МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Отличительными особенностями титана и его спла­вов как конструкционных материалов являются их вы­сокая удельная прочность (cjy = 1660) при нормальных, повышенных (Т^й = 500 -600 °С) и криогенных темпе­ратурах ( 180 °С) и удовлетворительная коррозионная стойкость во многих агрессивных средах, в том числе и в атмосферных условиях. Эти качества определили ши­рокое применение титана и его сплавов в судо - и авиастро­ении, энергетическом, химическом и пищевом машино­строении, в строительстве и производстве медицинского оборудования и т. п

Производство титана основано на его извлечении из руд: рутила ТЮ2, ильменита ТЮ2 - FeO и перовскита СаО * ТЮ2[1]. Руды обогащаются (до содержания 80% ТЮ2) и затем обрабатываются хлором с получением четырех хлористого титана ТіС14. После такой обработки произ­водится восстановление титана магнием по реакции:

TiCl4 + 2Mg = Ті + 2MgCI2. (20.1)

В результате такой переработки руды получают пори­стую титановую губку (ТГ—90, ТГ—100, ТГ—110), кото­рая после дробления, прессования и спекания в брике-

262

ты переплавляется в технический титан Свойства тако­го титана существенно зависят от степени очистки губ­ки от примесей (Fe, Si, С, N2, Н2).

Получение титана и его сплавов является техничес­ки сложным, весьма энергоемким и дорогостоящим процессом, что объясняется как относительно высокой температурой плавления титана (Тш = 1672—1725 °С), так и высокой его химической активностью по отноше­нию к газам (кислороду, водороду, азоту) и углероду. Уровень механических свойств и структура титановых сплавов в большой степени зависят от содержания ле­гирующих и примесных элементов, образующих с тита­ном как твердые растворы внедрения, так и промежу­точные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Например, с повышением содержания кислорода и азо­та возрастают твердость и прочность титана, снижают­ся его пластичность, коррозионная стойкость, ухудша­ются свариваемость и штампуемость. Особо вредной примесью является водород, образующий при кристал­лизации титановых сплавов по границам зерен тонкие хрупкие пластинки гидридной фазы (TiH). Поэтому до­пустимое содержание водорода находится в пределах 0,006—0,012%. Согласно ГОСТ 19807—74, технический титан маркируется в зависимости от содержания приме­сей. В табл. 20.1 и 20.2 приведены химический состав и механические свойства технического титана. Холодная деформация полуфабрикатов (наклеп) улучшает проч­ностные свойства технического титана. Для снятия на­клепа (когда это необходимо) используют отжиг (Т = = 650-750 °С).

При нагревании титан активно поглощает газы: во­дород — начиная с 50-70 °С, кислород — с 400-500 °С, азот, окись углерода — с 600—700 °С. Эта особенность требует применения при его технологической обработ­ке (в том числе при сварке) инертных защитных газов

263

или вакуума. Технический титан хорошо обрабатывает­ся давлением при нормальной и повышенной темпера­турах. Из него изготовляют листы, трубы, проволоки, поковки. Однако он очень вязок, плохо обрабатывает­ся резанием и обладает низкими антифрикционными свойствами. Технический титан марки ВТ1—00 из-за недостаточной прочности ограниченно применяется в сварных конструкциях.

Легированные титановые сплавы, в отличие от тех­нического титана, обладают более высокой прочностью (сгь = 300-1500 МПа), жаропрочностью, удовлетворитель­ной пластичностью (d = 10—14%), коррозионной стой­костью, удовлетворитепьно свариваются и штампуются Указанные свойства определяются уровнем легирования, количеством и составом упрочняющих фаз в сплавах и су­щественным ограничением содержания примесей.

Как химический элемент титан имеет две аллотропи­ческие модификации: высокотемпературную p-Ti с ОЦК решеткой и низкотемпературную а-Ті с ГПУ ре­шеткой. Температура а <-> p-превращения в равновесных условиях равна Тпг — 882 °С. Так как плотность а-Ті меньше Р-Ті, то процесс р а превращения при охлаж­дении не приводит к упрочнению сплавов из-за фазо­вого наклепа. Упрочнение достигается регулированием соотношения а - и р фаз и количеством образовавших­ся избыточных фаз при его легировании.

Все легирующие элементы и примеси по влиянию на полиморфизм и фазовый состав титановых сплавов (температуру превращения, растворимость легирующих, стабильность той или иной образовавшейся фазы и т. п.) разделяются на «-стабилизаторы, р-стабилизаторы и нейтральные элементы.

