Влияние рения на изменение свойств металла шва при сварке сплава системы Ti-Al-Zr-V

Одним из существенных недостатков титановых сплавов является образование крупнокристаллической структуры при отливке и сварке. Применение мощных режимов при автоматической сварке, когда погонная энергия изменяется в широких интервалах — от 6000 до 15000 кал/см, — приводит к заметному росту зерна. Поэтому получение мелкозернистой структуры металла шва, обладающего, как правило, более высокими пластическими и прочностными показателями по сравнению с металлом шва с крупнозернистой структурой, имеет большое практическое значение.

Из литературных источников известно, что введение в литой металл таких элементов, как рений, бор, лантан, церий и другие, в малых количествах (в качестве модификаторов) приводит к измельчению структуры слитков. Однако для измельчения структуры сварного шва модификаторы при сварке вводят очень редко. В имеющихся работах, например, этот вопрос пока не освещен.

Из литературных данных также известно, что при переходе расплавленного металла с модификатором через зону дуги, когда перегрев достигает максимальных значений, действие вводимого элемента как модификатора снижается. Особенно это проявляется при сварке, когда на расплавляемый металл действует мощный тепловой источник и температура сварочной ванны значительно превышает (на 200—300°) температуру плавления металла.

В работе была сделана попытка исследовать влияние редкоземельного элемента рения, вводимого в сварной шов в малых (0,1—0,2%) и больших (0,3—1,0%) количествах (как легирующего элемента), на изменение свойств металла шва.

Для исследований был взят титановый а-сплав, легированный 6% Al; 6% Zr и 1% V. Основной металл имел следующие значения механических свойств: ов = 87,3—88,0 кгс/мм2, о0,2=79,6—80,3 кгс/мм2, b = 12,1—14,1%; w = 22,5—28,2%; ан = 5,6—5,8 кгс*м/см2 при 20° и 4,0—4,9 кгс*м/см2 при -40°.

В качестве модификатора и легирующего элемента был применен порошкообразный электролитический рений (партия 134), содержание которого в металле шва определялось по расчету. Рений выбран для исследования в связи с тем, что он благодаря своим физико-химическим свойствам активно влияет на изменение микроструктуры металла.



Для исследования был взят лист из титанового сплава в отожженном состоянии толщиной 36 мм. На поверхности листа были простроганы канавки глубиной 15 мм с углом раскрытия 60° для удержания порошка рения в зоне сварочной дуги при сварке: порошок распределялся равномерным слоем по длине канавки. Автоматическая сварка осуществлялась автоматом АСВГ-4 неплавящимся вольфрамовым электродом погруженной дугой без применения присадочной проволоки. При сварке основной металл проплавлялся на глубину до 15 мм. Таким образом, формирование шва осуществлялось за счет основного металла и дополнительно вводимого в сварной шов рения. При исследовании металла шва, выполненного без применения присадочной проволоки, можно было определить влияние рения на изменение свойств металла шва без учета изменений химического состава, происходящих при сварке с присадочной проволокой.

Сварка велась по режиму: Iсв = 920—950 a, Uд = 15—16 в, Vсв = 15 м/час. Погонная энергия при сварке составляла 11000—12000 кал/см. Схема вырезки образцов представлена на рис. 1.



Результаты испытания образцов из металла шва приведены в таблице и на рис. 2, из которых следует, что металл шва без рения имеет более высокие прочностные характеристики, чем основной металл (в среднем на 5 кгс/мм2). Это объясняется воздействием высоких скоростей охлаждения при сварке. Введение рения в металл шва в малых количествах (0,1—0,2%) приводит к одновременному повышению прочностных и пластических свойств по сравнению с металлом шва без рения Дальнейшее увеличение содержания рения приводит к еще большему росту прочностных характеристик, но при этом происходит снижение пластических свойств; наиболее заметно снижается относительное сужение при содержании в металле шва более 0,4% Re. Максимальные значения временного сопротивления и предела текучести при содержании в металле шва до l% Re составляют соответственно 109,5 и 96,5 кгс/мм2, что примерно на 20% выше, чем в исходном состоянии, при относительном удлинении, близком к относительному удлинению шва без рения. Ударная вязкость металла шва при увеличении содержания рения до 0,4% выше, чем ударная вязкость основного металла. Снижение ударной вязкости металла шва ниже ударной вязкости основного металла наблюдается только у образцов, в которых содержалось 0,8—1,0% Re.

Как следует из рис. 3, где приведены макроструктуры металла шва с различным содержанием рения, максимальное измельчение макроструктуры получено на образце, содержавшем 0.2% Re. Проведенные опыты подтвердили результаты исследования С.М. Гуревича, которым было установлено, что малые добавки рения — в пределах 0,1—0,2% — приводят к измельчению макроструктуры металла шва. Дальнейшее увеличение содержания рения не только не приводит к измельчению макроструктуры, но и делает ее более грубой.

Изучение микроструктуры показало, что введение рения приводит к утонению внутризеренной структуры при содержании рения до 0,2% (рис. 4, а, б). При содержании рения более 0,2% (рис. 4, в, г) структура металла шва становится более грубой. Введение рения, по-видимому, оказывает определенное воздействие на процесс превращения в—>а; изменяется не только соотношение между этими фазами, но и характер продуктов распада в-фазы.



Введение в металл шва электролитического рения в количествах, не превышающих 0,2%, приводит к измельчению макроструктуры и повышению прочностных характеристик без снижения пластичности и ударной вязкости. При содержании рения от 0,2 до 0,4% начинает происходить некоторое снижение пластичности. При более высоком содержании рения (до 1%) наблюдается образование металла шва с грубой макроструктурой, дальнейшее повышение прочности, снижение пластичности и ударной вязкости.