Сварка титана и его сплавов – технология и особенности

Изготовление изделий из титана при помощи сварки в настоящее время является обычным процессом для многих производителей. Давно признано, что титан не является экзотическим металлом и не требует для его сварки особенных процессов и технологий. Понятно, что титан сваривается так же, как и другие высококачественные металлы, при условии принятия во внимание его уникальных свойств.

Существуют важные различия между титаном и сталью:

— низкая плотность титана
— низкий модуль упругости
— высокая температура плавления титана
— низкая пластичность титана

Компенсация этих различий позволяет сварку титана и его сплавов, используя методы, аналогичные, например, сварке нержавеющей стали или сплавов на основе никеля.

В этой статье мы рассмотрим общие операции и технологии, используемые при сварке титана. Предоставленная информация предназначена для использования в качестве руководящих принципов.

Требование к сварочному рабочему месту при сварке титана

Титан является химически активным металлом, который образует сварное соединение с менее оптимальными свойствами. Поверхность титана содержит хрупкие карбиды, нитриды и оксиды, каждый из которых, нагреваясь и охлаждаясь на воздухе, может снизить сопротивление усталости и прочность сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ). Мало того, что требуется постоянная защита свариваемой поверхности, необходимо также защита обратной стороны сварного шва.

При сварке титана и его сплавов требуется уделить особое внимание чистоте рабочего места. Для сварочных цехов, где производятся работы с различными металлами, необходимо выделить специальную область, которая будет использоваться специально для сварки титана. Место, отведенное для этого, должно быть защищено от потоков воздуха, влаги, пыли, жира и других загрязнений, которые могут препятствовать качественной сварке. Это место должно быть защищено от воздействия таких процессов, как зачистка, резка и окраска. Кроме того, должна быть под контролем и влажность воздуха.

Процессы аргонодуговой TIG и полуавтоматической MIG сварки титана

Титан и его сплавы свариваются несколькими процессами. Наиболее частым видом сварки является аргонодуговая сварка TIG вольфрамовым электродом и полуавтоматическая MIG сварка. Так же можно встретить применение таких процессов как плазменная сварка, электронно-лучевая сварка и сварка трением, но эти процессы используются в ограниченной степени. Описанные в этой статье технологии сварки титана и основные принципы будут касаться в первую очередь TIG и MIG сварки титана.

При правильной технологии сварки титана, получаемые сварные соединения являются коррозионно-стойкими, как и основной металл. Наоборот, неправильно сваренные швы могут стать хрупкими и менее коррозионно-стойкими по сравнению с основным металлом.

Технологии и оборудование, используемые при сварке титана аналогичны тем, которые требуются для других высококачественных материалов, таких как нержавеющая сталь или сплавы на основе никеля. Титан, однако, требует большего внимания к чистоте и использованию вспомогательного инертного газа. Расплавленный металл сварного шва титана должен быть полностью защищен от взаимодействия воздуха. Кроме того, горячая околошовная зона и корень сварочного шва должны быть постоянно защищены также и во время остывания до температуры 427 °C.

Процесс TIG может быть использован для стыковых соединений без подачи присадочного материала при толщине листа примерно до 3 мм. Сварка более толстого металла, как правило, требует использования присадочного металла и разделки кромок. Тут уже можно использовать TIG сварку с подачей проволоки или полуавтоматическую MIG сварку. Полуавтоматическая сварка является наиболее экономичной и производительной при толщинах титана от 10 мм. Если используется процесс TIG, то следует проявлять осторожность, чтобы предотвратить контакт вольфрамового электрода со сварочной ванной. Тем самым предотвращая попадание частиц вольфрама в сварочный шов.

Источники питания

Источник питания постоянного тока DC прямой полярности (DCSP) используется для TIG сварки титана. Для MIG сварки требуется источник тока обратной полярности (DCRP). На сварочной горелке должно быть дистанционное управление силой тока, чтобы не нарушать процесс сварки и контролировать охлаждение сварного шва при помощи защиты инертным сварочным газом. Желательной характеристикой аппарата для TIG сварки титана является ножная педаль управления током, высокочастотным зажиганием и таймерами защитного газа, для предварительного и окончательного продува.

Инертный защитный газ

Защита должна быть постоянной для титановых сварных соединений до их остывания до температуры 427 °C, а также расплавленной сварочной ванны в целях предотвращения взаимодействия с воздухом. Как для TIG сварки, так и для MIG сварки в качестве защитного газа и для обеспечения необходимой защиты применяется аргон или гелий.

Защитный газ необходим:

• Первичная защита расплавленной сварочной ванны
• Вторичная защита охлаждающегося расплавленного металла и околошовной зоны
• Защита обратной стороны сварочного шва

Первичная защита расплавленной сварочной ванны

Первичная защита обеспечивается правильным выбором сварочной горелки. Горелки для аргонодуговой TIG сварки титана и его сплавов должны быть оснащены большим (18-25 мм) керамическим соплом и газовой линзой.

Сопло должно обеспечивать адекватную защиту для всей расплавленной сварочной ванны. Газовая линза обеспечивает равномерный, не турбулентный поток инертного газа.

Как правило, для первичной защиты используется аргон из-за его лучших характеристик стабильности дуги. Аргонно-гелиевые смеси могут быть использованы при более высоком напряжении и для большего проникновения в металл.

Определение расхода и эффективность сварочного газа для первичной защиты должны быть проверены до начала сварочных работ на отдельной титановой пластине. Незагрязненные, т.е. защищенные сварные швы должны быть яркие и серебристые по внешнему виду.

Вторичная защита охлаждающегося расплавленного металла и околошовной зоны

Вторичная защита наиболее часто происходит посредством специальной насадки на сварочную горелку – так называемого «сапожка». Насадки, как правило, изготавливаются на заказ, чтобы соответствовать определенной сварочной горелке и конкретной операции сварки.

Дизайн насадки должен быть компактным и должен способствовать равномерному распределению инертного газа внутри устройства. Следует учитывать также возможность водяного охлаждения, особенно для больших насадок.

Наличие в насадке медных или бронзовых диффузоров способствуют не турбулентному потоку инертного газа для защиты.

Защита обратной стороны сварочного шва

Основная цель устройства для защиты обратной стороны сварного шва заключается в обеспечении защиты инертным газом корневой части шва и околошовной зоны. Такими устройствами обычно являются медные подкладки. С водяным охлаждением или массивные металлические болванки, также могут быть использованы в качестве радиаторов для охлаждения сварных швов. Эти подкладки имеют канавку, которая расположена непосредственно под сварным швом. Для защиты с обратной стороны, как правило, требуется поток сварочного газа вдвое меньший, чем для первичной защиты.

Важно использование отдельных газовых редукторов для первичной, вторичной и защиты с обратной стороны. Таймеры и электромагнитные клапаны управляют продувкой до и после сварки.

Очистка поверхности и присадочного металла перед сваркой

Перед сваркой титана, важно, чтобы сварные швы и прутки (проволока) были очищены от окалины, грязи, пыли, жира, масла, влаги и других возможных загрязнений. Включение этих загрязнений в титан может ухудшить свойства и коррозионную стойкость сварочного соединения. Если пруток кажется грязным, протирка его нехлорированным растворителем перед использованием является хорошей практикой. В тяжелых случаях при особых загрязнениях может быть необходима очистка кислотой. Все поверхности сварного соединения и околошовной зоны на расстояние 25 мм должны быть очищены. Растворители особенно эффективны в удалении следов жира и масла. Очистка металла должна проводиться щеткой из нержавеющей стали. Ни при каких обстоятельствах не используйте стальные щетки из-за опасности внедрения в поверхность титана частиц железа и его дальнейшей коррозии.

Технология TIG сварки титана и его сплавов

В дополнение к чистоте свариваемой поверхности и присадочного металла, соответствующих параметров сварки, а также надлежащего инертного защитного газа, требует внимания техника сварки. Неправильная техника может быть источником появления сварных дефектов. Перед началом сварки, должны быть сделана продувка горелки, защитной насадки и подкладки для обратной стороны шва, чтобы убедиться, что весь воздух удален из системы. Для зажигания дуги должно быть использовано высокочастотное зажигание. Царапины, от вольфрамовых электродов являются источником вольфрамовых включений в сварных швах титана. Затухание дуги в конце сварки должно происходить плавным спаданием тока. Защита шва и околошовной зоны должна быть продолжена до охлаждения титана до температуры ниже 427 °C.

Вторичная и защита корня шва также должны быть продолжены. Сварной шов желтоватого или синего цвета указывает на преждевременное снятие защитного газа. Предварительный нагрев при сварке титана обычно не требуется. Однако если подозревается наличие влаги, из-за низких температур или высокой влажности, нагрев может быть необходимым. Нагрева газовой горелкой сварных поверхностей до 70 °C, как правило, достаточно, чтобы удалить влагу.

Длина дуги для TIG сварки титана без присадочной проволоки должна быть примерно равна диаметру вольфрамового электрода. Если добавляется присадка, то максимальная длина дуги должна быть около 1-1,5 диаметра электрода.

Цвет сварочного шва титана отображает его качество

Очистка между проходами не требуется, если сварной шов остается ярким и серебристый. Швы желтоватого или голубого цвета могут быть удалены проволочной щеткой из нержавеющей проволоки. Некачественные сварные швы, о чем свидетельствует темно-синий, серый или белый порошкообразный цвета, должны быть полностью удалены путем зачистки. Соединение затем должно быть тщательно подготовлено и снова очищено перед сваркой.

Как видно из этой статьи, сварка титана и его сплавов это не такая сложная наука, и используя указанные правила и технологии можно добиться высококачественных швов без особых усилий. Основой технологии сварки титана является подготовка соединения и материала перед сваркой и защита сварочного шва, его обратной стороны и околошовной зоны. В остальном сварка титана очень похожа на сварку других металлов, но только требует разное распределение времени в процессе. В то время как при сварке стали 30% времени уходит на подготовку и 70% на саму сварку, при сварке титана как раз наоборот: 70% на подготовку и 30% на сварку.

© Смарт Техникс

Данная статья является авторским продуктом, любое её использование и копирование в Интернете разрешена с обязательным указанием гиперссылки на сайт www.smart2tech.ru

Сварка титана и его сплавов – Осварке.Нет

Потребность в сварке титана и его сплавов обоснованна его преимуществами по сравнению с другими конструкционными материалами — высокая коррозионная стойкость во многих средах и высокая граница прочности от 450 до 1500 МПа при низкой густоте (4,5 г/см³).

