автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка композиционной проволоки для сварки и наплавки сплавов на основе Ni3Al

На правах рукописи

ЧІУІ

п

Дубцов Юрий Николаевич

РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННОЙ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ №3А1

Специальность 05.02.10 Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З I ОКТ 2013 005536367

Волгоград -2013

005536367

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

СОКОЛОВ Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты: ЕРЕМИН Евгений Николаевич

доктор технических наук, профессор, Омский государственный технический университет, кафедра «Машиностроение и материаловедение», зав. кафедрой

ШМОРГУН Виктор Георгиевич

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Материаловедение и композиционные материалы», профессор

Ведущая организация ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и

конструкторско-технологический институт оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности», г. Волгоград.

Защита состоится 22 ноября 2013 г. в 12е2 на заседании диссертационного совета Д 212.028.02 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, зал заседаний ученого совета (ауд. 209).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 22 » октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

'зьмин Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Работоспособность штампов и пресс-форм для горячего деформирования сталей, зажимных приспособлений в высокотемпературных печах, носков оправок трубопрошивных станов, роллеров для прокатки стальных слябов, дисков и лопатки турбин для наземных ГТД и других объектов, эксплуатирующихся при температурах до 1200 °С, зависит от износостойкости их контактных поверхностей. Эффективными способами продления срока службы таких деталей являются сварка и наплавка, впервые апробированные на никелевых суперсплавах еще в 60-ых годах прошлого столетия. Большой вклад в теорию и практику сварки и наплавки жаропрочных никелевых сплавов внесли К. Б. Багрянский, Г. JI. Петров, К. А. Ющенко, Б. Ф. Якушин, С. И. Феклистов, А. А. Сливинский, В. И. Лукин, J.C. Lippold, S. D. Kiser, J. N. DuPont, Т. D. Anderson.

Для упрочнения рассмотренной группы деталей более технологичными являются современные износостойкие сплавы на основе легированного алюми-нида у'-№зА1, способные, в отличие от никелевых и кобальтовых суперсплавов, длительно сохранять стабильную структуру и высокие эксплуатационные свойства вплоть до температуры 1250 °С. Исследованием и разработкой таких материалов занимались Е. Н. Каблов, К. Б. Поварова, Н. В. Петрушин, Б. А. Гринберг, В. П. Бунтушкин, О. А. Базылева, С. Т. Liu, Н. К. Kim, S. М. Codley, В. Н. Кеаг и многие другие ученые. Наплавка сплавов на основе алюминида y'-Ni3Al с использованием процесса ЭШН впервые осуществлена сотрудниками ВолгГТУ. Показана эффективность применения такого материала для упрочнения носков оправок трубопрошивных станов вследствие формирования в наплавленном металле структуры «естественного эвтектического композита». Вместе с тем на сегодняшний день еще не созданы материалы для дуговых процессов наплавки и сварки сложнолегированных, жаропрочных сплавов на основе Y'-Ni3Al.

Высокие сварочно-технологические свойства жаропрочного наплавленного металла на основе y'-Ni3Al реализуются не только при соблюдении сте-хиометрического соотношения входящих в интерметаллическое соединение химических элементов и строгого диапазона легирования тугоплавкими компонентами, стабилизирующими структуру, а также зависят и от размера, формы и характера распределения в металле структурных составляющих. Из работ Я. Е. Гольдштейна, Е. Н. Еремина, В. П. Сабурова, В. П. Комшукова, Г. Н. Соколова, В. Chalmers, Q. Y. Hou, J. Н. Wu и др., в которых рассмотрены физико-химические процессы модифицирования сплавов, известно, что максимальный эффект упрочнения и модифицирования металла достигается при введении в металлический расплав тугоплавких частиц, обладающих высокой термодинамической стабильностью, малыми (менее 100 нм) размерами и когерентностью с кристаллической решеткой сплава. Однако результатов исследований модифицирования такими компонентами сварных швов и наплав-

Автор выражает глубокую благодарность, члену-корреспонденту РАН, заслуженному деятелю науки РФ, докт. техн. наук Лысаку В. И. и канд. техн. наук Зорину И.В. за участие в формировании направления и анализе научной новизны диссертационного исследования.

ленного металла с матрицей на основе у'-№зА1 фазы в условиях ЭШН и электродуговой сварки и наплавки в литературных источниках не обнаружено.

Это подтверждает актуальность диссертационного исследования, выполненного в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук и докторов наук МК-3708.2009.8 (2009-2010 г.г.), государственного контракта Минобрнауки № 16.740.11.0017 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (20102012 г.г.) и грантов РФФИ № 12-08-33103 мол_а_вед (2012-2013 г.г.) для поддержки молодежных научных школ и № 13-08-01282_а (2013-2014 г.г.). Актуальность работы также подтверждается получением соискателем на конкурсной основе стипендии Президента для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (2012-2014 г.).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение термо- и износостойкости наплавленного металла и металла сварных швов на основе легированного алюминида у'-№3А1 для работы при температурах до 1250 °С на базе исследования процессов формирования и стабилизации структуры металла путем его модифицирования наночастицами карбида WC, введенными в состав наполнителя никель-алюминиевой композиционной проволоки.

Задачи, решение которых выносится на защиту:

1. Разработать конструкцию и методику расчета состава никель-алюминиевой композиционной проволоки, содержащей легирующие элементы и наночастицы WC.

2. Исследовать структуру и свойства металла, наплавленного аргонодуго-вым и электрошлаковым способами с использованием разработанной композиционной проволоки в качестве присадочного и электродного материалов.

3. Исследовать формирование структуры сварного соединения направленно кристаллизованного сплава на основе легированного у'-№зА1, выполненного аргонодуговой сваркой с использованием разработанной композиционной проволоки.

4. Изучить влияние наночастиц карбида и нанопорошка композиции содержащихся в разработанной композиционной проволоке, на высокотемпературные (до 1250 °С) свойства наплавленного металла на основе у'-№зА1.

5. Разработать технические условия для изготовления композиционной проволоки и технологические рекомендации для сварки и наплавки объектов ответственного назначения из сплава на основе у'-№3А1.

Научная новизна работы заключается в раскрытии механизма формирования качественного сварного соединения направленно кристаллизованного металла на основе у'-№зА1 и установлении взаимосвязи между составом композиционной проволоки для аргонодуговой сварки и наплавки, структурой и свойствами наплавленного металла и сварного соединения.

Выявлено, что образующийся при плавлении торца разработанной композиционной проволоки с двухслойной никель-алюминиевой оболочкой и наполнителем, состоящим из металлических порошков хрома и циркония, танталовой ленты, а также вольфрамовой и молибденовой проволок, расплав алюминида никеля, экранируя компоненты наполнителя от плазмы дуги, способствует формированию однородных по химическому составу капель легированного сплава на основе y'-Ni3Al. Показано, что необходимые для этого термические условия в реакционной зоне достигаются в диапазоне плотностей сварочного тока 30..50 А/мм2.

