{{l10n_strings.DRAG_TEXT_HELP}}

{{article.content_lang.display}}

{{l10n_strings.AUTHOR_TOOLTIP_TEXT}}

Защита от коррозии сварных швов трубопроводов

Трубопроводные сети являются безопасным и эффективным средством транспортировки значительных объемов сырой нефти и природного газа по суше или через водоемы.Когда дело доходит до защиты оборудования трубопровода от коррозии, трубы, длина которых обычно составляет 12 метров, получают на сталелитейном заводе, предварительно покрывают на заводе по нанесению покрытий, нанизывают вместе и сваривают в полевых условиях на строительной площадке. Тип используемого внешнего покрытия зависит от многих факторов, но, исходя из требований глобального антикоррозионного покрытия, чаще всего используются трехслойные полиолефиновые покрытия. Трехслойные полиолефиновые системы состоят из эпоксидной смолы, связующего клея или сополимера и листа полиэтилена высокой плотности или полипропилена в качестве верхнего покрытия.Для достижения однородного защитного покрытия по всей длине трубопровода в полевых условиях используются аналогичные системы для покрытия сварных соединений, образующихся после укладки секций труб на место. В течение многих лет стандарты для этих покрытий, наносимых в полевых условиях, были ниже, чем стандарты для систем, применяемых в заводских условиях, для длин труб, учитывая, что ранние применяемые в полевых условиях технологии не могли обеспечить такой же уровень производительности. Однако достижения в технологиях нанесения покрытий и автоматизированного нанесения позволяют применять термоусадочные системы в полевых условиях, которые обеспечивают такую ​​же или лучшую защиту, чем та, которую обеспечивают покрытия, наносимые в заводских условиях.

На трубы длиной (обычно 12 метров) наносят покрытие на трубном заводе или на заводе по нанесению покрытий, причем каждый конец остается без покрытия (обрезка стали без покрытия примерно 150–200 мм на каждом конце). Эти концы затем привариваются в полевых условиях. Затем этот сварной шов (полевой шов) покрывается в полевых условиях. По словам Джаррода Шугга, менеджера Shawcor по глобальному маркетингу продукции Canusa-CPS, защита трубопроводов от коррозии становится все более сложной задачей, особенно в нефтегазовой сфере. «Сегодня трубопроводы прокладываются в еще более удаленных местах, на большей глубине и в чрезвычайно суровых условиях, а также ожидается, что они будут работать при более высоких температурах жидкости.В результате необходимо, чтобы защитные покрытия, наносимые на трубопроводы, были бесшовными по всей длине, без расхождений между системами по длине труб и сварным швам », — отмечает он.

Поскольку трехслойные полиэтиленовые (3LPE) и трехслойные полипропиленовые (3LPP) полиолефиновые покрытия являются наиболее широко используемыми системами для внешней антикоррозионной защиты длин магистральных покрытий во всем мире, покрытия на основе полиолефинов используются для стыков на месте установки (например, полиэтиленовые покрытия). и термоусадочные рукава на полипропиленовой основе).Фактически, по словам Шугга, термоусадочные муфты являются предпочтительной технологией для защиты полевых стыков кольцевых сварных швов нефтегазовых, водопроводных и предварительно изолированных трубопроводов. «Термоусадочные муфты совместимы и практичны для простоты установки в полевых условиях, предлагая эксплуатационные характеристики или, в некоторых случаях, заводское качество в области стыков», — отмечает он.

Существует несколько различных типов термоусаживаемых покрытий, которые можно использовать для защиты сварных швов трубопроводов.В дополнение к трехслойным технологиям существуют двухслойные системы, и обе бывают разной ширины, длины и толщины, а также с различными типами адгезионных технологий. Выбор конкретной системы, по словам Шугга, основан на многих переменных, включая требования к проекту, допустимую подготовку поверхности, рабочую температуру трубопровода, береговые или морские методы строительства, условия окружающей среды, тип / условия совместимости покрытия магистрали, требования к продолжительности цикла, ожидаемые характеристики, расчетный срок службы трубопровода и, конечно же, стоимость.

Термоусаживаемые рукава содержат клеевой слой и полиолефиновую основу. Клей обычно представляет собой тип вязкоупругого, мастичного (на основе асфальта или бутила), гибридного, термоплавкого и / или сополимерного (полиолефин, модифицированный полярными группами, такими как карбоксильные и карбонильные заместители, для связывания полярного эпоксидного слоя со слоем неполярного полиолефина) . Мастики — это липкие, чувствительные к давлению и относительно мягкие клеи, которые текут при нагревании. Они более устойчивы к неблагоприятным условиям установки (например, к плохой подготовке поверхности), чем клеи-расплавы, которые более твердые и не липкие и обычно используются для приложений, требующих высоких рабочих температур.

Основа обычно представляет собой лист из сшитого (посредством излучения) полиэтилена или полипропилена с высокой или низкой плотностью, который предварительно растянут. При нагревании лист сжимается до своей первоначальной длины. Радиальные усадочные силы возникают по мере того, как муфта прилегает к трубе и вдавливает расплавленный клей в неровности поверхности трубы для улучшения сцепления. Гильзы обычно имеют толщину 2–3 мм, но если требуется дополнительная механическая защита, можно использовать и более толстые; В недавних морских проектах использовались рукава толщиной 6 мм.Выбор подложки зависит от условий строительства проекта, условий эксплуатации трубопровода и типа покрытия магистрали.

В типичных трехслойных покрытиях, наносимых на заводе, эпоксидная смола, связанная плавлением, обеспечивает отличную устойчивость к коррозии, а сополимер, который представляет собой химически модифицированный полиэтилен или полипропилен, в зависимости от верхнего слоя, связывает неполярный внешний слой полиэтилена или полипропилена с внешним слоем. полярная эпоксидная смола. Верхний слой полиолефина защищает эпоксидную смолу от внешних воздействий и поглощения влаги.Системы из полиэтилена используются для приложений с рабочими температурами до 80 ° C, а системы из полипропилена могут выдерживать более высокие температуры до 130 ° C.