С одной стороны физические свойства и высокая температура плавления титана (1660 °C) требуют использовать для его сварки сконцентрированные источники тепла. В то же время низкий коэффициент теплопроводности и высокое электрическое сопротивление титана создают условия, когда для сварки требуется использовать меньше электрической энергии. У титана практически отсутствуют магнитные свойства, поэтому магнитного дутья при сварке не возникает.

Основной трудностью сварки титана считается его способность активно взаимодействовать с газами при высоких температурах. При обычных температурах окружающей среды титан достаточно спокойный материал, но с повышением температуры кислород начинает растворяться в титане, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности. Длительное воздействие кислорода на нагретый выше 450 °C титан создает на нем слой окалины, состоящий из окислов титана (Ti02). Этот слой является источником кислорода и причиной образования трещин при сварке титана. Поэтому содержание кислорода в титановых сплавах не должно быть выше 0,15%.

Азот сильно повышает прочность титана и снижает пластичность. При температуре 800 °C азот с титаном образуют нитрит титана, температура плавления которого достигает 2950 °C. Поэтому граничное содержание азота в титановых сплавах не должно превышать 0,04-0,05%.

Водород, даже в небольших количествах в титане, является причиной хрупкости и негативного влияния кислорода и азота. В свою очередь титан имеет большую склонность к поглощению водорода, в результате чего образуется гидрид титана. При нагревании проходит разложение гидрида титана и восстанавливается ударная вязкость. Гидриды возникшие в средине зерен металла и на их границах, имеют большой объем, приводят к появлению трещин. Водород также считают источником образования пор. Для сварки необходимо использовать сплавы с минимальным содержанием водорода (не более 0,01%), а присадочный материал отжигать.

Углерод приводит к снижению пластичности титана и его сплавов. Низкая растворяемость углерода в титане приводит к выделению карбидов и повышению прочности со снижением пластичности.

Способы сварки титана

Активность титана во взаимодействии с кислородом, азотом и водородом требует использовать для сварки надежную газовую защиту от этих газов. Достаточно надежную защиту можно получить при использовании дуговой сварки в инертных газах (аргон, гелий) или при использовании флюс-пасты, которую наносят на кромки свариваемых деталей.

Газовая сварка, сварка покрытыми электродами, угольным электродом титана и его сплавов не используется. Этими способами невозможно обеспечить высокое качество сварных соединений, через недостаточную защиту зоны сварки и активность титана с атмосферными газами.

Для соединения титановых деталей используют следующие виды сварки:

Требования к технологии сборки титановых изделий и присадочного материала

Сварка конструкций с титана и его сплавов требует выполнять сборку деталей с особенной точностью и ответственностью, потому что точность сборки и чистота кромок значительно влияют на качество сварного соединения.

Для защиты от окисления обратной стороны соединения и уменьшения деформации изделие собирают на стальных или медных подкладках. Через центральную часть подкладки во время сварки продувают защитный газ. При этом кромки должны плотно прилегать к подкладке по всей длине.

Выполнять сборку соединений рекомендуют в приспособлениях, только при их отсутствии применяют прихватки. Детали из технического титана прихватывают без использования присадки. Для прихватки легированных сплавов используют присадочный материал. Длину прихваток становит 30-50 мм. Прихватки выполняют с обратной стороны шва для избежания перегрева. В начале и конце сварочного соединения прихватывают технологические пластины для зажигания дуги (начала сварки) и выведения кратера. Зазор между кромками при сварке титана не более 0,3-0,5 мм, а притупление кромок — не более 10% толщины металла.

Сварочную проволоку, прутки и пластины должны иметь чистую, не насыщенную водородом и не загрязненную маслом поверхность. Если присадочный металл загрязнен, его очищают пескоструйным методом, травят или используют механическую обработку. Для удобства ручной аргонодуговой сварки присадку рубают на прутки длиной 300-400 мм для удобства. Проволоку диаметром от 1,2 до 7,0 мм поставляют после вакуумного отжига при температуре 900-1000°C на протяжении 4 часов.

 

СВАРКА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Сварщику цветник металлов

Подготовка и сборка металла под сварку. Резка листов и заготовок титана, подлежащих сварке, выполняется’меха­нической, газовой или плазменной резкой. Подготовка кро­мок под сварку производится только механическим путем. Волнистость поверхности обработанных кромок с плавными переходами волны допускается на глубину не более 0,1 мм при длине более 30 мм..

На последующую обработку свариваемых кромок должен быть оставлен припуск после механической обработки не менее 3 мм, а после резки с расплавлением не менее5—15 мм на сторону в зависимости от толщины металла. В тех случаях, когда невозможна механическая обработка, допускается под­готовка кромок корундовым кругом на вулканитовой основе с зернистостью не более 80 ед (ГОСТ 2424—67). Таким же кру­гом выполняется выборка корня шва перед его сваркой. Сила прижатия корундового круга должна быть такой, чтобы исклю­чить появление цветов побежалости.

При наличии — на металле окиснонитридных пленок детали подвергаются травлению в растворе состава (мл/л): 220—300 плавиковой кислоты HF, 480—550 азотной кислоты HNOs. Время травления в зависимости от толщины пленки 1—20 ч при температуре 20—25 °С. Затем следует осветление в раство­ре состава (мл/л): 600— 750 азотной кислоты, 85—100 плави­ковой кислоты. Время травления 3—10 мин при температуре 20—25 °С. Начинать и заканчивать сварку необходимо на’ технологических планках такой же толщины и состава, как и свариваемый металл.

Непосредственно перед сваркой кромки и прилегающий к ним металл на ширину 25—30 мм и сварочная проволока промываются бензином Б-70 с последующим обезжириванием этиловым спиртом-ректификатом или ацетоном с применением чистых бязевых салфеток. Для титана и его сплавов в основ-

ном применяют дуговую сварку в среде инертных газов, авто­матическую сварку под слоем бескислородных флюсов, плаз­менную, электрошлаковую, контактную и др. Однако наи­более широко применяют сварку вереде аргона, гелия или их ■смесей плавящимся и неплавящимся электродом при мини­мальной погонной энергии с применением инертных газов вы­сокой частоты.

При сборке под сварку смещение кромок и зазор в стыке должны соответствовать нижеприведенным.

Толщина металла, мм 2—3 4—5 6—10 II—15 16—35

Величина смещения (зазора) 0,1 0,2 0,5 0,5 1,0

При сборке и установке детали под сварку запрещается при­касаться к кромкам голыми руками и загрязненным инстру­ментом. На кромки не должны попадать грязь, масло и влага. Сборка под сварку производится с помощью прихваток дли­ной 10—20 мм, расстоянием между ними 150—300 мм (в зави­симости от толщины свариваемого металла) с обязательной защитой обратной стороны шва. Дефекты в прихватках не допускаются. В случае их появления прихватки должны быть удалены с помощью корундового круга с последующей шаб­ровкой и промывкой ремонтируемых мест растворителем.

В помещениях, где выполняется сварка титана, скорость движения воздуха не должна превышать 0,5 м/с, а температура должна быть не ниже +15 °С. При этом необходима высокая культура производства. Марка сварочной или присадочной проволоки для ¥итана и его сплавов приведена в табл. 5.20.

Для предохранения шва от наводораживания используют сварочную проволоку после предварительного Вакуумного от­жига. Массовая доля водорода в такой проволоке не должна превышать 0,002—0,004 %.

Титан при высоких температурах, и особенно в расплавлен­ном состоянии, обладает высокой химической активностью

Таблица 5.20. Присадочная проволока для сваркя титана и его сплавов Марка сваривае­мого металла Марка сварочной проволоки Марка сваривае­мого металла Марка сварочной проволоки вт-о, ВТ 1-00 ВТ-5, ВТ5-1 ОТ4, ОТ4-1 ОТ4-0 ВТ1-00, ВТ1-0 ВТ2св ОТ4, OT4-I. ВТ2св ВТ6, ВТбс ВТ 14, ВТ22 ВТ20, ВТ22 ВТЗ-1, ВТ9 ВТбсв, СПТ-2, ВТ2 СПТ-2 ВТ20-2св ВТ20-1св

к таким газам, как кислород, водород и азот. Поэтому для получения сварных швов вы­сокого качества необходимо надежно защищать от окружа­ющего воздуха сварочную ван­ну, шов и прилегающий к не­му металл с температурой вы­ше 400—450 °С. Защита долж­на быть обеспечена как с внеш­ней, так и с обратной сторо­ны шва. Для защиты хвосто­вой части ванны и металла вокруг сварного шва горелки дополнительно оборудуются защитными насадками для по­дачи защитного газа (рис.5.23).

-1-
		О О
				«о *
		О
		о
		О

Рис. 5.23. Схема работы насадки для подачи защитного газа: В„ — ширина формирующей канавки; Вш — ширина сварного шва

В зависимости от формы и размеров свариваемых из­делий применяется струйная защита с непрерывным обду­вом инертным газом сварочной ванны и прилегающих зон сва­риваемого металла, защиты

сварного соединения с применением местных камер и общая защита узла при сварке в камере с контролируемой атмосфе­рой. Для сварки трубчатых конструкций используются мест­ные или малогабаритные накидные камеры с обеспечением надежной герметичности.

О надежности защиты и о качестве сварных соединений судят по внешнему виду шва и околошовной зоны. Сереб­ристая поверхность характеризует хорошую защиту и удовлет­ворительные свойства соединений. Желто-голубой цвет обра­зуется при плохой защите, а синевато-фиолетовая поверхность говорит о плохой защите и соответственно пониженной пластич­ности и вязкости металла шва и зоны термического влияния.

При сварке со сквозным проплавлением обратная сторона шва формируется медными или стальными подкладками сформи­рующими канавками и системой отверстий для подачи защитно­го газа. Подкладки могут быть как водоохлаждаемыми, так и не водоохлаждаемыми. При двусторонней сварке на весу обратная сторона шва защищается поддувом аргона с помощью специаль­ных приспособлений (рис. 5.24). Содержание в инертных газах кислорода контролируется прибором «Циркон», а для опре­деления в них влаги применяется установка «Байкал» и др.

