автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка материаловедческих основ получения гранулируемых алюминиевых сплавов, применяемых для сварных и паяных конструкций

МАТИ- Российский государственный технологический университет ни. КЭ.Цнодковского

На правах рукописи

КОНКЕВИЧ ВАЛЕНТИН ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.01. " Материаловедение (машиностроение) "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998 год

Работа выполнена в ОАО Всероссийский институт легких сплавов.

Научный консультант : Профессор, доктор технических наук Г.С.Макаров

В.В.Редчиц В.С.Золотаревскин АА.Клыпин

Защита состоится "18"мая 1998г. в 15 часов на заседании специализированного советаД 063 «56.01при МАТИ - Российском государственном технологическом университете им. КЭ.Циолковского по адресу:121552, Москва,ул.Оршанская 3. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан '/4'" апре ЛЯ 1998г

Официальные оппоненты: Профессор, доктор технических наук Профессор, доктор технических наук Профессор, доктор технических наух Ведущее предприятие - ГНЦ ВИАМ

Ученый секретарь специализированного ученого совета профессор, доктор технических наук

А.М.Надежин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Развитие авиационно-космической техники н других современных отраслей машиностроения требует применения материалов, обладающих более высоким комплексом физико-механических свойств по сравнению с существующими. Эффективным способом создания новых алюминиевых сплавов, отличающихся повышенным уровнем прочности и жаропрочности, высокими ресурсными характеристиками, специальными физическими свойствами, является применение порошковой и гранульной технологии. Такими учеными, как В.ИДобатхин, В.И.Ялагив, И.Н.Фридляндер, В.М.Федоров. К.С.Походаев и рядом других, разработаны металловедческие основы создания

быстрозакристаплизованныл. алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов, значительно превосходящих по своим характеристикам сплавы, получаемые но традиционной технологии. Большой научный вклад в разработку технологии получения быстрозакрясталяизовачных частиц и полу фабрикатов яз них внесли такие ученые как А.И.Колпашников, Б.И.Бондарев, й.С.Мнтии и многие другие. Однако внедрение этих сплавов в промышленность в большой степени зависит от возможности их использования в свараых и паяних конструкциях. Основной проблемой, препятствующей применению быстрозгкристаллизовянных спяавос в конструкциях, получаемых с использованием сварки плавлением, является их повышенное газосодержание и связанное с этим интенсивное образование пор при сварке плавлением. Кроме того, тарные соединения не обеспечивали сохранения служебных характеристик, присущих основному металлу, хотя труды Г.Д.Никифорова и ряда других ученых по ¿вгрке материала типа САП показали принципиальную технологическую возможность решения этой проблемы. Создание сварных и паяных узлов из быстрозакристаллизованных сплавов, а также использование эффекта быстрой кристаллизации для получения новых сварочных материалов, позволяет значительно расширить область применения сварных конструкций из алюминиевых сплавов в

машиностроении, улучшить их технические характеристики, снизить массу, что делает згу задачу чрезвычайно важной и актуальной.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является создание нового класса материалов для сварки и пайки: свариваемых гранулируемых алюминиевых сплавов, гранулированных сварочных проволок с высоким содержанием переходных металлов, гранулированных припоев для высокотемпературной пайки алюминия, и разработка рекомендаций по технологии получения сварных конструкций с повышенными удельными характеристиками прочности, жаропрочности сварных соединений.

Основные задачи работы :

1. Установить детерминизированную связь технологических параметров изготовления полуфабрикатов из гранулируемых сплавов с пористостью при сварке плавлением, и разработать основные принципы технологии производства полуфабрикатов, пригодных для изготовления сварных и паяных конструкций.

2. Установить закономерности изменения структуры и свойств сварных соединений, наплавленных слоев в зависимости от содержания переходных металлов в шве и разработать рекомендации по легированию свариваемых гранулируемых сплавов и сварочных проволок переходными металлами.

3. Разработать основы технологии получения сварочной проволоки с содержанием переходных металлов, значительно превышающем их предельную равновесную растворимость в алюминии.

4. Усовершенствовать состав гранулируемых алюминиевых сплавов для обеспечения хорошей технологичности при высокотемпературной пайке и высокой прочности паяных узлов. Разработать способ получения деформируемых припоев на основе сложных эвтектик с температурой плавления 520...550°С.

5. Разработать рекомендации по технологии получения сварных конструкций из гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов.

6. Провести всестороннюю оценку свойств сварных и паяных соединений , наплавленных слоев, промышленное апробирование и внедрение результатов исследований.

НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И НОВИЗНА РАБОТЫ

1. Разработаны рекомендации по легированию свариваемых гранулируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. Установлено, что

содержанке металлов, избыточные фазы которых кристаллизуются в виде дисперсных интерметаллидов с низкой лк::,;Гшой скоростью роста ( Zr, 5с, Т|), может быть близко к максимальной иераЕПо^сной растворимости, а Содержание компонентов, избыточные интерметаллиды которых обладают высокой линейной скоростью роста (Сг,Мп), должяо быть существенно ниже предельной неравновесной растворимости этих металлов в гранулах, что обеспечивает сохранение требуемых свойств соединений в термических условиях широко используемого способа аргонодугоасй сварки.

2. Разработан принципиально новый способ получения высоколегированных труднодефориируемых сплавов,' основанный на использования неоднородной по составу смеси гранул, одип из компонентов которой обладает высокой техиологичесл-ой пластичностью, что позволило получить композиционные припои на основе сложных звтектик в виде листов, лент, плакирующего слоя, а также получить высоколегированные сварочные проволоки для упрочняющей наплавки.

3. Установлены закономерности изменения структуры в условиях сверхбыстрой кристаллизации, на основе которых обосновано использование лазерной поверхностной упрочняющей обработки сплавов с высоким содержанием переходных металлов. Предложен механизм "каркасного упрочнения" при сверхбыстрой кристаллизации сплавоз на основе системы А1-Ге.

4. Разработаны принципы получения присадочной проволоки для упрочняющей наплавки, основанные на идее комплексного легирования нерастворимыми переходными металлами VIIIА группы, противодействующими контртелу в условиях износа, и растворимыми переходными металлами, упрочняющими матрицу, а также кремнием, исходя из" условий лолучепия эвтектической структуры в условиях неравновесной кристаллизации, что обеспечивает повышенную твердость, жаропрочность, износостойкость наплавленных слоев.

5. На основе определенных закономерностей образования пор при сварке гранулируемых алюминиевых сплавов, установлен новый технологический подход к получению гранулированных полуфабрикатов, обладающих хорошей свариваемостью и паяемостыо. Найдена корреляционная зависимость между пористостью металла швов и содержанием газа в твердом растворе и в иикронесплошностях полуфабрикатов. Установлен физико-химический эффект

получения плотных швов при сварке за счет предварительного заполнения межгранульного пространства активным по отношению к алюминию газом -кислородом, который реагирует в процессе горячей деформации с алюминием с образованием оксида.

6. Установлено влияння малых добавок магния на состав и свойства оксидной пленки сплава типа 01419 системы алюмшшй-переходпые металлы, что позволило обеспечить удовлетворительное формирование паяных швов при бесфлюсовой вакуумной пайке.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

1. Разработаны основные параметры технологии получения хорошо свариваемых полуфабрикатов н сварочных материалов из гранулируемых алюминиевых сплавов, содержащих переходные металлы в количестве, превышающем их максимальную равновесную растворимость.

