СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

РОСТ ПРОЧНОСТИ ПРИ СВАРКЕ В РЕЖИМАХ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

При общепринятой технологии сварки давлением с подогревом (температура и давление постоянны) оптимальные параметры процесса, обеспечивающие равнопрочность сварного соединения основному металлу, необходимо определять для конкретной исходной структуры материала. Объясняется это тем, что основным процессом, определяющим образование качественного соединения, является пластическая деформация, характер развития которой в зоне контакта зависит не только от технологических параметров, но и от сопротивления материала пластической деформации, которое является структурно чувствительной характеристикой. Кроме того, при такой технологии сварки, как это показано ранее, материал в зоне соединения подвергается значительному деформационному упрочнению, которое резко увеличивает дли­тельность образования качественного соединения, а следовательно, уменьшает производительность процесса.

Для технологии соединения материалов в твердой фазе перспек­тивным является использование эффекта сверхпластичности. Этот эффект проявляется в металлах и сплавах, не имеющих полиморф­ного превращения, при наличии мелкозернистой структуры с размером зерна до 3 мкм, а в металлах и сплавах с полиморфным превращением в температурной области превращения.

Сварка в режиме сверхпластичности позволяет использовать повышенную диффузионную подвижность атомов в приграничных объемах зерен для резкого"^снижения сопротивления металла пластической деформации и’предотвращения деформационного упрочнения, а следовательно, резко интенсифицировать процесс сварки на всех его стадиях, рекомендовать строго определенные (для каждого материала) оптимальные режимы сварки, обеспечить воспроизводимость качества и повысить прочность соединений.

При сварке в условиях проявления эффекта сверхпластичности металлов без полиморфного превращения рост зерна при темпера­туре сварки может быть предотвращен подбором оптимальных

скоростей нагрева, а также за счет уменьшения температуры и времени сварки. Для получения мелкозернистой структуры могут быть использованы такие известные способы, как холодная деформация (степень деформации должна быть больше критиче­ской) и последующий скоростной нагрев (скорость нагрева 30° С/с, длительность выдержки при температуре начала рекристаллиза­ции 0,1 с) с закалкой, гидроэкструзия при температуре на 100° С ниже температуры рекристаллизации, взрывная обработка с после­дующей рекристаллизацией и др.

Возможность использования эффекта сверхпластичности про­верялась при сварке титановых сплавов ВТ6 с ВТ6, ОТ4 с ВТ15, ОТ4 с ОТ4, ОТ4 с ВТ6, а также при сварке никеля с никелем.

Для определения температурно-скоростных условий проявле­ния эффекта сверхпластичности на переоборудованной установке ИМАШ-5С-65 при различных температурах определяли сопроти­вление пластической деформации Р при различных скоростях

вынужденной деформации е. Для этого использовали образцы, которые имели равномерно нагретый участок длиной 10 мм. Скорость нагрева и охлаждения во всех экспериментах составляла 10—20° С/с.

Количественным показателем проявления эффекта сверхпла­стичности считали чувствительность к скорости деформации, кото­рую определяли как

lg <Р* Р{

т

lg (ёо/е,)

Зависимости Р (е) для сплавов ВТ6 и ОТ4 приведены на рис. 113. Скоростные зависимости т при различных температурах для сплавов ВТ6 и ОТ4 приведены на рис. 114. Эти данные позволяют выбрать оптимальные температурно-скоростные условия проявле­ния эффекта сверхпластичности.

Сварка в режиме сверхпластнчности осуществлялась на уста­новке для сварки давлением с подогревом, дополнительно обору­дованной системами принудительного деформирования и регистра­ции начала деформирования. Давление к свариваемым образцам прикладывалось через жесткую рычажную систему с помощью грузов, расположенных на опоре редуктора. Вес грузов был выбран таким, чтобы исключить их зависание при деформирова­нии образцов. Таким образом, была смоделирована жесткая система нагружения по схеме принудительного деформирования на испытательных машинах типа «Инстрон». Система регистра­ции начала деформирования свариваемых образцов построена по схеме регистрации электрического контакта подвижного пуан - г сона установки с образцами. Это поз-

а„, кгс м/см волило строго дозировать величину

деформации и, следовательно, время процесса.