Сегодня, благодаря усиленному контролю целостности активов и стоимости проектов новых трубопроводов, а также большей технической осведомленности о доступных вариантах покрытия и связанных с ними характеристиках производительности, владельцы трубопроводов имеют право рассмотреть возможность использования «сквозного» »Системы покрытия трубопроводов, по словам Шугга. «Сквозной процесс подразумевает реализацию всей системы защитного покрытия, разработанной с использованием одних и тех же материалов, соответствующих характеристик и полной совместимости с использованием комбинации как заводских, так и полевых процессов нанесения покрытий от общего производителя», — поясняет он. .Shawcor следует этому подходу, при этом покрытия магистральных трубопроводов и покрытия для полевых швов совместно разрабатываются, тестируются и применяются, обеспечивая стабильную работу по всей длине трубопровода без слабых звеньев в полевых стыках.

Системы Canusa-CPS от Shawcor также состоят из эпоксидного слоя, который наносится только на стальную обрезанную часть сварного шва и подвергается принудительной вулканизации, так что его можно полностью проверить перед нанесением внешних слоев. По словам Шугга, использование тех же сополимерных клеев и тех же сортов полиолефинов, что и те, которые наносятся на основные отрезки труб, обеспечивает такую ​​же механическую прочность и устойчивость к влагопоглощению.«Эти покрытия, наносимые в полевых условиях, сливаются вместе и неотделимы от основного покрытия в критической зоне перекрытия, поскольку используется та же технология сополимеров. Результатом являются стабильные характеристики покрытия, толщина и качество материала по всей длине трубопровода », — говорит он.

В дополнение к разработке этих более совершенных систем покрытия, обеспечивающих заводские характеристики, Shawcor разработала полностью автоматизированную систему для контроля применения своих лучших в своем классе термоусаживаемых рукавов в полевых условиях.По словам Шугга, система IntelliCOATTM состоит из панели управления, оснащенной ПЛК, и инфракрасной нагревательной катушки типа «раскладушка», соединенных прочными кабелями «plug-and-play». Одна панель управления может работать со стандартными размерами нагревательных змеевиков для покрытия трубопроводов с широким диапазоном диаметров. Нагревательный змеевик опускается на предварительно установленную термоусаживаемую втулку, а затем цикл нанесения запускается непосредственно с панели управления или с пульта дистанционного управления. Катушка удаляется по завершении цикла, который для типичных применений составляет около 2.5 мин.

«Программирование системы выполняется до начала проекта и полностью тестируется и проверяется, чтобы гарантировать удовлетворение конкретных потребностей проекта. Кроме того, рабочие параметры жестко контролируются, поэтому каждое покрытие наносится каждый раз одинаковым образом, что обеспечивает стабильное качество и повышенную производительность при одновременном снижении риска ошибки при нанесении », — утверждает Шугг. По словам Шугга, еще одним преимуществом является способность подрядчика точно прогнозировать суточную производительность, а также возможность достижения скорости до 15–20 стыков в час на систему как для наземных, так и для морских проектов.Операторы также получают выгоду из-за закрытой конструкции обогрева системы IntelliCOAT, повышающей безопасность оператора. Требуются только стандартные средства индивидуальной защиты. По словам Шугга, также нет необходимости в открытом пламени газовой горелки, обычно связанном с традиционными методами нанесения FJC.

Система IntelliCOAT успешно использовалась как на береговых, так и на морских проектах. Например, по словам Шугга, для проекта, завершенного в Западной Канаде, подрядчик по строительству трубопровода превысил требования к производительности, используя IntelliCOAT.В отношении морского проекта, охватывающего побережье Черного моря, Шугг отмечает, что система IntelliCOAT заменила дорогое и более сложное оборудование для литья под давлением. Он добавляет, что на сегодняшний день IntelliCOAT использовался в нескольких других наземных и морских проектах, чтобы покрыть более 35 000 стыков.

Краткий обзор последних тенденций

Материалы (Базель). 2020 Март; 13 (6): 1411.

Поступила в редакцию 13 февраля 2020 г .; Принято 16 марта 2020 г.

Abstract

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭА) возникли в начале XXI века как новые материалы, за которыми нужно постоянно следить. Фактически, в настоящее время, спустя 16 лет после того, как они были впервые упомянуты, было проведено множество исследований, касающихся свойств, микроструктуры и технологий производства HEA.Более того, сообщалось о выдающихся свойствах и возможностях таких сплавов. Однако следует рассмотреть способ соединения этих материалов, чтобы сделать такие материалы пригодными для инженерных приложений. Сварка — один из наиболее распространенных способов соединения материалов в машиностроении. Тем не менее, мало исследований посвящено усилиям по сварке HEA. Следовательно, необходимо расширить исследования в отношении свариваемости HEA. Эта работа направлена ​​на то, чтобы представить краткий обзор того, что было сделано за последние годы, и каковы наиболее распространенные методы сварки, которые используются для HEA.В нем также исследуются измеряемые свойства сварных HEA, а также основные проблемы, с которыми сталкиваются исследователи. Наконец, это дает перспективу для этой области исследований.

