СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СПЛАВЫ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ (Якушин Б. Ф.)

21.1. Состав, структура и назначение

Высоколегированные сплавы никеля обладают наряду с высокой жаро­прочностью и окалиностойкостью значительной коррозионной стойкостью в газовых, соляных и жидкометаллическнх средах и могут эксплуатиро­ваться до температур 1000—1100°С (табл. 21.1). Никелевые сплавы делят на две группы: гомогенные нетермоупрочняемые и гетерогенные термоупроч­няемые дисперсионным твердением [1, 2].

Термоупрочняемые гетерогенные сплавы никеля могут иметь несколько исходных состояний. В закаленном состоянии сплавы имеют наименьшую жаропрочность, но наибольшую пластичность (в том числе штампуемость и другие технологические свойства) В дисперсно-упрочненном (состарен­ном) состоянии пластичность минимальна, а жаропрочность максимальна и зависит от объема, химического состава и морфологии, упрочняющих фаз

Главная роль в обеспечении жаропрочности никелевых сплавов принад­лежит у'-фазе, общее количество которой пропорционально содержанию Ті-ГАІ или Nb + Al При 2(Ті, А1)>8% доля у'-фазы достигает 60% (по массе). Под у'-фазой понимают интерметаллиды типа Ni3 (Ті, Al), Ni3Al, Ni3(Nb, Al), имеющие ГЦК решетку. Они когерентны, выделяются в объеме матрицы при старении и обеспечивают дисперсное твердение сплава.

I В комплексно-легированных сплавах у'-фаза имеет сложный состав, так как никель и алюминий могут замещаться другими элементами. Положитель­ное влияние на механические свойства у'-фазы состоит в том, что, выделяясь в объемах зерен при температурах 600—950 °С в виде большого числа коге­рентных мелкодисперсных частиц, она создает эффективные барьеры для движения дислокаций. В то же время у'-фаза значительно пластичнее кар­бидов, а прочность ее возрастает с увеличением температуры

Наряду с основными фазами возможно образование ряда побочных некогерентных фаз, которые, выделяясь по границам зерен вследствие сегре­гации или ликвации, приводят к охрупчиванию сплавов: т)-фаза (Ni3Ti), cr-фаза (FeCr), карбиды (Ме23С6 и Ме6С), бориды (Ме3В2).

В перестаренном состоянии (старение прн повышенных температурах) сплавы имеют промежуточные значения жаропрочности и пластичности вследствие коагуляции упрочняющих фаз.

21.2. Свариваемость никелевых сплавов

21.2.1. Структура, свойства металла шва и зоны термического влияния

Первичная структура металла шва высоколегированных нике­левых сплавов формируется путем зарождения на подложке — оплавленных зернах основного металла — укрупненных столб­чатых кристаллитов, конкурентный рост которых приводит к выклиниванию других, неблагоприятно ориентированных кристаллитов и прекращению их роста. Эта особенность одно­фазной кристаллизации приводит к резкому укрупнению кри­сталлитов в швах и является первым фактором понижения сва­риваемости. Второй фактор — высокий уровень легирования рас­плава; он обусловливает в литом металле на периферии шва ячеисто-дендритный и дендритный (в центре) тип субструк­туры со значительно выраженной ликвационной неоднород­ностью (табл. 21.2) [3).

Основное следствие ликвации — неоднородность химического состава, приводящая к образованию в шве менее эффективных интерметаллидных фаз по сравнению с фазами в основном металле. Так, в результате преимущественной ликвации титана в зонах ликвации будет при старении выделяться фаза ИізТі, обладающая меньшей жаропрочностью и тугоплавкостью, чем у'-фаза [4]. Третий фактор — транскристаллитность швов, в цен-

тре которых на больших скоростях сварки формируется «зона слабины» — стык двух фронтов кристаллизации с явно выра­женной зональной ликвацией. При малых скоростях сварки в центре шва образуются осевые кристаллиты, по граням кото­рых возникают две зоны срастания боковых и осевых кристал­литов, также характеризуемые пониженными свойствами. Изменения структуры в ЗТВ: укрупнение зерна в гомогенных сплавах; растворение упрочняющих фаз в гетерогенных сплавах в зоне, нагреваемой выше 900 °С, фиксируемое по изменению твердости;

оплавление фаз в перестаренных сплавах; перестаривание (при сварке состаренных сплавов), приво­дящее к укрупнению упрочняющих фаз.

Развитие указанных негативных явлений зависит от дли-

тельности высокотемпературного нагрева, исходного состояния сплав а и его химического состава, определяющего стабильность фаз при нагреве.

21.2.2. Трещины в сварных соединениях

21.2,2.1. Трещины при сварке. При сварке гомогенных никеле­вых сплавов (типа Х20Н45, ХН69ВТ, ХН78Т) возможно обра­зование кристаллизационных и подсолидусных горячих трещин в металле шва.

