Особенности производства полуфабриката из никелевых жаропрочных, титановых и алюминиевых сплавов методом сварки давлением

Введение

В настоящее время особо актуальной является проблема переработки и использования металлических отходов в машиностроительном производстве. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ ведутся работы по оптимизации изготовления такой продукции, уменьшению негативного воздействия на окружающую среду и снижению расходов. Очень часто в кузнечно-штамповом производстве используются крупногабаритные полуфабрикаты, которые нарезают в соответствии с требуемыми размерами для производства поковок и штамповок. Однако зачастую после таких операций остаются отходы прутка, размеры или форма которых не удовлетворяют необходимым требованиям для изготовления кондиционной продукции.

Утилизация обрезков полуфабриката экономически нецелесообразна, поэтому в НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ ищут способы возможного повторного использования отходов прутков в производстве. Переплавка таких обрезков сопряжена с рядом сложностей. Например, необходимо производить сложную подготовку сырья, которая включает очистку, сепарацию и резку обрезков до необходимых размеров. Кроме того, изготавливаемая продукция требует определенных значений свойств, таких как размер зерна, длительная и кратковременная прочность, сопротивление разрыву и т. д. [1]. Для получения требуемых характеристик необходимо использовать высокотехнологичные и дорогостоящие методы переплава.

В качестве альтернативного метода повторного использования обрезков прутков в кузнечно-штамповом производстве рассматривается сварка давлением, при помощи которой можно получать цельные заготовки требуемого размера из нескольких обрезков полуфабрикатов. Сварка давлением – это процесс, при котором сварное соединение образуется в результате деформации в области контакта двух металлических поверхностей [2]. Основное значение при такой сварке имеет давление, которое прилагается на стыках соединения. Именно оно активизирует силы сцепления в результате пластической деформации [3]. В этом процессе важен нагрев металла, однако существуют технологии применения сварки без нагрева.

Исходя из этого, сварка давлением может быть классифицирована в зависимости от температуры:

‒ холодная сварка при комнатной температуре;

‒ сварка при высокой температуре без оплавления, т. е. металл подогревается до температур, достаточных для осуществления сварки, однако не подвергается расплавлению;

‒ сварка при высокой температуре с оплавлением металла.

Процесс сварки давлением при высоких температурах состоит из двух операций: нагрев области соединения свариваемых заготовок до требуемой температуры (нагрев может осуществляться путем химической реакции, трения, электроэнергии, в печах и т. д.), последующая осадка путем приложения нагрузки к соединяемым частям, что вызывает в нагретом металле пластическую деформацию, которая провоцирует сцепление, приводящее к сращиванию материала [4, 5].

При сварке давлением выдвигаются особые требования к свариваемым поверхностям. Одной из основных проблем при сварке давлением является образование оксидных пленок на поверхностях заготовок. Они приводят к охрупчиванию сварного соединения и ухудшению прочих свойств [2]. Поэтому для образования надежного сварного соединения с требуемыми механическими свойствами необходимо либо избежать образования оксидных пленок, либо прибегнуть к их разрушению.

Кроме того, изготавливаемая продукция, которая находит применение в авиационной, космической и энергетической промышленности, должна соответствовать высокому уровню свойств [6, 7], т. е. обладать функционально-градиентными характеристиками, которые достигаются при определенной структуре [8]. В частности, для соответствия требуемой структуре необходимо получить мелкое зерно при выделении упрочняющей γʹ-фазы определенного размера [9, 10]. Одной из технологий, которая позволяет получить требуемые функционально-градиентные характеристики в изготавливаемых полуфабрикатах, является сварка давлением.

Основная цель данной работы ‒ анализ современных технологических решений при осуществлении операции сварки давлением. Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ.

Обзор технологий получения полуфабриката путем сварки давлением

Сварка давлением алюминиевых и титановых сплавов

В работе [11] представлены результаты экспериментов, которые проводились на титановых и алюминиевых сплавах, используемых в авиационной и космической технике [12]. Эти сплавы обладают мелкозернистой структурой, что обеспечивает им требуемые характеристики, а также устойчивость к длительной горячей обработке давлением.

Перед сваркой давлением заготовки подвергали предварительной обработке для подготовки поверхностей. Контактные зоны алюминиевых заготовок протравливали в азотной кислоте, а затем промывали и сушили. Далее следовала ионная обработка в среде аргона, после чего на контактные поверхности напыляли медное покрытие толщиной 0,5‒0,7 мкм. Поверхности титановых заготовок зачищали при помощи металлических щеток, а после промывали в бензине.

Сварку алюминиевых заготовок производили в вакуумной пресс-камере при давлении 133,3·10^–4 Па и температуре 510–530 °С, сварку титановых заготовок ‒ при давлении 133,3·10^–3–133,3·10^–2 Па и температуре 875–930 °С. Окисленные слои на контактных поверхностях растворяли в среде инертных газов или в вакууме.

Результаты экспериментов показали [11], что наиболее благоприятные условия для сварки давлением создаются после ионного травления поверхностей вместе с нанесением тонкого слоя меди. Исследование сварного шва показало образование общих зерен по большей части соединения. После термообработки, включающей закалку при 450 °С и старение при 110 °С в течение 10 ч с охлаждением на воздухе, прочность сварного шва приблизилась к прочности исходного материала. Произошла взаимная диффузия материалов, о чем свидетельствует прерывистая граница раздела сопрягаемых материалов в месте сварки (рис. 1).

Эксперименты по сварке титана показали, что качество сварного шва, полученного в вакууме и в аргоне, практически идентично. Наблюдается сплошная зона соединения, в которой присутствуют общие зерна. Прочность сварного шва сопоставима с прочностью материала заготовки. В работе [11] выявлена зависимость давления от продолжительности выдержки. В случае титановых сплавов с увеличением этой выдержки в процессе сварки давление уменьшается.

В НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ проводились работы по сварке давлением титановых жаропрочных сплавов [13]. Высокая трудоемкость и сложность процессов изготовления деталей, применяющихся в авиакосмической промышленности, заставляют искать альтернативные, более технологичные способы изготовления полуфабрикатов. Одно из таких технологических решений ‒ использование сварки давлением, которая уменьшает время и затраты на изготовление продукции.

Эксперименты проводили на составных заготовках типа «диск‒диск», которые изготавливали из двух типов титановых сплавов: центральную часть дискового полуфабриката ‒ из сплава типа ВТ8, в то время как для лопаточной периферийной зоны выбрали сплав типа ВТ8М-1. Для того чтобы получить необходимую структуру, исходные заготовки подвергали предварительной обработке в виде всесторонней ковки в (α + β)-области со значениями степени деформации не менее 50 %, поскольку однородность структуры материалов после обработки давлением напрямую зависит от величины степени деформации. Охлаждение заготовок осуществляли на воздухе [13].

Для недопущения окисления поверхностей соединяемых заготовок необходимо обеспечить надлежащую защиту. В условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ наиболее оптимальным способом защиты области соединения от окисления является предварительная пайка соединяемых поверхностей. Для осуществления этой операции использовали припой ВПр16 [14]. Применение припоя позволило обеспечить должное качество паяного соединения, чтобы не было несплошностей и непропаев [13]. Оценку пайки производили при помощи визуального контроля.

Сварку давлением осуществляли в три этапа. Первый этап включал предварительную деформацию составных заготовок в изотермических условиях. Для создания максимального давления в зоне соединения осадку заготовок проводили в закрытом контейнере. Следующим этапом являлось диффузионное соединение заготовок методом горячего изостатического прессования. Конечную изотермическую деформацию проводили на прессе, оснащенном установкой индукционного нагрева, в закрытом контейнере. Заготовка, полученная в результате сварки давлением, показана на рис. 2 [13].

Из зоны сварного шва вырезали образцы, на которых исследовали микроструктуру. Изучение образцов показало наличие сформировавшейся дифференцированной структуры. В области диска обнаружена структура с полностью рекристаллизованной β-фазой и пластинчатой морфологией выделений низкотемпературной α-фазы (рис. 3). Такая структура обеспечивает увеличение вязкости разрушения, способность сопротивляться малоцикловой усталости и ползучести. В лопаточной части заготовки морфология структуры глобулярно-пластинчатая с выделениями α-фазы, которая также приводит к улучшению сопротивляемости многоцикличной усталости и ползучести. Иными словами, полученное при помощи сварки давлением изделие обладает оптимальной структурой в дисковых и лопаточных частях полуфабриката [13].

Кроме того, проведены испытания на прочность образцов, вырезанных из области сварного шва. При испытании выявлено, что значения кратковременной прочности сварного соединения соответствуют значениям для сплавов типа ВТ8 и ВТ8М-1. Разрушение образцов проходило вне линии сварного шва, на участке сплава ВТ8М-1 (рис. 4).

Сварка давлением жаропрочных никелевых сплавов

В работе [15] представлены результаты экспериментов по сварке давлением заготовок из высоколегированных никелевых сплавов ЭП975 и ЭК61 с разным типом упрочняющей фазы, изучена микроструктура твердосплавного сварного соединения.