Ключевые слова: высокоэнтропийных сплавов, методы сварки, микроструктура зоны сварки, свойства сварного соединения

1. Введение

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭА) появились в начале этого века как перспективные материалы для инженерных приложений. Их уникальный состав, микроструктура и свойства являются наиболее привлекательными характеристиками, и по этой теме было опубликовано невероятное количество статей.Согласно базе данных Scopus, публикации включают более 7000 исследовательских работ, 300 обзорных статей и восемь книг за 16 лет, поскольку эти сплавы были впервые опубликованы исследовательскими группами Кантора [1] и Йе [2,3,4,5, 6]. Возникает вопрос, что же делает эти сплавы такими особенными. Фактически, многоосновный элемент в отличие от традиционных всего одного или двух основных элементов, которые человечество использовало при разработке металлических сплавов на протяжении веков, приводит к интересным открытиям.Множественные основные элементы будут отвечать за увеличение конфигурационной энтропии сплава и, следовательно, предпочтение однофазного материала вместо микроструктуры с несколькими фазами [6]. Эта невероятная микроструктура привела к замечательным механическим и функциональным свойствам этих сплавов [7,8,9,10,11,12,13]. Gludovatz et al. [7] изучали сопротивление разрушению HEA. Авторы сообщили, что эти HEA смогли сочетать высокую вязкость разрушения, превышающую 10 ² МПа.м ^1/2 , с высоким пределом текучести, выше 1,1 ГПа. Более того, эти HEA демонстрируют самое высокое соотношение между прочностью и пластичностью среди всех материалов по сравнению с другими классами материалов, такими как нержавеющая сталь, низколегированная сталь, суперсплавы на основе никеля, металлические стекла, полимеры и керамика, даже при криогенных температурах. Это примечательная особенность этих сплавов, которая способствует их использованию в инженерных приложениях. Тем не менее, очень важно понимать поведение этих сплавов во время обработки и изготовления для достижения практического использования.

Сварка — это технология изготовления, которая используется в различных отраслях промышленности. Более того, это, безусловно, наиболее часто используемый метод соединения металлических материалов. Сварочные технологии можно разделить на твердые и жидкие. Сварка в жидком состоянии основана на плавлении металла при сварке. Методы, основанные на использовании газооксиацетилена, экранирующей металлической дуги (SMAW), газо-вольфрамовой дуги (GTAW), газо-металлической дуги (GMAW), электрошлака (ESW) и других, а также пучка высокой энергии, такого как электронный пучок Сварка (EBW) и сварка лазерным лучом (LBW) являются наиболее часто используемыми методами сварки в жидком состоянии [14].Сварка в твердом состоянии определяется как процесс соединения без образования жидкой / паровой фазы и с использованием давления. Сварка трением (FW) и трением с перемешиванием (FSW) — некоторые известные методы в этом классе [15,16,17,18]. Очевидно, что каждый способ сварки имеет существенные различия с точки зрения подготовки шва и толщины образца, а также скорости и подводимой энергии к сварному шву. Например, тепловая плотность метода GMAW составляет около 10 ⁵ Вт / см ² , в то время как для EBW эта плотность может достигать 10 ⁸ Вт / см ² [19].Такие различия будут напрямую влиять на качество и свойства сварного соединения [20,21].

Немногие работы действительно объединяли оба предмета, несмотря на вышеупомянутую важность HEA и широко используемые методы сварки для соединения металлических материалов. При сравнении количества публикаций, касающихся свойств или характеристик HEA, и тех, в которых так или иначе обсуждалась сварка в этих сплавах, на самом деле это касалось менее 0,5%. Поведение нового сплава во время сварки считается ключевой технологической проблемой.HEA не являются исключением, и необходимо изучить и понять поведение сплава при воздействии термического цикла сварки. Исследование сплава, который может быть сварен или соединен без ухудшения качества, независимо от того, влияет ли это на микроструктуру или свойства сварного шва (во время / после сварки) и в течение предполагаемого срока службы, является обязательным для его потенциального использования в качестве конструкционного материала для конструкционных приложений [22]. В этом контексте цель данного краткого обзора состоит в том, чтобы охватить то, что было сообщено о сваренных на сегодняшний день ВЭЗ, включая влияние методов сварки и параметров на свойства и микроструктуру материала, а также критически оценить достигнутые достижения и перспективы. что еще впереди в будущие годы.

2. Методы сварки в HEA

Дуговая сварка вольфрамовым электродом (GTAW) — хорошо известный метод дуговой сварки для соединения металлических материалов, особенно высоколегированных [14]. В этом процессе используется неплавящийся вольфрамовый электрод для создания сварного соединения путем плавления основного металла. Кроме того, зона сварки защищена от атмосферного загрязнения инертным защитным газом, например, аргоном или гелием. В одной из первых статей о сварке HEA Sokkalingam et al.[23] использовали метод GTAW для сварки сплава Al _0,5 CoCrFeNi. Параметры 40 А для тока, 12 В для напряжения и 80 мм мин. ^-1 для скорости сварки были выбраны для соединения пластин HEA 2,5 мм. Основным достижением этой работы было значительное измельчение зерен от 60 мкм в основном металле до диапазона 8–12 мкм в зоне плавления. Тем не менее, было зарегистрировано снижение прочности и пластичности примерно на 6,4 и 16,5% соответственно по сравнению с основным металлом.отображает микроструктуру сварных зон, а также измеренные характеристики растяжения этой работы. Точно так же Ву и др. [24] сварили сплав CoCrFeMnNi, используя GTAW. Листы толщиной 1,6 мм сваривали встык, используя в качестве параметров сварки напряжение 8,4 В, ток 75 А и скорость 25,4 мм мин. ^-1 . Никаких трещин или значительной микросегрегации не было.

Газовольфрамовая дуга (GTAW) для сварки сплава Al _0,5 CoCrFeNi ( a ) микроструктура зоны основного металла (BM), ( b ) BM + HAZ + FZ область, ( c ) FZ микроструктура и ( d ) сравнение механической прочности БМ и сварного образца.По материалам [23].