Выявлено, что уменьшение физической неоднородности металла шва, полученного с использованием разработанной композиционной проволоки при аргонодуговой сварке направлено-кристаллизованного сплава на основе y'-Ni3Al, достигается при ориентации у'-дендритов основного металла, близкой к горизонтальной. В результате этого создаются условия для повышения скорости теплоотвода в основной металл и увеличения переохлаждения металлического расплава у фронта кристаллизации, при которых диффузионная подвижность атомов легирующих элементов в расплаве уменьшается.

Установлено, что введение в композиционную проволоку 0,2..0,3 масс. % наночастиц монокарбида вольфрама способствует перераспределению молибдена, тантала и вольфрама в объеме у' и у-фаз наплавленного металла, что обеспечивает высокую стабильность структуры и свойств металла в условиях термосилового воздействия при температурах до 1250 °С.

Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработан состав и конструкция композиционной проволоки КП-Нп-500 (ТУ ВолгГТУ 205-12), выработаны технологические рекомендации и режимы аргонодуговой наплавки и сварки жаропрочного сплава на основе алюминида никеля Ni3Al. Предложена технологическая схема производства разработанной композиционной проволоки (КП) на основе использования существующих станов для изготовления порошковых проволок. Разработанная КП использована в промышленности для наплавки оправок трубопрошивного стана, которые испытаны в натурных условиях на ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь». Все разработки защищены двумя патентами РФ на изобретение и полезную модель и одним свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ. Разработанная компьютеризированная методика расчета КП используется в учебном процессе на кафедре сварочного производства ВолгГТУ по дисциплинам «Металловедение свариваемых сталей и сплавов», «Технология наплавки» и «Наплавочные материалы».

Достоверность полученных результатов при решении поставленных задач обеспечивается за счет совместного применения современных методов исследования, включающих электронно-ионную микроскопию (системы Versa 3D и JEOL JSM6610), атомно-силовую микроскопию (Solver Pro), а также использования специализированного программного обеспечения и средств компьютерной обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 10 международных и всероссийских конференциях: «Научному прогрессу -творчество молодых» (Йошкар-Ола 2010), «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2010)» (Волгоград 2010), «Специальные методы сварки для модернизации в машиностроении» (Екатеринбург 2010), «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства» (Тольятти 2011), «XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии» (Волгоград 2011), VIII международной научно-практической конференции «Дни науки - 2012» (Прага 2012, Чехия), VIII международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники -2012» (Пшемысль 2012, Польша), международной конференции IV «Патоновские чтения» (Волгодонск 2012), VII научно-технической конференции «Сварка и родственные технологии» (Киев 2013, Украина), а также на ежегодных внутривузовских (2010-2013 гг.) научных семинарах кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ВолгГТУ, г. Волгоград.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликована 21 печатная работа, из них 7 в периодических рецензируемых научно-технических журналах из списка ВАК, получено два патента РФ на изобретение и полезную модель и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 130 страниц, 52 рисунка, 16 таблиц. Список использованной литературы содержит 146 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены цель и задачи исследований, сформулирована научная новизна и показана практическая значимость полученных результатов.

В первой главе сделан анализ сплавов, работающих в диапазоне температур до 800... 1150 °С. Выявлено, что наиболее перспективными для увеличения рабочей температуры до 1250 °С являются сплавы на основе NÍ3AI. Рассмотрены проблемы сварки сплавов, содержащих до 90 масс. % NÍ3AI и способы их решения. Проведен анализ современных конструкций сварочных проволок.

Сформулирована цель диссертационного исследования, определены задачи, обеспечивающие ее достижение.

Во второй главе приведены материалы, использованные для изготовления разработанной композиционной проволоки, методы и режимы наплавки экспериментальных образцов, методики металлографических исследований структуры наплавленного металла и сварных швов, а также методики их высокотемпературных испытаний.

Экспериментальные исследования выполняли с использованием разработанной КП, оболочку которой изготавливали из никелевой ленты, а в наполнитель вводили компоненты в виде технически чистых металлических проволок, лент и порошков. В качестве нанодисперсных компонентов использовали композиционные порошки, состоящие из монокарбида вольфрама WC (80...100 нм) и вольфрам-углеродной композиции W-C (100...200 нм), механически внедренных в поверхность никелевых частиц-носителей размером 40...60 мкм. Нанопорошки изготовлены по плазменно-химической технологии в ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН.

Сварочно-технологические свойства экспериментальных КП контролировали по результатам осциллографирования сварочного тока и напряжения на дуге в процессе наплавки и сварки, а также анализом раскадровки высокоскоростной видеосъемки плавления торца электродной проволоки с использованием камеры SAMSUNG VP-HMX-20C с частотой съемки 100 кадров в секунду.

Сварку производили на образцах направленно кристаллизованного металла, полученного электрошлаковым переплавом присадочных стержней (с химическим составом, масс. %: Ni - 75, Al - 25). Градиент температур в участке, расположенном вблизи поверхности фронта кристаллизации металла, составлял 20-50 °С/см, что обеспечивало формирование в нем однонаправленных столбчатых дендритов на основе Ni3Al. Напряженное состояние в сварном соединении создавали путем жесткой фиксации свариваемых элементов в устройстве.

Металлографические исследования наплавленного металла осуществляли методами оптической (микроскоп Carl Zeiss Axiovert 40 МАТ) и электронной микроскопии (растровые электронные микроскопы FEI Versa 3D, Quanta 3D и JEOL JSM6610). Микрорентгеноспектральный анализ металла и нанокомпонен-тов производили с использованием энергодисперсионных спектрометров: кремний-дрейфового рентгеновского детектора INCA Х-Мах (Oxford Instruments) и кремний-литиевого - Genesis (EDAX Trident ХМ 4). Фазовый состав металла определяли рентгеноструктурным анализом на дифрактометре ДРОН-ЗМ. Содержание и распределение легирующих элементов в структурных составляющих определяли при сканировании шлифов в локальном поверхностном объеме металла в режиме использования сигналов вторичных электронов и электронов обратного рассеяния.

Сопротивление наплавленного металла деформированию оценивали по результатам склерометрических испытаний образцов с размерами 44x4x9 мм при температурах в диапазоне 1050-1250 °С. Топографию треков от индентора изучали с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver Pro в режиме полуконтактной атомно-силовой микроскопии, в качестве зондов применяли кремниевые кантилеверы с радиусом острия 10 нм. Показателем к сопротивления пластической деформации наплавленного металла служил объем деформированного индентером Роквелла металла на участке образца длиной 10 мм.

Испытания образцов наплавленного металла на стойкость к образованию трещин термической усталости проводили на экспериментальной автоматизи-

рованной установке, содержащей сварочный источник тока, плазмотрон, систему управления и элементы коммутации. В процессе испытаний поверхность образца размером 20x20x8 мм нагревали до температуры 1200 °С струей плазмы в течение 50 с с последующим охлаждением проточной водой до нормальной температуры. Длительность одного цикла нагрев-охлаждение составляла 1 мин. Такие условия испытания способствуют созданию более высоких термических напряжений в металле, что сокращает время до появления в нем первой усталостной трещины, по сравнению со сплавами на железоникелевой основе.

