СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СВАРКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С МЕДЬЮ И ЕЕ СПЛАВАМИ

Титан (в обоих модификациях) и медь обладают разны­ми типами кристаллических решеток и значительно отлича­ются атомными радиусами. По диаграмме состояния (рис. 21) системы Ті — Си растворимость меди в а-титане невелика (2,1% при эвтектоидной температуре); ее растворимость в {3-титане значительно выше и достигает около 17,7% при
температуре 990° С. Характерной особенностью этой си­стемы является очень быстрый эвтектоидный распад, в результате которого образуются a-твердый раствор и со­единение Ti2Cu.

1100

Б 1050

0

с».

©

1

^1000

В сплавах титана, содержащих медь в больших количе­ствах, кристаллизация завершается эвтектическим распа­дом и получением хрупких интерметаллических фаз раз­личного химического состава. Сплавы титана, богатые медью, весьма склонны к старению, являющемуся следстви­ем образования пересыщенных растворов, что резко пони­жает пластичность и повышает хрупкость.

Большая разница между температурами плавления меди и эвтектики TiCu3 — Ti2Cu3 (1083 и 870° С) приводит к тому, что при расплавлении меди на поверхности титана возникает сильная эрозия и образуются подрезы.

Между физическими свойствами титана и меди также существует большое различие: плотность титана в 2 раза меньше, температура плавления в 1,5 раза выше, коэффи­циент линейного расширения в 2 раза меньше, коэффициент теплопроводности в 23 раза меньше, а удельное электро­сопротивление примерно в 35 раз больше, чем у меди.

При сварке плавлением титана с медными сплавами со­единения получаются хрупкими в связи с образованием хи­мических соединений титана с медью. Это в значительной степени является причиной того, что до последнего време­ни попытки непосредственной сварки титана и его а - или а + р-сплавов с медью были неудачными.

Было установлено, что сварка титана с указанными ме­таллами возможна с применением промежуточных вставок из металлов, свариваемых с каждым из соединяемых спла­вов (например, из ниобия или тантала). Удовлетворительные свойства сварных швов можно получить при использовании промежуточных металлов с низким содержанием примесей элементов внедрения при условии тщательной подгонки соединяемых элементов и отсутствии перемешивания меди с титаном.

В качестве примера в табл. 13 приведены режимы авто­матической аргонодуговой сварки обечаек из титанового сплава ОТ4 и бронзы Бр. Х0,5 с использованием промежу­точного кольца из ниобия (толщина сплавов 1,1 мм).

Прочность тройных сварных соединений ОТ4 + нио­бий 4- Бр. Х0,5 в интервале температур 20—600° С опре­деляется прочностью медного сплава: при 20° ов = (31— — 32,5) - 10-7 Н/м2; при 400° ав = (13,5—16,8) X

X 10“7 Н/м2, при 600° сгв = (9—10,4) • 10-7 Н/м2. Свар­ные соединения пластичны при изгибе. Угол загиба соеди­нений, как правило, равен 150—180°.

Прослойка из ниобия может быть использована при изготовлении переходников для сварки титана с медью и ее сплавами. Такие переходники выполняют путем совместной пластической деформации (прокатка, ковка), диффузионного метода и сварки взрывом. Сварка обечаек из сплава ОТ4 и хромистой бронзы Бр. Х0,5 с применением переходников описана в работе [42]. Переходники из биметалла ОТ4 -- + Бр. Х0,5 с прослойкой из ниобия получали ковкой при температуре 830° С.

Прочность на отрыв биметалла ОТ4 + Бр. Х0,5 с под­слоем ниобия составила (26—34) • 10~7 Н/м*. Разруше­ние образцов происходило по бронзе.

В связи с решающей ролью переходной зоны в форми­ровании свойств биметалла было проведено исследование с помощью микроструктурного и микрорентгеноспектрально - го анализов и измерения микротвердости. Металлографи­ческое исследование биметалла ОТ4 + Бр. Х0,5 показало наличие прослойки ниобия неравномерной ширины (0,07—• 0,1 мм) на границе раздела.

Замер микротвердости не показал ее изменения на гра­нице раздела биметалла. Микрорентгеноспектральный ана­лиз биметалла показал, что титан, алюминий и марганец из сплава ОТ4 диффундировали в ниобий примерно на поло-

вину толщины ниобиевой прослойки. Медь и хром в неболь­шом количестве диффундировали через весь слой ниобия, но в титан не проникли.

Нагрев до 400° С (выдержка 5—100 ч) не оказывает за­метного влияния на структуру биметалла на границе раз­дела. Изменений микротвердости в соединяемых металлах и в прослойке ниобия после нагрева, а также в распределе­нии элементов на границе раздела биметалла не обнаружено. Нагрев до 800° С (выдержка 30 мин) также не оказывает заметного влияния на изменение микротвердости в соеди­няемых металлах.

При автоматической аргонодуговой сварке стыковых со­единений ОТ4 + Бр. Х0,5 с применением переходника титан — бронза с подслоем ниобия (при расстоянии 3 мм и более от границы шва до границы раздела биметалла) термический цикл сварки практически не оказывает заметного влияния на структуру переходной зоны биме­талла.