а-стабилизапюры (Al, 02, N2) достаточно хорошо ра­створяются в титане и повышаю'] температуру полимор­фного превращения, расширяя область твердых раство­ров на основе а-Тї (рис. 20.1, а)

Из а-стабилизаторов практическое значение как ле­гирующий элемент имеет только алюминий, так как кис­лород и азот вызывают снижение пластичности и вязко­сти. Алюминий снижает плотность сплавов и склонность к водородному охрупчиванию, повышает прочность, жа­ропрочность, модуль упругости сплавов. Однако при из­бытке алюминия (> 4/5—6%) образуется интсрметаллид типа TiyJ, охрутгчивающий титановый сплав.

р-стабилизаторы снижают температуру полиморфно­го превращения титана, расширяя область твердых ра­створов на основе р-Ті. Для легированных p-Ti титано­вых сплавов характерны шаграммы состояния двух

типов. Изоморфные р-стабилизаторы (V, Мо, Та, Nb), неограниченно растворяющиеся в р - Ті, (рис. 20 1, б), образуют диаграммы состояния преимущественно с твердыми растворами, а эвтектоидообразуюшие р-ста­билизаторы (Cr, Mn, Fe, Ni, W, Си и др.) образуют с ти­таном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом p-фазы на а - и у-фазы (рис. 20.1, в). Следует отметить, что в сплавах систем Ti-Mn, Ti-Cr, Ti-Fe при ускоренном охлаждении эвтектоидного распада может не происхо­дить, а р->а превращение идет по штриховой линии (рис. 20.1, в), как и при изоморфных р-стабилизаторах.

266

Глава 20. Титан и титановые сплавы

Большинство p-стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность сплавов, несколько снижая их пластич­ность. При определенных концентрациях p-фаза может фиксироваться при нормальной (комнатной) температуре.

Нейтральные элементы (Sn, Zr, НО не изменяют тем­пературу полиморфного превращения, незначительно повышая прочность сплава, сопротивление ползучести, длительную прочность.

На основе указанного влияния элементов на стаби­лизацию тех или иных фаз построены различные сис­темы легирования титановых сплавов, обеспечивающие получение требуемых технологических и эксплуатаци­онных свойств.

По технологии изготовления титановые сплавы под­разделяются на деформируемые, литейные и порошко­вые, а по механическим свойствам — на сплавы нор­мальной прочности, высокой прочности, жаропрочные, повышенной пластичности.

По способности упрочняться с помощью термообра­ботки титановые сплавы делятся на термически неуп - рочняемые и термоупрочняемые, а по структуре в ото­жженном состоянии они классифицируются на а-, псевдо-а-, а+р, псевдо-р - и р-сплавы.

Сплавы с a-структурой (ВТ—5) термически не упроч­няются и характеризуются термической стабильностью свойств, хорошей свариваемостью, ковкостью и штам - пуемостью в горячем состоянии.

Псевдо-а-сплавы (а-структура + небольшое количе­ство p-фазы из-за легирования 1—5% Мп, V, Nb, Мо) обладают хорошей технологической пластичностью, повышенной жаропрочностью и удовлетворительной свариваемостью (ОТ4).

Основным недостатком а - и псевдо-а-сплавов явля­ются их склонность к водородной хрупкости и понижен-

ная вязкость. Допустимое содержание водорода поэтому составляет 0,01—0,005%, что делает их дорогостоящими при изготовлении полуфабрикатов и осложняет техно­логическую обработку (сварку, штамповку).

Двухфазные а + р-сплавы (ВТ6, ВТ16) характеризу­ются повышенной прочностью в широком диапазоне температур, термически стабильны, подвергаются уп­рочнению термообработкой (закалка+старение), доста­точно жаропрочны и пластичны. Чем больше P-фазы в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состо­янии и сильнее упрочняется при термообработке. По структуре после закалки двухфазные а+р-сплавы под­разделяются на два класса: мартснситныи и переходный. Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат 5—25% p-фазы. В ре­зультате закалки образуется структура мартенсита — аг - фаза (или а" в более легированных сплавах). Сплавы пе­реходного класса более легированы и содержат 25—50% P-фазы. Структура таких сплавов весьма чувствительна к колебанию химического состава и термическому воз­действию (например, при сварке). Высокая концентра­ция p-фазы обеспечивает сплавам переходного класса наибольшую прочность среди а+р-сплавов. Двухфазные а+р-сплавы удовлетворительно свариваются, обрабаты­ваются резанием, штампуются. Они менее чувствитель­ны к водородной хрупкости.