Критерием стойкости наплавленного металла к термической усталости служило количество циклов теплосмен нагрев-охлаждение до появления видимых при четырехкратном оптическом увеличении трещин на поверхности образца.

В третьей главе обоснован выбор конструкций проектируемых КП, представлена разработанная методика расчета их состава, реализованная в программном продукте AlMe-WireLab. Приведены результаты исследования сварочно-технологических свойств электродной КП, что позволило выявить особенности формирования расплава на торце композиционной проволоки.

Расчетный химический состав КП (масс. % 4,5..5,0 вольфрам; 3,0..3,5 молибден; 4,0..4,5 хром; 11,0.. 11,5 алюминий; никель - остальное) выбирали исходя из усредненного содержания компонентов в известном литейном сплаве типа BICHA. Для увеличения сопротивления наплавленного металла высокотемпературной деформации в КП дополнительно вводили тантал и цирконий в количестве 2 и 1 масс. % соответственно.

Разработанная методика расчета КП производится в три этапа. На первом этапе определяют состав композиционной проволоки в массовых процентах с учетом стехиометрического соотношения никеля к алюминию кс = 6,52, которое обеспечивает получение в наплавленном металле матрицы на основе алюминида Y-NÍ3AI. На втором этапе рассчитывают массовый состав необходимых компонентов для изготовления КП заданного диаметра с учетом их коэффициентов перехода в сварочную ванну. Третий этап заключается в расчете геометрических параметров каждого из вводимых компонентов с учетом экспериментальных значений коэффициентов их обжатия и уплотнения.

Исследование поперечных сечений готовых КП показало хорошую сходимость расчетных и экспериментальных значений площадей и масс проволочных и порошковых компонентов наполнителя, что обусловливает хорошую герметизацию КП после волочения при высокой плотности стыкового соединения кромок оболочки по длине проволоки.

На основании разработанной методики были рассчитаны и изготовлены КП для проведения дальнейших экспериментов по наплавке и сварке.

Показано (рис. 1), что после волочения разработанная КП имеет монолитный вид без пустот с равномерно распределенными по объему входящих в состав ее наполнителя туго- и легкоплавкими элементами. Прочность КП сопоставима с прочностью цельнотянутой сварочной проволоки,

6

5.....

4

А......

_2_ 1

что дает возможность использовать ее не только в качестве присадочного, но и в качестве электродного материала.

Конструкция наполнителя разработанной КП (рис. 1) с двухслойной никелево-алюминиевой оболочкой, внутри которого коаксиально размещены тугоплавкие проволочные и ленточные компоненты и металлические порошки, способствует равномерному распределению сварочной дуги по торцу проволоки и качественному ее расплавлению.

Автоматизированный расчет состава КП согласно разработанной методике производится в программном обеспечении А1Ме-"^геЬаВ, которое предоставляет широкий набор вариантов конструктивных исполнений КП и варьирования их состава для получения в наплавленном виде сплавов на основе алюминидов с различным содержанием легирующих элементов.

Конфигурирование расчетного состава КП осуществляют путем выбора исходных материалов по ГОСТ (ТУ) и способа их введения.

В программе предусмотрено совместное введение одного компонента через проволоку и порошок, в другом -через сформованную из ленты

Т М

— ~

Рис. 1 - Сечение разработанной электродной никель-алюминиевой КП с коаксиально расположенными компонентами наполнителя для аргоно-дуговой наплавки и сварки: 1 - никелевая оболочка со слоем наиоразмерного порошка на ее внутренней поверхности; 2 - шихта; 3 - танталовая фольга; 4 - алюминиевый слой оболочки; 5 - проволока из молибдена; б - проволока из вольфрама.

трубчатую оболочку и порошок, а также ленту и порошок.

После выбора материалов и задания способа их введения происходит перерасчет содержания (масс. %) компонентов, входящих в интерметаллическое соединение №3А1 согласно внесенными с легирующими элементами

примесями. На этом же этапе

ия. и УЯ,А

Рис. 2 - Осциллограммы сварочного тока и напряжения на дуге при использовании КП, в которой компоненты наполнителя размещены коаксиально ее оболочке.

Позиции 1-4 соответствуют номерам кадров видеосъемки на рис.3.

рассчитывают геометрические

параметры исходных компонентов КП с учетом экспериментально определяемых для каждого типа конструкции коэффициентов обжатия проволок и лент (/с0бж) и уплотнения шихты (Лсуп). Показано (рис. 2 и 3) что в процессе плавления разработанной КП с сердечником, в котором тугоплавкие легирующие компоненты расположены коаксиально оболочке в контакте с электропроводным алюминием (рис. 1, б), происходит равномерное распределения тока по

сечению проволоки и осуществляется стабильный перенос капель без короткого замыкания и разбрызгивания, что увеличивает коэффициент перехода легирующих элементов в сварочную ванну.

Рис. 3 - Формирование капли на торце плавящейся КП (временной диапазон между кадрами т - 100 мс).

Также экспериментально выявлено, что доля участия основного металла в наплавленном уменьшается до 10 %. Возможной причиной этого является пониженное давление сварочной дуги на поверхность сварочной ванны, обусловленное равномерным распределением активного пятна по торцу КП.

На основе покадрового изучения результатов видеосъемки процесса плавления электродной КП (рис. 3) и анализа распределения легирующих элементов в продольном и поперечном сечениях ее оплавленного торца выявлены особенности формирования расплава капли. Схему расплавления разработанной КП (рис. 4, а) в мгновенный момент времени можно представить в виде нескольких этапов.

Процесс плавления разработанной КП начинается с образования расплава наиболее легкоплавкого в рассматриваемой системе компонента -алюминиевого слоя оболочки, который некоторое время продолжает контактировать с никелевым ее слоем. На внутренней поверхности никелевого слоя нанесенные на него наночастицы '\¥С сохраняются неоплавленными (рис. 4, б - участок В).

Затем при расплавлении никелевой оболочки формируется никель-алюминиевый расплав, который покрывает поверхность порошковых, ленточных и проволочных компонентов наполнителя, экранируя их от плазмы дуги. На этом же этапе, начинается плавление, находящихся в центральном объеме наполнителя КП порошков хрома и циркония (рис. 4, б - участок Д). Формирование расплава завершается в нижней части оплавленного торца КП. Содержание легирующих элементов в этом участке близкое к расчетному (рис. 4, г). После отрыва сформировавшейся металлической капли легирующие элементы в ней под влиянием гидродинамических потоков распределяются равномерно (рис. 4, в).

Экспериментально определена функциональная взаимосвязь сварочных токов и диаметров КП графически представляющая собой область ограниченную двумя границами (рис. 5). Установлено, что при использовании разработанной КП диаметром 2,5-3,5 мм качественное формирование наплавленного металла реализуется в диапазоне плотностей сварочного тока -30-50 А/мм2. Превышение верхней границы обусловливает интенсификацию

окисления, содержащегося в КП алюминия, вследствие чего не обеспечивается стехиометрическое соотношение в интерметаллическом соединении №3А1. Выход за нижнюю границу приводит к неравномерному расплавлению туго- и легкоплавких компонентов КП по причине недостатка тепловой мощности сварочной дуги.