і Прочность при растяжении таких соединений, выпол­ненных с применением биметаллических вставок, состав­ляет ав = (25—27) • 10~7 Н/м2. Разрушение образцов происходит по бронзе. Режимы сварки обечаек из разно­родных сплавов (продольных и кольцевых швов) приведены в табл. 14,

Отношение предела прочности при двухосном растяже­нии сварных соединений (ОТ4 + Бр. Х0,5), выполненных с применением биметаллического переходника, к пределу прочности при осевом растяжении составляет 1,4, что сви­детельствует о высокой конструктивной прочности сварных соединений. Для диффузионной сварки титана с медью с про­слойкой из ниобия (толщиной 0,1—0,3 рекомендуется сле­дующий режим сварки: давление — 0,5 • 10~7 Н/м2, тем­пература нагрева деталей — 800—850° С; время приложе­ния нагрузки — 7—30 мин. Предел прочности соединения титана ВТ1 с медью Ml составляет (10—12) • 10“7 Н/м2.

Применение прокладок-вставок имеет существенный не­достаток, так как они усложняют конструкцию соединений, затрудняют процесс сборки и сварки и значительно удоро­жают изделия из-за высокой стоимости ниобия или тантала.

Весьма перспективна непосредственная сварка плав­лением медных сплавов с высоколегированными титановыми сплавами, обладающими стабильной однофазной (3-струк­турой. Известно, что решающее влияние на качество свар­ных соединений титана с медью оказывают интерметалличе­ские фазы, толщина получаемых прослоек и степень их хрупкости. Также очевидно, что при прочих равных усло­виях, получение сварных соединений между двумя металла­ми, обладающими объемноцентрированной и гранецентри - рованной кубическими решетками (Та + Си или Nb + Си), более вероятно, чем между металлами, один из которых имеет гексагональную решетку. Путем соответствующего дополнительного легирования одного или обоих сваривае­мых разнородных металлов можно подавить или замедлить процесс образования хрупких фаз между ними. Дополни­тельное легирование может также изменить физические и кристаллохимические свойства свариваемых металлов, сблизить их и, таким образом, способствовать получению качественных сварных соединений.

Изменить тип кристаллической решетки меди весьма затруднительно; у титана же этого можно добиться значи­тельно легче. Используя присущий ему полиморфизм, мож­но путем легирования понизить температуру превращения а ^ (3 и получить однородный сплав со стабильной (5-струк­турой, обладающей объемноцентрированной кубической ре­шеткой при комнатной температуре. К числу легирующих элементов, которые могут понизить температуру превраще­ния в титановых сплавах ниже комнатной и не образуют в двойных системах с титаном и медью интерметаллических фаз, прежде всего относятся изоморфные (3-стабилизаторы —■ Mo, V, Nb и Та.

На основании всех этих соображений для исследований возможности сварки титана с медью были выплавлены и про­катаны титановые сплавы следующих составов (по шихте): Ті —20Мо; Ті — ЗОМо; Ті — 20Nb; Ті — 30Nb; Ті— ЗО Та. Дополнительно был опробован титановый сплав ВТ15, который в закаленном состоянии также имеет одно­фазную (3-структуру. Толщина титановых сплавов состав­ляла 1,5—2 мм. Из сварных пластин вырезали плоские образцы с поперечным швом, которые испытывали на раз­рыв при растяжении и на изгиб. При испытаниях на растя­жение большинство образцов из сварных соединений меди со сплавами Ті — 30Nb и ВТ15 разрушалось по основному металлу (меди); остальные образцы разрушались обычно по шву. Необходимо отметить, что при испытаниях образцов на изгиб деформация в стыке происходит за счет меди, как материала менее прочного и более пластичного.

Результаты испытаний (табл. 15) свидетельствуют о том, что оптимальными механическими свойствами обладают со­единения меди со сплавами Ті — 30Nb и ВТ15.

На следующем этапе работы производили сварку тита­новых сплавов с бронзой Бр. Х0,8. Сварку пластин и изго­товление образцов производили так же, как и в предыду­щем случае. Испытания показали, что лучшим комплексом механических свойств (табл. 16) обладают соединения Ті — 30Nb - f - Бр. Х0,8 и ВТ15 + сплав 11. В то же время другие плавки сплава ВТ 15 давали с медными сплавами сварные

был достаточно термически стабильным: при охлаждении в процессе сварки металл плавок в зоне сварного шва испы­тывал превращение и не обладал однофазной структурой.

Механические испытания сварных соединений сплава ВТ15 со сплавом 11, проведенные при повышенных темпера­турах, показали, что прочность соединений при всех темпе-

ратурах испытания практически находится на уровне проч­ности основного металла (менее прочного).

Соединения, выполненные встык аргонодуговой сваркой, имеют удовлетворительные механические свойства при ком­натной температуре и сохраняют равнопрочность основному материалу при температурах испытания вплоть до 800° С.

Металлографический анализ сварных соединений иссле­дованных сочетаний металлов показал наличие в зоне стыка сравнительно резкой границы (рис. 22). Со стороны меди обнаруживается прослойка, имеющая дендритное строение.

Измерения микротвердости показали, что в сварных со­единениях Ti30Nb + Бр. Х0,8 твердость титанового сплава составляла около 230 • 10-7 Н/м2, вблизи стыка со стороны титанового сплава она возрастала до 300* 10~7 Н/м2. В свар­ном шве имелась прослойка с еще более высокой твердостью, достигавшей (470—480) ПО-7 • Н/м2. Затем твердость посте­пенно понижалась до (280—224) • 10—7 Н/м2 и на бронзе Бр. Х0,8 составляла (115—120) • 10 7 Н/м2. Общая толщина твердых прослоек в соединении колеблется от 0,1 до 0,3 мм.

При необходимости получения сварных соединений меж­ду медными и титановыми сплавами других типов сплавы на основе титана со стабильной Р-фазой могут быть исполь­зованы в виде вставок или промежуточных деталей.