2. Усовершенствован состав жаропрочного сплава 01419 и высокопрочного сплава типа 01995, разработан состав высокопрочного сплава 01579, обладающих комплексом повышенных удельных значений конструкционных свойств.

3. Разработаны составы и режимы технологии получения присадочных материалов с содержанием переходных металлов, превышающем предельную равновесную растворимость в алюминии.

4. Разработаны рекомендации по технологии получения сварных соединении сплавов с высоким содержанием переходных металлов, позволяющие создавать сварные конструкции с высокими эксплуатационными показателями.

5. Снижена масса конструкций за счет замены титановых сплавов и нержавеющих сталей разработанными сплавами. Повышен ресурс работы поршней, наплавленных предложенными материалами.

6. Разработана нормативная технологическая документация для производства и внедрения результатов работы в различных отраслях промышленности.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ : Содержание и регулы а гы работы доложены на 27 конгрессе Международного института сварки б Пекине в 1994г., на Международной конференции "лЛ'сЫех 95" в Бирмингеме в 1995г., на заседаниях Специального комитета Международного института сварки в Киеве ь 1994г. и в Бристоле в 1995г.,

на семи Всесоюзных и Российских и девяти отраслевых семинарах и конференциях.

ПУБЛИКАЦИИ: По результатам работы имеется 70 публикаций, в том числе 20 авторских свидетельств и патентов

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ: Диссертация содержит 231 страницу машинописного текста, 105 рисунков, 47 таблиц, Работа включает введение, литературный обзор, шесть глав и выводы, список литературы из 208 наименований, приложения.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрено современное состояние вопросов получения быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов и использования таких сплавов в сварных к паяных конструкциях. Сделан вывод, что технология получения быстрозакрнсталлизованных сплавов и качество их сварки не отвечают современным требованиям. На основе анализа литературных источников о причинах и механизме образования пор, установлены факторы, способствующие образованию пористости в сварных швах гранулируемых сплавов. Сформулирована цель работы, обоснованы главные направления исследования.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены вопросы связи пористости при сварке и технологии получения полуфабрикатов, установлены критерии оценки свариваемости ( склонности к порообразованию) полуфабрикатов из гранулируемых сплавов. На основе выявленных закономерностей предложены параметры технологии, обеспечивающие получение свариваемых полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ, на основе исследования особенностей формирования структуры сварного шва при сварке плавлением алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов, даны рекомендации по легированию свариваемых сплавов переходными металлами. Разработан состав и технология производства гранулированной присадочной проволоки с высоким содержанием переходных металлов, и рекомендации по сварке плавлением, в основу которых положена зависимость свойств сварного соединения от концентрации переходных металлов в сварном шве и скорости охлаждения при его кристаллизации, Приведены

резу: (оваини по лазерной обработке гранулируемых сплавов.

•ТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены принципы легирования и технологии

tipoi околегированных сварочных пт-оьолок дая упрочняющей наплавка

алю •• гавов. Проведс:: анализ влияния режимов наплавки на свойства

наш jj ов. ÍC

СО ГЛАВА посвящена разработке материалов для создания паяных

кон одом высокотемпературной пайки. Предложена принципиальная О

тех! д 1еиия припоев на основе хрупких сложных звтектик в виде листов и

пла 0 яок. Уточнен со стаз сплава па оспоез системы алюминив-

пер ^ лды, применение которого обеспечяЕает получение высохопрочных

naj ццц.

Ф ОЙ ГЛАВЕ прыедены данные всесторонней оценки свойств сварных

coi ^ льтаты внесения сварных к паяных конструкций нз гранулируемых

ал сплавов в промышленности, данные об использовании CD

вь С иной сварочной проволоки для упрочняющей наплавки. ^

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ен

q JH1IE ВОПРОСА: Гранулируемые алюминиевые сплавы с высоким

с< реходнцх металлов и проблемы их сварки. О

£5 м литературных данных показывает, что использование технологии

ф исталлизации позволило на основе разработанных принципов Ю

g создать целую гамму алюминиевых сплавов с высоким содержанием ГО

металлов, обладающих комплексом физико-механических свойств,

О превосходящих свойства сплавов, получаемых по традиционной

5SJ :абл.1). О

стно, что переходные металлы положительно ьлияхот на

Ьй

СО 1К алюминиевых сплавов, измельчая зерно, повышая сопротивление

Д } горячих трещин, подавляя процесс собирательной рекристаллизации

Е-* I I

I юй зоне. Однако, при содержании переходных металлов, значительно ем равновесную растворимость, эффективность нх действия резко

ь». СО

^ I I шве образуются грубые интерметаллиды, в связи с чем возникают

со

О потери сварным соединением механических свойств, присущих

С

1егаллу.

О

СО

т

К о

Табл.1.Механические свойства прессованных полуфабрикатов из гранулируемых сплавов в сравнении со спвтаии, получаемыми по традиционной технологии.

Сплав Система Технология <72, СТ02, 3,

легирования получения МПз МПа %

01419 А1-пер сходные металлы(ПМ) из гранул 320-340 270-300 12-14

01995 А1-га-М§-ПМ из гранул 480-530 440-490 8-10

1915 А1-гп-Мй из слитка 400-430 350-360 10-12

АМг4Х А1-МЙ-ПМ из гранул 420 320 14

АМгб А1-Мй из слитка 300-320 160-180 16

1209 А1-Си-Мп-ПМ из гранул 470-520 350-400 12-14

¡201 А1-Си-Мп из слитка 420-440 320-350 12-14

Для полуфабрикатов из быстрозакристаллизоваиных алюминиевых сплавов характерно повышенное содержание оксида, связанное с высокой удельной поверхностью исходных частиц. Анализ факторов, влияющих на пористость при сварке гранулируемых сплавов, показывает, что наличие частиц оксидной пленки в сварочной ванне является одной из основных особенностей быстрозакристаллизоваиных сплавов с точки зрения их поведения при сварке. Частицы оксида могут играть роль зародыша, облегчающего образование газовых пузырьков. Степень гидратированности оксидной пленкой зависит от ее фнзико-хьмических свойств, которые определяются составом сплава, условиями получения и дегазации гранул. На образование пор должна оказывать влияние плотность полуфабриката, то есть объем микронесплошностей, распределенных в свариваемом металле, и наличие молекулярного газа заключенного в них. Повышенная температура литья, необходимая для получения сплавов с высоким содержанием переходных металлов (Ю00...1200°С), предопределяет большое содержание растворенного водорода в гранулах, что также должно

способствовать образованию пор. Величина газовых пузырьков, степгиь дегазации ванны во многом будут зависеть от режнгюв сварки, времени существования сварочной ванны, содержания частиц оксида, которые могут препятствовать всплытию пузырьков.

В работах В.В.Редчица, АА. Чакалгва, ВА. Фролова н др. разработана методика критериального подхода к исследованию сварклаепости металлов. При этом комплексный^ критерий Кп, характеризующий склонность металла к образованию газовых пор, представляется как:

ДН[-8 а 1.1 а

Кп=........ Р. .............. , (1)

[Щ Т

где : АН1, -величина скачка растворимости водорода при переходе из жидкого состояния в твердое; [Н] - концентрация водорода в твердом металле; адсорбционкая емкость торцевой поверхности свариваемых кромок; а и -поверхностное натяжение жидкого металла, Т-температура сварочной ванны, -параметр скорости пузырьковой дегазации сварочной ванны; й - коэффициент диффузии водорода в твердом ыггалле; а - коэффициент температуропроводности, с -время.