5 4

I участок В ,~ -

ш ■ -,ыг

■ . ш

Eiement №%

W 50,63

Ni 45,31

с 2,97

Fe 1,1

Fe--

ШШяшвШШШшвяШЯШШ

fpЩучастокДШ.

¡Í^hÍHBBRu - i.

¡Щ' ¡¡¡¡¡я

IMol ' W

^jIÉSa '

Cr-'-¿i , 'ос,,

Е,отн. ед. 14000

3,0 3,5 4,0 мм Б'

Рис. 4 - Схема расплавления КП (а), структуры, характерные для различных участков оплавленного торца КП (б) и распределение легирующих элементов в поперечном сечении закристаллизовавшейся капли (А-А') (в), а также в продольном сечении (Б-Б') оплавленного торца (г): 1,2- никелевый и алюминиевый слой оболочки соответственно; 3 - смесь нанопорошка WC или композиции W-C со связующим на поверхности никелевого слоя; 4, 5 - тугоплавкие проволочные и ленточные компоненты соответственно; б - смесь порошков хрома и циркония; 7 - аргон; 8 - никель-алюминиевый расплав; 9 - капля; 10- сварочная ванна.

Таким образом, экспериментально доказана возможность использования композиционной проволоки в качестве плавящегося электрода, обеспечивающего при дуговом расплавлении качественное формирование наплавленного металла на основе сложнолегированного алюминида никеля у'-№3А1.

Ice, А 400'

Неравномерное плавление компонентов КП _i____!_

Рис. S - Диапазон рабочих токов электродной КП.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния наночастиц монокарбида вольфрама на структуру и свойства наплавленного металла и сварного шва.

Показано, что при аргонодуговой наплавке в металле, полученном с использованием разработанной ЬСП в качестве электродного материала, формируется гетерогенная структура, основой которой (до ~85 объем. %) являются у'-фаза различного происхождения (рис. 6).

Рис. 6 - Микроструктура наплавленного металла, полученного с использованием разработанной КП, с микрогранулами № + наночастицы \УС (50:50) (б) и без них (а);

зеленым цветом указаны сегрегации микровыделений.

В междендритных прослойках содержится сформированная по перитектической реакции у'перит-фаза, образовавшейся по перитектической реакции Ь + Р у'. В ее периферийных участках равномерно распределены микровыделения частиц произвольной формы со средним размером 3-8 мкм -предположительно ОЦК-твердый раствор на основе вольфрама и молибдена, что не должно приводить к снижению эффекта твердорастворного упрочнения матрицы сплава.

Выявлено, что наночастицы карбида \¥С способствуют увеличению содержания в структуре сплава объемной доли у'перит.-фазы и влияют на форму и размеры у'эвтекг.-фазы, остроугольные микровыделения (рис. 7, а - участок 3) которой трансформируются (рис. 7, б - участок 3') в более крупные частицы величиной 1,5-2,5 мкм.

В объемах у+У фаз также выявлены равномерно распределенные нано-размерные (90-220 нм) частицы кубической формы, которые содержат повышенное количество вольфрама, молибдена и тантала (рис. 7, а-в - участок 2 и

2'). Они предположительно могут быть т;п.у.-фазами вида (№, ТаХ'М', Мо, Сг). Их формирование связано с уменьшением растворимости Мо, Та в у'-фазе в узком диапазоне температур ~1360-1340 °С, поэтому в условиях высокой скорости кристаллизации сварочной ванны происходит выделение избыточных т.п.у. -фаз.

в

Рис. 7 - Структура исходной (а) и модифицированной наночастицами \¥С (б) у+у' фазы и распределение легирующих элементов в ее сечении (в). Изображения получены в поперечном сечении приповерхностного слоя металлографического шлифа.

Установлено, что количество этих фаз уменьшается при введении в сварочную ванну наночастиц \¥С, группировки которых могут являться центрами кристаллизации для наиболее тугоплавких элементов в рассматриваемой системе. В результате тантал, вольфрам и молибден более полно распределяются между у' и у фазами, что способствует повышению степени упрочнения этих фаз (рис. 7, б, в - участки Г и 3').

Исследованиями металла сварного шва (рис. 8) установлено, что в нем формируется структура, которая по фазовому составу подобна структуре у'+у эвтектическим сплавам, полученным методом высокоградиентной направленной кристаллизации, но отличающаяся более высокой дисперсностью.

Выявлено, что структура основного металла в области, близко расположенной к условной линии сплавления (100-150 мкм), относительно крупнозернистая. Она трансформируется в разориентированные у'-дендриты с прослойками у'„ерит-фазы, размер которых постепенно уменьшается до 30-40 мкм, что не приводит к образованию в сварном соединении горячих трещин.

Установлено, что формирование кристаллического строения сварного шва на основе легированного №3А1 мало зависит от исходной ориентации

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 мкм А'

кристаллитов. Это обусловлено наличием химического и термического градиентов на межфазной поверхности, вследствие чего образовавшиеся дендриты ориентируются преимущественно перпендикулярно к фронту кристаллизации по всему его периметру (рис. 8, б). В сварном шве выявлена переходная зона (рис. 8, а), распределение твердости в которой зависит от исходной ориентации кристаллитов в основном металле (рис. 9).

Рис. 8 - Макроструктура сварного соединения металла на основе №3А1 (а) и микроструктура металла шва вблизи условной линии сплавления (б): 1 - условное изображение свариваемых элементов; 2 - границы «переходной» зоны; 3 - направление роста кристаллитов в шве и (4) - в основном металле; 5 -условная линия сплавления.

При сварке металла с вертикально ориентированными кристаллитами его твердость неоднородна в направлении от условной линии сплавления, что может быть связанно с образованием диффузионных прослоек переменного химического состава (рис. 9, а-(1), участки 3).

При сварке образцов с горизонтальной ориентацией кристаллитов твердость металла шва на небольшом (до 1,6 мм) расстоянии от условной линии сплавления сначала уменьшается до 3500 МПа, а затем монотонно возрастает до величины 5500 МПа (рис. 9, а-(И). Такое изменение твердости в переходной зоне обусловлено более равномерным распределением в ней у'-образующих элементов — тантала, алюминия и вольфрама (рис. 9, б). Это достигается за счет уменьшения диффузионной подвижности атомов легирующих элементов в расплаве легированного алюминида у фронта кристаллизации. Необходимые для этого условия создаются при ориентации у'-дендритов основного металла, близкой к горизонтальной, что повышает скорость теплоотвода в основной металл и увеличивает переохлаждение металлического расплава у фронта кристаллизации.

В металле шва, легированном наночастицами \УС, распределение твердости для рассматриваемых вариантов исходной ориентации кристаллитов в сварных образцах становится более однородным (рис. 9, линия 1). Это можно объяснить снижением ликвационной неоднородности металла под влиянием наночастиц обладающих большой поверхностной энергией. Они также способствуют увеличению количества центров кристаллизации и росту скорости образования кристаллитов.