Однофазные р-сплавы, как правило, мало использу­ются при сварке из-за пониженной пластичности швов и большого расхода p-стабилизаторов, удорожающих сплавы. Примерный химический и фазовый состав и механические свойства некоторых титановых сплавов приведены в табл. 20.3, а более подробные сведения о сплавах титана и особенностях их обработки можно получить в литературе [6, 18].

20.1. Основные проблемы свариваемости

Из титановых сплавов для сварных конструкций приме­няются только те, фазовый состав и физико-механические свойства которых в результате воздействия термодеформа­ционного цикла сварки изменяются незначительно в сравнении с исходным металлом, что обеспечивает тре­буемую работоспособность соединения сразу после сварки, либо за счет послесварочной термообработки. В то же время большая склонность титановых сплавов к росту зерна при нагреве выше 880 °С (область (3-фазы), низкая теплопроводность, способствующая увеличению времени пребывания металла шва и околошовной зоны при температурах выше полиморфного превращения (в 2,5—3 раза больше, чем у стали), изменение температуры полиморфных превращений из-за наличия легирующих, образование хрупких вторичных фаз при охлаждении и старении легированных сплавов приводят к появлению химической и структурной неоднородностей как в шве, так и особенно в околошовной зоне, что наиболее часто выражается в появлении холодных трещин и пор. Таким образом, мерами обеспечения свариваемости титановых сплавов являются:

1) гарантированное получение минимально допусти­мого уровня механических свойств наиболее сла­бого участка (как правило, околошовной зоны) соединения;

2) обеспечение достаточной сопротивляемости свар­ного соединения образованию холодных трещин;

3) обеспечение отсутствия пористости швов.

Основным требованием, обеспечивающим техноло­гическую свариваемость титановых сплавов, является назначение таких тепловых режимов сварки, при кото­рых время пребывания металла околошовной зоны выше температуры полиморфного превращения не при­водит к образованию холодных трещин (из-за чрезмер­ного роста зерна), а скорость охлаждения околошовной зоны обеспечивает получение благоприятных структур (минимальное содержание хрупких структур мартенсиг - ного типа), гарантирующих необходимые ее пластичес­кие свойства.

На рис. 20.2 представлены типичные зависимости механических характеристик металла околошовной зоны от скорости охлаждения (времени пребывания околошовной зоны выше температур превращения). Они позволяют ориентировочно оценивать и выбирать тепловые режимы для сварки титановых сплавов различ­ных структур по значениям оптимального интервала скорости охлаждения AWOII (или времени охлаждения At) с целью получения требуемых свойств сварного соеди­нения и недопущения трещинообразования.

Опасной разновидностью проблемы холодных тре­щин в титановых сплавах является склонность к замед-

ленному разрушению, причиной которого являются по­вышенное содержание водорода в шве и образование хрупкого гидрида титана ТІН, а также достаточно высо­кий уровень суммарных растягивающих напряжений первого рода (остаточных сварочных и от внешней на­грузки). Отрицательное влияние водорода повышается при увеличении содержания примесей и из-за возрас­

тания количества хрупких фаз в процессе охлаждения и старения легированных титановых сплавов. Наиболее опасен водород для а-сплавов, так как его раствори­мость в них весьма мала (<0,0019о), менее опасен он при сварке а-ьр сплавов.

Другой проблемой свариваемости является порис­тость швов. Поры в сварных швах и соединениях обра­зуются, в основном, из-за попадания водорода в металл вместе из адсорбированной влаги на проволоке, во флю­се, свариваемых кромках или вследствие нарушения га­зовой защиты ванны. В процессе сварки и после нес во­дород диффундирует от зон максимальных температур (например, от ванны) в менее нагретые области (к основ­ному металлу), что вызывает образование пор по линии сплавления. Кроме того, поры могут образовываться из-за:

а) захвата пузырьков инертного газа кристаллизую­щимся металлом ванны;

в) «схлопывания» микрообъемов газовой фазы при совместном деформировании кромок в процессе сварки.

Следует также учитывать, что низкая вязкость титано­вых сплавов в расплавленном состоянии и высокий ко­эффициент поверхностного натяжения обусловливают опасность появления локальных прожогов, а это требует обеспечения минимальных зазоров при сборке под свар­ку и точного соблюдения тепловых режимов сварки.