Механизированная свар* ка плавящимся электро­дом. Автоматичес­кая сварка пла-. вящимся электродом при­меняется для тавровых, угловых и стыковых соеди­нений из титана и его спла­вов толщиной более 4 мм. Сварка выполняется в ниж­нем положении на постоян­ном токе обратной поляр­ности. Для сварки элек­тродной проволокой диаметром до 3 мм применяются источники питания с жесткой или пологопадающей внешней вольт-амперной характеристикой. При большем диаметре электродной проволоки более предпочтительны источники питания с падающей характеристикой. Металл толщиной до 25 мм сваривается-без разделки кромок в два прохода с двух сторон, для больших толщин рекомендуется применять многопроходную сварку с V — или Х-образной (в зависимости от толщины свариваемого металла) разделкой кромок [51. Угол раскрытия составляет 60—70°, а притупление — 3—4 мм.

Рис. S.24. Приспособление для защи­ты сварного шва поддувом аргона

Сварка выполняется стандартными автоматами, снабжен­ными сварочными горелками типа ГУ или другими, обеспечи­вающими надежную защиту дуги с приставками для допол-

Толщина	Диаметр
свариваемого	электродной	Сила сварочного	Напряжение	Скорость
металла	проволоки	тока, А	на дуге, В	сварки, м/ч
мм
8	1,0	200—250	22—24	25—30
12	2,0—2,5	350—450	24—28	25—30
16	3,0	450—650	28—32	20—25
20	4,0	650—850	32—34	18—22
24	5,0	850—1000	34—38	16—18
	Ч	.
Примечание. Расход аргона для свариваемых толщин титана 16—
20 мм составляет 20—25 л/мин. При сварке титана большей толщины расход
аргона равен	25—30 л/мин. При сварке в среде гелия его расход по сравнению
о аргоном увеличивается в 1,4—1,8 раза, а напряжение иа дуге повышается на
8—12 В. Расход аргона в защитную насадку составляет 8—10 л/мнн, а в фор­
мирующую защитную подкладку 4—8 л/мин в зависимости от толщины свари­
ваемого металла.

Таблица 5.21. Режимы автоматической и его сплавов плавящимся электродом

сварки титана

нительной защиты зоны сварки и обратной стороны шва. Режимы автоматической сварки титана плавящимся электро­дом в с [Теде защитных газов приведены в табл. 5.21.

Автоматы для сварки более целесообразно применять с не­зависимой ог напряжения и плавной скоростью подачи элек­тродной проволоки. Режим сварки необходимо корректировать в каждом конкретном случае. Для этого на опытной пластине при наплавке валика устанавливается минимально ‘необходи­мая сила сварочного тока, обеспечивающая струйный перенос электродного металла. Затем напряжением устанавливают нужную длину дуги. Если при этом струйный перенос электродного металла переходит в капельный, силу сварочного тока незначительно увеличивают, напряжением дуги снова ус­танавливают заданную ее длину. Такую корректировку режима сварки необходимо выполнять с каждым источником питания.

Полуавтоматическая сварка применяется в тех случаях, где другие механизированные способы сварки использовать нецелесообразно. Выполняется полуавтомати­ческая сварка на постоянном токе обратной полярности про­волоками диаметром 0,5—2,0 мм на режимах, обеспечивающих струйный перенос электродного металла.

Горелки полуавтоматов должны обеспечивать надежную защиту дуги и сварочной — аанны от окружающего дугу возду­ха. Лучшие результаты позволяют получить полуавтоматы ПРМ-4 или другие, снабженные горелками ГСП-1. Для до­полнительной защиты хвостовой части ванны и металла, нагре­того выше 400—450 °С, горелки снабжаются насадками, в ко­торые подается защитный газ. Сварку выполняют с наклоном горелки углом вперед под углом 10—15° от вертикали в ре­жимах, приведенных в табл. 5.22.

Таблица 5.22. Режимы полуавтоматической сварки титана плавящнмси электродом в среде защитных газов Толщина свариваемого металла Диаметр сварочной проволоки Сила свароч­ного тока, А Напряже­ние иа дуге, В Скорость сварки, м/ч Вылет электрода, мм мм 4— 6 5- 10 8—12 10-16 0.8 1,0—1,2 1,4—1,6 1,6—2,0 150—200 250—300 300—340 350—400 24—26 24—26 28—32 30—34 30—35 30—35 26—30 20—24 10—14 14—18 14—18 18—20 Прим е’ч а н и е. Расход аргона (л/мин) в горелку составляет 16—18, при поДаче в насадку — 8—10, в защитную формирующую подкладку — 4—6. При ващите зоны дуги гелием его расход увеличивается на 15—20% по сравне­нию с расходом аргона.

Расстояние сопла горелки от свариваемого металла должно быть равно 14—20 мм в зависимости от толщины свариваемого металла. В качестве защитных сред применяется аргвн, гелий или смесь аргона и гелия «{60—80 %). При сварке не допус­каются короткие замыкания электродной проволоки как на поверхность ванны, так и на свариваемый металл или шов.

Автоматическая сварка неплавящимся электродом в среде защитных газов. Сварка выполняется на постоянном токе пря­мой полярности. Сварка титана толщиной до 8 мм производит­ся без разделки кромок. При толщине металла до 15 мм при­меняется V-образная разделка кромок с углом раскрытия 60— 70°, а большая толщина титана сваривается с использованием рюмкообразной подготовки кромок с углом раскрытия 30° и радиусом в нижней части, равном 6 мм. Для защиты дуги применяется аргон, гелий или их смеси (например, 50—80 % гелия, остальное аргон). Сварка выполняется горелками типа ГУ или другими, обеспечивающими достаточное качество сварных соединений на режимах, приведенных в табл. 5.3.

В процессе сварки на верхнем пределе тока при падающей вольт-амперной внешней характеристике источника питания начинают появляться всплески металла ванны и нарушать этим формирование шва. Возможны две причины их образования.

1. Нарушается гидродинамическое равновесие в сварочной ванне, когда скорость протока металла в донной части ванны превышает скорость сварки. Это приводит к образованию в шве полостей или каналов. Для борьбы с дефектами такого рода уменьшают силу сварочного дока, снижают скорость сварки или увеличивают объем ванны за счет применения сварки расщепленным электродом. Также применяют успокаивающее внешнее давление на хвостовую часть ванны газовым потоком или сварку импульсным током с частотой, равной или кратной частоте гармоническим колебаниям металла ванны.

2. Металл ванны перегревается и становится более жидко­текучим. Давление дуги, воздействуя на такой металл, обра­зует всплески, нарушает устойчивую кристаллизацию ванны и не позволяет получать качественное формирование сварочного шва. Для борьбы с такими дефектами уменьшают силу свароч­ного тока, увеличивают скорость сварки, снижают напряже­ние холостого хода источника питания или охлаждают сва­риваемый металл.

Вероятность появления всплесков тем больше, чем ниже температура плавления свариваемого металла и меньше его плотность. Поэтому такие дефектные процессы чаще наблю­даются при сварке алюминия, магния и их сплавов и реже — при сварке титана, меди, никеля и других металлов.

Практически для определения характера всплесков уве­личивают скорость сварки. Если всплески ванны не прекраща­ются, считают, что нарушено гидродинамическое равновесие. Когда при повышении скорости сварки всплески исчезают, считают, что металл ванны перегревается.

Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом. Сварка производится на постоянном токе прямой полярности. Сварка титана толщиной до 5 мм выполняется без разделки кромок. При толщине металла 5—10 мм производится многослойная сварка с разделкой кромок с общим углом раскрытия 70—90°. Двусторонняя разделка кромок осуществляется при сварке металла толщиной 10—15 мм с углом раскрытия 50—70°. При сварке металла толщиной более 15 мм применяется рюм­кообразная разделка кромок с углом раскрытия 30° и радиу­сом в нижней части 5 мм. Сварка выполняется на режимах, приведенных в табл. 5.23.

Рабочая часть вольфрамового электрода затачивается на конус, равный в зависимости от толщины свариваемого металла 30—45°. Конус электрода притупляют до диаметра 0,5—0,8 мм. Это позволяет увеличить стойкость электрода, улучшить фор­мирование сварного шва и получить за счет расфокусировки дуги более плавный переход от основного металла к усилению шва. Вылет электрода из сопла горелки устанавливается не более 10 мм. Перед сваркой система подачи газа продувается в течение 5—10 с защитным газом (расход 10—12 л/мин).

Дугу возбуждают в разделке или на ранее заваренном участке шва с последующим перекрытием этого места при сварке. Сварка выполняется без колебаний горелки, с непре-

Таблииа 5.23. Режимы ручной аргонодуговой сварки титана неплавящимся электродом в среде аргона Толщина Свариваемого металла Диаметр воль­фрамового электрода Свла сварочного тока, А Диаметр присадочной проволоки, мм Число проходов мм 2 2—3 70—100 1,5—2,0 1.0 4 3,0 130—140 1,5—2,0 1,0—2,0 6 3,0 160—180 2,0-3,0 2,0—3,0 8 4,0 180—220 2,0—3,0 3,0—6,0 10 5,0 220—260 2,0—3,0 8,0—10,0 Примечание. Расход аргона для сварки составляет 8— 10 л/мин, для

СВАРКА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ С ДРУГИМИ МЕТАЛЛАМИ

СВАРКА разнородных металлов и сплавов

Титан хорошо сваривается с небольшим числом металлов (цир­конием, гафнием, ниобием, танталом и ванадием) в связи с их не­ограниченной взаимной- растворимостью.

Сварка титана и его сплавов с такими широко распространенными конструкционными металлами, как стали и никелевые сплавы, алюминиевые и медные сплавы, затруднена в связи с большими различиями в кристаллохимических и физических свойствах и со сложностью ограничения процессов взаимной диффузии, приводя­щих к развитию химической неоднородности и появлению хрупких промежуточных фаз и соединений. Путем разработки особых техно­логических приемов, подбора оптимальных режимов сварки и тер­мообработки удается преодолеть возникающие затруднения и полу­чать работоспособные соединения титана с коррозионно-стойкими сталями, медными и алюминиевыми сплавами [61, 93, 128, 196].

Значительно более благоприятные условия создаются для соеди­нения титана с указанными конструкционными металлами при сварке давлением, при которой существенно снижается высокотем­пературное воздействие на металлы, характерное для большинства способов сварки плавлением. В настоящее время для соединения титана с другими конструкционными металлами успешно применяют прокатку, прессование, сварку взрывом, трением, диффузионную, холодную, магнитно-импульсную, ультразвуковую и др.

