиму (1 ч при 705 °C и 210 МПа и 2 ч при 1190 °C и 15 МПа) после струйно-абразивной обработки удается получить соединение, имеющее прочность, равную прочности основного металла. Однако такая технология подготовки поверхности не всегда легко воспроизводима, а применяемый режим сварки длителен и предполагает использование инструмента, способного выдерживать высокие температуры.

Усовершенствованная технология включает струйно-абразивную обработку поверхности и химическую полировку. Сварку проводят по одноступенчатому режиму (1 ч при 760 °C и 140 МПа) с последующей термообработкой при 1180 °C в течение 2 часов. Длительная прочность на сдвиг соединений, полученных как по первой, так и по второй технологии, равна прочности основного металла. Хорошие результаты получены при применении усовершенствованной технологии для сварки промышленного нихрома со сплавом SPTD-NiCr.

Предпринимались попытки диффузионной сварки TD-нихрома со сплавом В1900 методом ТИП, однако эти соединения не выдерживали термической усталости. Авторы работы не дают объяснения этому факту.

Таким образом, можно сделать вывод, что прочность соединения при диффузионной сварке TD-нихрома зависит главным образом от состояния сплава перед сваркой (обычный сплав промышленного производства или нерекристаллизованный сплав) и от способа подготовки поверхности. Струйно-абразивная обработка, проводимая перед химической полировкой, устраняет шероховатость поверхности листа, уменьшает его разнотолщинность, обеспечивая получение соединений с воспроизводимо высокой прочностью как на TD-нихроме промышленного производства, так и на нерекристаллизованном сплаве (SPTD-NiCr), позволяя при этом избежать как излишней деформации, так и несплошности соединения. После сварки рекомендуется проводить отжиг в безокислительной атмосфере при 1180 °C в течение 2 часов. Отжиг обеспечивает протекание рекристаллизации и прорастание зерен через поверхность раздела свариваемых элементов.

Диффузионная сварка TD-никеля не дает столь хороших результатов, как сварка TD-нихрома. В стыковых соединениях элементов из TD-никеля, полученных методом ТИП после предварительной обработки поверхности различными способами, присутствовали рекристаллизованные области, обедненные частицами двуоокиси тория, и наблюдалась коагуляция этих частиц. Это приводило к низким механическим свойствам при 1093 °C, хотя при комнатной T прочность соединения достигала прочности основного металла. Применение промежуточных слоев из кобальтового сплава и сплава Hastelloy X обеспечивает эффективность соединения (отношение прочности соединения к прочности основного металла) при испытаниях на растяжение при 1093 °С 100% и 87% соответственно, но уровень длительной прочности был очень низок.

Методом горячего прессования в вакууме осуществляли диффузионную сварку сплава SPTD-NiCrAl, применяя предварительную электрополировку свариваемых поверхностей. Наилучшие результаты дает сварка при 990 °С, давлении 69 МПа в течение 4 часов. На рис. 8.13 сопоставлены характеристики длительной прочности на сдвиг при испытаниях образцов с надрезом для сварных соединений сплавов TD-NiCrAl и TD-NiCr.

Инерционная сварка. При этом методе одна из соединяемых частей детали крепится при помощи держателя к маховику, установленному на вращающемся валу. После придания валу заданной скорости вращения, вторую, неподвижную часть детали приводят в соприкосновение с вращающейся частью, и одновременно выключают привод. Давление на поверхности контакта поддерживают постоянным.

На рис. 8.14 показана схема процесса, включающая три стадии. На стадии I преобладают сухое трение и износ. При этом крутящий момент Mк быстро возрастает до некоторого максимального значения. В то же время происходит быстрый рост Т, приводящий к термическому разупрочнению материала и некоторому падению момента. Стадия II характеризуется состоянием равновесия между деформационным упрочнением и термическим разупрочнением, при котором величина крутящего момента практически не меняется. На стадии III скорость n(t) и T непрерывно падают, металл упрочняется, как бы подвергаясь ковке под действием крутящего момента, который вновь возрастает по мере упрочнения материала. При этом образуется зона сварного соединения (зона термического влияния), расширяющаяся с увеличением степени деформации е. Деформируемый материал движется по спиральным траекториям и частично вытесняется из зоны термического влияния. Это приводит к удалению остаточных примесей и оксидов из зоны сварки и образованию контакта между ювенильными поверхностями. Аксиальное давление на контакте обычно поддерживается в течение небольшого промежутка времени после остановки маховика, однако к этому моменту формирование соединения уже заканчивается. Хотя принято считать, что сварка происходит в твердой фазе, Адам указывает на возможность образования частично оплавленного слоя. Табл. 8.5 дает представление о влиянии параметров инерционной сварки на качество соединения. Более подробно этот вопрос исследован в работе Адама. При сварке сплава Waspaloy максимальная прочность соединения на растяжение и максимальное время до разрушения в условиях ползучести достигаются при малых энергиях маховика и больших аксиальных усилиях.