Рассматривая комплексный критерий сзетоиности к образованию пор применительно к сварке гранулируемых алюминиевых сплавов (Кпгс), можно в свою очередь представить его как произведение критериев:

Кпгс= Кп Кгс, (2)

где Кгс - критерий, учитывающий особенности гранулируемых алюминиевых сплавов с точки зрения их склонности к образованию пор, зависящий от частных критериев:

Кгс= Г{К1, Кг, Кз, Ю} (3)

К.1 - критерий, учитывающий плотность основного металла (наличие микронесплошностей);

Кг ■ критерий, учитывающий количество молекулярного газа и газообразующих примесей в микронесплошностях полуфабрикатов;

Кз,К» -критерии, учитывающие содержание оксида в шве, структурное

ю

состояние и степень гндратироваиностн оксидной пленки гранул.

Для гранулируемых сплавов различных систем легирования разница в значениях комплексного критерия будет, г, основном, определяться наличием или отсутствием в сплаве магния, оказывающего очень существенное влияние на растворимость водорода, свойства оксидной пленки и температуропроводность сплава.

Анализ критериез позволяет сделать вывод, что задача уменьшения пористости сварных швов при сварке гранулируемых сплавов должна решаться как на стадии сварки, так и на стадии изготовления полуфабрикатов.

На стадии сварки необходимо: обеспечить рафинирование металла шва от оксидных включений, подавить образование и развитие газовых пузырьков либо облегчить условия их всплытия.

На стадии изготовления полуфабрикатов должно быть обеспечено:

-минимальное содержание оксида алюминия в полуфабрикатах и его дегидратация;

-содержание растворенного водорода на уровне традиционных свариваемых сплавов;

-плотность полуфабрикатов, близкая к 100%, при минимальном содержанн:; молекулярног о газа в микронесплошностях.

Высоколегированная проволока для сварки и наплавки. Упрочняющая наплавка деталей из алюминиевых сплавов в особо нагруженных местах может обеспечить значительное повышение их эксплуатационных характеристик.. Особенно актуальной эта проблема является для поршней дизельных двигателей. Эта проблема могла бы быть решена путем создания сварочной проволоки с высокой степенью легированностн переходными металлами.

Анализ публикаций по использованию присадочных материалов для упрочняющей наплавки поршней показывает, что существующие сварочные проволоки, наплавочные материалы не позволяют обеспечить стабильного качества наплавленных слоев с твердостью, износостойкостью, значительно превышающей соответствующие характеристики поршневых сплавов. Во многом это объясняется образованием слишком грубых включений интерметаллидных фаз. Технология

гранулирования должна обеспечить формирование дисперсных фаз, но данных с5 использовании гранулированных сварочных проволок нет.

Алюминиевые сплавы и припои дли выоохо1С?шератуу>ой пайки. В настоящее время для создания паяных конструк: ■!.; из алюивнЕЯ в качестве припоя, в основном, применяется эвтектический сплуыи,! (А1 - 11-13% 51), поскольку этот сплаз обладает высокой технологической пластичностью, :•.•:; г.о;.:.:о;;;ей использовать его в виде плакирующего слоя, листов и ленты. В то >:<е время существует целый ряд припоев на основе еложшх эвтсхткк, например Л1-Си-Б1, икеющих более низкую температуру плавленая, позволяющих получать прочные, коррозионностойкие швы. Однако их использование ограничено вследствие крайне низкой пластичности. Анализ данных, о влиянии скорости охлаждения при кристаллизации «а пластнчгзогть сплавов показывает, что получение припоев в виде гранул может значительно повысить их способность к деформирован;:®.

В качестве основного металла при создании паяных конструкций наиболее широко ясиохьзуетсз салаа АМц, отличающийся высокой технологичностью, но

имеющий крайне низкую прочность после пайки (Ов~ 80-90МПа). Перспективным является кспользовачае гранулируемых сплавов системы алюминий-переходные металлы, имеющих столь же высокую температуру солйдуса, однако обладающих значительно более высоким уровнем прочности.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ГРАНУЛИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ.

Выбранная для производства свариваемых полуфабрикатов, сварочных материалов технологическая схема включает в себя следующие операции:

-центробежное литье гранул с охлаждением в воде;

-сушка и сепарация гранул;

-вакуумная дегазация гранул в герметичных капсулах;

-компактирование гранул на гидравлическом прессе с цепью получения брикета;

-прессование из брикета профилей, груб, прутков, промзаготовки под

'прокатку;

-прокатка, штамповка, волочение.

Отличительной особенностью дан;:зЗ технологической схемы является дегазация гранул в герметичных капсулах, поскольку применявшаяся ранеее дегазация гранул в Еакуумных печах, с последующим заполнением рабочего объема печи аргоиом или азотом, не позволяла обеспечить требуемого качества полуфабрикатов

Каждая из стадий технологического процесса в той или иной степени оказывает влияние на газосодержание, содержание оксида, т.е. на факторы, влияющие на пористость при сварке.

Для получения в промышленных условиях алюминиевых сплавов с высокой скоростью охлаждения при кристаллизации используют два основных способа :

-газовое распыление частиц диаметром 100-300 мкм;

-центробежное распыление расплава с охлаждением в воде частиц (гранул) днамегрои от 0,4 до 3,0 миллиметров.

Способ центробежного распыления является взрывобезопасныы, достаточно простым и надежным в эксплуатации. Учитывая, также, что удельная поверхность гранул значительно меньше, чем частиц, получаемых газовым распылением, а следовательно содержание оксида в гранулах также значительно меньше, именно способ центробежного распыления был взят за основу при разработке технологии получения свариваемых полуфабрикатов.

В результате исследований, проведенных В.П. Антипиным, Л А. Арбузовой и др., установлено, что толщина оксидной пленки на поверхности гранул, в основном, определяется условиями их сушки и может изменяться от 5 до 40 нм. Применение сушки в тонком слое позволяет получить на поверхности гранул оксидную пленку толщиной 8....12 нм. При использовании гранул размером 1,0..2,5мм, имеющих такую оксидную пленку, содержание кислорода в полуфабрикатах из сплавов, не содержащих магний, составляет 0,02...0,03% мае., для сплавов с магнием 0,03...0,04% мае.

Если содержание оксида в полуфабрикатах из данного сплава определяется, в основном, содержанием оксида в гранулах после сушки, то содержание водорода в полуфабрикатах определяется степенью гидратированности оксидной пленки и содержанием водорода в твердом растворе. Поэтому операция дегазации гранул

является ключевой для обеспечения ннзхого содержат:", водорода, пр1: згог,.. температура и время дегазации должны, с одной стороны, обеспечить десорбцию газовых примесей с поверхности к из твердого у ¿створа, с с другой - обеспечить близкий к оптимальному характер распада вао»1вкьяо ыягс.^.с .г.ого тЕг-.дзго раствора переходных ыеталлов с алюшшкн, а также пс допусткп дэокасдспия гранул.