Сварка титана со сталью. Титан и железо имеют существенные различия в физических свойствах и кристаллическом строении (см. табл. 1). Низкотемпературная модификация титана (а) имеет гексагональную решетку с параметром (2,95 — ь4,75)-10″10 м; высоко­температурная модификация титана (Р) имеет кубическую объемно — центрированную решетку с параметрами 3,32-10“10 м. а-железо имеет кубическую объемноцентрированную решетку с параметром 2,6* 1СГ10 м и у-железо — кубическую гранецентрированную решетку с параметром^,56-10″10 м. Дитан с железом образуют систему с огра­ниченной растворимостью^и эвтектоидным распадом р-фазы.

В системе. Ті—Ре^имеются химические соединения TiFe и TiFe2, Ti2Fe и три эвтектики: р + TiFe, TiFe + TiFe2, TiFe2 + а, кристал­лизующиеся при температурах 1100, 1280 и 1298 °С и содержащие 32, 62,5 и 82,5 % Fe соответственно.

Предельная растворимость титана в железе при температуре 1200 °С равна 12%, при 1100 °С — 8,5 %, при 1000 °С — 7,5 %, при 900 °С — 5 %, при 300 °С — 4 % и при 500 °С — 2,5 %. Раство­римость железа в а-титане не превышает 0,5 мае. % при 615 °С, при 20 °С находится в пределах 0,05—0,1 %.

При затвердевании в структуре сплавов титана с железом уже при концентрации железа более 0,1 % образуются интерметалличе­ские соединения TiFe и TiFe2. Наличие интерметаллидов в сплаве титана с железом значительно повышает прочность металла и резко снижает его пластичность.

Аналогичные диаграммы состояния титан образует с никелем и другими легирующими элементами стали. Ввиду этого при сварке титана со сталью применяют технологический прием, при котором между свариваемыми металлами помещают прокладки (или вставки) из других металлов, не образующих при взаимодействии в области высоких температур хрупких фаз. Такие прокладки могут быть из одного металла либо представлять собой набор из нескольких металлов или специальных сплавов. В связи с высокой активностью титана при взаимодействии с газами соединение его со сталью свар­кой давлением осуществляют в защитных средах, инертных газах, жидких средах или вакууме.

Контактную и ультразвуковую сварку листовых титана и стали производят с применением промежуточных прокладок из алюминия, серебра, никеля, молибдена, ванадия, ниобия. Необходимо выбирать такие режимы сварки, когда не наблюдается подплавление поверх­ностей титана и стали. Наилучшие результаты получены при ультра­звуковой сварке через слой серебра, а при контактной — через слой ниобия.

Клинопрессовую сварку титанового сплава со сталью 12Х18Н9Т выполняют через прокладку из алюминия или меди [72]. При этом конец стальной детали затачивают на конус (15—20°), а в детали из титанового сплава предварительно выполняют гнездо аналогичной формы. Детали сваривают в среде аргона с нагревом до 450 °С при прослойке алюминия или до 850 °С при прослойке меди. Биметалли­ческие переходники 12Х18Н9Т + ОТ4, сваренные через алюминие-

вую или медную прокладку толщиной 0,1—0,2 мм, имеют прочность сварного соединения выше прочности их стальной части, что объяс­няется наличием развитой площади контакта. Результаты исследова­ния холодной сварки проволоки диаметром 3 мм из титана ВТ 1-0 и стали 12Х18Н9Т представлены в работе [93]. Были получены сварные соединения с ав = 500^-600 МПа и б = 8-И5 %.

Электронографическим исследованием торцов сварных образцов после разрушения обнаружена фаза TiFe, что объясняется повы­шением температуры в тонких слоях металла вблизи границы раз­дела в процессе пластической деформации.

Если полученное клинопрессовой сваркой соединение нагревать до 800 °С в течение 1—3 мин, то это может привести к хрупкому разрушению сварного соединения.

Сварку взрывом титана со сталью осуществляли по трем вариан­там: без прокладок, с одной и с двумя прокладками (из ниобия и меди). В процессе соударения возможно расплавление поверхност­ных слоев металлов, а также отрыв и перемешивание участков ме­талла в самых различных соотношениях, образование интерметалли­ческих соединений TiFe и TiFe2. Одновременно встречаются участки с бездиффузионной^зоной перехода, а в местах, где происходило расплавление, обнаруживаются трещины. При последующем отжиге происходит дальнейшее образование интерметаллических соедине­ний, выделение карбидов титана и возможно образование пор в кон­тактной зоне.

В зависимости от назначения сварных узлов при сварке взрывом применяют одинарные прокладки из серебра, никеля, меди, ванадия, ниобия, железа и сплавов из тугоплавких металлов. С целью умень­шения возможности образования хрупких соединений на границе раздела предлагают прокладку железа выбирать с содержанием углерода не более 0,02 % [10]. Часто в качестве промежуточных прокладок применяют ванадий или ниобий (тантал) со стороны титана и медь со стороны стали.

Закономерность изменения механических свойств соединения ОТ4 + ниобий + медный сплав + сталь 12Х18Н10Т исследовали в зависимости от толщины медного сплава (0,1—1,5 мм). С умень­шением толщины медного слоя прочность соединения возрастает и достигает предельного значения при толщине слоя меди менее 0,1 мм. Нагрев до температуры 800 °С не изменяет характера разрушения,, но снижает прочность соединения, так как полностью устраняет эффект упрочнения металлов, который возникает в результате взрыв­ного нагружения. Испытания на разрыв в диапазоне температур от 300 до —269 °С позволяют утверждать, что такие соединения могут работать в условиях низких температур. Во всем диапазоне температур происходит вязкое разрушение образцов по слою меди.

Результаты испытаний полученных сваркой давлением соедине­ний титановых сплавов ВТ6С, ОТ4, ВТ14, АТ2 со сталью 12Х18Н10Т с прокладками (ниобий—медь) показали, что соединения обладают высоким временным сопротивлением (до 560 МПа), достаточной ударной вязкостью (до 500 кДж/м2), сопротивлением усталости и

удовлетворительной пластичностью [21 ]. Эти свойства можно варьи­ровать в широких пределах изменением толщины медной прокладки. Отжиг при температуре 900—1000 °С в течение 3—5 ч практически не изменяет прочностные характеристики соединения.

Диффузионная сварка титана непосредственно со сталью иссле­дована в работе [12]. Наибольшую прочность имеют соединения, в которых ширина слоя интерметаллидов TiFe не превышает 3—5 мкм, а переходная зона характеризуется a-твердым раствором железа в титане с определенной степенью насыщения (микротвердость не более 3000 МПа). При испытании растяжением все образцы разру­шились в зоне контакта титана с железом или со сталью. Прочность диффузионного соединения титана непосредственно со сталью опре­деляется не только толщиной слоя интерметаллидов, но и шириной зоны, обогащенной углеродом.

Оптимальные режимы диффузионной сварки в вакууме [12] цилиндрических образцов диаметром 12 мм и длиной 15 мм для со­четаний ВТ1-0 + 12Х18Н9Т и ОТ4 + 12Х18Н9Т следующие. Режим сварки (соответственно): Т = 750 и 850 °С, р = 20 и 10 МПа, t = = 15 мин. Механические свойства: ов = 230 и 420 МПа, 6=15 и 25 %. Прочность сварных соединений значительно ниже прочности свариваемых металлов.

С целью предотвращения образования в зоне контакта хрупких интерметаллических слоев диффузионную сварку титана со сталью также выполняют с применением прокладок (ванадий—медь, ниобий— медь, тантал—медь). Временное сопротивление сварных соединений титановых сплавов ВТ6 и ВТ5-1 со сталью 12Х18Н9Т, выполненных диффузионной сваркой с применнием прокладок ванадия и меди, равно соответственно 408—532 и 530—570 МПа.

Микрорентгеноспектральное и рентгеноструктурное исследования соединений, выполненных с промежуточными прокладками, обнару­живают диффузионные зоны значительных размеров без образования интерметаллических фаз. Даже после высокотемпературного изо­термического нагрева (например, 1000 °С 10 ч) хрупкие фазы в соеди­нениях не образуются. Диффузионная зона со стороны титана имеет структуру, характерную для мартенситоподобной а’-фазы, и со сто­роны ванадия (ниобия) — прослойку легированного p-Ti. В зоне контакта V(Nb)—Си образуется твердый раствор с г. ц. к. решеткой. Используемый для прокладок ванадий должен содержать 0,02— 0,03 % С.

Временное сопротивление сварных соединений ВТ5-1 + 12Х18Н9Т с прокладками меди толщиной 0,01 мм и ванадия толщиной 0,07 мм составляет [171 ]: при 150 °С 489—509 МПа; при 300 °С 438—450 МПа; при 400 °С 318—320 МПа; при 500 °С 276—284 МПа. Ударная вяз­кость таких соединений равна 350 кДж/м2 и угол изгиба 50—60°. Микроструктура сварного соединения ОТ4 со сталью 08Х15Н5Д2Т, пьіполненного с прокладкой ванадия, приведена на рис. 64.

Одним из технологических вариантов диффузионной сварки ти­тана со сталью является сварка в жидкой среде (расплавленной с°ли), предварительно нагретой до сварочной температуры [176].

Рис. 64. Микроструктура соединения ОТ4 со сталью 08Х15Н5Д2Т с прослой­кой ванадия. Диффузионная сварка в вакууме (X 200)

При таком способе нагрев более ^равномерный, ско­рость его в 3—6 раз выше скорости нагрева этих же деталей теплоизлучением в газовых средах или ва­кууме.

Жидкая нагревательная среда защищает поверхность детали от окисления при погружении деталей в ванну и при охлаждении их на воз­духе после сварки, так как слой соли остается на поверхности деталей в виде тонкой пленки.

Сплав ВТ 1-0 со сталью 12Х18Н9Т сваривают с применением промежуточных прокладок из ванадия и меди толщиной 0,1 мм. Места сварки деталей обрабатывают механическим путем до высокой чистоты, а непосредственно перед сваркой свариваемые поверхности деталей и промежуточных прокладок из ванадия и меди обрабаты­вают шлифовальной шкуркой, обезжиривают ацетоном или четырех­хлористым углеродом и сушат на воздухе в течение 3—5 мин. Собран­ные для сварки детали устанавливают в приспособление, выполнен­ное из коррозионно-стойкой стали и обеспечивающее сжатие собран­ных деталей «»‘с усилием ~200 Н. Свариваемые детали собирают в следующем порядке: со стороны сплава ВТ 1-0 укладывают вана­диевую прокладку, затем медную и сверху сталь 12Х18Н9Т.