б

Качество сварного соединения, полученного аргонодуговым способом с использованием разработанной КП оценивали по результатам механических испытаний при температуре до 900 °С. Показано, что разрушение образцов происходит вне околошовной зоны по основному металлу, в качестве которого использовали жаростойкий сплав ХН78Т предназначенный для изготовления жаровых труб камер сгорания турбореактивных двигателей.

Рис. 9 - Распределение микротвердости (а) и у'-образующих элементов (б) в переходной зоне шва при сварке металла с вертикальной (I) и - с горизонтальной (II) исходной ориентацией кристаллитов: 1-е использованием композиционной

проволоки, содержащей наночастицы 1¥С и - без них (2); 3 - диффузионные прослойки переменного химического состава; Е - количество рентгеновских импульсов.

Е, отн. ед

400 1200 2000 2800 3600 4400 от основного металла (МИМ)

б

Также исследовали влияние структуры наплавленного металла на его сопротивление термосиловому воздействию, показатель которого может служить косвенной оценкой жаропрочности металла.

В результате высокотемпературных (в интервале 1050-1250 °С) склерометрических испытаний наплавленного металла на основе №3А1 выявлено (рис. 10), что металл шва, легированный наночастицами \¥С, имеет более высокий показатель сопротивления пластической деформации при температурах до 1250 °С.

Эти результаты/с учетом известных данных о механизмах повышения жаропрочности, позволяют сделать вывод, что улучшение высокотемпературных свойств металла связано в большей мере с повышенным

содержанием растворенных в у'+у фазах упрочняющих легирующих элементов: тантала, а также вольфрама и молибдена соответственно.

Результаты исследования стойкости наплавленного металла к образованию трещин термической усталости показали (рис. 11), что металл, полученный при аргонодуговой наплавке разработанной электродной КП, более стойкий к образованию трещин термической усталости в сравнении с металлом, полученным при наплавке проволокой ЭП 567.

к, 1/мм3(х

/I

1100

1150

1200

1250 Т, 'С

Рис. 10 - Зависимость показателя сопротивления пласти-ческой деформации металла шва к от температуры Т испытаний: Г -

промышленный сплав 02Х15Н65М16 В4 (ЭП 567); I, II - наплавленный металл на основе №зА1, полученный с использованием разработанной КП, содержащей наночастицы УКС и -без них соответственно.

Введение в наполнитель проволоки 0,2 масс. % наночастиц карбида вольфрама привело к повышению стойкости наплавленного металла к образованию трещин термической усталости в 1,3 раза (рис. 11). При введении в КП того же количества нанопорошка композиции У^-С термостойкость металла также возросла.

Повышение термостойкости металла, легированного наночастицами карбида WC, предположительно может быть связано с изменением формы выделений т.п.у.-фаз в процессе термоциклирования. Она трансформировалась из пластинчатой — в кубическую, что способствует снижению напряжений.

Исследованиями также установлена возможность использования разработанной КП в процессах ЭШН и в качестве присадки при аргонодуговой наплавке неплавящимся электродом.

Реализация результатов работы осуществлена на ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь» путем наплавки с использованием разработанной композиционной проволоки носков оправок трубопрошивного стана. Износостойкость инструмента по сравнению со штатными оправками, наплавленным проволокой ЭП 567 повысилась в 1,5-2 раза. Ожидаемый экономический эффект может составить до 1 млн. руб. в год.

1

Рис. И - Сравнительная оценка стойкости наплавленного металла к образованию трещин термической усталости: 1 - промышленный сплав типа 02X15Н65М16В4 (ЭП 567); 2-4 -металл, наплавленный КП, не содержащей нанопорошка, с наночастицами композиции Ш-С и РУС соответственно; N - количество циклов до образования первой трещины.

Общие выводы

1. Проанализированы современные пути повышения жаропрочности легированных сплавов на основе у'-№зА1 и обосновано использование в качестве экзогенных модификаторов структуры наплавленного металла наночастиц карбида вольфрама, обладающего высокими физико-механическими свойствами: температурой плавления (до 2800 °С), изоморфностью с кристаллической решеткой алюминида никеля, достаточной термодинамической стабильностью и стойкостью к растворению в его расплаве.

2. Выявлено, что образующийся при плавлении торца КП с двухслойной никель-алюминиевой оболочкой и наполнителем, состоящим из металлических порошков хрома и циркония, а также вольфрамовой и молибденовой проволок, танталовой ленты, расплав алюминида никеля, экранируя компоненты наполнителя от плазмы дуги, способствует созданию термических условий для формирования однородных по химическому составу капель легированного сплава на основе у'-№3А1, что достигается в диапазоне плотностей сварочного тока 30..50 А/мм2.

3. На основании выявления особенностей плавления торца разработанной электродной КП в условиях аргонодуговой сварки установлено, что компоненты ее наполнителя и оболочки расплавляются равномерно, а переход капель в сварочную ванну происходит без замыкания дугового промежутка, что способствует уменьшению потерь легирующих элементов и дает возможность прогнозировать переход тугоплавких наночастиц в сварочную ванну.

4. Выявлено, что для уменьшения физической неоднородности металла шва, полученного с использованием разработанной композиционной проволоки при аргонодуговой сварке направлено-кристаллизованного сплава на основе у'-№3А1, необходимо уменьшить диффузионную подвижность атомов легирующих элементов в расплаве у фронта кристаллизации, для чего следует повысить скорость теплоотвода в основной металл и увеличить переохлаждение металлического расплава у фронта кристаллизации, что достигается при ориентации у'-дендритов основного металла, близкой к горизонтальной.

5. Разработанные компьютеризированная методика расчета состава и конструкции композиционной проволоки и технология ее изготовления обеспечивают при использовании КП в дуговых процессах сварки и наплавки качественный наплавленный металл и сварное соединение с повышенными высокотемпературными свойствами.

6. Результаты выполненных на ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь» натурных испытаний наплавленных с использованием разработанной КП носков оправок трубопрошивного стана показали повышение их износостойкости в 1,5-2 раза по сравнению со штатными оправками, наплавленными проволокой ЭП 567.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в

работах:

В научно-технических журналах из перечня ВАК

1. Исследование структуры металла на основе NÍ3AI, полученного аргонодуговой сваркой / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, В.О. Харламов, М.В. Клименко // Изв. ВолгГТУ. Серия Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. -№ 6. - С. 147-151.

2. Исследование структуры и свойств наплавленного алюминида никеля Ni3Al, легированного нанодисперсными карбидами вольфрама / И.В. Зорин, Ю.Н. Дубцов, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, A.B. Самохин, Н.В. Алексеев, Ю.В. Цветков // Перспективные материалы. -2012.-№ 2.-С. 21-27.

3. Особенности проектирования композиционной проволоки для наплавки сплавов на основе алюминида никеля / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // Изв. ВолгГТУ. Серия / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 9. - С. 190-194.

4. Автоматизированное проектирование композиционных проволок для сварки и наплавки сплавов на основе интерметаллических соединений / И.В. Зорин, Ю.Н. Дубцов, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак II Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 10.-С. 12-16.

5. Композиционные проволоки для наплавки сплавов на основе алюминидов никеля и титана / И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, Ю.Н. Дубцов, В.И. Лысак, С.С. Сычева // Сварка и Диагностика. — 2011. -№ 3. - С. 31-35.