В традиционной порошковой металлурги»: да: получения полуфабрикатов с низким уровнем газосодср/ханкл, без пузырей и р-сх-лс^. необходимо, чтобы время и температура дегазации были достаточными для еяекапия порошка ( при этом наиболее высокотемпературной является после,иля ступень дегазации). Отличительным, от традиц1;ош;ой порошковой металлургии алюминиевых сплавов, принципом разработанных параметров технологии является применение минимально необходимого времени и температуры нагрева гранул при дегазации, что позволяет, обеспечив дегидратацию окс:;дко£ пхмаш к десорбцию водорода к» твердого 1,..стЕора, предотвратить сле^.гл;,;;; грпнуп кххгдг собой в, таким образен, сохранить газопроницаемость пассы грагуд достаточной дл>; эвакуация продуктов десорбции пз объема капсулы.

Исходя из этого прикципс: выбирался режпм нагрева гранул при дегазации. При этом учитывались полученные В. А. Данилкиным и Л. А. Арбузовой данные о необходимости проведения ступенчатого нагрева в соответствии с кинетикой ьыделення воды и водорода. Продолжительность дегазации гранул, помещенных в

технологическую капсулу (Хдег), складывается из времени, необходимого для прогрева гранул по всему объему капсулы ( X нагр ), Еремени, необходимого дал десорбции газа (X десорб), и времени необходимого для эвакуации продуктов десорбции из капсулы (X эв):

X дег-Х нагр + X десорб + X эв. (4)

Для сокращения времени нагрева гранул на высокотемпературной ступени (420-450 °С), во время которой происходит достаточно интенсивный распад аномально пересыщенного твердого раствора, нами введена заключительная ступень нагрева, которая проводится при температуре 300-350 °С. В процессе нагрева на этой ступени практически прекращается десорбция водорода из твердого раствора

п происходит только эвакуация ец^-л замедляется процесс распада пересыщен,х облегчения эвакуация дссорбированнего минимального содержания охсяда. сфс;

■лхпхсп газозих пвлкссгл, пря этол ■ тглрдсго рготзсят. Исходя аз уеатоаяЗ \ма 1*з пЗъгка капсулы и обеспечения -"^проиаго слгрующез требование к

гранулометрическому составу: размер гранул доляка бчгь изжвпильнын, пря котором обеспечивается их форма блпзхая к сферачсгасоз, отсутствие внутренних пор и достигаете:! скорость охлаждения достаточная для формирования в сплаве структуры аномальпо-псргсыщеиного твердого раствора.

Все это п позголпгт снизить до глнпшлуыг содержание газовых примесей в молекулярной форме, которые особенно опасны пря сварке, тале как способствуют образованию пор не только в шве, но и з ококошовной зоне, слабо поддаются влиянию режимов сварки, а при пайке способствуют образованию пузырей я расслоений в паяемом полуфабрикате.

Пористость сварных швов находятся в обратной зав л си к ост я от плотности полуфабрикатов (рис.1.). Причем, с увеличением степсаэ деформации и плотности полуфабрикатов уменьшается не только суммарный объем, но и размер пор. Из этих данных следует, что применение полученных с небольшими степенями деформация полуфабрикатов для изготовления сварных конструкций является проблематичным.

100,-

0

аЪОО 5-го

брикет, полоса лист

Рис. 1. Изменение плотности полуфабрикатов и пористости сварных швоа з

зависимости от вида полуфабриката и степени деформации при прокатке.

1 - плотность, 2 - объем пор.

Анализ масс-спектра газовой фазы, выделившейся при изломе в вакууме образцов полуфабрикатов, показывает, наряду с пиком выделения водорода, наличие пиков выделения газовой примеси с массовым числом 28, а также примеси с массовым

числом 14, по-видимому, молекулярного п ионизированного азота (рнс.2а.). Анализ факторов, влияющих на увеличение интенсивности пиков выделения этих примесей, позволил сделать вывод, что причиной их появления является воздух, попадающий в объем капсулы после дегазации при компс-хнроьаиии, а та;сле вследствие разгерметизации капсул. Установлено наслед.твеняое влияние состава газа б несплошиостях основного металла на состав газа в порах сварного ШБа (рнс.2.б).

Таким образом, полученные данные позволяют сделать вывод, что характерной особенностью сааркя гранулируемых сплавов является образование пор на основе заполненных молекулярным газон несплошностей основного металла, по механизму, близкому к описанному Г. Д. Никифоровым и В. В. Редчицеи для пор, образующихся при сварке титановых сплавов больших толщин.

лЛ

«а

«а

5

к «

-луг

¡11

23

Рис.2. Масс-спектр выделения газовой фазы при изломе образцов в вакууме:

а - основной металл; б - сварной шов

В соответствии с известной зависимостью, определяющей условия существования газового пузырька,

Рвн > Ратм+ 2 а / г + Ьу , (5)

где: Рвн-давление газа в пузырьке; Ьу - металлостатическое давление;

2 а / г - давление сил поверхностного натяжения,

подавить образование пор можно либо увеличением внешнего давления, что достигается сваркой в камере с повышенным давлением, либо уменьшением внутреннего давления. Уменьшение внутреннего давления может быть достигнуто при компактировании в вакуумном прессе. Проведенные' В.Н.Мироненко и В.Н.Бутримом эксперименты показали, что при сварке полуфабрикатов, полученных с использованием вакуумного пресса, удается получить плотные сварные соединения,

однако реализация этой технологии требует значительных капитальных затрат и приводит к существенному удорожанию полуфабрикатов

Мы исходили из того, что уменьшению внутреннего давления также будет способствовать заполнение межгранульного пространства активным, по отношению к алюминию газом, который, препятствуя попаданию туда воздуха, в процессе деформации прореагирует с алюминием с образованием химического соединения. С этой целью было проведено заполнение посте дегазации хапсуды с гранулами кислородом, с избыточным давлением — 0,1 атм. Исследование состава газа в несплошностях показало, что это позволило избавиться от газовых принесен с массовыми числами 28 и 14, при этом удалось предотвратить образование пор даже при сварке прессованных полуфабрикатов с объемом несплошностея до 0,5 об.%..

В целом, из анализа связи содержания газа я пористости сварных швов, установлено, что в гранулируемых сплавах содержание водорода не может служить единственным показателем склонности полуфабрикатов к пористости при сварзсе н необходимо учитывать также наличие других газовых примесей. Такой показатель ие используется в технической документации на полуфабрикаты, полученные по традиционной технологии, однако введен в технические условия на поставку лисгоз из гранулируемых алюминиевых сплавов.

Установлены предельные уровни концентрации газов з полуфабрикатах с точки зрения их склонности к поробразованкю при сварке:

® содержание водорода не более 0,35-0,4 с;.!3/100 г;

• содержание других газовых примесей ие более 0,05-0,1 см3/100 г.

Кроме того, для оценки пригодности полуфабрикатов для сварки плавлением", разработана методика тепловой пробы, заключающаяся в быстром нагреве образца до температуры на 5-10 еС ниже температуры солидуса, выдержке при этой температуре в течение 10 минут и визуальном контроле, после охлаждения, образца на наличие поверхностных пузырей. Предложенный метод точно характеризует свариваемость листов с точки зрения их склонности х образованию пор и введен в качестве метода контроля в технические условия на поставку полуфабрикатов из свариваемых гранулируемых сплавов.

