Влияние термической обработки на характеристики сварных соединений высокопрочных алюминийлитиевых сплавов
Установлено, что максимальный уровень характеристик прочности достигается при проведении полной термообработки (закалка+искусственное старение) после сварки. Термическая обработка сварных соединений, выполненных сваркой трением с перемешиванием, приводит к выравниванию структурной неоднородности и устранению разупрочнения по зоне термического влияния. Послесварочные режимы термообработки практически не оказывают влияния на защитные свойства неметаллических неорганических покрытий
Введение
По данным отечественных и зарубежных источников уровень прочности сварных соединений высокопрочных алюминийлитиевых сплавов, выполненных сваркой трением с перемешиванием (СТП), составляет 0,75–0,8 от прочности самого сплава. Получить равнопрочные с основным материалом соединения возможно путем применения термической обработки после сварки [1–17]. Поэтому целью данной работы являлось исследование влияния термической обработки на механические свойства и коррозионную стойкость сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469.
Сварные узлы из алюминиевых сплавов зачастую эксплуатируются в условиях, способствующих коррозионному поражению металла сварного соединения. Основными покрытиями для защиты от коррозии алюминиевых сплавов являются неметаллические неорганические химические и анодно-оксидные покрытия. Особенности химического состава и структуры новых алюминиевых сплавов и их сварных соединений требуют разработки технологии получения неметаллических неорганических покрытий, позволяющих обеспечить их применение для изделий, эксплуатирующихся в различных, в том числе и всеклиматических условиях. Легирование сплава литием и новыми легирующими компонентами приводит к изменению качества покрытий, формирующихся в электролитах, разработанных для алюминиевых сплавов. Поэтому в работе также исследовали защитные свойства покрытий, нанесенных на сварные соединения алюминийлитиевых сплавов. В научно-технической документации данные по защитным свойствам неметаллических неорганических покрытий на алюминийлитиевых сплавах и их сварных соединениях практически отсутствуют [18].
Методы исследования
Методы исследования и геометрические размеры образцов для определения механических характеристик (σв, α, KCU) сварных соединений соответствуют ГОСТ 6996–66 и ГОСТ 1497–84. Микротвердость определяли на твердомере EmcoTest DuraJet-10. Исследования микроструктуры проводили на инвертированном оптическом микроскопе Leica DM IRM с программно-аппаратным комплексом обработки изображения Image Expert Pro3x согласно ГОСТ 9.024–74.
Для нанесения защитных неорганических неметаллических покрытий образцы из алюминийлитиевых сплавов В-1461 и В-1469 предварительно обрабатывались в растворе HNO3. После предварительной обработки проведена подготовка поверхности перед нанесением неметаллических неорганических покрытий: образцы подвергали травлению в горячем (55°С) 5%-ном растворе NaOH и осветляли в 30%-ном растворе HNO3. Анодно-оксидные покрытия наносили в электролите, содержащем 200 г/л H2SO4, при плотности анодного тока 1 А/дм2 в течение 30 мин при температуре 20–21°С. Для сплава В-1461 напряжение на клеммах составляло 12–14 В; для сплава В-1469 напряжение на клеммах составляло 15–17 В. Электролит перемешивали механической мешалкой (60 об/мин). После проведения анодного оксидирования покрытие уплотняли в 5%-ном растворе K2Cr2O7 при температуре 95–98°С в течение 20 мин.
Химические оксидные покрытия наносили в растворе, содержащем комплекс ингибиторов коррозии различной концентрации. Образцы с нанесенными неметаллическими покрытиями и без них выставили на экспозицию в камеру солевого тумана: с покрытием Ан.Окс.хр – на ≥750 ч и с покрытием Хим.Окс – на ≥168 ч).
Результаты и обсуждение
Исследовано влияние вариантов термообработки на механические свойства (σв, α, KCU) и коррозионную стойкость сварных соединений высокопрочных алюминийлитиевых сплавов В-1461 и В-1469.
Термическую обработку заготовок из сплавов В-1461 и В-1469 проводили по режимам, обеспечивающим максимальный уровень прочности. После СТП, выполненной по оптимальному режиму, проводили старение и закалку с последующим старением по режимам, принятым для основного материала. Сварные соединения высокопрочных алюминийлитиевых сплавов В-1461 и В-1469, полученные СТП, имеют уровень прочности, пластичности и ударной вязкости на 15–20% выше, чем у соединений, выполненных аргоно-дуговой сваркой, поэтому вполне могут использоваться без дополнительной последующей термообработки (табл. 1).
Проведенное после сварки искусственное старение не повышает прочность сварных соединений сплава В-1469. Прочностные характеристики сварных соединений сплава В-1461 повышаются на 15–20%. Максимальный уровень прочности (σв.св/σв≥0,9) достигается при проведении полной термообработки сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469. Значения пластичности, измеренные по углу изгиба, и ударной вязкости имеют высокий уровень: α=90–95 град, KСU=200–300 кДж/м2.