Исследования проводились на цилиндрических образцах диа­метром 10 мм и длиной 17 мм. Соединяемые поверхности имели класс обработки V6. Прочность сварных соединений оценивали по результатам испытаний на ударный изгиб. Для этого изгото­вляли микрообразцы размером 5x5x30 мм с надрезом радиусом 0,5 и глубиной 0,5 мм на одной из сторон вдоль линии сварки

На рис. 115 приведены кинетические кривые роста ударной вязкости соединений, полученных при сварке сплавов ОТ4 с ВТ15 в условиях проявления эффекта сверхпластичности, так как ВТ15 является сплавом с p-структурой. Приведенные на этом графике значения Р были получены путем экстраполяции зависимостей Р (є) при соответствующих температурах к скорости деформации е = 1,5 • 10"6 с-1.

Кинетика роста ударной вязкости при сварке сплавов ОТ4 с ВТ15 в том же температурном диапазоне проявления эффекта сверхпластичности, но при постоянном давлении сварки (как это принято при обычной технологии сварки давлением с подогревом) показана на рис. 116. Сравнение этих данных с данными рис. 115 наглядно иллюстрирует целесообразность использования эффекта сверхпластичности при сварке давлением с подогревом. Отметим, что при оптимальной температуре (Г = 920° С) проявления эффекта сверхпластичности для сплава ОТ4 значение ударной вязкости а = 3 кгс-м/сма достигается при предлагаемом способе сварки за длительность процесса / = 10 мин, а при обычной технологии сварки за t = 26 мин. Причем в первом случае давление сварки составляет лишь 0,05 кгс/мм2, а во втором 0,2 кгс/мм2.

Кинетика роста ударной вязкости сварных соединений при сварке в режиме сверхпластичности сплавов ВТ6 с ВТ6 показана на рис. 117. При сварке этого сплава в режиме сверхпластичности (Т = 900° С, е = 7,5 10“4 с-1) структура зоны соединения при

Риг. 117. Кинетика роста ударной вязкости соединений при сварке в режиме сверхпла - стичиости сплавов ВТ6 с ВТ6:

I — Т = 880° С, 2 — 900; 3 — 920; 4 — 940

Рис. 118. Кинетика роста ударной вязко­сти соединений при сварке в режиме сверхпластичиости сплавов ОТ4 с ОТ4: 1 — Т = 880° С; 2 — 900; 3 — 920; 4— 940

і = 4 мин не отличается от структуры основного металла, а удар­ная вязкость находится на уровне основного металла (см. рис. 117 и 118).

При сопоставлении зависимостей а (t), полученных в области оптимальных значений скорости пластической деформации, видно, что на величину ударной вязкости соединений оказывает (при 'Г = const) влияние лишь величина накопленной деформации. Так, при Т =900° С, е = 3-1СГ4 с-1 значение а = 6,5 кгс-м/см2 достигается при t = 8 мин, когда е = 0,14. Такое значение є — 0,14 при є = 7,5-1СГ4 с-1 (и той же температуре) достигается за t = 3,2 мин, когда ударная вязкость соединения также соста­вляет 6,5 кгс-м/см2. Следует отметить также идентичный характер структур сварных соединений, полученных при е = 3-10~4 с-1 и t = 8 мин и е = 7,5 -1СГ4 с"1 и t = 3 мин. Таким обра­зом, в отличие от обычной технологии сварки давлением с по­догревом при сварке в условиях проявления эффекта сверхпла­стичности из-за отсутствия деформационного упрочнения мате­риала в процессе сварки одинаковый уровень ударной вязкости соединений обеспечивается при одинаковом значении накопленной объемной деформации.

При сварке сплавов ОТ4 с ОТ4 в условиях сверхпластичности при Т = 900° С и в = 7,5 -10-4 с-1 ударная вязкость соединения достигает уровня основного металла (11 кгс-м/см2) за длительность 4 мин (рис. 118). При е = 2-Ю"3 с-1 процесс еще более интенси­
фицируется и эта же величина ударной вязкости соединения дости­гается уже за 1—1,2 мин

Сварка в режиме сверхпластичности перспективна также для металлов, не испытывающих полиморфного превращения, В этом случае основным условием проявления эффекта сверхпластичностн является наличие мелкозернистой структуры. На рис. 119 показана кинетика роста относительной ударной вязкости сварных соедине­ний, полученных при Г = 1050" С и Рр = 1,0 кгс/мм2 для случаев, когда никель перед сваркой имел размер зерна 40 и 2 мкм. Видно, что при мелкозернистой структуре никеля наблюдается более интенсивный рост ударной вязкости сварных соединений.