Таким образом, использование предложенных припципоа технологии и критериев оценки качества, позволяет производить полуфабрикаты из гранулируемых алюминиевых сплавов, пригодные для изготовления сварных

конструкций, а также конструкций получаемых высокотемпературной пайкой.

Использование разработанных принципов технологии при производстве полуфабрикатов из частиц полученных другими способами быстрой кристаллизации, в том числе закристаллизованных со скоростью охлаждения

-1x10 5.....1x10 * К/с, при изготовлении гранулированных сварочных проволок и

припоев показало, что они позволяют обеспечить получение материалов, которые могут применяться для изготовления ответственных сварных и паяных конструкций.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНЫХ ШВОВ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ ГРАНУЛИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПРОЧНОСТИ, ЖАРОПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

Составы гранулируемых сплавов с высоким содержанием переходных

1

металлов разрабатывались исходя нз того, чтобы при скорости охлаждения при кристаллизации 1х103...1х10< К/с ( а для сверхбыстрозакристаллизованных сплавов 1x105 ... 1x10 6 К/с) обеспечивалась фиксация аномально-пересыщенного твердого раствора переходных металлов в алюминии, либо, в случае легирования сплавов налорастворимыми элементами \ША группы или редкоземельными металлами, диспергирование интерметаллндных фаз до десятых долей микрона.

Если при сварке не будет обеспечиваться такая же скорость охлаждения при кристаллизации сварочной ванны, как при кристаллизации исходных частиц сплава, легирующие переходные металлы будут образовывать интерметаллидные фазы, размер которых будет тем больше, чем меньше скорость охлаждения при ее кристаллизации.

На рис. 3 представлено изменение микроструктуры зон проплавления в листах из сверхбыстрозакристаллизованного (~1х106К/с) сплава А1-8%-Ке-4%Се в зависимости от способа и режимов сварки ( сварка без присадочного металла).

Анализ структуры и свойств сварных соединений показывает определяющее влияние способа и режима сварки, а следовательно скорости охлаждения при кристаллизации сварного шва, на прочность сварного соединения. Особенно грубая

100 200 300 400 500 600 700 q/vДжJ^лu

Рис.3 .Изменение микроструктуры саарных швов и прочности сварных соединений листов из сплава А1-8%Ре-4%Се в зависимости от погонной энергии при сварке.

1-АДС. 1св=110А, у=8м/ч; 4- ЭЛС.и=60 кВ, 1св=25мА, у=80м/ч;

2-АДС. 1св=1бОА. у=20м/ч; 5-Лазерная.Р=1,8кВт, у=48м/ч;

3-ЭЛС. и=60кВ, 1=25мА,у=40м/ч; 6-Лазерная.Р=2,4кВт, у=72м/ч.

структура формируется при аргонодуговой сварке. Уменьшение погонной энергии за счет увеличения скорости сварки и использования методов сварки с высокой концентрацией энергии ведет к уменьшению размера интсрметаллидных фаз и значительному увеличению прочности сварного соединения.

Расчет мгновенной скорости охлаждения для однопроходной сварки листов встык по формуле Н.Н.Рыкалина:

2 л Я с а(Т То)3 (0=----, к/с (6)

(Ч/Чв5.2

где я- эффективная тепловая мощность дуги, Вт ( для аргонодуговой сварки д=0,8ид1св); Я - коэффициент теплопроводности,Вт/(смК); с - удельная теплоемкость, Дж/(гК); й- плотность, г/см3; \съ- скорость сварки, см/с; 6- толщина металла, см,

позволяет оценить ее при температуре кристаллизации, для условий аргонодуговой сварки, на уровне 10 -40 К/с, что значительно меньше скорости охлаждения при кристаллизации гранул. Оценка скорости охлаждения при кристаллизации сварных швов по величине дендритного параметра, исходя из зависимости

Уохл= 105/ К,(7)

где Уохл - скорость охлаждения при кристаллизации, К/с;

§ -дендритный параметр (мкм).

показывает, что при аргонодуговой сварке скорость охлаждения изменяется в зависимости от толщины свариваемых деталей, режима сварки, зоны шва примерно от 10 до 300 К/с. Поэтому и в сплавах, легированных из расчета на скорость охлаждения гранул 1x10 МхЮ 4К/с, происходит значительное огрубление структуры металла шва. .При электронно-лучевой сварке скорость охлаждения при кристаллизации можно оценить 2х102...5х103 К/с, которая близка к скорости охлаждения при кристаллизации гранул.

С определенными допущениями (с наименьшей погрешностью для способа ЭЛС) шов можно рассматривать как слой жидкого металла, кристаллизующийся между двумя металлическими подложками в условиях их идеального контакта. На основании известной зависимости скорости охлаждения Уохл (К/с) от толщины слоя металла Цмм), кристаллизующегося на массивной металлической подложке:

Уохл=10«/г1 (8)

предложена методика расчета максимально допустимой ширины шва (мм), при которой может быть достигнута необходимая скорость охлаждения при

кристаллизации сварочной ванпи :

В=2К (Ю'/Уохл) «.5 (9)

где К- поправочный коэффициент, зависящий от толщины и массы детали, формы шва.

Исходя из полученной зависимости, для скорости охлаждения 1x10 З..1х10 4 К/с ширина шва должна составлять от 2 до 6 мм. Эксперименты по сварке жаропрочного гранулируемого сплава01419 системы алюминий-переходные металлы подтвердили, что при ширине шва в этом диапазоне, формируется структура близкая к основному металлу, что обеспечивает равиопрочность сварного соединения и основного металла как при комнатной, так и при повышенной температуре.

В то же время анализ интерметаллидных фаз, образующихся в швах, показал, что их дисперсность зависит не только от скорости охлаждения при кристаллизации сварного шва, но и от состава интерметаллидов.

При кристаллизации сварного шва в условиях термического цикла, характерного для аргонодуговой сварки, создаются условия для фиксирования, в основном, циркония в твердом растворе, либо фаза А1йг кристаллизуется в виде достаточно дисперсных (около 1 мкм) интерметаллидов, в то время как сложная фаза А1б(МпСг)Т1У в сплаве 01419, фаза А1;Сг в сплаве 01435 (системы А1-Сг^г) кристаллизуются в грубом виде (размер 5-15 мкм), хотя предельная равновесная растворимость Сг в 3 раза выше чем 2л.

Высокое содержание переходных металлов предопределяет и другие особенности структуры сварных соединений. Если в сварных соединениях традиционных алюминиевых сплавов от зоны сплавления формируется зона столбчатых кристаллов, то при сварке гранулируемых сплавов в этой зоне происходит формирование структуры из равноосных зерен, которую можно классифицировать как субдендритную структуру.

Неразвитость границ зерен, характерная для формирующейся равноосной структуры, обусловливает достаточно низкую ударную вязкость сварного соединения в этой зоне, в еще большей степени это усугубляется при легировании гранулируемых сплавов элементами УН1А группы (Со, №,Ге), образующих при сварке по границам этих зерен эвтектические фазы СоАЬ, М1АЬ, ГеАЬ , что способствует снижению ударной вязкости в этой зоне до критического уровня (10-15 кДж/м2).