Недавно о сварке высокоэнтропийными сплавами сообщалось в нескольких публикациях [25,26,27,28]. Высокая концентрация тепла от лазера или электронного луча создает узкую зону термического влияния в материале и позволяет достичь высоких скоростей сварки по сравнению с методами дуговой сварки. Chen et al. [25] смогли успешно использовать мощный твердотельный лазер для сварки пластин из высокоэнтропийного сплава CoCrFeMnNi. Мощность лазера составляла 2 кВт, величина дефокусировки +2 мм, скорость перемещения лазерного пятна 1 м мин ^-1 , расход защитного газа аргона 30-40 л мин.^-1 были параметрами, использованными в волоконном лазере YLS10000 (American IPG Company, Оксфорд, Массачусетс, США, США, чтобы произвести сварное соединение. При рассмотрении сплава HEA Cantor одного и того же состава, обработанного в двух различных условиях (литье и прокат), Nam et al. [26] использовали лазерную сварку для изучения влияния различных скоростей сварки на их микроструктуру. Размеры образцов для стыковой сварки составляли 100 × 20 × 1,5 мм ³ и мощность лазера Nd: YAG 3,5 кВт, диаметр пучка 300 мкм. , с фокусным расстоянием 304 мм, при сварке не использовался защитный газ.Скорость сварки находилась в диапазоне 6–10 м мин ^–1 . демонстрирует результат такого расследования. Авторы сообщили о хорошей свариваемости сплава CoCrFeMnNi без макродефектов, таких как внутренние поры и трещины, при всех режимах сварки. Кроме того, усадочные пустоты наблюдались в междендритной области вблизи центральной линии металла шва, и объемная доля этих пустот уменьшалась по мере увеличения скорости сварки.

Сравнение сварочной микроструктуры сплава CoCrFeMnNi в литом (слева) и прокатном (справа).Образцы, сваренные LBW с разными скоростями ( a ) 6 м мин ^-1 , ( b ) 8 м мин ^-1 и ( c ) 10 м мин ^-1 . По материалам [26].

Sokkalingam et al. [27] сварили HEA Al _0,5 CoCrFeNi с толщиной пластины 2,5 мм, используя волоконно-оптический лазерный источник с мощностью луча и поперечной скоростью 1,5 кВт и 600 мм min ^-1 соответственно. показывает, что лазерная сварка привела к микроструктуре зоны сварки (WZ) с более низкой степенью сегрегации Al-Ni по сравнению с зоной основного металла (BM).Это микроструктурное различие было связано с отсутствием диффузии в образовании фазы Al-Ni при быстром затвердевании.

Сравнение микроструктуры ( a ) BM и ( b ) WZ Al _0,5 CoCrFeNi HEA. Врезка EDX-картирования Al и Ni обоих регионов. По материалам [27].

Что касается методов сварки в твердом состоянии для HEA, Zhu et al. [29,30] обсуждали возможность использования сварки трением с перемешиванием (FSW) в качестве метода сварки для получения прочных соединений в HEA.Действительно, авторы смогли сварить высокоэнтропийные сплавы Co ₁₆ Cr ₂₈ Fe ₂₈ Ni ₂₈ и CoCrFeNiAl _0,3 при использовании этого метода. а показывает, как протекает этот процесс, параметры и микроструктурные зоны, созданные с помощью этого метода. Сварочный процесс проводился на машине FSW с регулируемой нагрузкой и сварочным инструментом на основе WC-Co. Скорость сварки составляла 30 мм мин. ^–1 и 50 мм мин. ^–1 , в то время как скорость вращения и сила нагрузки поддерживались постоянными при 400 об / мин и 1500 кг, соответственно.Диаметр выступа и штифта составляет 12 мм и 4 мм соответственно, при длине штифта 1,8 мм. Авторы сообщили, что в зоне перемешивания были обнаружены частицы, богатые W, что было связано с трением между вращающимся инструментом на основе WC-Co и материалом, хотя в обоих случаях сварка считалась успешной. Ли и др. [31] изучали вариант сварки трением с перемешиванием с помощью роторного сварочного аппарата (HSMZ-20, Харбинский институт сварки, Харбин, Китай) для сварки AlCoCrFeNi _{2.1 сплав} . Такой способ сварки представляет собой процесс сварки в твердом состоянии с некоторыми интересными преимуществами, такими как: высокая производительность сварки, низкое тепловложение, отличное качество сварки и, в отличие от FSW, не было зарегистрировано никаких загрязнений. b иллюстрирует процесс ротационной сварки трением (RFW), а также образцы, которые были изготовлены Ли и др. в этой работе. Что касается параметров, то скорость вращения поддерживалась постоянной на уровне 1500 об / мин, а давление трения варьировалось от 80 до 200 МПа. Авторы показали, что в микроструктуре этих материалов можно наблюдать четыре различные зоны: основной металл (BM), зона термического влияния (HAZ), зона термомеханического влияния (TMAZ) и зона динамической рекристаллизации (DRZ).Кроме того, было обнаружено, что повышение давления до 200 МПа заметно улучшило качество сварного шва, так что испытание на растяжение для этого условия привело к распространению трещины в зоне BM, в отличие от других условий, в которых трещины образцов в зоне сварки (ЗЗ).

Схематическое изображение и изготовленные образцы ( и ) сварки трением (FSW) и (b ) ротационной сварки трением (RFW). Адаптировано из [29,30,31].