Таблица 1
Механические свойства* сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469
Свойства | Значения свойств сварных соединений, выполненных сваркой по технологическому варианту | ||
СТП | СТП+старение | СТП+закалка+старение | |
Сплав В-1461 | |||
σв, МПа | 375–400 390 | 440–455 450 | 494–495 495 |
σв.св/σв | 0,75 | 0,82 | 0,9 |
α, град | 65–70 67 | 69–77 73 | 91–95 93 |
KСUшов, кДж/м2 | 110–125 115 | 125–175 155 | 200–220 210 |
Сплав В-1469 | |||
σв, МПа | 425–465 435 | 410–470 440 | 500–502 500 |
σв.св/ σв | 0,8 | 0,81 | 0,92 |
α, град | 85–95 90 | 84–90 87 | 94–96 95 |
KСUшов, кДж/м2 | 245–350 280 | 272–289 280 | 281–309 295 |
* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.
Замер микротвердости на шлифах сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469 показал, что особенностью формирования сварных соединений при СТП является снижение микротвердости в районе перехода от зоны термомеханического к зоне термического воздействия, где и происходит разрушение при механических испытаниях (рис. 1). Зона термического влияния при СТП составляет ~10 мм.
Рис. 1. Распределение микротвердости в поперечном сечении сварных соединений сплавов В-1469 (а) и В-1461 (б), выполненных сваркой трением с перемешиванием (●) и с последующей термической обработкой (○)
Применение термической обработки сварных соединений приводит к выравниванию структурной неоднородности сварных соединений и отсутствию разупрочнения в зоне термического влияния.
Исследовали влияние режимов термической обработки на микроструктуру сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469.
Ядро сварного шва имеет мелкозернистую равноосную структуру несколько вытянутую на периферии в направлении вращения инструмента (рис. 2). Размер зерна составляет 3–5 мкм для сплава В-1461 и 6–10 мкм для сплава В-1469. Применение последующей термообработки не приводит к изменению размера зерна сварного соединения сплава В-1469. Для сплава В-1461 размер зерна после старения и особенно после закалки и старения увеличивается в ~2 раза – до 10 мкм.
Структура переходной зоны, формирующаяся при СТП, значительно отличается на входе (сторона набегания) и на выходе инструмента (рис. 3). Со стороны набегания инструмента (см. рис. 3, б) пластическая деформация проходит в большей степени, чем со стороны выхода (см. рис. 3, а). Последующая термическая обработка сварных соединений сплава В-1461 приводит к незначительному росту зерна в слоях металла с различной протравливаемостью.
Рис. 2. Микроструктура (×200) сварного шва сплавов В-1461 (а) и В-1469 (б)
Рис. 3. Микроструктура (×50) переходной зоны сварных соединений сплава В-1461 со стороны выхода инструмента (а) и набегания инструмента (б)
Для исследования влияния вариантов термообработки на коррозионную стойкость сварных соединений, на изготовленные сварные образцы сплавов В-1461 и В-1469 наносили защитные антикоррозионные покрытия (анодно-оксидные и химически оксидные).
Проведены ускоренные коррозионные испытания в камере солевого тумана (КСТ) сварных соединений с защитными неметаллическими неорганическими покрытиями и без покрытий*.
Установлено, что сварные образцы из алюминийлитиевых сплавов В-1461 и В-1469 с анодно-оксидными и химически оксидными покрытиями, сформированными по стандартной технологии, выдержали испытания в КСТ без появления коррозионных поражений по шву и зоне термического влияния.
Послесварочные режимы термообработки практически не оказывают влияния на защитные свойства неметаллических неорганических покрытий.
Следует отметить, что коррозионная стойкость выше для образцов с меньшей шероховатостью поверхности сварного шва для обоих сплавов (Rz≤40 мкм) – рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид сварных образцов с различной шероховатостью поверхности с анодно-оксидными покрытиями после испытаний в КСТ
Прочностные испытания сварных образцов с защитными покрытиями и без покрытий после выдержки в КСТ (табл. 2) показали, что потери прочности соединений без покрытий составляют от 7 до 19% в зависимости от варианта термообработки после сварки.
–––––––––––––––––––
* Исследования коррозионной стойкости проведены М.А. Фоминой.