6. Формирование композиционной структуры износостойкого наплавленного металла с боридным упрочнением / A.A. Артемьев, Г.Н. Соколов, Ю.Н. Дубцов, В.И. Лысак // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2011. - № 2. - С. 44-48.

7. Исследование структуры и износостойкости наплавленного металла, упрочненного гранулами диборида титана / A.A. Артемьев, Ю.Н. Дубцов, Г.Н. Соколов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 4. - С. 141-144.

Прочие публикации

8. Композиционная проволока для дуговой сварки и наплавки сплавов на основе N13AI / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, Р.Х. Реимов // Сварка и родственные технологии: матер. VII науч.-техн. конф. Молодых ученых и специалистов, Киев, 22-24 мая 2013 г. / ИЭС Патона. - Киев, 2013. - С. 154.

9. Наплавочный сплав для работы в условиях термосилового воздействия при повышенных до 1200 °С температурах / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, М.В. Клименко, Р.Х. Реимов II Perspektywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2012 : mater. VIII miedzynar. nauk.-prakt. konf., 07-15 listopada 2012 r. Vol. 20. Techniczne nauki. -Przemysl, 2012. - S. 3-5.

10. Дуговая наплавка термостойкого сплава на основе NÍ3AI с использованием композиционной проволоки / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, A.C. Ермаков // Dny Vedy - 2012 : materialy VIII mezinar. vedecko-prakticka konference, 27 brezen - 05 dubna 2012 roku. Dil 89. Technicke vedy. - Praha, 2012. - S. 46-49.

11. Дубцов, Ю.Н. Проектирование композиционной проволоки для наплавки сплавов на основе алюминидов никеля и титана / Ю.Н. Дубцов, О.Ю. Гудза, Г.Н. Соколов // XV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 9-12 ноября 2010 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2011. - С. 135-137.

12. Компьютерное проектирование композиционных проволок для сварки и наплавки сплавов на основе NÍ3AI / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства : сб. матер, всерос. заоч.

науч.-техн. конф. (Тольятти, 25-28 окт. 2011 г.) / Тольят. гос. ун-т, Автомех. ин-т. - Тольятти, 2011.-С. 114-116.

13. Влияние нанодисперсной вольфрам-углеродной композиции на структуру сплава на основе Ni(3)Al / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 25-30 сент. 2011 г.). В 4 т. Т. 3 / РАН, РХО им. Д.И. Менделеева, Администрация Волгогр. обл. [и др.]. - Волгоград, 2011. - С. 343.

14. Формирование структуры наплавленного металла на основе алюминидов никеля и титана / И.В. Зорин, Ю.Н. Дубцов, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2010): сб. науч. тр. V междунар. конф., Волгоград, 14-16 сент. 2010 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - С. 49-51.

15. Программа расчета состава композиционных проволок для наплавки сплавов на основе алюминидов никеля и титана / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2010) : сб. науч. тр. V междунар. конф., Волгоград, 14-16 сент. 2010 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - С. 139-141.

16. Формирование структуры естественного композита в наплавочном сплаве на основе алюминида никеля / Ю.Н. Дубцов, Чонг Ба Май, Г.Н. Соколов, И.В. Зорин // Научному прогрессу - творчество молодых : сб. матер, междунар. молодежной науч. конф. по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 16-17 апр. 2010 г.). В 3 ч. Ч. 1 / Марийский гос. техн. ун-т [и др.]. - Йошкар-Ола, 2010. - С. 246-247.

17. Исследование влияния наноразмерного порошка карбида WC на формирование структуры наплавленного металла / A.C. Трошков, Г.Н. Соколов, И.В. Зорин, Ю.Н. Дубцов, Чонг Ба Май // Специальные методы сварки для модернизации в машиностроении : сб. докл. науч.-техн. конф. в рамках VII междунар. спец. выставки "Металлообработка. Сварка. Урал 2010" (28 апр. 2010) / Администрация г. Екатеринбурга, УФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Уральский ин-т сварки. - Екатеринбург, 2010. - С. 57-60.

18. Артемьев, A.A. Технология электрошлаковой наплавки износостойких сплавов на плоские поверхности изделий / A.A. Артемьев, Ю.Н. Дубцов, Г.Н. Соколов // Наука. Технологии. Инновации : матер, всерос. науч. студенч. конф. молодых ученых (Новосибирск, 4-5 дек. 2009 г.). В 7 ч. Ч. 2 / ГОУ ВПО "Новосибир. гос. техн. ун-т". - Новосибирск, 2009. - С. 159-161.

19. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010616144 от 17 сентября 2010 г. РФ, МПК (нет). Программное обеспечение расчета конструкции и состава композиционной проволоки для наплавки сплавов на основе интерметаллических соединений AlMe WireLab-1 / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, С.Н. Цурихин, Г.Н. Соколов; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2010.

20. П. м. 98165 РФ, МПК В 23 К 35/08. Композиционная проволока для наплавки сплавов на основе алюминидов титана / И.В. Зорин, С.Н. Цурихин, Г.Н. Соколов, Ю.Н. Дубцов, В.И. Лысак; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2010.

21. Пат. 2478029 РФ, МПК В23 К 35/02 В32В 15/02. Композиционная проволока для дуговой сварки и наплавки / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак; ГОУ ВПО ВолгГТУ.-2013.

Личный вклад автора в представленных работах, выполненных в соавторстве с другими исследователями: автором получены и проанализированы результаты исследований влияния наночастиц WC на структуру и свойства наплавленного металла [2, 9, 10, 13, 14, 16, 17] и сварного шва [1] на основе Ni3Al; разработана методика программного обеспечения по расчету составов и конструкций композиционных проволок [3, 4, 11, 12, 15, 19]; разработаны составы и конструкции электродных и присадочных проволок для аргонодуговой сварки и наплавки сплавов на основе Ni3Al [5, 8, 20, 21]; разработанные композиционные проволоки были апробированы в процессе ЭШН на плоские поверхности изделий [6, 7, 18].