Другой интересный метод сварки, о котором недавно было сообщено для HEA, — это диффузионная сварка [32,33].Как и следовало ожидать, в этом методе металлургическое связывание сплавов зависит от диффузии элементов от одного металлического блока к другому. Поэтому два металлических блока помещают в вакуумную камеру при определенном давлении, температуре (от 0,6 до 0,8 от температуры плавления) и в течение определенного времени. Применяемые параметры зависят от материалов, свариваемых этим методом диффузионной сварки. Lei et al. [32] исследовали разнородное соединение однофазного граневого центра кубического Al _0.85 Сплав CoCrFeNi и интерметаллид TiAl при использовании прямой диффузионной сварки в вакууме. Для данной работы диапазон температур 750–1050 ° С, время выдержки 30–120 мин. и постоянное давление 30 МПа, были использованы для оценки свариваемости этого разнородного соединения. а показывает типичную микроструктуру поверхности раздела, которая наблюдалась для TiAl / Al _0,85 CoCrFeNi. Следует отметить, что появление такой градиентной микроструктуры напрямую связано со скоростью диффузии каждого элемента HEA, а также TiAl.Авторы предлагают четыре стадии диффузионного связывания соединения HEA / TiAl. На первом этапе имел место физический контакт основных материалов с низкой степенью диффузии атомов и без образования реакционного слоя. На втором этапе большое количество атомов Ni и Co диффундировало в TiAl. Следовательно, наблюдается, что образование α ₂ -фазы и твердого раствора упрочняет γ-TiAl. На третьем этапе наблюдается формирование слоя Ti (Ni, Co) ₂ Al и Cr (Fe, Ni) ss.На этом этапе формируются диффузионные слои и наблюдается надежная металлургическая связь. Наконец, на четвертой стадии происходит рост диффузионных слоев. Этот поздний рост может быть связан с медленным диффузионным характером FCC-структурированного AlCoCrFeNi HEA. b представляет собой композиционное распределение элементов по градиентной микроструктуре, отмеченной желтыми точками на диаграмме a. Буква b помогает понять эволюцию микроструктуры соединения и появление интерметаллических фаз.Такие интерметаллиды, как фазы с высоким содержанием хрома, Ti _3, Al и FeNi, считались ответственными за повышение твердости в каждой области, как показано в c.

Типичная внутренняя микроструктура разнородной диффузионной связи ( a ), композиционное распределение элементов через градиентную микроструктуру ( b ) и ( c ) измеренная твердость по Виккерсу в различных слоях, образующих сварное соединение. По материалам [32].

3. Свойства сварных HEA

Процесс сварки HEA напрямую влияет на некоторые свойства таких материалов.Фактически, многие из этих свойств измеряются, чтобы оценить, действительно ли качество сварки было удовлетворительным. Микроструктура может представлять собой изменение размера зерна, выделение вторичных фаз, сегрегацию и искажения решетки. Таким образом, условия эксплуатации в условиях коррозии, усталости и ползучести значительно изменяются. Кроме того, механические свойства, такие как прочность на разрыв, пластичность и твердость, также являются важными параметрами для оценки сварки.

Al _0,5 Сплав CoCrFeNi показал лучшую коррозионную стойкость, чем нержавеющая сталь 304, но с повышенной прочностью [34].Sokkalingam et al. [27] изучили коррозионную стойкость этого свариваемого сплава, чтобы проверить, может ли процесс сварки ухудшить его. Было замечено, что WZ показал более высокую плотность тока коррозии (2,83 × 10 ⁻⁵ мА / см ² ), чем BM (8,63 × 10 ⁻⁶ мА / см ² ), что показало более высокую степень коррозии. показатель. Сварное соединение BM + WZ привело к тому, что WZ действовал как катод, а BM действовал как анод, что могло привести к коррозии вторичных фаз и частиц в BM в первую очередь, так как сварная деталь подвергается воздействию коррозионной среды.Кроме того, наблюдалась глубокая ямочная коррозия на границе между ЗЗ и зоной ОМ. Это явление было связано с растворением богатых алюминием частиц в зоне ОМ вблизи границы раздела. a показывает коррозионное поведение такого сварного соединения, в то время как на b можно наблюдать глубокую ямочную коррозию, которая происходит вблизи границы раздела WZ + BM.

( a ) Коррозионное поведение и ( b ) глубокие ямки вблизи границы раздела между WZ и BM Al _0,5 CoCrFeNi HEA.По материалам [27].

В другом исследовании, посвященном свойствам сварных соединений HEA, Wu et al. [24] сравнили микроструктуру и механические свойства сплава CoCrFeMnNi, сваренного GTAW и электронно-лучевой сваркой (EBW). Несмотря на низкую скорость процесса для процесса EBW, 38 мм мин. ^-1 , по сравнению с процессом GTAW, 25,4 мм мин. ^-1 , можно было наблюдать заметную разницу в микроструктуре по сравнению с каждым случаем. . Зона сварки GTAW не менее 2.В 5 раз шире зоны сварки ЭЛС, 3,3 и 1,3 мм соответственно, что, очевидно, связано с подводом тепла в каждой технике. Более того, оба сварных шва демонстрируют столбчатые зерна текучести, которые растут в направлении максимального температурного градиента в направлении границы раздела твердое тело-жидкость. Были проанализированы механические свойства прочности на разрыв и пластичности, a – c. Как для условий GTAW, так и для EBW, деформация текучести была увеличена по сравнению с основным металлом, но только сварной шов EBW смог сохранить аналогичные характеристики предела прочности на растяжение.В обоих случаях пластичность была уменьшена: 15% для GTAW, 27% для EBW против 38% для BM. Кроме того, составление карты полученной сварки показало истощение Mn в зоне сварного шва для метода EBW, где указаны атомные процентные содержания Mn в диапазоне от 13 до 18 ат.%. Это истощение было связано с испарением Mn из-за высокой плотности мощности процесса сварки EBW. В самом деле, этого следовало ожидать, поскольку Mn является элементом с самой низкой температурой плавления и самым высоким давлением испарения в сплаве Кантора.С другой стороны, подвод энергии для метода GTAW не повлиял на местный состав сплава Кантора, и атомное процентное содержание всех элементов поддерживалось около 20 ат.%.

Сравнение механических свойств CoCrFeMnNi HEA, сваренных разными методами ( a ) предел текучести, ( b ) предел прочности при растяжении и ( c ) относительное удлинение.

Jo et al. [28] также провели сравнительное исследование свойств CrMnFeCoNi HEA, сваренного методом FSW и LBW.Как для FSW, так и для LBW HEA макроскопических дефектов не наблюдалось. Прочность и пластичность сваренных образцов были сопоставимы с БМ. Образец FSW имел относительно более высокий предел текучести (296 МПа) по сравнению с BM (272 МПа). Потеря пластичности в образце FSW (9%) была меньше, чем в образце LBW (16%) по сравнению с BM, была связана с измельчением зерна из-за динамической рекристаллизации в процессе FSW. Подобно тому, что Wu et al.[24] сообщили для EBW, метод LBW также обращался к большому вкладу энергии, что приводит к флуктуациям в составе FZ с появлением фаз, богатых Mn и Fe. Разрушение при растяжении, как правило, происходило в BM вдали от центра сварного шва в образце FSW, в то время как в образце LBW разрушение происходило в FZ. Поверхность излома как на образцах FSW, так и на образцах LBW показала признаки ямчатого разрушения, что типично для вязкого разрушения. a – c сравнить механические свойства соединения из сплава Кантора с помощью этих различных методов сварки.