Приспособление с собранными деталями опускают в нагретую до температуры 850 °С жидкую среду, состоящую из смеси солей: 70 % ВаС12 + 30 % NaCl. Температуру жидкой среды плавно повы­шают до 900 °С в течение 5—6 мин. Для создания надежного кон­такта между свариваемыми деталями их непрерывно и плавно под­жимают. После выдержки деталей в ванне при температуре 900 °С в течение 8—10 мин приспособление с деталями извлекают из ванны. При охлаждении деталей поджатие^их в приспособлении продол­жается до тех пор, пока температура не снизится до 350—400 °С.

Временное сопротивление соединений ВТ 1-0 со сталью 12Х18Н9Т, выполненных диффузионной сваркой в жидкой среде, составляет 200—250 МПа [176]. Указанный^метод диффузионной сварки в жид­кой среде экономически целесообразен для мелкосерийного произ­водства.

Существует несколько способов

Сварка титана и его сплавов — Часть 1

Титан — химически активный металл; он будет гореть в чистом кислороде при 600 ° C и в азоте при температуре около 800 ° C. Кислород и азот также диффундируют в титан при температурах выше 400 ° C, повышая предел прочности, но делая металл хрупким. В виде порошка или металлической стружки титан также представляет опасность пожара.

Несмотря на такую ​​реакционную способность, титан широко используется в химической обработке, на море и в космосе.Это связано с:

• Прочная защитная оксидная пленка, которая образует сплавы с очень хорошей коррозионной стойкостью, особенно в хлоридсодержащих средах.
• Без потери прочности при температурах до -196 ° C
• Хорошая стойкость к ползучести и окислению при температурах почти до 600 ° C.
• По прочности такая же, как у стали, но примерно вдвое меньше.

Из-за сродства титана и его сплавов к кислороду, азоту и водороду и последующего охрупчивания сварочные процессы под флюсом не рекомендуются, хотя они использовались, в основном, в бывшем СССР.Таким образом, дуговая сварка ограничивается процессами в среде защитного газа (TIG, MIG и плазменная TIG), хотя также используются силовые балки, твердофазные процессы и контактная сварка.

Титан аллотропен; он имеет две различные кристаллографические формы в зависимости от температуры и химического состава. Ниже 880 ° C он образует гексагональную плотноупакованную альфа-фазу, выше 880 ° C он существует как объемно-центрированная кубическая бета-фаза.

Ряд элементов может быть использован для улучшения механических свойств, некоторые стабилизируют альфа-фазу, а другие способствуют образованию бета.Кислород, углерод, азот и алюминий способствуют образованию альфа-фазы; хром, молибден, ниобий, олово и ванадий способствуют образованию бета. Посредством подходящих добавок этих элементов можно производить четыре семейства титановых сплавов, разделенных на основе микроструктуры на технически чистый титан, альфа- или почти альфа-сплавы, альфа-бета-сплавы и бета-сплавы. Обозначения ASTM, простая система нумерации, являются обычно используемым сокращенным способом идентификации различных сплавов, и в этой статье будут использоваться как они, так и состав сплава , например Ti-6Al-4V.

Коммерчески чистые нелегированные марки ASTM 1–4 и 7 содержат небольшие количества примесей, таких как кислород, азот и углерод, обычно менее 0,2%, и обладают механическими свойствами, соответствующими характеристикам низкоуглеродистой стали хорошего качества. Чем меньше загрязнений, тем ниже предел прочности. Большинство этих сплавов используются из-за их коррозионной стойкости. Сварка проста и мало влияет на механические свойства в ЗТВ, и их обычно сваривают в отожженном состоянии.

Альфа- и почти альфа-сплавы, типичным примером которых является сплав Ti-5Al-2.5Sn, имеют предел прочности при растяжении (UTS) 500-900 МПа, прочность 0,2% (PS) 600-800 МПа и относительное удлинение (El%) около 18 %. Как и в случае технически чистых сплавов, механические свойства этой группы нечувствительны к термической обработке. Свариваемость хорошая, сплавы свариваются в отожженном состоянии.

Альфа-бета сплавы чувствительны к термообработке, обработке на твердый раствор и старению, увеличивая прочность на 50% по сравнению с состоянием отжига.Очень высокопрочные альфа-бета-сплавы, такие как Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, могут иметь UTS 1200 МПа, PS 1150 МПа и El% 10. Однако свариваемость сплавов в этой группе зависит от от количества присутствующего бета-бета-сплава, наиболее сильно бета-стабилизированные сплавы охрупчиваются во время сварки, и, хотя можно восстановить некоторую пластичность посредством термообработки после сварки, это часто непрактично. Поэтому эти очень высокопрочные сплавы с высоким содержанием бета сваривают редко.Сравните это с, возможно, наиболее часто используемым альфа-бета сплавом, Ti-6Al-4V (ASTM Grade 5) с UTS 950 МПа, PS 850 МПа и El% 15. Этот сплав имеет хорошую формуемость, легко обрабатывается, имеет хорошая литье, отличная свариваемость и может считаться сплавом, с которым сравниваются все остальные.

Полностью бета-сплавы, , например, Ti-13V-11Cr-3Al, обладают аналогичной прочностью, но с немного улучшенной пластичностью, обычно с удлинением около 15%. Бета-фаза называется метастабильной — холодная обработка или нагревание до повышенных температур может вызвать частичное превращение в альфа.Сплавы обладают высокой прокаливаемостью, хорошей ковкостью и очень пластичны. Свариваемость хорошая, имеет место со сплавом в отожженном состоянии или в состоянии, обработанном раствором, хотя для получения полной прочности обычно необходимо сваривать в отожженном состоянии, выполнять холодную обработку, обрабатывать раствором, а затем выполнять обработку старением.

Присадочные металлы, все сплошные проволоки и соответствующие по составу сплавам общего назначения, доступны, соответствующие спецификации — AWS A5.16 / A5.16M: 2007 Технические условия на электроды и стержни для сварки титана и титановых сплавов и BS EN ISO 24034.2010 Сварочные материалы, сплошные проволоки и прутки для сварки плавлением титана и титановых сплавов. Несмотря на легкодоступность, диапазон расходных материалов несколько ограничен, и в соответствии с этими спецификациями производится всего четырнадцать или пятнадцать составов.

Свариваемость, как упоминалось выше, в целом очень хорошая. Исключение составляют сплавы с высоким бета-альфа-бета.Основная проблема при сварке титановых сплавов — устранение атмосферных загрязнений. Загрязнение металла сварного шва и прилегающих зон HAZ увеличит предел прочности на разрыв и твердость, но может снизить пластичность до неприемлемо низкого значения, так что трещины могут возникать даже в условиях только умеренного ограничения. Наиболее вероятными загрязнителями являются кислород и азот, улавливаемые воздухом, захваченным газовой защитой или загрязненным защитным газом, и водород из-за влаги или поверхностного загрязнения.

Максимально допустимые пределы для металла сварного шва были оценены как 0,3% кислорода, 0,15% азота и 150 ppm водорода, поэтому тщательная чистота важна как для основного металла, так и для присадочной проволоки. Обычно достаточно обезжиривания при подготовке к сварке с последующей очисткой щеткой из нержавеющей стали и дальнейшего обезжиривания. Сильно окисленные компоненты могут нуждаться в протравливании в смеси азотной / фтористоводородной кислоты для удаления оксидного слоя. Обезжиривание присадочной проволоки для сварки TIG должно производиться в обычном режиме, а с очищенной проволокой обращаться в чистых хлопчатобумажных перчатках; жир и пот с пальцев могут вызвать локальное загрязнение и / или пористость.Проволоку МИГ следует заказывать обезжиренной, хранить в чистых, сухих условиях и не оставлять без защиты в цехе.

Во время сварки те части сварной конструкции, которые подвергаются воздействию температур выше 520 ° C, будут поглощать кислород и азот, поэтому их необходимо защищать до тех пор, пока они не остынут ниже этой критической температуры. К счастью, теплопроводность титана низкая, поэтому площадь воздействия ограничена по размеру, и можно использовать охлаждающие блоки, чтобы еще больше уменьшить эту зону нагрева. Расплавленная сварочная ванна защищена обычным газовым кожухом, но охлаждающий сварной шов и его ЗТВ потребуют дополнительной защиты за счет использования отводного щита с собственной подачей защитного газа, идущей за сварочной горелкой.Обратная сторона сварного шва также нуждается в аналогичной защите за счет обеспечения эффективной газовой продувки.

Изменение цвета поверхности будет хорошим показателем степени атмосферного загрязнения, как показано в таблице цветов. В идеальных условиях экранирования сварной шов будет блестящим и серебристым. Обесцвечивание внешних краев ЗТВ обычно незначительно, и им можно пренебречь. По мере увеличения загрязнения цвет меняется с серебристого на светло-соломенный, затем темно-соломенный, темно-синий, светло-голубой, серый и, наконец, порошкообразно-белый.

Светло-соломенный и темно-соломенный цвета указывают на легкое загрязнение, которое обычно допустимо. Темно-синий цвет указывает на более сильное загрязнение, которое может быть приемлемым в зависимости от условий эксплуатации. Голубой, серый и белый цвета указывают на такой высокий уровень загрязнения, что они считаются неприемлемыми. В многопроходных сварных швах загрязнение, очевидно, повлияет на любые последующие циклы сварки, поэтому внешний вид поверхности сам по себе не является надежным показателем того, произошло ли неприемлемое загрязнение.Простое испытание на изгиб — надежный, но разрушительный метод проверки того, является ли сварной шов неприемлемо хрупким, но учтите, что радиус изгиба варьируется в зависимости от конкретного сплава. Например, радиус изгиба 3t используется для испытания сварного шва класса 2, а радиус изгиба 10t используется при испытании Ti-6Al-4V. Переносные проверки твердости также могут проводиться на производственных объектах; для этого необходимо знать твердость, ожидаемую от металла шва конкретного сплава.

В части 2 этой статьи будут рассмотрены некоторые другие проблемы сварки и даны рекомендации по сварке титана TIG и MIG.

Эту статью написал Джин Мазерс .

.

Сварка титана и его сплавов — Часть 2

Титан и его сплавы чрезвычайно устойчивы к проблемам с растрескиванием, с которыми сталкиваются многие другие системы сплавов. Затвердевание и ликвационное растрескивание практически неизвестны, и то, что можно было бы назвать холодным растрескиванием, обычно происходит только из-за охрупчивания, возникающего в результате загрязнения, как описано в Часть 1 .

