20 ноября 2016г.
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.