Кашаев и др. В [35] для стыковых соединений сплавов CoCrFeMnNi использовалась LBW с мощностью лазера 2 кВт, диаметром сердечника 300 мкм, фокусным расстоянием 300 мм, положением фокуса 0,0 мм и скоростью сварки в диапазоне 3–6 м мин. ^–1 . Было замечено, что процесс сварки привел к выделению карбидов M ₇ C ₃ вдоль ГЦК-матрицы. Выделение этой вторичной фазы повысило твердость со 150 до 205 HV в BM и WZ соответственно. Авторы также оценили влияние такой техники сварки на усталостное поведение сплава.Существенной разницы между исследованными условиями не наблюдалось. Кроме того, для обоих условий был определен предел выносливости 200 МПа. Из-за более высокой прочности сварного шва разрушение происходит в BM, и любые возможные концентраторы напряжений в сварном шве, а также на границах WZ / HAZ или HAZ / BM не играют какой-либо существенной роли. a – d представить результаты этого расследования. а показывает распределение твердости по длине материала. b поведение материала показано при циклах усталости.Важно отметить, что для циклов выше 10 ⁷ оба условия достигли плато, которое было связано с пределом выносливости материала. Наконец, c, d показывают микроструктуру материалов после спекания (BM) и материала LBW после 10 ⁷ циклов соответственно. В обоих случаях следует наблюдать высокую плотность дислокаций, но в d указано присутствие карбидов M ₇ C ₃ , которые, кажется, блокируют дислокации вокруг себя.

( a ) Распределение твердости по различным участкам CoCrFeMnNi HEA, ( b ) усталостное поведение этого сплава после спекания и LBW, микроструктура сплава ( c ) после спекания и ( d ) лазерная сварка (LBW) после 10 ⁷ циклов. По материалам [35].

В некоторых случаях даже улучшение свойств было получено в WZ по сравнению с BM. Шайсултанов и др. [36] использовали СТС для стыкового соединения модифицированного сплава CoCrFeMnNi толщиной 2 мм.Наряду с основными элементами в сплав добавлено 0,9 ат.% C. В результате была получена микроструктура сплава HEA, которая состояла из гранецентрированной кубической матрицы и мелких богатых хромом карбидов M ₂₃ C ₆ . Использование СТС для стыкового соединения образцов ВЭА из CoCrFeNiMn, легированного углеродом, позволило получить прочный сварной шов без каких-либо трещин или пор. Более того, наблюдалось умеренное измельчение микроструктуры, поскольку размер зерна в BMl, как измерено, составлял 9,2 мкм, тогда как он составлял 4.6 мкм для WZ. Утверждалось, что измельчение зерна является одним из преимуществ FSW, и аналогичные результаты были получены для Co ₁₆ Cr ₂₈ Fe ₂₈ Ni ₂₈ [29], CoCrFeNiAl _0,3 [30] и CoCrFeNiMn. [28]. Кроме того, это изменение микроструктуры приводит к заметному улучшению механических свойств, таких как предел текучести и предел прочности при растяжении. Напротив, пластичность была нарушена. Однако также важно отметить, что отказ произошел в БМ, а не в WZ.показывает размер зерна в трех различных областях вдоль сварного шва, а также показывает предел прочности на разрыв как BM, так и WZ.

Размер зерен в трех различных областях сплава CoCrFeMnNi, сваренных методом СТП, и механические свойства. По материалам [36].

обобщает основные параметры, диапазон и ссылки на сплавы, которые были сварены с помощью каждой технологии, обсуждаемой в этом кратком обзоре.

Таблица 1

Параметры и методы сварки, указанные для высокоэнтропийных сплавов (ВЭА).

4.Проблемы и перспективы на будущее

В инновационной работе Hao et al. [39] предложили возможность использования HEA (CoCrFeNi) _100-x Cu _x в качестве присадочного металла в гибридной структуре между нержавеющей сталью 304 и титановым сплавом TC4, как в a. б показывает, что усиление сварного шва имело некоторые дефекты поднутрения, поры и включения шлака. Между нержавеющей сталью WZ и 304 не наблюдалось явной границы раздела, что позволяет предположить, что для этих материалов была достигнута надежная металлургическая связь.Однако между титановым сплавом ТС4 и WZ образовался тонкий переходный слой. Этот переходный слой можно разделить на две разные области: обедненный титаном и богатый титаном слой, как показано на c. Все соединения вышли из строя через переходную зону Ti / Cu, проявляя хрупкую природу с типичными характеристиками трещинного разрушения. Несмотря на неудачную попытку соединить эту гибридную структуру, такой подход с тщательной оценкой эволюции микроструктуры границы раздела BM / WZ, а также композиционное соответствие между свариваемыми материалами и присадочным металлом может представлять собой важную стратегию для гибридной сварка конструкций.

( a ) Схематическое изображение разнородной сварки между сплавом Ti TC4 и нержавеющей сталью 304 с использованием HEA в качестве присадочного металла, ( b ) макроскопический аспект сварки и ( c ) слой, образованный между WZ и TC4 титан. По материалам [39].