При правильном выборе значений технологических параметров метод инерционной сварки позволяет получать соединения, практически свободные от пор и микротрещин. Воспроизводимость результатов, получаемых этим методом, высока. В ряде областей применения такие соединения работают практически безотказно.

В производстве авиационных двигателей сварку трением выполняют, как правило, на самых ранних стадиях производственного цикла, когда заготовка имеет большое сечение и может выдерживать большие осевые усилия и напряжения, возникающие в зоне закрепления. Любые отступления от заданной геометрии, возникающие при сварке, могут быть устранены последующей механической обработкой. Однако такая обработка сварного соединения может оказаться трудноосуществимой, особенно, когда речь идет о соединении диска с валом. Для устранения возникших при сварке геометрических несоответствий необходимо проводить механическую обработку внутренней части вала, а возможно также и диска, между тем как доступ к внутренним поверхностям готового узла затруднен.

В настоящее время не существует вполне удовлетворительных методов неразрушающего контроля полученных инерционной сваркой соединений. Поэтому обеспечение их высокого качества требует применения специальных регулирующих систем, которые позволяют при сварке каждой детали определить, попадают ли значения технологических параметров в пределы полосы допустимого разброса.

Обычные и порошковые жаропрочные сплавы. К числу литых жаропрочных сплавов, к которым была с успехом применена инерционная сварка, относятся Inconel718, Rene77, Rene95, Udimet700. По механическим свойствам получаемые соединения в большинстве случаев почти не уступают основному металлу. Тем не менее, при сварке литых жаропрочных сплавов даже этим способом возникает ряд принципиальных трудностей. Трудности возникли, в частности, при соединении литого сплава MAR-M246 со сплавом Inconе1718. Из-за низкой горячей пластичности литого сплава степень его деформации значительно ниже, чем у деформированного сплава, что приводит к накоплению больших остаточных напряжений. Эти отрицательные явления, а также наличие в литой структуре крупных карбидов, делают соединение чувствительным к образованию трещин.

Инерционная сварка применяется также к порошковым жаропрочным сплавам, например к сплаву Rene95. Благодаря своей мелкозернистой структуре порошковые сплавы обладают при T сварки достаточно высокой пластичностью. Кроме того, пониженные значения напряжения течения позволяют существенно уменьшить давление при сварке.

Дисперсноупрочненные сплавы. Попытки соединения деталей из TD-никеля между собой или с деталями из сплава U700 методом инерционной сварки не привели к успеху. Характерная для этого метода интенсивная локальная деформация разрушает исходную текстуру материала и приводит к образованию в TD-никеле при его термической обработке после сварки зоны с рекристаллизованной структурой.

Другие методы твердофазного соединения. Точечная сварка методом сопротивления и сварка взрывом могут при соответствующих условиях протекать без образования жидкой фазы. Точечная сварка в тех случаях, когда она применима, обладает большими экономическими преимуществами, в особенности при крупносерийном производстве. Стыковая сварка оплавлением, не будучи твердофазным процессом, тем не менее не приводит к образованию литой структуры соединения.

He следует ожидать, что эти методы будут играть сколько-нибудь значительную роль в производстве сильно нагруженных деталей из порошковых жаропрочных сплавов, однако они могут быть полезны при сварке дисперсноупрочненных сплавов, так как исключают плавление и позволяют свести к минимуму коагуляцию оксидов.

Как и в случае диффузионной сварки, при точечной сварке методом сопротивления сплава SPTD-NiCr прочность соединения может достигать прочности основного материала. При сварке промышленного TD-нихрома недостаточно активно происходит прорастание зерен через линию шва. При сварке методом сопротивления TD-нихрома промышленного производства соединения, выполненные твердофазным способом, могут иметь несколько более низкие механические свойства при повышенных температурах, чем полученные путем оплавления. Тем не менее, твердофазный способ предпочтителен, так как сохраняет структуру сплава и обеспечивает лучшую воспроизводимость результатов.

Заметный рост зерна через линию соединения и отсутствие мелких рекристаллизованных зерен при точечной сварке листов сплава SPTD-NiCrAl толщиной 0,4 мм обеспечивали высокое качество сварного соединения. Тем не менее, длительная прочность на сдвиг была существенно ниже, чем при точечной сварке TD-нихрома той же толщины (рис. 8.15). Роликовая сварка сплава TD-NiCrAl не дала обнадеживающих результатов; линия соединения проходила по границам зерен, т. е. рост зерен через поверхность раздела отсутствовал.

При сварке взрывом TD-нихрома промышленного производства сильный наклеп металла в зоне соединения приводил при последующей термической обработке к образованию в этой зоне мелкозернистой рекристаллизованной структуры. По этой причине длительная прочность соединения при 1093 °C была низкой. Образцы из TD-нихрома, полученные стыковой сваркой оплавлением, при их испытании на растяжение при комнатной T разрушились по основному металлу. Однако длительная прочность соединения, вследствие расслоения и коагуляции частиц двуокиси тория, достигла лишь 50% прочности свариваемого сплава. Сварной лист толщиной 1,25 мм выдерживал при 1093 °C в течение 200 ч напряжение 27 МПа.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: