СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ (Шиганов И. Н.)

25.1. Основные марки сплавов титана и их свойства

Металл Ті относится к четвертой группе периодической системы элементов. Атомный номер 22, атомная масса 47,9. Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную а с гексагональной плотноупаковаииой решеткой, существующую при температурных ниже 882 °С, и высокотемпе­ратурную Р с объемноцентрированиой кубической решеткой, существующей при температурах вплоть до точки плавления. Температура полиморфного превращения титана а*=£(3 в равновесных условиях равна 882,5 °С [1].

При рассмотрении вопросов свариваемости Ті необходимо учитывать следующие особенности его физических свойств. Титан обладает весьма вы­сокой температурой плавления (1668 °С) и кипения (3260°С). Скрытая теплота плавления, а также испарения Ті почти в два раза больше, чем у Fe, поэтому расплавление Ті требует больших затрат энергии. По удель­ной теплоемкости Ті занимает промежуточное место между А1 и Fe.

Поскольку значение коэффициента теплопроводности Ті в четыре раза меньше, чем для Fe, и в 13 раз меньше, чем для А1, при сварке Ті, во-пер­вых, меньше потерь энергии, чем при сварке стали, а, во-вторых, осуществля­ется весьма концентрированный нагрев при значительном градиенте темпе­ратур. В отдельных случаях это может привести к заметному возрастанию внутренних напряжений, что необходимо учитывать при выборе оптималь­ных режимов сварки конструкций из Ті.

Высокое электросопротивление Ті, превосходящее значение такого же показателя для железа почти в, 6 раз, а для алюминия — более чем в 20 раз, необходимо учитывать, например, при выборе контактирующих устройств для сварки плавлением с использованием присадочной проволоки.

Механические свойства технически чистого Ті невысоки (табл. 25.1) и повышаются в основном за счет легирования.

В химическом отношении Ті — весьма активный металл при высоких температурах, особенно в расплавленном состоянии. При комнатной темпе­ратуре устойчив против окисления. Титаи обладает высоким сопротивле­нием коррозии во многих агрессивных средах. Преимущество его перед другими коррозионностойкими материалами в практически полном отсут­ствии язвенной и межзереиной коррозии.

Наиболее широко сплавы титана используются в сварных конструкциях. Легирующие элементы в значительной степени влияют на температуру

полиморфного превращения, растворимость, стабилизацию той или иной фазы. Существуют следующие группы легирующих элементов:

1) а-стабилизаторы, повышающие температуру а->-Р-превращеиия, значи­тельно растворяющиеся в a-фазе и незначительно в p-фазе, основным ле­гирующим элементом является алюминий;

2) Р-стабилизаторы, делящиеся на две основные группы: изоморфные — неограниченно растворяющиеся в P-фазе (V, Nb, Та, Мо, W) и эвтектоидо - образующие, обладающие большей, но ограниченной растворимостью в P-фазе, чем в ц-фазе (Мп, Fe, Сг, Со, Ni, Си, Si и др.).

В зависимости от структуры в нормализованном состоянии титановые сплавы подразделяются иа следующие классы:

1) а-сплавы, структура представлена а-фазой;

2) а+Р-сплавы, структура представлена а - и Р-фазами;

3) р-сплавы, структура которых представлена механически стабильной Р-фазой.

Существует также два переходных класса: а) псевдо-а-сплавы, струк­тура которых состоит из a-фазы и небольшого количества p-фазы (ие бо­лее 5%); б) псевдо-р-сплавы, структура которых представлена метастабиль - иой Р-фазой и небольшим количеством а-фазы.

Основные сведения по титановым сплавам представлены в табл. 25.1.

Механические свойства, структура титана и его сплавов зависят от примесей, содержание которых ограничивается следующими пределами, % (по массе): О2<0,15—0,2; N2<0,05; Н2< 0,006—0,01; С<0,1; Fe<0,25—0,3; Si<0,15; сумма прочих примесей не должна превышать 0,3%.

Наиболее существенно влияние примесей внедрения (О*. N2, С, Н2). Кислород снижает пластические свойства в области малых концентраций (до 0,1%); в интервале концентраций 0,1—0,5% он относительно мало влияет иа пластичность, но при больших содержаниях (>0,7 %) титан пол­ностью теряет способность к пластическому деформированию Азот полностью охрупчивает титан при содержании более 0,2% Водород—вредная примесь в титановых сплавах, приводящая к охрупчиванию.

Перед сваркой с поверхности титана необходимо убирать газонасы - щеиную пленку, иначе иа поверхности может остаться альфироваиный слой. Сохранение такого слоя недопустимо, так как переход газов из слоя в шов вызывает его охрупчивание.

25.2. Свариваемость

25.2.1. Показатели свариваемости

Обязательным условием получения качественного сварного со­единения является надежная защита от газов атмосферы. Насы­щение металла шва кислородом, азотом и водородом происхо­дит при температурах более 350 °С. Это резко снижает пластич­ность и длительную прочность сварных конструкций. Сварку не­обходимо производить в среде защитных газов (аргона или гелия) высокой частоты, под специальными флюсами или в ва­кууме. Защитные средства должны обеспечивать защиту зоны сварки, ограниченной изотермой более 350 °С. Необходимо также тщательно защищать и обратную сторону шва даже в том слу­чае, если слои металла не расплавлялись, а только нагревались выше этой температуры.

Чувствительность к сварочному термическому циклу выра­жается в протекании полиморфного превращения а^р, в резком росте размеров зерна {5-фазы и перегреве на стадии нагрева, в образовании хрупких фаз при охлаждении и старении, неодно­родности свойств сварных соединений, зависящих от химиче­ского и фазового состава сплава. Перегрев шва и околошовной зоны связан с низкой теплопроводностью титана. Устранить указанные трудности удается применением оптимальных режи­мов сварки, которые выражаются в снижении погонной энергии для а - и псевдо - а-сплааов и в увеличении погонной энергии для а + р-сплавов [2].

Положительные результаты дает применение концентриро­ванных источников энергии (лазерный и электронный лучи).

Титан и его сплавы не склонны к образованию кристаллиза­ционных (горячих) трещин в металле шва. Наиболее распро­страненными дефектами являются поры и холодные трещины. Поры в сварных соединениях чаще всего располагаются в виде цепочки по зоне сплавления. Они снижают статическую и дина­мическую прочность соединений. Образование пор может быть связано с попаданием водорода в шов вместе с адсорбирован­ной влагой на присадочной проволоке, флюсе, кромках свари­ваемых изделий или из атмосферы при нарушении защиты. Для получения беспористых швов необходимо обеспечить требуемую чистоту основного металла и сварочных материалов, сварку выполнять на оптимальных режимах с соблюдением всех тре­бований технологических процессов.

Холодные трещины возникают в результате повышенного со­держания водорода в сварном соединении в сочетании с рас­тягивающими напряжениями первого рода (остаточными сва­рочными и от внешней нагрузки). Трещины такого типа могут возникнуть сразу же после сйарки, а также после вылеживания сварных изделий до нескольких лет (процесс замедленного раз­рушения).

Радикальными мерами борьбы с холодными трещинами яв­ляются: а) снижение газов в основном и присадочном металле: Н2<0,008 %. Ог<0,1—0,12%; N2<0,04%; б) соблюдение тех­нологии сварки для предотвращения попадания паров воды и вредных газов в зону сварки; в) снятие остаточных сварочных напряжений; г) предотвращение возможности наводорожива - ния сварных соединений при эксплуатации.

Помимо общих закономерностей свариваемости, отдельные группы титановых сплавов обладают специфическими особенно­стями.

25.2.2. Титановые сплавы, с а - и псевдо-а-структурой

Низколегированные титановые сплавы с а - и псевдо-а-структу­рой удовлетворительно свариваются различными способами сварки плавлением, что выражается в стабильном формирова-

нии шва, отсутствии трещин и высоких механических свойствах сварных соединений.

Одним из важных критериев свариваемости сплавов этого класса является незначительная чувствительность к изменению режимов сварки. Однофазные а-сплавы имеют широкий интер­вал скоростей охлаждения, при котором сохраняются доста­точно высокие свойства соединений. Наибольшие значения ха­рактеристик пластичности сварных соединений достигаются при средних и относительно высоких скоростях охлаждения. Меха­нические свойства сварных соединений а-сплавов, полученных аргонодуговой сваркой без присадки, приведены в табл. 25.2.

Для обеспечения высокого уровня пластичности швов, рав­нопрочных основному металлу, используют присадочные про­волоки, отличающиеся по химическому составу от основного ме­талла и имеющие по сравнению с ним пониженную концентра­цию легирующих элементов (табл. 25.1).

Рассматриваемые сплавы не упрочняются термической обра­боткой. С целью снятия напряжений конструкции с жесткими соединениями подвергаются отжигу, который включает нагрев при температурах выше. температуры начала рекристаллизации, но ниже температуры полиморфного превращения и последую­щее охлаждение на воздухе. Ниже приведены характерные тем­пературы отжига [3] а-сплавов:

Марка сплава.......................................................... Г, °С

ВТ 1-0; ВТ 1-00 670—690

ОТ4-0; АТ2 ........................................................... 690—710

ОТ4-1; АТЗ, ОТ4 .................................................. 740—760

АТ6; ОТ-2; ВТ5-1, ТС5 ......................................... 800—850

Время отжига составляет 15—60 мин в зависимости от се­чения детали.

Отжиг сварных соединений а-сплавов титана приводит к по­вышению сопротивляемости развитию трещин. Нагрев сварных конструкций рекомендуется производить в электрических печах с защитной атмосферой. При возникновении a-слоя его необхо­димо убирать механическими способами.

25.2.3. Двухфазные (а + $)-сплавы

Двухфазные конструкционные (а + р)-титановые сплавы по сва­риваемости уступают а-сплавам, так как более чувствительны к изменению параметров режима сварки, а необходимый уровень свойств достигается в результате термической обработки, при­менения присадочных материалов или утолщений кромок.

Чувствительность двухфазных сплавов к термическим цик­лам сварки проявляется в существенном изменении механиче­ских свойств связных соединений в зависимости от затрат по­гонной энергии и соответствующих им скоростей охлаждения околошовной зоны. Величина оптимальных скоростей охлажде­ния зависит от количества легирующих элементов в сплаве, от стабильности p-фазы и кинетики ее распада. В общем случае с увеличением степени легирования (a-t-p)-сплава величину скорости охлаждения следует уменьшать. Для наиболее распро­страненного сплава ВТ6 скорость охлаждения не должна пре­вышать 40°С/с. Для более легированных сплавов (ВТ14, ВТ22) независимо от скорости охлаждения (1—600°С/с) наблюдается снижение пластичности околошовной зоны. Поэтому для полу­чения оптимальной структуры и механических свойств около­шовной зоны необходим соответствующий выбор параметров режимов сварки применительно к типу соединения.

Получение требуемых механических свойств металла шва достигается соответствующим выбором химического состава присадочной проволоки, состав которой должен быть близок к составу основного металла, но с уменьшенной степенью леги­рования. Для таких высокопрочных сплавов как ВТ 14 и ВТ22 дуговая сварка без присадки, т. е. только проплавлением основ­ного металла, не позволяет получить достаточно прочные и пла­стичные соединения. Эти сплавы сваривают с легированной присадочной проволокой СПР-2, что позволяет получать после сварки и отжига швы, равнопрочные основному металлу прн удовлетворительной пластичности и вязкости (табл. 25.4).

Снижение чувствительности шва к трещинам и повышение работоспособности швов в условиях длительного нагружения достигается отжигом. Необходимость отжига сварных конструк­ций из (а + (5)-сплавов обусловлена прежде всего возникнове­нием в соединениях метастабильных фаз, склонных к распаду при последующих нагревах, а в некоторых случаях и при при­ложении внешних нагрузок.

Рекомендуются следующие режимы отжига [23] для сварных соединений некоторых (а + р)-сплавов титана:

Марка сплава................................ Температура

отжига, °С

ВТ6, ВТ6С..................................... 750—800

ВТ 14 740—850

ВТ16 .............................................. 730—770

ВТ22, ВТ23 .................................... 740—760

Температура отжига для снятия остаточных напряжений для этих же сплавов составляет 550—650 °С.

Высокопрочные титановые (а + Р)-сплавы наиболее эффек­тивно применяются в термоупрочненном состоянии. В связи с тем, что после сварки основной металл и сварное соединение имеют различные фазовые составы с отличающейся стабильно­стью отдельных фаз, режимы термообработки, рекомендуемые для основного металла, как правило, неприемлемы для сварных соединений. Основная трудность в подборе режимов термооб­работки заключается в снижении пластичности сварных соеди­нений. Термообработка состоит в закалке с последующим ста­рением. В зависимости от химического состава сплава, степени легирования и даже плавки выбирают соответствующие ре­жимы термообработки. Свойства некоторых сплавов, обрабо­танных по оптимальным режимам, приведены в табл. 25.5.

ТА БЛИЦА 25,6 РЕЖИМЫ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ТЕРМООБРАБОТКИ СОЕДИНЕНИЙ, СВАРЕННЫХ С ПРИСАДКОЙ СИСТЕМЫ Ті-Al— Мо—V-Nb —

Zr—Re [5]

вращений в сварных швах и околошовной зоне. Эти сплавы весьма чувствительны к ско­рости охлаждения после на­грева до высоких температур: с уменьшением скорости ох­лаждения снижаются пласти­ческие характеристики. Опти­мальные скорости охлаждения при сварке для сплавов тако­го типа высоки и находятся в пределах 100—500 °С/с. Наи­более перспективными для р - сплавов титана являются спо­собы, обеспечивающие сварку

на жестких режимах. Рекомендуется применять электроцно-лу - чевую сварку, аргоно-дуговую с активирующим флюсом, ла­зерную.

Термическая обработка сварных соединений повышает проч­ность, но снижает пластичность шва (табл. 25.7). Повышение прочности и пластичности сварных соединений достигается ме­ханико-термической обработкой.

Сплавы со стабильной {5-структурой удовлетворительно сва­риваются всеми видами сварки плавления.

При изготовлении конструкций нз титановых сплавов ис­пользуют следующие способы сварки: дуговая — в среде защит­ных газов, неплавящимся и плавящимся электродом, электрон­но-лучевая, лазерная, плазменная, электрошлаковая, контакт­ная, диффузионная, сварка взрывом, а также пайка.