Подписано в печать 22.10.2013 г. Заказ № 691. Тираж 100 экз. Печ.л. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волгоградский государственный технический университет

Дубцов Юрий Николаевич

РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННОЙ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ №3А1

05.02.10. «Сварка, родственные процессы и технологии» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201455681

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Соколов Геннадий Николаевич

Волгоград 2013

АДНн — аргонодуговая наплавка неплавящимся электродом с использованием композиционной проволоки как присадки;

АДНп - аргонодуговая наплавка плавящейся электродной композиционной проволокой;

АСМ - атомно-силовая микроскопия;

ВИАМ - Всероссийский институт авиационных материалов; ГТД - газотурбинный двигатель; ЖНС - жаропрочный никелевый сплав; КП - композиционная проволока; ЛЭ - легирующий элемент;

НТХС - наночастицы тугоплавкого химического соединения;

ПП - порошковая проволока;

CK - секционный кристаллизатор;

ТО - термическая обработка;

т.п.у. - топологически плотноупакованный;

ТХС - тугоплавкое химическое соединение;

ЭШН - электрошлаковая наплавка;

ЭШП - электрошлаковый переплав;

NASA - National Aeronautics and Space Administration;

Траб ~ рабочая температура;

p - удельная масса;

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

1. СОВРЕМЕННЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ ДО 1200 °С СПЛАВЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССАХ.........................................................................................................16

1.1. Классификация и эволюция жаропрочных сплавов, эксплуатирующихся в диапазоне температур 800... И50 °С........................16

1.1.1. Структура и свойства жаропрочных суперсплавов на основе никеля..............................................................................................................18

1.1.2. Жаропрочные сплавы на основе кобальта........................................23

1.1.3. Новые сплавы на основе у'-№3А1.......................................................26

1.1.4. Обоснование выбора системы легирования наплавленного металла на основе у'-№3А1...........................................................................................30

1.2. Пути повышения жаропрочности сложнолегированных сплавов на основе у'-№3А1 при температурах 1150... 1250 °С.........................................32

1.2.1 Влияние легирующих элементов на формирование вторичных наноразмерных упрочняющих фаз..............................................................32

1.2.2 Перспективы модифицирования сплавов наночастицами тугоплавких химических соединений.........................................................34

1.3 Технологические и металлургические особенности сварки сплавов на основе никеля и у'-№3А1....................................................................................36

1.5 Материалы для сварки и наплавки сплавов на основе у'-№3А1..............40

Выводы к главе 1...................................................................................................43

Цель и задачи исследований.............................................................................44

2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................45

2.1. Технологическое оборудование и материалы для изготовления КП....45

2.2. Методики наплавки и подготовки образцов для экспериментальных исследований..................................................................49

2.3. Методики металлографических исследований наплавленного металла .............................................................................................................................54

2.4. Методики рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов наплавленного металла.....................................................................................57

2.5. Методики исследования эксплуатационных свойств наплавленного металла.....................................................................................59

2.5.1. Склерометрические исследования высокотемпературной износостойкости наплавленного металла и сварных швов......................59

2.5.2. Исследование стойкости наплавленного металла к образованию трещин термической усталости............................................63

2.5.3. Исследование прочности сварного соединения при повышенной температуре....................................................................................................65

2.6. Исследование сварочно-технологических свойств КП..........................66

Выводы к главе 2...................................................................................................67

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КП И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ СВАРОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.....................................................................68

3.1. Разработка конструкций КП......................................................................68

3.1.1. Разработка методики расчета состава КП.........................................70

3.1.2. Проектирование КП в программном продукте А1Ме-\ЩгеЬаВ......76

3.2. Исследование сварочно-технологических свойств разработанной электродной КП.......................................................................80

3.3. Технология производства КП....................................................................87

Выводы к главе 3...................................................................................................89

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА И СВАРНЫХ ШВОВ........................................................................90

4.1. Исследование структуры и свойств наплавленного металла.................90

4.1.1. Исследование структуры и свойств наплавленного металла, полученного ЭШН и аргонодуговой наплавкой вольфрамовым электродом с присадкой КП.........................................................................90

4.1.2. Исследование структуры и свойств наплавленного металла, полученного аргонодуговой наплавкой электродной КП.........................95

4.2. Исследование структуры и свойств металла шва, полученного аргонодуговой сваркой электродной КП........................................................98

4.3. Исследования высокотемпературных свойств наплавленного металла и сварных швов на основе y'-Ni3 А1...................................................................103

4.4. Технологические режимы наплавки и сварки возможных изделий из жаропрочных сплавов на основе Ni3А1.........................................................108

Выводы к главе 4.................................................................................................111

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................113

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................................115

ВВЕДЕНИЕ

Работоспособность штампов и пресс-форм для горячего деформирования сталей, зажимных приспособлений в высокотемпературных печах, носков оправок трубопрошивных станов, роллеров для прокатки стальных слябов, дисков и лопатки турбин для наземных ГТД и других объектов, эксплуатирующихся при температурах до 1200 °С, зависит от износостойкости их контактных поверхностей. Эффективными способами продления срока службы таких деталей являются сварка и наплавка, впервые апробированные на никелевых суперсплавах еще в 60-ых годах прошлого столетия. Большой вклад в теорию и практику сварки и наплавки жаропрочных никелевых сплавов внесли К. Б. Багрянский, Г. JI. Петров, К. А. Ющенко, Б. Ф. Якушин, С. И. Феклистов, А. А. Сливинский, В. И. Лукин, J.C. Lippold, S. D. Kiser, J. N. DuPont, Т. D. Anderson.

Для упрочнения рассмотренной группы деталей более технологичными являются современные износостойкие сплавы на основе легированного алю-минида у'-№зА1, способные, в отличие от никелевых и кобальтовых суперсплавов, длительно сохранять стабильную структуру и высокие эксплуатационные свойства вплоть до температуры 1250 °С. Исследованием и разработкой таких материалов занимались Е. Н. Каблов, К. Б. Поварова, Н. В. Петру-шин, Б. А. Гринберг, В. П. Бунтушкин, О. А. Базылева, С. Т. Liu, Н. К. Kim, S. М. Codley, В. Н. Кеаг и многие другие ученые. Наплавка сплавов на основе алюминида у'-№зА1 с использованием процесса ЭШН впервые осуществлена сотрудниками ВолгГТУ. Показана эффективность применения такого материала для упрочнения носков оправок трубопрошивных станов вследствие формирования в наплавленном металле структуры «естественного эвтектического композита». Вместе с тем на сегодняшний день еще не созданы материалы для дуговых процессов наплавки и сварки сложнолегированных жаропрочных сплавов на основе у'-№зА1.

Кандидатская диссертация Дубцова Ю. Н. Введение

Высокие сварочно-технологические свойства жаропрочного наплавленного металла на основе у'-МзА1 реализуются не только при соблюдении сте-хиометрического соотношения входящих в интерметаллическое соединение химических элементов и строгого диапазона легирования тугоплавкими компонентами, стабилизирующими структуру, а также зависят и от размера, формы и характера распределения в металле структурных составляющих. Из работ Я. Е. Гольдштейна, Е. Н. Еремина, В. П. Сабурова, В. П. Комшуко-ва, Г. Н. Соколова, В. Chalmers, Q. Y. Hou, J. Н. Wu и др., в которых рассмотрены физико-химические процессы модифицирования сплавов, известно, что максимальный эффект упрочнения и модифицирования металла достигается при введении в металлический расплав тугоплавких частиц, обладающих высокой термодинамической стабильностью, малыми (менее 100 нм) размерами и когерентностью с кристаллической решеткой сплава. Однако результатов исследований модифицирования такими компонентами сварных швов и наплавленного металла с матрицей на основе у'-№зА1 фазы в условиях ЭШН и электродуговой сварки и наплавки в литературных источниках не обнаружено.

Это подтверждает актуальность диссертационного исследования, выполненного в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук и докторов наук МК-3708.2009.8 (2009-2010 г.г.), государственного контракта Минобрнауки № 16.740.11.0017 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2010-2012 г.г.) и грантов РФФИ № 12-08-33103 мол_а_вед (2012-2013 г.г.) для поддержки молодежных научных школ и № 13-08-01282_а (2013-2014 г.г.). Актуальность работы также подтверждается получением соискателем на конкурсной основе стипендии Президента для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (2012-2014 г.).