Перед сваркой заготовки предварительно подготовлены ‒ в частности, получена мелкозернистая микроструктура микродуплекс на образцах из сплава ЭП975 с упрочняющей γʹ-фазой и ультрамелкозернистая структура на образцах из сплава ЭК61, упрочняемая γʹʹ-фазой на основе интерметаллида Ni₃Nb. Сварку давлением осуществляли в вакууме в специальном герметичном контейнере. Скорость деформации составляла 10^–4 с^–1, поддерживалась температура ~925 °С. Проведены два эксперимента: сварке давлением подвергли два цилиндрических образца под воздействием нормальных сжимающих напряжений и заготовки типа «диск‒вал», где действуют касательные сжимающие напряжения (рис. 5) [15].

Анализ сварного соединения показал, что бо́льшая часть деформации приходится на менее прочный сплав ЭК61 с ультрамелкозернистой структурой. Это объясняется возникновением эффекта низкотемпературной сверхпластичности при сварке давлением в интервале температур 750–925 °С для сплава ЭК61, в то время как более жаропрочный сплав ЭП975 практически не деформировался. Его морфология и размер фаз не претерпели значительных изменений относительно исходных структур.

В обоих экспериментах получено твердофазное соединение. На рис. 6 отчетливо видна линия соединения между сплавами. Относительная протяженность пор составляет 15 %.

Фаза δ частично растворилась в процессе сварки давлением при температуре 925 °С, ее доля значительно уменьшилась по сравнению с изначальным состоянием. Химический состав материала в зоне сварного шва ‒ промежуточный по содержанию легирующих элементов между химическими составами сплавов исходных заготовок. При сварке давлением по схеме «диск‒вал» образуется более плавная и широкая зона диффузионного взаимодействия по сравнению со сваркой двух цилиндрических образцов.

Эти эксперименты показали, что обе схемы сварки давлением приводят к формированию твердофазного сварного соединения, отвечающего требуемым параметрам. Между сплавами ЭП975 и ЭК61 создается переходная диффузионная область в зоне сварного шва. Иными словами, сварка давлением как по схеме «диск‒вал», так и между двумя цилиндрами, является эффективным способом получения качественного соединения [15].

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ проводилось изучение сварки давлением никелевых жаропрочных сплавов. В частности, в работе [13] представлены результаты изготовления полуфабриката типа «диск‒вал» из сплавов типа ЭП975-ИД и ЭП742-ИД. Перед операцией сварки давлением обе исходные заготовки проходили этап подготовки, который заключался во всесторонней ковке при температурах, которые соответствуют температуре ниже полного растворения γʹ-фазы, со степенью обжатия не менее 50 %.

Для защиты сопрягаемых поверхностей от окисления проведена пайка в вакуумной печи. В качестве припоя выбран материал ВПр27. Контроль качества пайки на предмет несплошностей и непропаев осуществляли визуально [13].

Обработку давлением составных заготовок проводили на гидравлических прессах в закрытом контейнере, который должен обеспечить степень деформации не менее 50 %. Охлаждение проводили на воздухе. Вторым этапом является горячее изостатическое прессование заготовок типа «диск‒вал» из жаропрочных титановых сплавов, которое обеспечит запуск диффузионных процессов и уменьшит рост зерна. Длительность процесса составляла до 3 ч [13]. Полученная штамповка показана на рис. 7.

Из полотна штамповки на сварном соединении изготовлены образцы для изучения свойств и структуры. После термической обработки микроструктура в области сварного шва соответствует регламентированной с величиной зерна 3–4 балла с большим количеством γʹ-фазы, т. е. полученная структура сварного соединения является типичной структурой жаропрочных сплавов типа ЭП742-ИД и ЭП975-ИД (рис. 8) [13].

Проведены исследования механических свойств сварного шва заготИовки «диск‒вал» из жаропрочных никелевых сплавов. Прочность сварного соединения составила ~80 % от прочности материала типа ЭП975-Д. Значения пластичности при испытании на растяжение образцов из области сварного шва ниже по сравнению с аналогичными значениями для образцов из цельных сплавов типа ЭП742-ИД и ЭП975-ИД [13].

Заключения

Технология сварки давлением широко применяется в современном машиностроении. С ее помощью можно изготавливать полуфабрикаты разных габаритов и форм. Возможно изготовление как цилиндрических изделий, так и изделий более сложной формы ‒ например, по схемам «диск‒вал» или «диск‒диск». Применение технологии сварки давлением допускается как для титановых и алюминиевых сплавов, так и для жаропрочных никелевых сплавов. Важной операцией при получении сварного соединения с помощью сварки давлением является подготовка поверхности ‒ недопущение образования оксидов. Этого можно достичь нанесением специальных защитных материалов (например, меди), проведением сварки в вакууме или в среде инертных газов, а также путем предварительной пайки соединений. Полученные сварные швы обладают удовлетворительной микроструктурой и отвечают требованиям по характеристикам.