Пористость — самая распространенная проблема, особенно когда используются стыки с близким квадратным сечением. Обычно это связано с водородом, поэтому чистота имеет решающее значение для устранения пористости.Пористость может быть одного или двух типов: во-первых, микропористость, образованная внутри плеч дендритов во время затвердевания, и, во-вторых, более крупные поры, которые часто выстраиваются вдоль центральной линии сварного шва.

Как обсуждалось в , часть 1 , чистота является ключом к бездефектным сварным швам, а это означает, что не только компонент должен быть тщательно обезжирен, но и присадочная проволока; Края подготовки к сварке должны быть очищены от заусенцев и должен использоваться защитный газ высшей чистоты.В идеале газ должен иметь точку росы менее -50 ° C (39 ppm H ₂ O), и для поддержания этого низкого уровня в системе подачи газа не должно быть утечек. Поэтому важно регулярное и частое обслуживание системы, проверка соединений на предмет утечек и поврежденных шлангов. В идеале газ должен подаваться из баллонов, а не из баллонов, и подаваться на рабочие места по сварным или паяным стальным или медным трубам. Пластиковые шланги должны быть как можно короче; большинство используемых пластиков пористые и позволяют влаге проникать через стенку шланга; неопрен и ПВХ — худшие, тефлон — из наименее пористых.Следует помнить, что влага может накапливаться в шланге в течение определенного периода времени, поэтому проблема пористости, например, после отключения на выходных, может быть признаком того, что это происходит.

Присадочную проволоку

TIG следует очистить безворсовой тканью и эффективным обезжиривающим средством непосредственно перед использованием. После очистки нельзя прикасаться к проволоке голыми руками, но в чистых, обезжиренных перчатках. Проволока MIG представляет большую проблему, но доступны устройства для очистки проволоки, когда она проходит через механизм подачи.Для достижения наилучших результатов можно получить проволоку, которая была выбрита для удаления любых въевшихся загрязнений.

Еще одним потенциальным источником загрязнения, о котором часто забывают, является использование пневматических инструментов для чистки проволочной щеткой или зачистки подготовительных и сварных швов. В большинстве случаев сжатый воздух содержит влагу и масло, поэтому даже при установке маслосборников и влагоуловителей на свариваемой поверхности остается тонкая пленка влаги и / или масла. Рекомендуется постоянно использовать инструменты с электрическим приводом после обезжиривания изделия перед сваркой.

Хотя это и считается очень незначительной проблемой, в некоторых титановых сплавах было отмечено растрескивание при падении пластичности (когда сплавы сильно теряют пластичность при температуре ниже температуры затвердевания); альфа-бета-сплавы, содержащие ниобий, являются наиболее чувствительными, а Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo — наиболее чувствительными. Диапазон температур, в котором происходит потеря пластичности, составляет от 750 ° C до 850 ° C.

Растрескивание является межкристаллитным и, как полагают, частично является результатом изменения объема во время перехода фазы бета в альфа в сочетании со снижением пластичности.

Значительный объем сварки титановых сплавов осуществляется без использования присадочных металлов. Когда используется присадочная проволока, обычно выбирается состав, соответствующий составу основного металла. Однако есть и исключения. Сварка высокопрочного, но малопластичного титана технической чистоты обычно выполняется с присадочным металлом с низкой прочностью для достижения желаемого качества сварки. Точно так же нелегированный присадочный металл иногда используется для сварки сплавов, таких как Ti-6Al-4V, тем самым улучшая пластичность металла шва за счет снижения количества образующейся бета-фазы.Также доступны присадочные металлы со сверхнизким межузельным слоем (ELI), которые могут использоваться для улучшения пластичности и вязкости металла сварного шва.

Большинство титановых сплавов можно успешно сваривать плавлением с использованием процессов сварки в среде защитных газов и силовых балок; все они могут быть сварены с использованием твердофазных процессов, сварки трением и контактной сваркой. Параметры сварки и подготовка к сварке аналогичны тем, которые использовались бы для сварки углеродистой стали. С точки зрения сварщика, титан легче сваривать, чем сталь, поскольку он обладает хорошей текучестью и высоким поверхностным натяжением, что упрощает задачу нанесения прочных корневых валиков с полным проникновением.

Сварка

TIG, вероятно, является наиболее часто используемым процессом как в ручном, так и в механизированном режиме. Ток является постоянным и постоянным, обычно с аргоном высокой чистоты в качестве защитного газа, хотя для улучшения проникновения можно использовать гелий или смеси Ar / He. Сопла горелок должны быть оснащены газовыми линзами для улучшения газовой защиты, а керамический кожух должен быть как можно большего диаметра. Например, вольфрам диаметром 1,5 мм следует использовать с керамикой диаметром 16 мм. Длина дуги должна быть как можно короче, чтобы снизить риск загрязнения; 1 к 1.5-кратный диаметр электрода считается хорошим практическим правилом. Возникновение дуги должно быть достигнуто за счет использования высокочастотного тока или подъемной дуги для предотвращения загрязнения вольфрамом. Оборудование также должно поддерживать поток защитного газа после гашения дуги, чтобы сварной шов мог охлаждаться в защитном газе. Также рекомендуется держать конец присадочной проволоки внутри газовой защиты до тех пор, пока он не остынет до достаточно низкой температуры.

К горелке также необходимо прикрепить дополнительный задний газовый экран, чтобы обеспечить защиту остывающего металла шва, когда сварщик перемещается вдоль линии соединения.Это затрудняет манипулирование сварочной горелкой. Большинство сварщиков изготавливают свои собственные дополнительные экраны, форма которых полностью соответствует детали; Поэтому для сварки труб различного диаметра потребуется несколько экранов. Также необходим подающий газ, и следует поддерживать обратную продувку как минимум в течение первых трех или четырех проходов сварного шва. Чистота вспомогательного газа должна быть выше, чем максимальное содержание кислорода 20 ppm.

Можно использовать сварку

MIG с использованием аргона или смесей аргона и гелия, но этот процесс не обеспечит такое же высокое качество металла шва, как процесс TIG, и может быть трудно достичь строгих уровней качества, требуемых в аэрокосмической сфере.Перенос погружением может привести к отсутствию дефектов плавления, а перенос распыла требует как передних, так и задних дополнительных газовых экранов, ведущего газового экрана для предотвращения окисления любых брызг, которые могут повторно расплавиться в сварочную ванну. Усовершенствования в импульсных источниках питания MIG за счет использования инверторной технологии и микропроцессорного управления устранили некоторые из этих проблем и существенно сократили разрыв между MIG и TIG. Однако MIG по-прежнему затруднен для ручного сварщика из-за сложности манипулирования горелкой MIG с дополнительным газовым кожухом.Из-за этих трудностей сварка MIG часто механизирована или автоматизирована.

Plasma-TIG может использоваться для сварки титана, так как он способен обрабатывать шов толщиной до 12,5 мм. Те же требования к чистоте газа и защите сварочной ванны, которые требуются для сварки TIG, необходимы и для плазменной сварки TIG. Plasma-TIG редко используется в ручном режиме и никогда в режиме замочной скважины.

Загрязнение атмосферы лучше всего избежать, используя сварочную камеру или перчаточный ящик, которые можно заполнить аргоном.Можно приобрести специальные перчаточные боксы, но легко изготовить камеру подходящего размера, используя угол с прорезью , например, угол Dexion ^TM , чтобы сформировать раму и накрыть ее прозрачным пластиковым или ацетатным листом. Размер компонента, который можно сваривать в перчаточном ящике, обязательно ограничен.

Электронно-лучевая, лазерная, трение, контактная точечная сварка, а также сварка швом и оплавлением используются для сварки титана и его сплавов. Электронно-лучевая сварка, проводимая в вакууме, не требует защиты от газа.Обычная сварка трением также может выполняться без защитного экрана, хотя при сварке трением с перемешиванием следует использовать газовую защиту. Точно так же газовая защита не требуется при контактной сварке, хотя для наиболее ответственных применений рекомендуется газовая защита. И для лазерной, и для оплавления требуется защита от газа для достижения наилучших результатов и минимального загрязнения атмосферы.

Эту статью написал Джин Мазерс .

.

типов титановых сплавов | Центр обработки титана

Титан считается одним из самых прочных металлов. Его прочность, термостойкость, водо- и солеустойчивость, а также небольшой вес делают его идеальным металлом для множества применений. Эти области применения варьируются от ювелирных изделий и зубных имплантатов до самолетов и кораблей. Чистый титан прочен и устойчив к коррозии. Титановые сплавы сохраняют ту же прочность и коррозионную стойкость, но приобретают большую гибкость и ковкость металла, с которым они сочетаются.Таким образом, титановые сплавы имеют больше применений, чем чистый титан. Существует шесть марок чистого титана (1, 2, 3, 4, 7 и 11) и 4 разновидности титановых сплавов. Титановые сплавы обычно содержат следы алюминия, молибдена, ванадия, ниобия, тантала, циркония, марганца, железа, хрома, кобальта, никеля и меди.

Четыре марки или разновидности титановых сплавов: Ti 6AL-4V, Ti 6AL ELI, Ti 3Al 2,5 и Ti 5Al-2,5Sn.

Ti 6Al-4V (класс 5)

Ti-6AL-4V — наиболее часто используемый из титановых сплавов.Поэтому его обычно называют «рабочей лошадкой» из титанового сплава. Считается, что он используется в половине случаев использования титана во всем мире.

Эти желаемые свойства делают Ti-6AL-4V популярным выбором в нескольких отраслях промышленности, включая медицинскую, морскую, аэрокосмическую и химическую. Ti 6AL-4V обычно используется для изготовления:

• Авиационные турбины
• Детали двигателя
• Конструктивные элементы самолета
• Крепеж для аэрокосмической отрасли
• Высокопроизводительные детали автоматики
• Морское применение
• Спортивный инвентарь

Ti 6AL-4V ELI (класс 23)

Ti 6 AL-4V ELI обычно называют хирургическим титаном из-за его использования в хирургии.Это более чистый вариант титанового сплава Grade 5 (Ti 6AL-4V). Его можно легко формовать и разрезать на небольшие пряди, катушки и проволоку.