Кандидатская диссертация Дубцова Ю. Н. Введение

Научная новизна работы заключается в раскрытии механизма формирования качественного сварного соединения направленно кристаллизованного металла на основе у'-№3А1 и установлении взаимосвязи между составом композиционной проволоки для аргонодуговой сварки и наплавки, структурой и свойствами наплавленного металла и сварного соединения.

Выявлено, что образующийся при плавлении торца разработанной композиционной проволоки с двухслойной никель-алюминиевой оболочкой и наполнителем, состоящим из металлических порошков хрома и циркония, танталовой ленты, а также вольфрамовой и молибденовой проволок, расплав алюминида никеля, экранируя компоненты наполнителя от плазмы дуги, способствует формированию однородных по химическому составу капель легированного сплава на основе у'-№зА1. Показано, что необходимые для этого термические условия в реакционной зоне достигаются в диапазоне плотностей сварочного тока 30..50 А/мм2.

Выявлено, что уменьшение физической неоднородности металла шва, полученного с использованием разработанной композиционной проволоки при аргонодуговой сварке направлено-кристаллизованного сплава на основе у'-№3А1, достигается при ориентации у'-дендритов основного металла, близкой к горизонтальной. В результате этого создаются условия для повышения скорости теплоотвода в основной металл и увеличения переохлаждения металлического расплава у фронта кристаллизации, при которых диффузионная подвижность атомов легирующих элементов в расплаве уменьшается.

Установлено, что введение в композиционную проволоку 0,2..0,3 масс. % наночастиц монокарбида вольфрама способствует перераспределению молибдена, тантала и вольфрама в объеме у' и у-фаз наплавленного металла, что обеспечивает высокую стабильность структуры и свойств металла в условиях термосилового воздействия при температурах до 1250 °С.

Практическая значимость:

На основании проведенных исследований разработан состав и конструкция композиционной проволоки КП-Нп-500 (ТУ ВолгГТУ 205-12), вырабо-

Кандидатская диссертация Дубцова Ю. Н. Введение

таны технологические рекомендации и режимы аргонодуговой наплавки и сварки жаропрочного сплава на основе алюминида никеля NÍ3AI. Предложена технологическая схема производства разработанной КП на основе использования существующих станов для изготовления порошковых проволок. Разработанная КП использована в промышленности для наплавки оправок трубо-прошивного стана, которые испытаны в натурных условиях на ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь». Все разработки защищены двумя патентами РФ на изобретение и полезную модель и одним свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ. Разработанная компьютеризированная методика расчета КП используется в учебном процессе на кафедре сварочного производства ВолгГТУ по дисциплинам «Металловедение свариваемых сталей и сплавов», «Технология наплавки» и «Наплавочные материалы».

Достоверность полученных результатов:

При решении поставленных задач обеспечивается за счет совместного применения современных методов исследования, включающих электронно-ионную микроскопию (системы Versa 3D и JEOL JSM6610), атомно-силовую микроскопию (Solver Pro), а также использования специализированного программного обеспечения и средств компьютерной обработки экспериментальных данных.

Публикации:

По результатам диссертационной работы опубликована 21 печатная работа, из них 7 в периодических рецензируемых научно-технических журналах из списка ВАК, получено два патента РФ на изобретение и полезную модель и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

В научно-технических журналах из списка ВАК

1. Исследование структуры металла на основе NÍ3AI, полученного аргонодуговой сваркой / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, В.О. Харламов, М.В. Клименко // Изв. ВолгГТУ. Серия Проблемы материа-

Кандидатская диссертация Дубцова Ю. Н. Введение

поведения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 6. - С. 147-151.

2. Исследование структуры и свойств наплавленного алюминида никеля Ni3Al, легированного нанодисперсными карбидами вольфрама / И.В. Зорин, Ю.Н. Дубцов, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, A.B. Самохин, Н.В. Алексеев, Ю.В. Цветков // Перспективные материалы. - 2012. - № 2. - С. 21-27.

3. Особенности проектирования композиционной проволоки для наплавки сплавов на основе алюминида никеля / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // Изв. ВолгГТУ. Серия / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012.-№9.-С. 190-194.

4. Автоматизированное проектирование композиционных проволок для сварки и наплавки сплавов на основе интерметаллических соединений / И.В. Зорин, Ю.Н. Дубцов, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 10. - С. 12-16.

5. Композиционные проволоки для наплавки сплавов на основе алюми-нидов никеля и титана / И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, Ю.Н. Дубцов, В.И. Лысак, С.С. Сычева // Сварка и Диагностика. - 2011. - № 3. - С. 31-35.

6. Формирование композиционной структуры износостойкого наплавленного металла с боридным упрочнением / A.A. Артемьев, Г.Н. Соколов, Ю.Н. Дубцов, В.И. Лысак // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2011. - № 2. - С. 44-48.

7. Исследование структуры и износостойкости наплавленного металла, упрочненного гранулами диборида титана / A.A. Артемьев, Ю.Н. Дубцов, Г.Н. Соколов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. -Волгоград, 2010.-№4. -С. 141-144.

Прочие публикации

8. Наплавочный сплав для работы в условиях термосилового воздействия при повышенных до 1200 град. С температурах / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, М.В. Клименко, Р.Х. Реимов //

Кандидатская диссертация Дубцова Ю. Н. Введение

Perspektywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2012 : mater. VIII miedzynar. nauk.-prakt. konf., 07-15 listopada 2012 r. Vol. 20. Techniczne nauki. - Przemysl, 2012.-S. 3-5.

9. Дуговая наплавка термостойкого сплава на основе N13AI с использованием композиционной проволоки / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, A.C. Ермаков // Dny Vedy - 2012 : materialy VIII mezinar. vedecko-prakticka konference, 27 brezen - 05 dubna 2012 roku. Dil 89. Technicke vedy. - Praha, 2012. - S. 46-49.

10. Дубцов, Ю.Н. Проектирование композиционной проволоки для наплавки сплавов на основе алюминидов никеля и титана / Ю.Н. Дубцов, О.Ю. Гудза, Г.Н. Соколов // XV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 9-12 ноября 2010 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2011. - С. 135-137.

11. Компьютерное проектирование композиционных проволок для сварки и наплавки сплавов на основе NÍ3AI / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства : сб. матер, всерос. заоч. науч.-техн. конф. (Тольятти, 25-28 окт. 2011 г.) / Тольят. гос. ун-т, Автомех. ин-т. -Тольятти, 2011.-С. 114-116.

12. Влияние нанодисперсной вольфрам-углеродной композиции на структуру сплава на основе Ni3Al / Ю.Н. Дубцов, И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 25-30 сент. 2011 г.). В 4 т. Т. 3 / РАН, РХО им. Д.И. Менделеева, Администрация Волгогр. обл. [и др.]. - Волгоград, 2011. - С. 343.

13. Формирование структуры наплав