Об использовании пайки и сварки также сообщалось вместе с HEA [40,41]. Lin et al. [40] исследовали непохожую инфракрасную пайку эквиатомного высокоэнтропийного сплава CoCrFeMnNi и нержавеющей стали 316.В этом исследовании два наполнителя на основе никеля (BNi-2 и MBF601) были исследованы в качестве кандидатов для создания соединения CoCrFeMnNi / 316 SS. Как и ожидалось, наблюдается тенденция к развитию микроструктуры в соединении, и наблюдались осаждения богатых фтором соединений на границах зерен основного металла CoCrFeMnNi, а также на подложке из нержавеющей стали 316 SS. Наибольшая прочность на сдвиг была получена для соединения из нержавеющей стали CoCrFeMnNi / BNi-2/316, 374 МПа при пайке при 1020 ° C в течение 600 с, по сравнению с 324 МПа, которое было получено для стыка из нержавеющей стали CoCrFeMnNi / MBF601 / 316, припаянного при 1080 ° C в течение 600 с. с.Используя другой подход, Bridges et al. [41] изучали параметры и эффекты использования NiMnFeCoCu HEA в качестве присадочного металла для лазерной пайки суперсплава никеля Inconel® 718. Авторам удалось добиться надежной металлургической связи: а. Более того, было замечено, что если температура пайки намного выше температуры ликвидуса, прочность пайки на сдвиг снижается, как показано на b.

Пайка разнородных соединений между HEA и Inconel 718. ( a ) Металлургическая связка и ( b ) соотношение между прочностью на сдвиг и температурой пайки.По материалам [41].

Abed et al. [37] использовали процесс GTAW, чтобы добавить упрочняющий слой HEA в подложку из углеродистой стали. Это можно рассматривать как еще одну интересную стратегию приваривания HEA к другой подложке, поскольку присадочный стержень HEA добавлялся слой за слоем, как в a. В данном исследовании в качестве наполнителя был выбран Fe ₄₉ Cr ₁₈ Mo ₇ B ₁₆ C ₄ Nb ₆ . Полученная микроструктура состояла из матрицы α-Fe с осажденными частицами Mo ₂ FeB ₂ и NbC, которые существенно повышали твердость и износостойкость материала.Наблюдались высококачественные многослойные отложения без трещин с отличной металлургической связью с основным металлом из углеродистой стали, как в b.

Схематическое изображение использования сварного слоя за слоем HEA в подложке из углеродистой стали и вставка сформированной границы раздела. По материалам [37].

В настоящей работе обсуждались многие интересные методы, свойства и возможности сварки в HEA. Тем не менее, следует знать, что большинство опубликованных работ основано на применении сплава Кантора, его вариантов или его модификации.CoCrFeMnNi HEA, безусловно, является наиболее изученным среди всех возможных сплавов благодаря своим свойствам при комнатной и криогенной температуре, компромиссу между прочностью и ударной вязкостью, а также синергии их основных элементов [42]. Тем не менее, это лишь одна возможность в безграничном композиционном гиперпространстве. Миракл и Сенков [43] классифицировали HEA на семь возможных семейств и предположили, что более 500000 HEA можно произвести, если рассматривать только эквиатомные конфигурации с пятью основными элементами.Таким образом, очевидно, что до сих пор сообщается и обсуждается только минимальное количество потенциальных применений HEA. Это особенно верно в отношении сварки таких материалов, где до сих пор исследованы только «самые легкие» случаи.

Сварка HEA, в которой основные элементы имеют значительные различия в температуре плавления, может рассматриваться как большая проблема. Chen et al. [44] предположили, что испарение элементов с низкими температурами плавления приводит к затруднению надлежащего контроля химического состава производимого сплава.Вышеупомянутая работа Wu et al. [24] доказывает эту гипотезу. Фактически, в их работе было обнаружено истощение Mn в WZ из-за высокого энергозатрат при ЭЛС и самой низкой температуре плавления Mn по сравнению с другими основными элементами в сплаве Кантора. Более того, Степанов и др. [45] удалось получить высокоэнтропийный тугоплавкий сплав AlNbTiV с прочностью на сжатие более 1 ГПа и плотностью приблизительно 5,6 г / см ³ . Несмотря на эти замечательные свойства, следует задаться вопросом, как сваривать такой материал, если температура плавления Nb составляет 247 ° C, а температура испарения Al составляет 2470 ° C.Адаптация методов твердотельной сварки, таких как FSW или RFW, может дать возможные решения в этом случае. Новые технологии обработки, такие как быстро развивающееся аддитивное производство металлов, могут быть полезны при производстве HEA с контролируемой микроструктурой и улучшенными свойствами, а также компонентов с высокой сложной геометрией и высокой свободой проектирования [46]. В этом послойном процессе изготовления металлические материалы соединяются друг с другом путем спекания или плавления с использованием источника высокой энергии, такого как лазер высокой мощности, электронный луч или плазменная дуга.Джозеф и др. [47] столкнулись с трудностями при получении желаемой микроструктуры Al _0,6 CoCrFeNi, полученной прямым лазерным осаждением (мощность лазера 800 Вт, диаметр фокуса луча 4 мм и скорость 800 мм мин. ^-1 ). Причина была связана с более высокой скоростью охлаждения и гораздо большим температурным градиентом, чем традиционные методы, такие как дуговая плавка. Интересно отметить, что параметры имеют ту же величину LBW, что и на рис. Таким образом, этот процесс можно рассматривать как локализованный метод послойной сварки.Фактически, большинство проблем, возникающих при сварке HEA, также наблюдается при аддитивном производстве этих сплавов. Ocelik et al. [48] ​​сосредоточили свое исследование на влиянии параметров лазерной обработки на производство AlCoCrFeNi HEA. Отклонение от исходного химического состава, так как концентрация элемента будет выше, чем ниже его температура плавления, и пористость были одними из часто упоминаемых дефектов. Таким образом, понимание и оптимизация параметров могут быть полезны как для аддитивного производства, так и для LBW в HEA.