Обладает такой же прочностью и высокой коррозионной стойкостью, что и Ti 6AL-4V. Кроме того, он легкий и устойчив к повреждениям другими сплавами. Его использование очень желательно в медицине и стоматологии для использования в сложных хирургических процедурах не только из-за этих свойств, но и из-за уникальных хирургических свойств, которыми обладает Ti 6AL-4V ELI.Он обладает превосходной биосовместимостью, что позволяет легко вживлять его и прикреплять к кости, при этом он принимается человеческим телом. Некоторые из наиболее распространенных хирургических процедур, в которых используется Ti 6AL-4V ELI, включают:

• Спицы и винты ортопедические
• Тросы ортопедические
• Зажимы для лигатуры
• Скобы хирургические
• Пружины
• Ортодонтические аппараты
• Замены суставов
• Сосуды криогенные
• Аппараты костной фиксации

Ti 3Al 2.5 (12 класс)

Ti 3 AI 2.5 — это титановый сплав с лучшей свариваемостью. Он также прочен при высоких температурах, как и другие титановые сплавы. Этот титановый сплав класса 12 уникален тем, что он обладает характеристиками нержавеющей стали (одного из других прочных металлов), например, тяжелее других титановых сплавов.

Ti 3 Al 2,5 чаще всего используется в обрабатывающей промышленности, особенно в оборудовании. Он очень устойчив к коррозии и может образовываться под воздействием тепла или холода.Титановый сплав марки 12 чаще всего используется в следующих отраслях и сферах применения:

• Кожух и теплообменники
• Гидрометаллургические приложения
• Химическое производство при повышенных температурах
• Морские и авиационные компоненты

Ti 5Al-2.5Sn (класс 6)

Ti 5Al-2.5Sn — это нетермообрабатываемый сплав, который обеспечивает хорошую свариваемость и стабильность. Он также обладает высокой температурной стабильностью, высокой прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.Он обладает исключительно высоким сопротивлением ползучести (пластической деформации в течение длительного периода времени, обычно вызываемой экстремальными температурами). Ti 5Al-25.Sn в основном используется в самолетах и ​​планерах.

Титан в целом — очень прочный и прочный металл. В чистом виде он имеет множество применений. Эти сплавы придают уже прочному металлу большую пластичность и гибкость, открывая двери для многих других областей применения. Каждый титановый сплав обладает одинаковой прочностью и коррозионной стойкостью. Они различаются по гибкости, что делает конкретный сплав идеальным для конкретных отраслей и областей применения.В Центре обработки титана вы можете найти большой выбор как чистых сплавов, так и сплавов титана для вашего проекта. Позвоните нам сегодня, чтобы запланировать заказ или задать вопрос.

.

Обзор диффузионного соединения титановых сплавов и нержавеющей стали

Высококачественные соединения между титановыми сплавами и нержавеющей сталью нашли применение в ядерной, нефтехимической, криогенной и аэрокосмической отраслях благодаря своей относительно низкой стоимости, легкости и высокой коррозионной стойкости. и заметные механические свойства. В этой статье рассматривается диффузионная связь между титановыми сплавами и нержавеющими сталями с прослойками или без них. Для диффузионного соединения титанового сплава и нержавеющей стали без промежуточного слоя оптимальная температура находится в диапазоне 800–950 ° C в течение 60–120 мин.Прочное соединение может быть получено, но на границе образуются хрупкие фазы FeTi и Fe-Cr-Ti. Процесс разработки соединения в основном включает три этапа: согласование закрытия поверхности, рост хрупких интерметаллических соединений и образование пустот Киркендалла. Кинетика роста межфазных фаз требует дальнейшего уточнения с точки зрения скорости роста реагирующего слоя, скорости движения межфазной границы и порядка появления новой фазы. Систематически обобщено влияние прослоек Cu, Ni (или никелевого сплава) и Ag на микроструктуру и механические свойства соединений.Содержание фаз FeTi и Fe-Cr-Ti на границе раздела может быть значительно снижено путем добавления промежуточного слоя. Применение многослойной системы хорошо предотвращает образование интерметаллических фаз за счет образования твердого раствора на границе раздела, а параметры могут быть предсказаны с помощью параболического закона диффузии. Выбор многослойной прослойки был сделан на основе двух принципов: отсутствие образования хрупких интерметаллических фаз и переходные физические свойства между титановым сплавом и нержавеющей сталью.

1. Введение

В последнее время, благодаря относительно низкой стоимости, легкости, высокой коррозионной стойкости и заметным механическим свойствам, высококачественные соединения между титановым сплавом и нержавеющей сталью нашли применение в области ядерного топлива, нефтехимии, криогенных защитных устройств, и авиакосмическая промышленность [1–7]. Титановые сплавы обладают низкой плотностью, высокой прочностью и высокой термостойкостью, что позволяет им находить широкое применение в нефтехимической, авиационной и космической отраслях [5].Например, когда самолеты работают на сверхвысоких скоростях, температура их двигателя и поверхности довольно высока, когда титановый сплав более подходит, чем алюминиевый сплав или другие легкие металлические сплавы, потому что титановый сплав сохраняет очень хорошую прочность и стабильность в относительно высокотемпературной атмосфере. . Их можно связывать со многими видами сталей для достижения многофункционального применения [4, 5]. Нержавеющая сталь 316L (Fe-18Cr-11Ni) широко используется из-за ее относительно низкой стоимости и низкой скорости коррозии, которая объясняется внутренней областью оксида хрома и внешней областью смешанного оксида железа и никеля [8].Однако достижение прочного соединения биметаллических структур титан / сталь ограничено двумя аспектами. Во-первых, значительная разница в физических свойствах, таких как коэффициент теплового расширения, плотность и теплопроводность, может привести к большим остаточным напряжениям и микроструктурной неоднородности в межфазной области титанового сплава и нержавеющей стали [9–11]. Во-вторых, их металлургическая несовместимость может привести к образованию в сварочной ванне хрупких интерметаллических соединений.Например, согласно бинарной фазовой диаграмме TiFe, растворимость Fe в Ti в твердом состоянии составляет менее 0,1 ат.%, И, таким образом, фазы TiFe и TiFe ₂ образуются в связанных соединениях, где трещины могут возникать и самопроизвольно распространяться. [6, 11–15].

Для решения этих проблем было применено множество методов сварки для исследования соединения титановых сплавов и нержавеющих сталей, в основном включая сварку твердым припоем [7, 16–20], лазерную сварку [2, 5, 6, 21–25 ], электронно-лучевая сварка [26–31], диффузионная сварка [32–36], сварка взрывом [37–40] и сварка трением с перемешиванием [41–47].Наполнители на основе меди и серебра обычно использовались для пайки стыков титана и стали, в то время как рассеянные хрупкие интерметаллиды, такие как (Fe, Cu) Ti, Cu ₄ Ti ₃ и CuTi [20, 48] и Cu ₄ Ti и CuTi ₂ [7], были наведены на границы раздела, что отрицательно сказывалось на механических свойствах соединений, и было обнаружено, что максимально возможная прочность соединений на растяжение не превышает 200 МПа [16–20 , 48]. Без промежуточного слоя трудно получить надежные соединения прямой лазерной сваркой или электронно-лучевой сваркой из-за непрерывно распределенных хрупких интерметаллидов TiFe и высокого остаточного напряжения в сварочной ванне [21, 25, 49–52].Непрерывный лазер использовался для сварки титана и нержавеющей стали, при этом были сформированы фазы Fe _0,2 Ni _4,8 Ti ₅ , Cr ₂ Ti и NiTi, что привело к обширному растрескиванию на границе раздела [13]. Регулируя смещение луча в сторону титанового сплава, можно повысить прочность соединения на разрыв, но на границе раздела все еще существуют фазы FeAl, FeTi, Fe ₂ Ti и Ti ₅ Fe ₁₇ Cr ₅ фаз. [25]. При сварке лазерной сваркой при соединении титанового сплава и нержавеющей стали электронно-лучевой сваркой без промежуточного слоя фазы TiFe приводили к большой хрупкости и самопроизвольному растрескиванию соединения под действием термического напряжения [52].

Для сравнения, твердотельный процесс соединения больше подходит для сварки разнородных материалов с поразительными физическими и металлургическими свойствами. Диффузионная сварка, сварка взрывом и сварка трением с перемешиванием успешно используются для соединения разнородных структур, таких как Ti / Fe [53], Al / Fe [54], Cu / Ti [55], Cu / Fe [56] и Al / Mg [57], уделяя особое внимание механическим свойствам и влиянию параметров на морфологию и микроструктурные изменения на границах раздела. Лю и др.[57] успешно связали Mg / Al методом вакуумной диффузии. Твердый раствор на основе Al, Al ₃ Mg ₂ , Al ₁₂ Mg ₁₇ и твердый раствор на основе Mg составляют соединение. Кунду и Чаттерджи [58] применили Al в качестве промежуточного слоя для завершения диффузионного связывания титана и нержавеющей стали 18Cr-8Ni. Al ₂ Fe, AlTi и Al ₃ Ti наблюдались на границе раздела, а максимальная прочность на растяжение составляла до 266 МПа для образца соединения, обработанного при 650 ° C в течение 90 мин.Muralimohan et al. [59] соединили цилиндрический чистый Ti с нержавеющей сталью 304 сваркой трением с никелем в качестве промежуточного слоя, и в соединениях вместо хрупких были продемонстрированы интерметаллические соединения NiTi, Ni ₃ Ti, NiTi ₂ и Ni ₂ Ti. Интерметаллические соединения TiFe. Чу и др. [38] приварили листовую титановую пластину к пластине из мягкой стали с помощью сварки взрывом. Было обнаружено, что чрезвычайно быстрое повышение температуры и высокие скорости охлаждения объясняются деформацией, восстановлением и рекристаллизацией соединения, и на границе раздела образуются фазы Fe ₂ Ti и FeTi.Среди этих методов сварки диффузионная сварка менее ограничена формой образцов и минимальным влиянием температурного градиента, с возможностью легкого создания вакуумной атмосферы, что решает проблему реакционной природы титановых сплавов с кислородом, азотом и водородом в воздух.

Диффузионное соединение — это процесс соединения почти чистой формы, при котором контактные поверхности достигают закрытия пористости за счет ползучести и диффузии атомов при определенной температуре и давлении [32–36, 60–62].Были проведены исследования влияния температуры соединения, времени соединения и давления нагрузки на производство биметаллических структур титан / сталь [33, 34]. Когда промежуточный слой вводится в диффузионное соединение структуры титан / сталь, механические свойства соединений могут быть значительно улучшены. Однако вопрос о том, как понять механизм соединения различных прослоек титана и стали, требует дальнейшего разъяснения. Поэтому в этом тексте будет рассмотрено диффузионное соединение между титановым сплавом и нержавеющей сталью без прослойки и с прослойкой.Будет обобщено и сравнено влияние различных промежуточных слоев на микроструктуру и механические свойства соединений. Кроме того, рассматривается регулярность соединений, соединенных диффузионной сваркой, и прогнозируется тенденция развития разнородных соединений между титановыми сплавами и нержавеющими сталями посредством диффузионной сварки.