Известно, что переходные металлы повышают температуру качала рекристаллизации алюминиевых сплавов. Характерной особенностью сварных сосдашигай всех гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким содержа:!««! нереходкых металлов является также сохранение керекрастаклазоз.а;;кой структуры в околошовной зоне.

Составы гранулируемых аягашшяе&ых сг.лааов разрабатывались исходя из условий получения в полуфабрикате максимального упрочняющего эффекта, обеспечения максимальной устойчивости твердого раствора. Однако работоспособность сзарноя конструкция определяется, кок правило, свойствами сварного соединения. Поскольку, как показано Еыие, прн наиболее широко применяемой, аргонодуговой с;арке, скорость охлаждения ври кристаллизации сварочной .ванны меньше, чей скорость охлаждения при кристаллизации гранул, легирование сварнЕасмых гранулируемых сплавов переходными металлами должно производиться с учетом особенностей формирования интдшетадлидных фаз различных переходных иеталлоа а шге. Так, хотя в результате кссяедоЕгикй, проЕедеиных В.И.Елагкныы, ИЛ.Фрпдляндсрои, В.М.Фсдоровым, М.Г.Степановой, установлено, что с точки зуеция иккспнальноц устойчивости твердого раствора оптимальным яиляется соотношение Сг£г=1:1, ксхода м представленных выше результатов при легировании свариваемых сплавов данное соотношение должно быть изменено.

Анализ влияния различных переходных металлов на свойства сварных соединении гранулируемых алюминиевых сплавов позаоляет сформулировать следующие рекомендации по легированию свариваемых гранулируемых сплавов :

-легирование гранулируемых алюминиевых сплавов переходными металлами в количествах, близких максимальной неравновесной растворимости, присущей условиям кристаллизации гранул, допустимо для металлов, избыточные фазы которых в условиях термического цикла сварки кристаллизуются в виде дисперсных пнтерметаллидов с низкой линейной скоростью роста (Zr.Sc,ТО;

-содержание компонентов, избыточные интерметадлиды которых обладают высокой линейной скоростью роста (Сг.Мп), должно быть значительно ниже предельной неравновесной растворимости этих металлов в гранулах;

-если это не обусловлено требованиями получения специальных физико-механических свойств (жаропрочности и т. п.), необходимо избегать легирования

переходными металлами образующими сложную фазу как между собой, так а с основными легирующими компонентами (Zn, Mg,Си а т.д.).

С учетом особенностей поведения переходных металлов был оптимизирован состав сплавов 01419 (А.с.1452167 СССР) и 0IS95 (патент RU №2001153), разработан состав высокопрочного термически неупрочняемого сплава 01579 (A.c. №1072509 СССР).

Таблкца2. Химический состав свариваемых гранулируемых алюминиевых сплавов.

Сплав Содержание компонентов, % мае.

Al Мл Cr Zr Ti V Ni Za Mg

01419 оси. 1,6-2,2 0,8-12 0,5-0,7 0,4-0,6 0,4-0,6 - - -

01995 осн. - 0,15-0,3 0,7-1,0 0,1-ОД - 0,1-0,25 4,5-5,5 2,5-3,5

01579 осн. - - 0,7-1,0 - - • - - 4,5-5,5

Технологические особенности сгаруз плаглегкен гранулируем! ;т. акгоминиецнх сплавов с высогни содеруачкем переходных металлов.

Кроме высокого содержания переходных металлов, особенности аргоно-дугоЕоа сварки гранулируемых алюминиевых сплавов определяются наличием в спяазе оксидной пленки я необходимостью з связи с этим корректировки режимез сварки я технологии сборки под сварку. Оксидная плепха, ориентированная в результате прокатки параллельно плоскости листа, препятствует, в определенней степени, формированию сварочной ванны, перемешиванию присадочного я основного металла. Сварочный ток при сварке сплавов, имеющих в своем составе Mg (01995, 01579), должен быть ка 10-15% выше, чен при сварке традиционных сплавов тех же систем легирования (1915, Амг-б). При сварке сплава 01419, имеющего более плотную оксидную пленку, необходимо увеличить ток примерно на 20-25% по сравнению со сваркой сплава типа АМц. Аналогично тому, как это было рекомендовано Г.Д.Нихнфоровым для сварки материала типа САП, сборку под сварку стыковых соединений, особенно для сплавов без Mg, необходимо производить с зазором -0,5 от толщины листа.

При сварке, совместно со специалистами ИЭС им.Е.О.Патона А.Я. Ищенко,

Н.Г. Третяком, A.B. Лозовской н др., было опробовано несколько методов борьбы с пористостью, основанных на рафинировании мыалла шва от оксидных включений и улучшении условий всплытия газовых пузырьков: сварка с электромагнитным перемешиванием, сварка прямоугольным есскмехричным током, сварка с использованием фторидных флюс-паст, сварка с подогрезом и др. Эффективной, особенно при сварке полуфабрикатов с повышенным газосодержанием, оказалась сварка с применением фторидных флюс-паст. Использование электромагнитного перемешивания, сварка ассиметричным током наоборот способов'■'взшг некоторому увеличению пористости, так как интенсивное перемешивание металл» сварочной ванны способствовало движению молекулярного газа, заключенного в несплошностях вдоль волокон, образованных деформированными гранулами, из околошовной зоны в зону шва.

Гранулируемые сплавы обладают высокой стойкостью к образованию горячих трещин при сварке. Технологическая прочность по пробе «рыбий скелет» всех сплавов не превышает показателей доя сплава АМгб. Поэтому основной задачей сварки является сохранение в максимальной степени сварным соединением физико-механических характеристик присущих основному металлу.

Сварка сплава 01419 системы аггю м и п и й - и ер ехо дн ы е металлы. В авиационной технике сплав 01419 рекомендован для использования в трубопроводах системы жизнеобеспечения, длительно работающих при температуре 350-400°С. Трубопроводы этих систем изготавливают из листов и труб с толщиной стенки 0,8-2,0 мм. При разработке технологии сварки одним из основных показателей качества сварных соединений была принята длительная, 100-часовая, прочность при

температуре 350'С (&)Ю), так как она достаточно полно характеризует ресурс работы

сварного узла.

Из таблицы 3 видно, что применение электронно-лучевой сварки позволяет получить практически равнопрочное сварное соединение как при комнатной, так и при повышенной температурах.

При аргонодуговой сварке с использованием сварочной проволоки того же, что и основной металл состава, вследствие образования грубых интерметаллидных фаз коэффициент прочности сварного соединения низкий. Удовлетворительное качество сварных соединений было достигнуто лазерной обработкой шва. Последовательное расплавление расфокусированным лучом лазера локальных

Таблица 3 Механические свойства сварных соединений листов из сплава 01419 з ззвисгшеетп от способа и режима сварки.

п/п Способ сварки Режим сварки ав. МП а кси. КДж/м2 Кпр О юо,350 МПа Кпр«°

ЭЛС и=б0кВ 1=25мА у=44м/час 333 34 0.93 45 1.0

2 ЭЛС и=б0кВ 1=25мА у=78м/час 351 110 0.98 45 1.0

3 Ручная АДС* и=18В 1=200А у=6м/час 181 20 0.51 30 0.66

4 Автомат. АДС* и=18В 1=240А у=10 м/час 213 35 0,60 35 0.77

5 Автомат. АДС* и=18В 1=280А у=20м/час 240 40 0.68 40 0.88

6 Основной металл 356 132 45

* присадочная проволока 01419

(глубиной до 1,5-2,0 мм) участков шва и их быстрая кристаллизация, позволяют получить структуру аномально-пересыщенного твердого раствора и обеспечить равнопрочность сварного соединения с основным металлом при испытании на длительную жаропрочность даже образцов со снятым усилением.

