Особенности сварки титановых сплавов – 2 часа

 

1. Характеристика титановых сплавов

2. Особенности сварки титановых сплавов

 

1. Характеристика титановых сплавов

 

    Плотность титана составляет 4505 кг/м, что в 1,7 раза меньше, чем для железа при практически таких же показателях прочности (сплав ВТ22, s_в = 1100 МПа – как у закаленной стали 30ХГСА).

    Титан имеет полиморфные превращения, протекающие в равновесных условиях при температуре 882,5^оС: a-Ti – ГПУ, а b-Ti - ОЦК. Превращение b®a протекает с уменьшением объема примерно на 0,13 %.

    Легирующие элементы в сплавах титана существенно меняют вид диаграммы состояния “титан - легирующий элемент”. Алюминий, а также примеси: кислород, азот повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе a-Ti, т. е. стабилизируют a-фазу (a-стабилизаторы):

 

 

    В отличие от a-стабилизаторов, легирующие элементы, являющиеся b-стабилизаторами, расширяют область твердых растворов на основе b- Ti. Различают b-эвтектоидные и b-изоморфные стабилизаторы.

    b -эвтектоидные стабилизаторы обладают ограниченной растворимостью в b-фазе. Они увеличивают область, занятую b-фазой (хром, кремний, вольфрам, кобальт, примесь – водород и др.). Все данные элементы дают диаграмму состояния с эвтектоидным превращением:

 

 

    b -изоморфные стабилизаторы неограниченно растворяются в b-фазе. Они понижают температуру b-превращения. Это: ванадий, молибден, ниобий, цирконий, тантал, рений и др.:

 

 

    Аналогично подходу, используемому при классификации легированных сталей, титановые сплавы различают по структуре в состоянии поставки (после нормализации). Это: a-сплавы, a + b-сплавы и b-сплавы.

    – a-сплавы:

    а) чистые a-сплавы (ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1 и др.),

    б) "псевдо a-сплавы "– a-cплавы c cодержанием b-фазы менее 5 % (ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-2, ВТ4, ВТ20 и др.);

    – a+b-сплавы (ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22 и др.);

    – b-сплавы:

    а) чистые b-сплавы (4201 и др.),

    в) "псевдо b-сплавы " (ВТ15, ТС5)– b-cплавы, имеющие метастабильную b-фазу и небольшое количество a-фазы.

    a+b-cплавы более прочны, чем однофазные, хорошо штампуются и куются. К этому классу принадлежит большинство промышленных сплавов.

 

2. Особенности сварки титановых сплавов

 

    Технический титан и однофазные сплавы не упрочняются в результате термообработки (измельчение зерна ® рекристаллизационный отжиг, 780-850^оС). Двухфазные и однофазные b-метастабильные сплавы титана воспринимают упрочняющую термообработку, состоящую из закалки и последующим отпуском (старение). Закалка идет по мартенситному механизму. Под воздействием термического цикла сварки данные сплавы закаливаются. Кроме того, в зависимости от скорости охлаждения в ЗТВ протекают процессы:

    1) эвтектоидного распад;

    2) распад пересыщенных твердых растворов (старение и отпуск мартенсита);

    3) рост зерна (собирательная рекристаллизация), приводящий к разупрочнению металла.

    Кристаллизация сварного шва из технического титана и низколегированных a-сплавов характеризуется малой степенью внутрикристаллической химической неоднородности, слабым развитием межзеренного проскальзования (из-за малой линейной усадки) и образованием равновесной структуры. Поэтому данные сплавы не склонны к образованию горячих трещин.

    В сварных соединениях титановых сплавов при пониженной пластичности отдельных участков возможно появление холодных трещин. Особенно часто к этому приводит чрезмерное содержание газов в основном металле и металле шва (водород, кислород, азот), особенно: водород + остаточные растягивающие напряжения или растягивающие напряжения от внешней нагрузки.

    Титан имеет высокую химическую активность. При Т > 350⁰С титан активно поглощает кислород с образованием структур внедрения, имеющих малую пластичность. На поверхности идет реакция:

 

Ti + О₂ ® Ti O₂.

 

При Т > 550^оС образуются нитриды. В результате, начиная с 350^оС в приповерхностном слое возникает стабилизированная кислородом и азотом a-фаза. Такой поверхностный слой называется ²альфированным². При Т > 450^оС оксидная пленка начинает растворяться в титане и процесс окисления ускоряется. Особенно интенсиво он начинает идти при Т > 700 ⁰ С.

    При нагреве выше 500^оС протекают реакции:

 

2 Ti + N ₂ ® 2 Ti N;

 

6 Ti + N ₂ ® 2 Ti ₃ N.

 

В результате данных реакций титан поглощает азот. Образующиеся фазы внедрения вызывают хрупкость металла, что способствует образованию холодных трещин.

    В связи с высокой активностью титана при сварке необходимо защищать участки металла, нагреваемые выше 400^оС. Для этого используют инертные газы и пассивные по кислороду фторидные флюсы. При использовании флюсов на границе ²металл - шлак ² протекает реакция:

 

Ti + 2Me F₂ ® Ti F₄ + 2Me.

 

Соединение Ti F₄ нерастворимо в титане и может давать в шве шлаковые включения.

    Основной дефект металла шва – пористость. Считается, что пористость шва вызывает водород (он попадает из адсорбированной влаги). Кроме того, к пористости могут привести органические загрязнения (масло, жир):

 

Ti O₂ + C ® Ti O + C O.

 

    Для уменьшения пористости при сварке:

    – уменьшают количество адсорбированной влаги;

    – используют режимы сварки, обеспечивающие наиболее полное удаление водорода из сварочной ванны;

    – используют флюсы, помогающие интенсифицировать выделение водорода из сварочной ванны (флюс – это паста из галогенидов, которую наносят на торцы и кромки. Флюс-паста используется при аргонодуговой сварке. Водород связывается в HF или HCl).

Лекция №14

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: