Ключевые слова: титан, алюминий, интерметаллидные сплавы, наплавка, алюминиевая присадочная проволока, износостойкость

Аннотация

 

В статье представлены результаты исследований процессов аогонодуговой наплавки сплавов системы титан-алюминий с применением присадочной проволоки СвАSi12. Установлено влияние режимов наплавки на химический состав и свойства наплавленного мметалла.

Введение. Интерметаллидные сплавы титан-алюминий находят все более широкое применение в промышленности, что связано с их уникальным комплексом физико- 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. Наибольший практический интерес представляют алюминиды Ti3Al и TiAl [1].

Как и большинству интерметаллидам алюминидам титана свойственна высокая хрупкость, особенно при комнатной температуре, что затрудняет их практическое применение в качестве конструкционных материалов [1].

Однако, для формирования поверхностных слоев с повышенными эксплуатационными свойствами алюминиды титана могут успешно применяться [2].

Интерметаллидные слои на поверхности титана было предложено формировать аргонодуговой наплавкой неплавящимся электродом с подачей алюминиевой присадочной проволоки СвАSi12 в жидкометаллической ванну [2].

Методика проведения исследований. Исследования процессов наплавки алюминидов титана проводили на специальной автоматической двухкординатной установке с использованием сварочной горелки AUT-TIG 400W фирмы Abicor-Bensel и универсального сварочного источника Migatronic BDH 550 [3,4].

Для наплавки использовали образцы из титана марки ВТ1-0 размером 120×120×10 мм и присадочную проволоку СвАSi12 диаметром 1,2 мм.

Присадочную проволоку вводили в хвостовую часть жидкометаллической ванны, что обеспечивало стабильное формирование наплавленного валика и уменьшало потери алюминия на угар и разбрызгивание [3,4]. Скорость подачи присадочной проволоки изменялась в пределах Vп/пп Al = 1–6 м/мин при постоянных значениях скорости наплавки Vн = 0,152 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 (рис. 1).

Название   спектра	Al	Si	i	Сумма
Спектр 37	25.53	5.38	9.09	100.00
Спектр 38	25.66	5.28	9.05	100.00
Спектр 39	25.62	5.19	9.20	100.00
Спектр 40	27.05	4.51	8.43	100.00
Спектр 41	27.05	4.65	8.30	100.00
Спектр 42	25.68	4.87	9.45	100.00
Спектр 43	25.75	4.83	9.42	100.00

Спектр 44	25.50	5.39	9.11	100.00
Спектр 45	25.49	5.74	8.78	100.00
Спектр 46	0.52		9.48	100.00

 

Ширина наплавленного валика составляла 14,9–18,9 мм (рис. 2). Высота наплавленного валика изменялась в пределах 0,98– 3,93 мм, а глубина проплавления составляла 2,58–5,18 мм (рис. 2)

Среднее содержание алюминия в наплавленном валике в зависимости от режимов наплавки составляло 9,81–33%, а содержание кремния изменялось от 1,24 до 6,76%.

При увеличении скорости подачи алюминиевой присадочной проволоки содержание алюминия в наплавленном металле повышалось в связи с увеличением массового расхода алюминия и уменьшением площади проплавления основного металла.

Наплавленные валики на основе α - фазы c содержанием алюминия до 10% практически не имели трещин, а с содержанием алюминия от 10 до 30% на основе α+α2(Ti3Al) или α2(Ti3Al) фаз имели не более 3 трещин на контролируемом участке. Появление γ(TiAl)-фазы в структуре наплавленного металла значительно повышало склонность к образованию трещин наплавленного металла. Наплавленные валики с содержанием алюминия более 30% на контролируемых участках имели от 5 и более трещин. Самая низкая трещиноустойчивость наблюдалась в наплавленном металле на основе γ-фазы (рис. 5).

Твердость наплавленного валика изменялась в пределах 30–46 НRC. Повышение содержания алюминия с 9,8% до 25% способствовало повышению твердости наплавленного металла (рис. 6). Дальнейшее увеличение содержания алюминия приводит к снижению твердости, что связано с появлением в структуре металла γ(TiAl)-фазы. По сравнению с наплавленным металлом с применением алюминиевой присадочной проволоки CвА5 твердость повышается на 5-10НRC, что связано с легирование интерметаллидов кремнием [2].

Максимальная износостойкость наблюдалась в образцах с содержанием алюминия 22–27% и составляла около 4,6, что в 1,5 раза выше, чем при использовании алюминиевой присадочной проволоки СвА5 [2]. Дальнейшее увеличение алюминия снижает износостойкость вследствие хрупкого выкрашивания наплавленного металла при абразивном изнашивании образцов (рис. 7).

Выводы:

 

1)     Механические и эксплуатационные свойства наплавленных сплавов системы титан-алюминий определяются содержанием алюминия. Максимальная твердость и износостойкость наблюдается в сплавах с содержанием алюминия 20–27%.

2)        Использование алюминиевой присадочной проволоки, содержащей 12% кремния, увеличивает механические и эксплуатационные свойства наплавленных интерметаллидных сплавов на основе титан-алюминий, в сравнение с применением присадочной проволоки СвА5.

 

 

Список литературы

 

 

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

2.                  Ковтунов, А.И. Влияние режимов наплавки на структуру и свойства покрытий системы титан-алюминий /А.И.Ковтунов, А.А.Гущин, А.Г.Бочкарев, С.Е.Плахотная //Сварка и диагностика 2016.- №2.-С.43-46.

3.                    Ковтунов, А.И. Аргонодуговая наплавка сплавами на основе системы елезо-алюминий: монография/ А.И. Ковтунов. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2014. – 140 с.

4.                  Ковтунов А.И. Физико-химическая кинетика взаимодействия алюминия со сталью при формировании металла шва с заданными свойствами: дисс. док. тех. наук: защищена /А.И. Ковтунов – Тольятти, 2011. – 357 с.