20.2. Технологические особенности сварки

Отрицательное влияние кислорода, азота и водоро­да требует при всех способах сварки плавлением тита­новых сплавов эффективной зашиты от взаимодействия с газами атмосферы не только сварочной ванны, но и

272

м< і.» па околошовной зоны, нагреваемой выше Т = 350 С. При выборе способа и вида сварки необходимо учні» івать типоразмер соединений, требования к эксп - лугпглпионным свойствам изделия, программу выпуска и ряд Других условий. Основными способами сварки ти - пновых сплавов являются дуговая сварка в среде инер­тных газов плавящимся и неплавящимся электродами, сварка под слоем флюса, электрошлаковая, электронно­лучевая и плазменная.

Особенностью подготовки кромок основного метал­ла под сварку является тщательная очистка их поверх­ности на ширине 15—20 мм от стыка с целью удаления поверхностного слоя, насыщенного газами, в основном кислородом (альфированный слой). Очистка произво­дится металлическими щетками или шаберами с после­дующим обезжириванием спиртом или ацетоном. Заго­товки, подвергнутые перед сваркой горячей обработке (прокатка, вальцовка, штамповка) или термической об­работке в печах без защитной атмосферы, проходят дро­беструйную обработку поверхности для разрыхления и удаления оксидно-нитридной пленки с последующим химическим травлением поверхности, осветлением и промывкой бензином. Составы реактивов для травления и режимы обработки подробно представлены в работах [7, 18]. Один из реактивов состоит, например, из смеси плавиковой кислоты HF (300 мл/л) и азотной кислоты HN03 (550 мл/л).

Сварочную проволоку перед сваркой обезжиривают, протравливают и, как правило, подвергают вакуумному отжигу с целью удаления водорода. Непосредственно перед сваркой вновь обезжиривают. В помещениях, где сваривают титановые сплавы, температура не должна быть ниже +15 °С.

В качестве защитного газа используются аргон выс­шего сорта (ГОСТ 10157—73), гелий высокой чистоты (ГОСТ 20461—75) или смеси этих газов Защита зоны сварки производится как с лицевой, так и с обратной стороны шва (поддув). При этом сопла горелок снабжа­ются специальными удтинительными насадками дли­ной до 500 мм, а формирующие проплав подкладки со­держат отверстия (каналы) для поддува защитного газа к корню шва. Типовые конструкции насадок и подкла­док представлены в литературе [5]. Более эффективны­ми, но и более дорогими являются местные или общие камеры с контролируемой атмосферой защитного газа.

При толщине металла S < 4,0 мм разделка кромок, как правило, не производится и сварку осуществляют за один проход, а при больших толщинах используют V-, X - или U-образную разделку кромок и многопроходную сварку.

Ручная и механизированная сварка вольфрамовым электродом осуществляется на постоянном токе прямой полярности. Диаметр вольфрамового электрода выбира­ется в зависимости от величины тока, а торец его зата­чивается на конус. Наиболее широко распространены вольфрамовые электроды марок ЭВИ и ЭВЛ.

Во избежание чрезмерного перегрева околошовных участков величину сварочного тока ограничивают (не более 300 А). Сварку ведут короткой дугой без попереч­ных колебательных движений. Для повышения глубины проплавления часто используют галогенидные флюсы - пасты типа АН-ТА, АНТ—23А, ФАН—1, наносимые на кромки тонким слоем. Флюсы-пасты построены на ос­нове CaF с различными добавками и кроме указанного предотвращают пористость, формируют более узкие швы и способствуют модифицированию металла шва. После окончания сварки защитный газ подается до тех пор, пока металл не остынет примерно до 350 °С. Для малых толщин (S — 0,5—2,0 мм) широко применяется

Глава 20. Титан и титановые сплавы

импульсно-дуговая сварка W-электродом. За счет регу­лирования тока, скорости сварки и длительности им­пульсов и пауз можно в широких пределах изменять погонную энергию и, следовательно, размеры и форму швов. Импульсно-дуговая сварка существенно улучша­ет структуру швов, сужает ЗТВ и снижает деформации сварных конструкций на 15—30%. С целью увеличения проплавляющей способности дуги разработан ряд раз­новидностей сварки W-электродом: погруженной дугой, по флюсу, с присадочной порошковой проволокой, с магнитным перемешиванием ванны, в узкую щелевую разделку и др. Особенности этих способов сварки под­робнее изложены в литературе [5,6,18], а ориентировоч­ные режимы ручной и механизированной сварки при­ведены в табл. 20.4.