Наконец, другие важные моменты, на которые следует обратить внимание, включают геометрию свариваемых образцов, а также термообработку и защиту от возможного загрязнения во время сварки. Фактически, большинство статей о сварке ВЭЗ, обсуждаемых в этом кратком обзоре, ограничивали свое исследование конфигурацией стыкового соединения, которая является самой простой из возможных. Следует дополнительно изучить сложные конфигурации, близкие к условиям эксплуатации, такие как угловые, краевые и тройники, а также то, как тепловложение и количество энергии повлияют на качество сварного соединения.Следует провести исследование различных режимов термообработки, с предварительным или послесварочным нагревом, связанным с технологией сварки, или без него, чтобы проверить влияние на механические свойства и микроструктуру для каждого условия сварки HEA.

5. Выводы

В данном кратком обзоре обсуждались недавние разработки в области сварки высокоэнтропийных сплавов (ВЭА) и то, как различные возможные методы сварки влияют на микроструктуру, механические свойства и условия эксплуатации, такие как усталость и коррозия. поведение в этом новом классе материалов.

• Сообщалось о нескольких методах обеспечения надежного металлургического соединения в HEA. Обсуждалась сварка в жидком состоянии, такая как GTAW, LBW и EBW, а также сварка в твердом состоянии, такая как FSW, RSW и диффузионная сварка.

• Уменьшение размера зерна, динамическая рекристаллизация, повышение твердости, выделение вторичной фазы, снижение пластичности и упрочнение материала были одними из подробно обсуждаемых явлений, связанных со сваркой HEA.Более того, CoCrFeMnNi, который является одним из наиболее изученных HEA, также сравнивался с точки зрения различных методов и параметров сварки, а также механических свойств и эволюции микроструктуры.

• Для методов сварки с высокими энергозатратами, таких как LBW и EBW, потеря элементов с низкими точками плавления и испарения, таких как Mn и Al, представлялась проблемой для контроля химического состава желаемого сплава.

• Были представлены различные подходы к использованию HEA в качестве присадочного материала для гибридных структур, таких как пайка, сварка разнородных соединений и послойная сварка по сравнению с аддитивным производством.

Наконец, эта специфическая область сварки все еще развивается маленькими шагами, поскольку HEA представляет безграничные возможности свойств и перспектив для применения в ближайшем будущем.

Благодарности

Авторы благодарят за поддержку этого исследования бразильские агентства: CNPq, CAPES и FAPERJ.

Вклад авторов

Концептуализация, F.C.G.F., S.N.M .; Методология, F.C.G.F .; Расследование, F.C.G.F., Письмо — подготовка оригинального проекта, F.C.G.F .; Написание — просмотр и редактирование, S.N.M .; Надзор, С.Н.М .; Администрация проекта, S.N.M .; Финансирование, F.C.G.F., S.N.M. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Это исследование частично финансировалось Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior-Brasil (Capes) — финансовый код 001.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

Типы сварных соединений — Hong Ky Welding Machine

При сварке плавлением (дуговой и газовой) пять основных соединений, которые обычно используются для большинства сварных швов, включают: соединение внахлест, стыковое соединение, угловое соединение, тройник, и последнее — краевое соединение

Внахлест:

Соединение внахлест закрывается путем нахлеста двух пластин и сварки кромок пластин.Его цель — объединить пластины толщиной 3 мм и менее. Соединение внахлестку может быть одинарным поперечным, двойным поперечным и параллельным

Сварочные стили, используемые для стыковых соединений:

• Сварка пазом
• Электрозаклепка
• Сварка под фаску
• Точечная сварка
• Сварной шов под развальцовку, под фаску
• Сварка с J-образной канавкой

Стыковое соединение:

Сварка встык или квадратная канавка является наиболее распространенной и простой в использовании.Состоящий из двух параллельных друг другу плоских частей, он также является экономичным вариантом. Это широко используемый метод соединения трубы с самой собой, а также с фланцами, клапанами, фитингами или другим оборудованием. Однако он ограничен любой толщиной, превышающей 3/16 дюйма.

Сварочные стили, используемые для стыковых соединений:

• Сварка пазом
• Электрозаклепка
• Сварка под фаску
• Точечная сварка
• Сварной шов под развальцовку, под фаску
• Сварка с J-образной канавкой

Тройник

Тройники используются для сварки двух пластин или секций, поверхности которых расположены примерно под 90 ° друг к другу в месте стыка.Угол скоса, учитываемый при подготовке тройников, примерно вдвое меньше, чем требуется для стыковых соединений.

Типы сварки, используемые для создания тройников

• Электрозаклепка
• Угловой шов
• Сварка под фаску
• Сварка пазом
• Сварной шов под развальцовку, под фаску
• Сварка с J-образной канавкой
• Сквозной шов

Угловой шарнир

Угловой сварной шов представляет собой соединение между двумя металлическими частями, расположенное под прямым углом друг к другу в форме буквы L.Как видно из названия, он используется для соединения двух частей вместе, образуя угол. Этот сварной шов чаще всего используется в производстве листового металла и выполняется на внешнем крае детали.

Стили сварки, используемые для создания углов Соединения:

• Точечная сварка
• Угловой шов
• Сварной шов с V-образной канавкой
• Сварка под квадратные кромки или стык
• Сварка под U-образную канавку
• Сварка под фаску
• Сварка под развальцовку с V-образной канавкой
• Сварка с J-образной канавкой
• Уголок приварной.
• Торцевой сварной шов

Соединение кромочное

Краевая сварка Соединения часто применяются к деталям из листового металла, которые имеют отбортовки кромок, или размещаются в месте, где необходимо выполнить сварку для соединения с соседними деталями. При сварке канавочного типа, краевые соединения, детали устанавливаются бок о бок и привариваются к одной кромке. Для более тяжелых применений добавляется присадочный металл, чтобы полностью расплавить кромку и усилить пластину.

Стили сварки, используемые для создания кромок Соединения:

• Сварка под фаску
• Сварка под квадратные кромки или стык
• Сварка с J-образной канавкой
• Сварной шов с V-образной канавкой
• Приварной кромко-фланец
• Сварка под U-образную канавку
• Уголок приварной