При сварке гетерогенных сплавов наряду с возникновением горячих трещин в шве более вероятно их появление в ЗТВ, где велика протяженность ТИХ из-за наличия легкоплавких ликва - тов (В и т. д.) и мала пластичность из-за крупнозернистой структуры.

Металлургические способы предотвращения горячих тре­щин:

повышение чистоты сплавов по примесям (переплав, гра­нульная металлургия) (табл. 21.3);

ограничение полноты рекристаллизации при прокатке спла­вов, позволяющее инициировать рекристаллизацию при сварке и соответственно снизить сегрегацию в условиях ускоренной миграции границ зерен в ЗТВ при сварке;

сварка в аустенитизированном или перестаренном состо­янии. Значение икр, несмотря на неизменность химического со­става шва, при сварке в аустенитизированном состоянии повы­шается в 1,5—2 раза.

Технологические способы предотвращения трещин: снижение до минимума погонной энергии (сварка неплавя - щимся электродом, ЭЛС, лазер, импульсная дуга); ограничение скорости сварки;

применение электромагнитных полей и других внешних воздействий для измельчения элементов первичной структуры;

применение теплопроводя­щей оснастки и охлаждающих сред (подача паровоздушной смеси на сварочную ванну). Сопротивляемость образова­нию горячих трещин наиболее употребляемых присадок при­ведена в табл. 21.4.

21.2.2.2. Трещины при пос­лесварочной термообработке. Термообработка сварных сое­динений производится с целью снятия сварочных напряже­ний, а для гетерогенных тер­моупрочняемых сплавов — и для восстановления жаропроч­ности в сварном соединении. Наиболее эффективно сочета-

ние закалки и старения. На этапе медленного нагрева в интер­вале дисперсионного твердения возникают трещины.

Сплавы с 2(Ti + AI)^4% весьма склонны к трещинам при термообработке сварных соединений. Сравнительная оценка склонности к таким раз­рушениям при термооб­работке дана нарис. 21.1.

В сплавах, легированных Nb вместо Ті, ослаблена интенсивность старения.

Это позволяет на первом этапе старения снизить сварочные напряжения по механизму релакса­ции, а на втором — по­высить жаропрочность

старением. Такие сплавы, например ХН62МБВЮ (ЭП-709) с упрочняющей у'-фазой Ni3 (Nb, А1),не склонны к образованию трещин в процессе тер­мообработки при сохра­нении значительной жа­ропрочности до 800 °С.

Также способствуют

предотвращению трещин при термообработке все

способы рафинирования сплавов, измельчения зерна в ЗТВ, сни­жение сегрегаций по их границам, сведение к минимуму вре­мени высокотемпературного нагрева при сварке и повышение скорости нагрева при послесварочной термообработке до 60 °С/мин и выше [5].

21.2.3. Охрупчивание при эксплуатации

21.2.3.1. Высокотемпературное. В процессе длительной высо­котемпературной эксплуатации происходит снижение предела длительной прочности и пластичности основного металла и свар­ных соединений. Однако интенсивность их снижения выше для металла шва и ЗТВ, особенно в условиях циклического высо­котемпературного нагружения по следующим причинам:

изменение морфологии у'-фазы в результате высокотемпе­ратурной деформации при сварке, приводящее к пластинчатой форме выделений rj-фазы с ромбической решеткой, некогерент­ной матрице;

преобразование первичных карбидов МеС во вторичные Ме6С и Ме2зСб, имеющие пластинчатую форму и выпадающие на границах;

образование оксидов Ме20, способствующих диффузион­ному окислению сплавов по межзеренным границам [6];

разнозернистость металла в ЗТВ;

межзеренное проскальзывание в ЗТВ в процессе сварки, приводящее к зарождению трещин у включений и ступенек, образовавшихся при выходе дислокаций иа границах.

Чем короче длительность высокотемпературного нагрева при сварке и меньше разница в сопротивлении деформированию металла шва, ЗТВ и основного металла, тем слабее развива­ются указанные необратимые изменения, выше эксплуатацион­ные свойства и свариваемость сплавов.

21.2.3.2. Под воздействием агрессивных сред охрупчивание металла вызывается преимущественно сульфидной и межкри - сталлитной коррозией. Сульфидная коррозия связана с образо­ванием легкоплавких сульфидов никеля NiS (ТПл = 810 °С) при наличии в газовом потоке сернистых соединений. Сульфиды имеют больший объем, что вызывает разрыхление металла и проникновение сульфидов по границам зерен, особенно сильное в восстановительных средах, где нет плотных окисных защит­ных пленок. Чем крупнее зерно в ЗТВ, чем больше напряже­ния и длительность высокотемпературного нагрева при сварке, тем ниже стойкость сварных соединений против газовой корро­зии по отношению к основному металлу.

