Аннотация: Предложено для повышения технологической прочности наплавленных сплавов системы титан-алюминий легировать никелем в процессе наплавки. Установлено влияние никеля на структуру, механические и эксплуатационные свойства наплавленного металла.

Ключевые слова: наплавка, сплавы титан-алюминий, никель, износостойкость, твердость.

Введение: Интерметаллидные сплавы титан-алюминий находят все более широкое применение в промышленности, что связано с их уникальным комплексом механических и эксплуатационных свойств. Алюминиды титана имеют более высокую жаростойкость и жаропрочность, чем промышленные титановые сплавы, их плотность в 2,5 раза ниже плотности жаропрочных никелевых сплавов. Благодаря низкой плотности и достаточно высоким прочностным характеристикам интерметаллиды титан-алюминий и сплавы на его основе превосходят существующие жаропрочные сплавы на основе титана, железа и никеля поудельным значениям модулей упругости и показателям жаропрочности в широком интервале температур вплоть до 850 °С [1].

Как и большинству интерметаллидам алюминидам титана свойственна высокая хрупкость, особенно при комнатной температуре, что затрудняет их практическое применение в качестве конструкционных материалов [1]. Одним из методов повышения технологической прочности алюминидов титана является легирование. В качестве легирующих элементов рекомендуется применять никель, кобальт, хром, ниобий [2].

Для легированием никелем наплавленных сплавов системы титан-алюминий при автоматической аргонодуговой наплавке с применением присадочной проволоки на основе алюминия [3] было предложено укладывать никелевую проволоку перед сварочной горелкой (рисунок 1).

Методика проведения исследований. Исследования влияния легирующих элементов на свойства наплавленных сплавов системы титан-алюминий на специальной автоматической двухкординатной установке с использованием сварочной горелки AUT-TIG 400W фирмы Abicor-Bensel и универсального сварочного источника Migatronic BDH 550 [3].

Для наплавки использовали образцы из титана марки ВТ1-0 размером 120×120×10 мм и присадочную проволоку СвА5 диаметром 1,2 мм и никелевую проволоку НП1 диаметром 1,2 мм.

Присадочную проволоку СвА5 вводили в хвостовую часть жидкометаллической ванны, что обеспечивало стабильное формирование наплавленного валика и уменьшало потери алюминия на угар и разбрызгивание. Никелевая проволока диаметром 1,2 мм, длиной 120 мм укладывалась на образец титана и переплавлялась в процессе наплавки. Количество никелевых проволок варьировалось от 1 до 3 шт. Скорость подачи алюминиевой присадочной проволоки изменялась в пределах Vп/пп Al= 1–6 м/мин при постоянных значениях скорости наплавки Vн= 0,154 м/мин и силы тока Iн= 270A.

Исследование химического состава наплавленного металла проводились методами растровой электронной микроскопии на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS, Германия) с блоками рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского волнового спектрометра INCA Wave-500.

Износостойкость образцов при абразивном изнашивании определялась при трении о закрепленные абразивные частицы и оценивалась относительной износостойкостью:

& = Δlэ/Δlм

где Δlэ — линейный износ эталона;

Δlм — линейный износ испытуемого материала. В качестве эталонов использовали сталь 45.

Склонность к образованию трещин оценивалась по количественному содержанию трещин и отслоению металла на определенном участке наплавки, длина участка наплавки составляла 100 мм.

Результаты исследований и их обсуждение. Проведенные исследование показали, что при выбранных режимах наплавки формировался валик со стабильными геометрическими параметрами (рисунок 2). Увеличение скорости подачи присадочной проволоки, а так же введение никелевой проволоки способствовало захолаживанию сварочной ванны, что привело к уменьшению проплавления основного металла и увеличению ширины, высоты наплавленного валика, что в свою очередь уменьшило долю основного металла в составе валика. Содержание титана в наплавленном металле при этом снизилось (таблица 1).

Исследование химического состава показало, что по сечению наплавленного валика наблюдалась незначительная неравномерность по химическому составу. Содержание алюминия и никеля снижалось по высоте от поверхности валика к линии сплавления и от центра к линии сплавления.

С увеличением скорости подачи присадочной проволоки увеличивалось содержание алюминия в наплавленном металле, в связи с увеличением массового расхода проволоки и уменьшения площади проплавления основного металла. Содержание алюминия в наплавленном металле в зависимости от режимов наплавки и количества укладываемых никелевых проволок находилось в пределах 7,9-27,3%.

Увеличение количества никелевой проволоки так же приводит к повышению содержания никеля в наплавленном валике и уменьшению содержания алюминия (Таблица 1). Содержание никеля в наплавленном металле при применении одной проволоки составляет 2,86-3,75 %, с двумя проволоками 6,71- 6,75 %, а с тремя- 10-12,1%

Таблица 1. Химический состав в зависимости от режимов наплавки.

 

№ образца	Vпп, м/мин	Vсв, м/мин	Iсв, А	Ni проволока d=1,2 мм	Ti,%	Al,%	Ni,%
1	1	0,152	270	отсутствует	90,052	9,948	0
2	1,5	0,152	270	отсутствует	84,845	15,15	0
3	2	0,152	270	отсутствует	81,82	18,18	0
4	3	0,152	270	отсутствует	74,702	25,298	0
5	3,5	0,152	270	отсутствует	72,648	27,351	0
6	1	0,152	270	1	89,048	7,906	3,041
7	1,5	0,152	270	1	81,94	14,245	3,75
8	2	0,152	270	1	78,362	18,772	2,86
9	3	0,152	270	1	72,725	24,14	3,063
10	3,5	0,152	270	1	71,465	25,63	2,906
11	2	0,152	270	2	81,18	12,09	6,71
12	3	0,152	270	2	76,1	17,15	6,75
13	2	0,152	270	3	76,03	12,83	12,1
14	3	0,152	270	3	69,75	20,049	10

 

Склонность к образованию трещин при легировании никелем незначительно снизилась, о чем можно было судить по уменьшению количества трещин на наплавленных валиках.

Твердость наплавленных валиков изменялась в пределах 36–51 НRC, а износостойкость в пределах 2- 11 (таблица. 2).

Повышение содержания алюминия в нелегированных наплавленных валиках приводит к повышению твердости металла. Твердость при этом изменяется в пределах 36-48,5HRC. Значения относительной износостойкости составляли 3,6-7,5. Максимальные значения относительной износостойкости наблюдались в образце №4 при содержании алюминия около 25%.

Таблица 2.Режимы наплавки, твердость и износостойкость.

 

№ образца	Vпп, м/мин	Vсв, м/мин	Iсв, А	Ni проволока d=1,2 мм	HRC	ξ износ
1	1	0,152	270	отсутствует	36	3,66
2	1,5	0,152	270	отсутствует	38,8	4,75
3	2	0,152	270	отсутствует	43	7,33
4	3	0,152	270	отсутствует	46	7,5
5	3,5	0,152	270	отсутствует	48,5	5,5
6	1	0,152	270	1	38,8	3,75
7	1,5	0,152	270	1	51,5	11
8	2	0,152	270	1	48,9	5,7
9	3	0,152	270	1	45,5	5,5
10	3,5	0,152	270	1	44,5	5,3
11	2	0,152	270	2	42	3,75
12	3	0,152	270	2	51	5,5
13	2	0,152	270	3	46,4	2,83
14	3	0,152	270	3	45,1	2

 

Легирование никелем повысило твердость наплавленного металла. При этом максимальные значения твердости наблюдались при содержании никеля в пределах 3,75% и содержании алюминия около 14%. Дальнейшее повышения степени легирования никелем алюминида титана незначительно снижало твердость валика (таблица 2). Легирование никелем повысило значения относительной износостойкости только при содержании алюминия до 14% и содержании никеля до 3,75%. Более высокое содержания легирующих элементов снижает значение относительной износостойкости наплавленного металла.

Выводы:

Исследования аргонодуговой наплавки системы титан-алюминий показали, что легирование никелем наплавленного металла при помощи никелевой проволоки увеличивает ширину и высоту наплавленных валиков и уменьшает в незначительной мере глубину проплавления, а так же приводит к уменьшению содержания алюминия в наплавленных образцах.

При легировании никелем интерметаллидов системы титан-алюминий при наплавке, наблюдается незначительное повышение трещиноустойчивости и твердости наплавленного металла.

Список литературы

 

1.                  Колачев Б.А., В.И. Елагин, Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2005. 432 с.

2.                  Деменюк А.О., Ганеев А.А., Деменюк О.Б., Кулаков Б.А. Выбор легирующих элементов для сплавов на основе алюминида титана/ А.О. Деменюк, А.А. Ганеев, О.Б. Деменюк, Б.А. Кулаков//Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия».-2013.-Т.13. №1.-С.95-102.

3.                  Ковтунов А.И., Плахотный Д.И., Гущин А.А., Бочкарев А.Г., Плахотная С.Е. Влияние режимов наплавки на структуру и свойства покрытий системы титан-алюминий// журнал «Сварка и Диагностика» №2 2016 года. С – 35-37.