Исследование структуры и свойств сварных соединений показало, что в условиях аргонодуговой сварки концентрация переходных металлов в сварном шве не должна превышать 75% от их концентрации в сплаве 01419 ( 3,5-4,0 % мае), при большей концентрации в шве образуются грубые интерметаллиды сложной фазы А1б( МпСгуПУ, жаропрочность сварных соединений снижается (рис. 4.).

Исследование комплекса механических, коррозионных свойств, технологической прочности позволило разработать сварочную проволоку Св01537 следующего состава (% мае):

М8 Ми Сг Тх V Т|

3,0-3,8 0,5-0,7 0,25-0,4 0,5-0,75 0,15-0,25 0,15-0,25

А1 осн.

О < 2 Ъ ч 5 МЛС% Рнс.4 .Зависимость жаропрочности сварного соединения (Х.час, при

а»'=45МПа) ох содержания переходных металлов а шве.

Так как проволока Св 01537 содержит в своем составе около 2 мас.% переходных металлов, при лптье этого сплава в слитке обрадуются грубые интерметаллиды (рис.5а), которые в ноиачитеиьной степени дробятся при прокатке слитка и волочении проволоки (рис.56,). При сварке эти интерметаллиды не успевают расплавиться в сварочной канне и сохраняются в шве б грубой форме (рис.5в). Наличие таккх грубых фаз приводит к химической неоднородности сварного шва, что влечет за собой нестабильность механических характеристик, в даже в

■ -'¿хи :с сш тт^ш < * :

■ •■.» а

•• '-V •'„

. • \ . •" " '-У'.'."'.'-. !*,

Ч * .• ■ . • - - ? -г*г *. Ъа: "Г; '. '» ^

^ ■■■■-:.. с-Ч ¿Ж

¡^^¿П-;Ж».**'?*

: т ■ •

а б в

Рис.5.Структура слитка (а), проволоки Св01537 полученной из данного слитка (б), и шва выполненного с использованием этой проволоки (в),х250.

CTKs.Ti.K-jx случаях разрутнеиге сззриого соединения. Поэтому для изготовления с?.грочксЗ проволсет с высхсш содержанием переходных металлов должна быть прянеяеяа технология обеспечивающая получение равномерно распределенных д-'с™',тс:'!,гх йятеркегмлядов. В связи с этим, была проведены исследования по разработке технологии изготовления гранулированной присадочной проволоки с высоким содержанием переходных металлов. В осясзу этой технологии было положено использование крупных гранул, получаемых методом вабрацноиного литья (рис.6.). Небольшая удельная поверхность гранул предопределяет внзкое содержание оксида. Поскольку при изготовления проволоки пет необходимости в обеспечении оптимальной степени распада переходных металлов, а крупный размер гранул создает благоприятные условия для згахуацки продуктов десорбции из объема капсулы, при дегазации гранул возможно применение высокой температуры, близкой к температуре солидуса. Остальные параметры технологии устанавливались в соответствии с принципами, разработанными для изготовления деформированных полуфабрикатов.

г.-Г Г

л--'.Г-., Л" <

....

а------ТГ

Рис.б Проволока Св01537: внешний вид гранул (а), структура гранул (б), структура проволоки (в), а - х1, б, в - х250.

Все это обеспечило получение гранулированной проволоки, использование которой позволяет получать плотные сварные соединения. •

Из рисунка 4 видно, что для сохранения жаропрочности сварных соединений, содержание переходных металлов в шве должно быть не менее 2,5% мае. Это достигается при доле проволоки Св01537 в шве до 70-75%, что позволяет производить сборку под сварку с зазором, использовать ее для тавровых, стыковых с разделкой кромок и других соединений, дня которых характерна высокая доля присадочного металла в шве.

Основным принципом при выборе режима сварки является возможность в

максимальной степени обеспечить высокую скорость охлаждения при кристаллизации сварочной ванны, В работах В. Д. Кодолова, на основе уточненного расчета тепловых полей при сварке алюминиевых сплавов показано, что применение теплоотводящих по^ кладок способствует существенному повышению скорости охлаждения сварочной ванны. Поэтому сварку предпочтительно вести с повышенной скоростью и, если позволяют условия, использовать теплоотводящие подкладки и прижимы.

Сварка сплава типа 01995 системы А1-2п-М^-ПМ. Сплав 01995 - наиболее прочный среди свариваемых алюминиевых сплавов и основной задачей при разработке технологии его сварки является обеспечение соответствующей основному металлу прочности сварного соединения. Кроме того, как и для всех сплавов системы А1-2л-М£, важной проблемой является коррозионная стойкость сварного соединения.

Исследование механических свойств сварных соединений, выполненных аргонодуговой сваркой с использованием как стандартных присадочных проволок Св 1557, Св1571, так и проволок опытных составов с повышенным содержанием переходных металлов, показало, что высоких прочностных свойств удается достигнуть в сварных соединениях без снятия усиления сварного шва. Оценивалось влияние двух технологических схем на коррозионные свойства:

а) закалка основного металла - сварка - искусственное старение.

б) закалка - искусственное старение - сварка.

Уровень коррозионной стойкости соединений, сваренных но двум технологическим схемам примерно одинаков и составляет <Тц> =250-300 МПа на базе 45 суток. В процессе испытаний при переменном погружении в 3% раствор КаС1 в литой части шва появляется межкристаллитная коррозия (МКК) и разрушение при коррозионном растрескивании начинается именно на участке с МКК.

Максимальный уровень прочности сварных соединений (0 в =450...480 МПа) обеспечивается при сварке по технологической схеме «закалка-сварка-искусственное старение».

При сварке после полной термообработки уровень прочности на 20-30МПа ниже. Высокие прочностные свойства достигаются при сохранении усиления

сварного шва, при этой разрушение образцов при испытании происходит по основному металлу на расстоянии 15-20 мм от зоны сплавления.

Сзарка сплава 01579 системы А)-Ма;-ПМ. Исследование влияния режимов сварки на свойства сварных соединений сплава 01579 еще раз подтвердило вывод о необходимости сварки сплавов с высоким содержанием переходных металлов с минимальной погонной эн^гией (рис.7.).

6" ' МПо

500

£,ао

300

j

5 i ЧУ i

I —^

] Q» л

1

550

600

Б0 50

ад

50 zo

Б50

700

750

Ркс.7.Зависимость механических свойств сварных соединений сплава 01579 от величины погонной энергии. АДС, присадочная проволока Св1557.

1 - Ствс" без усиления; 2 - с0с" с усилением; 3 - KClb.c.

Основные принципы технологии сварки этого сплава аналогичны сплаву 01949. Удовлетворительный уровень прочности достигается при использовании стандартных присадочных материалов Св 1557, Cal571, при этом оптической оказывается зона субдендритных кристаллов, по которой происходит разрушение образцов со снятым усилением. Разрушение образцов с усилением происходит по зоне сплавления.