Таблица 20.4

Ориентировочные режимы аргонолуговой сварки титановых сплавов W-электродом

Сварка плавящимся электродом применяется для соединений толщиной более 4 мм и осуществляется на постоянном токе обратной полярности с использовани­ем электродных проволок диаметром 2—5 мм.

Для термически неупрочняемых а - и псевдо-а-сплавов используются сварочные проволоки марок ВТ 1-00, ОТ4, ОТ4—1, ВТ2, а для а+р-сплавов — СПТ-2. Для упрочня­емых сплавов применяются более легированные проволо­ки марок ВТ6, ВТ20—Ісв, ВТ20-2, ВТ16, СПР—2.

Размеры и форма шва существенно зависят от тепло­вой мощности дуги и от состава инертного газа: в гелии швы более широкие, с плавным переходом к основному металлу, а в аргоне они узкие и глубокие. Оптимальные размеры и форма шва достигаются при использовании смесей (80% Не + 20% Аг). При сварке плавящимся электродом процесс осуществляют на токах, обеспечи­вающих струйный перенос электродного металла. Для толщин S < 25 мм применяется однопроходная сварка, а для больших — многопроходная с разделкой кромок. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом по­зволяет выполнять соединения в монтажных условиях в различных пространственных положениях с хорошим формированием швов. Примерные режимы сварки пла­вящимся электродом приведены в табл. 20.5.

Глава 20. Титан и титановые сплавы

Сварка под флюсом применяется для элементов тол­щиной 3—40 мм с использованием постоянного тока обратной полярности и безкислородных галогенных флюсов серии АНТ системы CoF2-BaCl2-NaF. Перед сваркой флюс обязательно прокаливается при Т = 300— 400 °С. Сварку выполняют на медной формирующей подкладке, на флюсовой подушке или на остающихся подкладках. Для S < 10-12 мм применяют однопроход­ную сварку без разделки кромок, а при S = 12-25 мм — двухстороннюю с разделкой кромок. При больших тол­щинах рекомендуется использовать X - и U-образную разделку кромок. Швы отличаются отсутствием пор, удовлетворительной пластичностью и практически рав­нопрочны основному металлу. Применение комбиниро­ванной флюсогазовой зашиты улучшает пластичность и вязкость металла швов. Ориентировочные режимы свар­ки под флюсом приведены в табл. 20.6.

Таблица 20.6

Режимы автоматической сварки под флюсом стыковых соединений титановых сплавов

Электрошлаковая сварка применяется для заготовок (поковок) и деталей толщиной свыше 40 мм. Сварку производят пластинчатыми или проволочными электро­дами под тугоплавкими фторидными флюсами типа АНТ-2, АНТ—4, АНТ—15А, АНТ—23А с дополнитель­ной защитой аргоном. Сварка осуществляется на пере­менном токе с минимальной погонной энергией, необ - ходимои для обеспечения проплавления и устойчивос­ти процесса. Ориентировочные режимы сварки приве­дены в табл. 20.7. Недостаток сварных соединений — крупнозернистая структура шва, снижающая пластич­ность соединения.

При всех видах сварки плавлением улучшение свойств (в основном, пластичности) сварных соедине­ний достигается послесварочной термической обработ­кой. Как правило, она производится для легированных сплавов мартенситного и переходного классов (ВТ6, BTI4, ВТ22 и др.). Основными видами термообработки для сварных соединений являются отжиг или закалка с последующим старением.

Сварные соединения из технического титана, а - и псевдо-а-сплавов титана подвергаются отжигу для сня­тия сварочных напряжений и для обеспечения возмож­ности правки деформированных конструкций. Для a-t-p - сплавов чаще применяют рекристаллизационный отжиг. Старение сварных соединений из а+р - и р-сплавов улучшает прочностные характеристики.

Подробную информацию об использовании элект­ронно-лучевой, плазменной, вакуумно-дуговой и других видов сварки титановых сплавов можно получить в ли­тературе [5, 18].

Следует особо подчеркнуть необходимость обеспече­ния высокой культуры производства при реализации технологии создания сварных конструкций из титано­вых сплавов (чистота помещения, постоянство темпера­туры и влажности, отсутствие сквозняков, применение спецодежды и т. д.).