В практике соединения материалов в твердой фазе применение промежуточных прокладок хорошо известно. Использование про­кладок позволяет снизить давление при сварке за счет развития сил контактного трения, уменьшить химическою неоднородность в зоне соединения и способствует также релаксации напряжений, возникающих в соединении при больших различиях в коэффи­циентах линейного расширения соединяемых разнородных мате­риалов.

Описанный выше способ сварки в условиях сверхпластичности пригоден для деталей, которые полностью состоят из материалов, претерпевающих фазовые превращения при температуре сварки или имеющих мелкозернистую равноосную структуру. Это в опре­деленной степени ограничивает спектр соединяемых материалов в таких условиях.

Поэтому перспективным является соединение широкого класса одноименных и разноименных материалов (металлов с металлами, металлов с полупроводниками и керамикой, керамики с керамикой и т. д.) через промежуточные прокладки из материалов, обладаю­щих сверхпластичными свойствами при выбранных режимах сварки, т. е. в допустимом диапазоне температур и скоростей деформации. В качестве промежуточных прокладок в этом случае могут быть использованы не только металлы, имеющие полиморф­ные превращения, но и специально изготовленные сплавы, имею­щие мелкозернистую равноосную структуру и обладающие в тре­буемом диапазоне температур и выбранном интервале скоростей деформации сверхпластичными свойствами. Например, исходя из особенностей соединяемых материалов и ограничений по температу ре процесса, обусловленных необходимостью сохранения определенных физико-химических свойств материала, в качестве

Рис. 119. Кинетика роста ударной вязко­сти соединений при сварке никеля НВК с никелем НВК (Яр = 1,0 кгс/мм*. Т — = 1050° С):

1 — исходная структура с размеров зерна 40 мкм; 2 — исходная структура с разме - . ром зерна 2 мкм

прослойки следует выбирать такой материал или сплав, который позволяет выполнять процесс сварки в режиме сверхпластичности в допустимом интервале температур.

В тех случаях, когда применение промежуточных прокладок нетехнологично (при соединении развитых поверхностей или при сварке деталей сложной формы и т. д.), целесообразно наносить на соединяемые поверхности сплавы и материалы (например, электролитически, спеканием слоя порошка, напылением и т. д.). В тех случаях, когда покрытие не имеет фазовых превращений, для придания покрытию требуемой равноосной структуры с раз­мером зерен не выше 3 мкм, перед сваркой его необходимо подвер­гать обработке известными методами (например, деформации с последующим отжигом).

Известные в настоящее время способы сварки давлением с подогревом предусматривают упрочнение сварного соединения путем проведения последующей термической или термопласти­ческой обработки. Такие способы упрочнения требуют применения дополнительного электротермического и прокатного оборудования и увеличивают число операций при получении высокопрочных сварных соединений, что снижает их экономическую эффектив­ность.

Поэтому перспективным является повышение механических свойств соединения путем увеличения скорости принудительной деформации. Главная отличительная способность такого способа сварки заключается в том, что ведение цикла сварки в оптимальных режимах, обеспечивающих легкое протекание процессов возврата, заканчивают резким увеличением скорости принудительной дефор­мации до значений, намного превышающих скорость процессов возврата. Это приводит к увеличению плотности дефектов кристал­лической решетки металла и упрочнению сварного соединения.

Ранее было показано, что проведение сварки металлов в усло­виях сверхпластичности существенно интенсифицирует процесс соединения вследствие использования повышенной диффузионной подвижности атомов в приграничных объемах зерен и высокой скорости протекания релаксационных процессов. При этом важ­ную роль играет правильный выбор величины скорости деформа­ции для каждого металла, так как от этого зависит проявление эффекта сверхпластичности.

Последующее увеличение скорости деформации до значений, превышающих скорость протекания релаксационных процессов, приводит к накоплению линейных дефектов в металле сварного соединения и резкому увеличению прочностных характеристик. При этом представляется возможным получение упорядоченной тонкой структуры особенно в приграничных объемах зерен, что обеспечивает высокий уровень пластичности и сопротивляемости хрупкому разрушению сварного соединения.