Межкристаллитная коррозия вызывается распадом твердого раствора при сварочном цагреве в интервале 550—750 °С и вы­падением карбидов в результате диффузии С и Сг на грани­цах зерен. В условиях контакта с электропроводной средой образуется многофазная система анод—катод, что приводит к растворению наиболее электроотрицательной фазы, распола­гающейся вдоль границ зерен. Подавлению склонности швов к межкристаллитиой коррозии способствует легирование нио­бием, исходя из соотношения Nb/C3*20 при работе соединений ниже 550 °С и Nb/C^40 при более высоких температурах дли­тельной эксплуатации, ограничение содержания С не более 0,03—0,06 % и аустенитизации сварных соединений.

21.2.3.3. Радиационное. Под воздействием нейтронов, а-ча - стиц в кристаллической решетке металлов образуются гелиево­водородная фаза, а также вакансии, .так как атомы твердого тела выбиваются из своих регулярных положений и переходят в междоузлия, что снижает пластичность. Высокотемператур­ные свойства под действием облучения изменяются по различ­ным законам в зависимости от химического состава сплавов и его структуры. Наиболее сильно снижаются длительная проч­ность у дисперсионно-твердеющих сплавов (особенно для свар­ных швов), содержащих Со, N, В и др. Значительно меньшее влияние оказывает нейтронный поток на гомогенные сплавы, не склонные к дисперсионному твердению. Их свойства восста­навливаются после отжига при О. бГпл К.

Свариваемость облученного материала (что важно при раз­работке ремонтной технологии ядерного оборудования) также понижена в связи с повышенной склонностью к порообразова­нию, а также к образованию горячих трещин в ЗТВ по меха­низму гелиевой хрупкости. Выбор сварочных материалов и тех­нологии должен быть направлен на снижение гетерогенности швов и концентрации высокотемпературных деформаций, влия­ющих не только на появление горячих трещин, но и на дли­тельную прочность сварных соединений.

21.3. Технология сварки и свойства соединений

21.3.1. Выбор сварочных материалов

При выборе сварочных материалов необходимо предотвратить горячие трещины в шве и ЗТВ, трещины при термообработке, а также обеспечить равную жаропрочность сварных соедине­ний и основного металла. При сварке гомогенных сплавов при­меняют присадочные проволоки, близкие по химическому со­ставу к основному. Отличия состоят в увеличении доли элемен­тов, повышающих энергию активации процессов диффузии (Мо, W, Мп), и в уменьшении упрочняющих добавок (Ті, Al) [7].

Типовые составы присадочных материалов приведены в табл. 21.5.

При сварке гетерогенных сплавов с большим содержанием Ті и А1 применяют присадочные проволоки, в которых часть титана заменена ниобием.

21.3.2. Выбор режимов сварки

При сварке плавлением гомогенных сплавов главная проблема выбора режимов — сохранение жаропрочных свойств сплавов в зоне сварки, а при сварке гетерогенных сплавов — предот­вращение трещин при послесварочной термообработке.

Наиболее общий принцип выбора режимов — максимально возможное сокращение времени высокотемпературного нагрева, увеличение скорости охлаждения и уменьшение размеров сва­рочной ванны [8], снижение сварочных напряжений. Указанные требования выполняются при сварке наиболее концентрирован­ным источником энергии — лазерным или электронным лучом на скорости ^50 м/ч.

Выбор режимов сварки давлением обусловлен более высо­кой жаропрочностью сплавов и электросопротивлением. По­этому с увеличением доли легирующих элементов давление на электродах увеличивают, а силу тока снижают. Чтобы умень­шить перегрев, электроды и изделие помещают в воду или омы­вают струями воды. Перед сваркой поверхности деталей тща­тельно зачищают или обезжиривают травлением.

Сплавы с большим содержанием 2 (Ті + Al) >4 % являются плохосвариваемыми. Такие сплавы рекомендуют соединять диф­фузионной сваркой и пайкой [4].

Выбор режимов послесварочной термообработки. Для гомо­генных сплавов рекомендуется аустенитизация сварных узлов при температуре 1050—1200 °С, которая приводит к растворе­нию избыточных фаз, а также к снятию сварочных напряже­ний, что повышает работоспособность сварных соединений в коррозионных средах (табл. 21.6.).

При сварке гетерогенных дисперсионно-упрочняемых спла­вов послесварочная термообработка включает аустенизацию и стабилизирующий отжиг. Более эффективна двукратная обра­ботка, которая формирует глобулярную структуру карбидов и у'-фазы по границам. Последующее двухступенчатое старение при 900 °С, 8 ч и при 850 °С, 15 ч приводит к выделению

/-фазы в объемах зерен и стабилизирует структуру для после­дующей высокотемпературной эксплуатации, но не изменяет морфологию карбидов.

21.3.3. Жаропрочность соединений

Качественные сварные соединения жаропрочных никелевых сплавов обнаруживают высокие значения жаропрочности и со­противляемости термической усталости, мало отличающиеся от таковых для основного металла (табл. 21.6).