Таблица 2
Прочность сварных соединений после испытаний в КСТ
Вид термообработки после сварки | Тип защитного покрытия | Продолжительность экспозиции, сут | σв, МПа | Потери σв, % |
Сплав В-1461 | ||||
Без термообработки | Без покрытия | 7 | 368 | 5 |
Химическое оксидирование | 7 | 385 | 1 | |
Без покрытия | 30 | 359 | 8 | |
Анодное оксидирование | 30 | 388 | 0 | |
Старение | Без покрытия | 7 | 440 | 2 |
Химическое оксидирование | 7 | 435 | 3 | |
Без покрытия | 30 | 425 | 5 | |
Анодное оксидирование | 30 | 445 | 1 | |
Закалка+старение | Без покрытия | 7 | 465 | 6 |
Химическое оксидирование | 7 | 490 | 1 | |
Без покрытия | 30 | 451 | 9 | |
Анодное оксидирование | 30 | 481 | 3 | |
Сплав В-1469 | ||||
Без термообработки | Без покрытия | 7 | 438 | 0 |
Химическое оксидирование | 7 | 430 | 2 | |
Без покрытия | 30 | 423 | 3 | |
Анодное оксидирование | 30 | 427 | 2 | |
Старение | Без покрытия | 7 | 440 | 0 |
Химическое оксидирование | 7 | 440 | 0 | |
Без покрытия | 30 | 426 | 3 | |
Анодное оксидирование | 30 | 425 | 3 | |
Закалка+старение | Без покрытия | 7 | 480 | 4 |
Химическое оксидирование | 7 | 490 | 2 | |
Без покрытия | 30 | 426 | 15 | |
Анодное оксидирование | 30 | 495 | 1 | |
Для образцов с анодно-оксидными и химически оксидными покрытиями потери прочности составляют от 0 до 4% в зависимости от варианта термообработки после СТП.
Заключения
1. Максимальный уровень характеристик прочности (σв.св/σв≥0,9) достигается при проведении полной термообработки (закалка+искусственное старение) после сварки. Термическая обработка сварных соединений приводит к выравниванию структурной неоднородности и устранению разупрочнения в зоне термического влияния.
2. По результатам ускоренных испытаний сварных соединений на коррозионную стойкость в КСТ установлено, что сварные образцы сплавов В-1461 и В-1469 с покрытиями выдержали испытания без появления коррозионных поражений по шву и зоне термического влияния.
3. Послесварочные режимы термообработки практически не оказывают влияния на защитные свойства неметаллических неорганических покрытий.
- Каблов Е.Н., Лукин В.И., Оспенникова О.Г. Перспективные алюминиевые сплавы и технологии их соединения для изделий авиакосмической техники /В сб. Тезисов докладов II Международной конф. «Алюминий–21/Сварка и пайка». 2012. С. 8.
- Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2–14.
- Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России //Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
- Панин В.Е., Каблов Е.Н., Почивалов Ю.И., Панин С.В., Колобнев Н.И. Влияние наноструктурирования поверхностного слоя алюминий-литиевого сплава 1424 на механизмы деформации, технологические характеристики и усталостную долговечность. Повышение пластичности и технологических характеристик //Физическая мезомеханика. 2012. Т. 15. №6. С. 107–111.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167–182.
- Фридляндер И.Н., Чуистов К.В., Березина А.Л., Колобнев Н.И., Коваль Ю.Н. Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства. К.: Наукова думка. 1992.
- Fridlyander I.N., Sister V.G., Grushko O.E., Berstenev V.V., Sheveleva L.M., Ivanova L.A. Aluminum alloys: promising materials in the automotive industry //Metal Science and Heat Treatment. 2002. Т. 44. №9–10. P. 365–370.
- Клочкова Ю.Ю., Грушко О.Е., Ланцова Л.П., Бурляева И.П., Овсянников Б.В. Освоение в промышленном производстве полуфабрикатов из перспективного алюминийлитиевого сплава В-1469 //Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 8–12.
- Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Клочкова Ю.Ю., Романенко В.Ю. Промышленное освоение высокопрочного сплава В-1469 системы Al–Cu–Li–Mg //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст. 01 (viam-works.ru).
- Саморуков М.Л. Аналитический подход к математическому моделированию температурной составляющей ротационной сварки трением //Труды ВИАМ. 2013. №9. Ст. 03 (viam-works.ru).
- Лукин В.И., Оспенникова О.Г., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д. Сварка алюминиевых сплавов в авиакосмической промышленности //Сварка и диагностика. 2013. №2. С. 47–52.
- Лукин В.И., Иода Е.Н., Базескин А.В. и др. Повышение надежности сварных соединений из высокопрочного алюминиево-литиевого сплава В-1461 //Сварочное производство. 2010. №11. С. 14–17.
- Petrovic M., Veljic D., Rakin M., Radovic N., Sedmak A., Bajic N. Friction-stir welding of high-strength aluminium alloys and a numerical simulation of plunge stage //Materials in technology. 2012. V. 46. №3. P. 215–221.
- Силис М.И., Елисеев А.А., Силис В.Э. и др. Особенности структуры сварных соединений алюминиевых сплавов, полученных фрикционной сваркой //МиТОМ. 2009. №4. С. 34–39.
- Лукин В.И., Иода Е.Н., Базескин А.В. и др. Особенности формирования сварного соединения при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава В-1469 //Сварочное производство. 2012. №6. С. 30–36.
- Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Развитие алюминийлитиевых сплавов и многоступенчатых режимов термической обработки //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 183–195.
- Оглодков М.С., Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И. и др. Влияние термомеханической обработки на свойства и структуру сплава системы Al–Cu–Mg–Li–Zn //Авиационные материалы и технологии. 2010. №4. С. 7–11.
- Жиликов В.П., Каримова С.А., Лешко С.С., Чесноков Д.В. Исследование динамики коррозии алюминиевых сплавов при испытании в камере солевого тумана (КСТ) //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 18–22.