2. Соединения диффузионно-склеенные без промежуточного слоя

2.1. Микроструктура границы раздела

Чтобы ограничить образование интерметаллидов на границе раздела, было выполнено низкотемпературное диффузионное соединение между титановым сплавом и нержавеющей сталью.Велмуруган и др. [60] провели диффузионную сварку Ti-6Al-4V и дуплексной нержавеющей стали при более низкой температуре от 650 ° C до 800 ° C в течение 30 мин. На границе образовались α -Fe + λ (твердый раствор Fe ₂ Ti + Cr ₂ Ti), λ + FeTi и β -Ti; а при более высокой температуре связывания ширина этих реакционных фаз увеличивалась. Когда температура склеивания достигла 750 ° C, было получено максимальное значение прочности на сдвиг 194,3 МПа.Гош и Чаттерджи [61] изучали соединения, соединенные чистым титаном и аустенитной нержавеющей сталью в диапазоне температур 850–950 ° C в течение 60 мин, в основном с σ , Fe ₂ Ti, FeTi и Fe ₂ Ti ₄ фаз O на интерфейсе. Типичная морфология границы раздела показана на рисунке 1, который включает три области, а именно: черную зону с интерметаллидами, яркий слой β -Ti и игольчатый слой α — β Ti.

Vigraman et al.[62] использовали EDAX (энергодисперсионный рентгеновский анализ) и XRD (дифракцию рентгеновских лучей) для идентификации соединений, присутствующих на стыках диффузионно-связанных Ti-6Al-4V и AISI 304L, а также помимо присутствия Fe _{. 2} Ti, TiNi ₂ , Ti ₃ Ni ₄ и Fe ₂ Ti ₄ O, дополнительный Fe ₂ V ₃ , Mn ₂ Ti, Fe ₃ Al ₂ Si ₄ , Al ₆ Ti ₁₉ , Al ₄ CrNi ₁₅ и Ti ₂ Si _{2 Фазы} были также подтверждены на границе раздела из-за агрегации V, Mn , Si и Al.Образование этих фаз на границе раздела привело к отсутствию связанных элементов на границах зерен, и, таким образом, происходил рост зерен. Мириев и др. [63] вставил Ti в качестве промежуточного слоя для соединения стали и алюминия. На границе раздела титановой стали в слое карбида титана присутствует ферритная структура, что указывает на локальное обезуглероживание.

На рисунке 2 показаны профили концентрации элементов Ti, Fe, Ni, Cr и Mo, полученные методом EPMA (электронно-зондовый микроанализатор), а также изображение BSE (обратно рассеянных электронов) области на Ti-6Al-4V (TiA) и Соединение стыков из нержавеющей стали 316L склеено при 900 ° C в течение 120 мин.Из рисунка 2 (а) видно, что поверхность раздела разделена на три части, включая слой A, слой B и темный слой β -Ti. Сравнивая распределение элементов на рисунках 2 (b) –2 (f), слой A в основном состоит из Fe и Cr. Согласно результатам EDS (энергодисперсионной спектроскопии), содержание Ti составляет всего 3,2 ат.%, А содержание C достигает 18,8 ат.%. Сделан вывод, что в процессе связывания атомы углерода диффундируют в слой А и объединяются с образованием фазы (Fe, Cr) ₃ C.Кроме того, в слое A также наблюдается агрегация атомов Mo, что ослабляет эффект пиннинга на границах зерен. Слой B состоит из Ti (44,8 ат.%), Fe (29,4 ат.%), C (18,8 ат.%) И небольшого количества элемента Ni, и возможными фазами этого слоя являются фазы TiC и TiFe. Образование слоя β -Ti происходит из-за диффузии Fe и Ni в сторону титанового сплава. Fe и Ni представляют собой β -элемент, стабилизирующий титановый сплав, в результате чего высокотемпературная фаза β сохраняется при комнатной температуре.Гош и Чаттерджи [61] подтвердили, что расстояние диффузии Ti на стороне нержавеющей стали было минимальным, в то время как атомы Fe, Cr и Ni обладают сравнительно большими расстояниями диффузии на стороне Ti. Ti является быстро диффундирующим веществом, и быстрая диффузия Ti создает большое количество вакансий в его матрице и, таким образом, способствует увеличению диффузионных расстояний Fe, Cr и Ni на стороне Ti.

Mukherjee et al. [34] использовали усадочное напряжение, возникающее в процессе охлаждения, чтобы минимизировать содержание интерметаллических соединений на границе раздела между титаном марки 2 и нержавеющей сталью AISI 321.Ширина диффузии была уменьшена, и образование FeTi на границе раздела было уменьшено. Между тем, фаза Fe ₂ Ti была удалена. Kundu et al. [64] исследовали, что, когда температура соединения составляла 900 ° C в течение 45 минут, соединения разламывались в фазе λ + FeTi с наличием структуры скола, указывающей на хрупкость. При обработке при температуре 950 ° C и выше разрушение клеевых соединений происходило в фазе σ . Морфология разрушения клеевых соединений при различных температурах представлена ​​на рисунке 3.Соответствующее закрытие поверхности за счет диффузии атомов и продуктов реакции способствует соединению биметаллических структур, как показано на рисунке 3 (а). В свойствах швов преобладает межфазная пористость. На рисунках 3 (b) –3 (c) хрупкие интерметаллиды растут, и их ширина определяет прочность соединений. После этого, из-за эффекта Киркендалла, рядом с областью интерфейса образуются пустоты, что дополнительно ухудшает механические свойства, как показано на рисунке 3 (d) [60–64]. Можно сделать вывод, что прочность клеевых соединений контролируется межфазной пористостью и хрупкостью интерметаллических соединений.

В заключение следует отметить, что микроструктура диффузионных соединений титанового сплава и нержавеющей стали без промежуточного слоя в основном определяется тремя факторами: температурой соединения, временем соединения и составом сырья. Более низкая температура соединения может ограничить содержание хрупких интерметаллидов, таких как FeTi, Fe ₂ Ti, λ и σ , на границе раздела, но прочность соединений ограничена. Для диффузионного соединения титанового сплава и нержавеющей стали без промежуточного слоя оптимальная температура находится в диапазоне 800–950 ° C в течение 60–120 мин.При применении более высокой температуры склеивания в соответствии со вторым законом Фика более короткое время склеивания способствует достижению более высокой прочности и наоборот. Состав титанового сплава и нержавеющей стали также оказывает очевидное влияние на типы интерметаллидов, образующихся в соединениях. Агрегация V и Al из титанового сплава и C, Mn и Si из нержавеющей стали во время диффузионного связывания может привести к образованию TiC, Fe ₂ V ₃ , Mn ₂ Ti, Fe ₃ Al ₂ Si ₄ и Al ₆ Ti ₁₉ на интерметаллическом слое.Процесс диффузионного связывания без промежуточного слоя можно резюмировать следующим образом: первая стадия — это согласованное закрытие поверхности за счет диффузии атомов при определенной температуре, а образующиеся продукты реакции способствуют соединению биметаллических структур. Вторая стадия — это образование хрупких интерметаллидов, ширина которых определяет прочность соединений. Из-за эффекта Киркендалла третья стадия — это образование пустот вблизи области границы раздела, что еще больше ухудшает механические свойства.

2.2. Кинетика роста межфазных фаз

Ферранте и Пигоретти [33] исследовали влияние температуры диффузионного связывания и времени соединения на межфазную микроструктуру и механическую прочность титанового сплава (Ti-6A1-4V) с нержавеющей сталью AISI 316L. Результаты показали, что рост межфазных интерметаллических соединений подчиняется квадратичному закону, а ширина слоя β -Ti контролируется диффузией. Можно предположить, что рост диффузионного слоя идет по параболическому закону.Рост толщины межслоевого слоя можно обозначить следующими соотношениями [60, 64]: где — толщина реакционного слоя (м), — время связывания (с), — температура связывания (К), — скорость роста реагирующего слоя (m ² / с), — константа роста (m ² / с), — энергия активации роста слоя (кДж / моль), — реальная газовая постоянная (8,314 Дж / К моль).

По результатам экспериментов (соотношение между толщиной реакционного слоя и температурой связывания) кинетика роста некоторых реакционных слоев приведена в таблице 1.Можно обнаружить, что расчетные энергии активации α -Fe + λ и β -Ti в литературе расходятся. Причина этого явления заключается в том, что определение толщины реакционного слоя отличается друг от друга, а повышенная скорость и скорость охлаждения печи также влияют на результаты расчетов. Мириев и др. [65] исследовали кинетику роста межфазного слоя TiC, образованного при диффузионной сварке низколегированной углеродистой стали (0.3 мас.% C) и сплава Ti, в котором преобладала диффузия атомов углерода со стороны стали на сторону титанового сплава через фазу TiC. Когда толщина слоя TiC составляет менее 1 мкм м, диффузия углерода в аустените является определяющим фактором. Кинетику роста межфазных слоев можно использовать для регулирования ширины и микроструктуры межфазного реакционного слоя, что является преимуществом для улучшения механических свойств склеенных соединений. Однако оптимизация точности энергии активации требует дальнейшего изучения.

39.9 [64] Интерфейсные слои Энергия активации, Q (кДж / моль) α 64 -Fe + 90,9 ], 124,9 [65] β -Ti 122,1 [64], 133,7 [65] χ 80,8 [64] Fe 298 Ti

В настоящее время кинетика роста межфазных фаз рассчитывается по упрощенной модели. А именно, диффузия в однофазном твердом растворе, где межфазная граница отсутствует. Однако на самом деле в процессе диффузионной сварки на границе раздела между титановым сплавом и нержавеющей сталью образуется много новых фаз. Это означает, что процесс является реакционной диффузией. Коэффициенты диффузии и энергия активации, подтвержденные на упрощенной модели, неточны для прогнозирования микроструктуры суставов.Согласно кинетическому анализу, скорость роста реагирующего слоя может быть получена из экспериментальных результатов, в то время как изменение микроструктуры на границе раздела неизвестно. Следовательно, скорость движения границы раздела фаз и порядок появления новой фазы также требуют дальнейшего изучения.

3. Соединения диффузионного склеивания с прослойкой

Кроме

.