Поверхностная обработка лазером гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов. Термодеформационное воздействие на быстрозахристаллизованные частицы в процессе изготовления полуфабрикатов не позволяет сохранить оптимальную, с точки зрения упрочняющего воздействия, дисперсность интерметаллидных фаз, образованных переходными металлами. Таким образом не удается реализовать в готовом изделии всех преимуществ быстрой кристаллизации сплава. Получить на поверхности готового изделия сверхбыстрозакристаллизованную структуру сплава позволяет лазерная, обработка(рис.8.). Проведенные, совместно с Т.ИЛебедевой и М.В.Самарииой,

исследования структуры обработанных лазером сплавов системы А1-персходные металлы, легированных малорастворимыми (сплав Al-8%Fe-l%Cr-!%Zr-l%Mo) и растворимыми (сплав 01419) металлами, показали возможность получения поверхностных слоев с очень высокой для алюминиевых сплавов твердостью. Оплавление производилось СОг-лазером непрерывного действия "Spectra Phisics"

Vmíu

Рис.8. Микроструктура (а) и изменение твердости (б) прессованной полосы из сплава 01419 после оплавления лазером по режиму Р=2кВт, у=3м/мин. а - х! 00; б - 1 -после оплавления, 2- после отжига оплавленного слоя(-}50 "С, 2ч).

Исследование структуры оплавленных лазером слоев на сплаве Al-Fe-Cr-Zr-Мо показало, что в поверхностном слое глубиной до -Ü.3 мм удалось зафиксировать гомогенную, при наблюдении в световой микроскоп, т.н. структуру А-тииа, при этом уровень твердости составил Нр=4500МПа.

Существует целый ряд мнений относительно причин столь высокого уровня твердости структуры A-типа в быстрозакристаллизованных сплавах на основе системы Al-Fe, причем особенностью этой структуры является то, что ее высокая твердость резко падает при термодеформационном воздействии.

Нами, на основе сопоставления закономерностей изменения тонкой структуры и твердости, предложен механизм "каркасного упрочнения", объясняющий это тем, что сформированная по границам дендритных ячеек неравновесная эвтектика образует, как бы, каркас, который и обеспечивает высокую твердость

. •>. Разрушение каркасного строения под дейевнем температуры, деформации

приводят к резкому падению твердости.

гОз

Сю >

Су5

а

Рис.9 . Схема изменения сверхбыстрозакристаллнзованной структуры А-типа в сплавах на основе системы Al-Fe в результате нагревд.

а - исходная структура; б - отжит 400 °С, 2 часа. ДНц=-15%;

в-отжиг 500 °С2 часа. ДНр=-50%.

Таким образом, лазерная обработка поверхности гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов позволяет получить поверхностный слой, обладающий значительно более высокими свойствами по сравнению с основным металлом.

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ГРАНУЛИРОВАННЫХ СВАРОЧНЫХ ПРОВОЛОК ДЛЯ УПРОЧНЯЮЩЕЙ НАПЛАВКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.

Разработанная технология получения гранулированных сварочных проволок открыла путь для создания нового класса сварочных материалов высоколегированных проволок для упрочняющей наплавки. Проведенные совместно с сотрудниками ИЗС им. Е.О. Патона В.Р.Рябовым, АД.Стретовичем и др. исследования по повышению износостойкости поршней в самой нагруженной их зоне - канавке первого кольца, путем наплавки методом аргонодуговой сварки, позволили установить, что для повышения ресурса работы поршня эффективным является повышение уровня легирования железом и никелем. В то же время уменьшение за счет перемешивания основного и присадочного металла легирования наплавленного слоя основными легирующими компонентами поршневого сплава, приводило к снижению твердости наплавленного слоя. Поэтому проволока для упрочняющей

наплавки создавалась на основе одного из самых легированных поршневых сплавов -сплава АЛ25 с дополнительным легированием железом, никелем, церием. Исследования горячей твердости, термической стабильности, натурные испытания поршней позволили разработать проволоку Св01397 ( А.с. 12185881 СССР) следующего состава (% мае.):

А1 Мл Си Т| Ре N1 Се

осн. 11-13 0,8-12 0.8-1Д 1,5-3,0 0,15-025 3,5-4,5 2,5-3,5 0,3-0,5

Недостатком высоколегированной гранулированной проволоки является труднодефорыируемость сплава, что не позволяет изготавливать проволоку диаметром меньше Змм, а также низкая пластичность проволоки, что потребовало изготовления специальных катушек большого диаметра для ее намотки. Для повышения пластичности, совместно с В.И.Тарарышкиным, были проведены исследования по изучению возможности модифицирования проволоки стронцием. Модифицирующее влияние стронция на эвтектику в сплавах алюминнй-кремний известно из научно-технической литературы. Нами впервые установлено, что микролегирование стронцием приводит не только к измельчению эвтектического кремния, но и обеспечивает сфероидизацию железо-никелевой фазы, что способствует повышению пластичности проволоки примерно в 2 раза, а также повышает технологичность при механической обработке наплавленной канавки и стабилизирует значения ее твердости.

Для расширения возможности легирования, повышения технологичности, обеспечения возможности изготовления проволоки меньшего диаметра нами была разработана технология получения высоколегированных труднодеформируеыых сплавов, в основе которой лежит использование смеси гранул псевдосплавов (рис.Юа.). Один из псевдосплавов должен отличаться высокой технологической пластичностью. Суммарное содержание компонентов в псевдосплавах, составляющих смесь, должно соответствовать требуемому составу сплава, в нашем случае составу проволоки. В процессе деформирования гранулы пластичного псевдосплава обволакивают гранулы высоколегированного псевдосплава, создавая в очаге деформации всестороннее гидростатическое сжатие. Это способствует деформированию без разрушения гранул сплавов с пластичностью, близкой к нулевому значению ( структура проволоки представлена на рис.10 б.). Пластичная составляющая смеси обеспечивает не только улучшение

х,~:':;юяогяч1юстк, по к повышение пластичности готовой проволоки. В процессе яаялавки в сгарочк'он ванне происходит взаимное растворение псевдосялавов смеси и основного металла п формирование однородного металла упрочненного слоя (рис.Юв).

С точки зренся оценки термического цикла наплавку поршней, с определенными допущениями, можно рассматривать как иаплагку салвка на массивное изделие в мгновенную скорость охлаждения оценивать известным соотношением:

2яЯ(Т-То)2

со=----------, К/с (10)

ч/Уев

нз которого следует, что условия охлаждения при кристаллизации наплавленного валика более благоприятны, чем при кристаллизации стыковых швов, описываемых уравнением (6). Вследствие этого, при наплавке допустим более высокий уровень легирования металла сварочной ванны переходными металлами.

1

1 ^Г'" \......

а • б в

Рис.Ю.Структура брикета (а), композиционной проволоки для наплавки (б) из сплаваСв01399 и наплавленного слоя(в). а-х0,5; б -х50; в - х250.

Исходя из анализа результатов всесторонних испытаний поршней, наплавленных проволоками различного состава, фрактографического анализа пятен износа и поверхностей разрушения иммитатора канавки при термоциклических испытаниях, разработаны принципы легирования проволоки для упрочняющей наплавки поршней из алюминиевых сплавов:

-в состав проволоки должны входить основные компоненты сплава, на

который производится наплавка;

-содержание крешшя в проволоке должно быть выше эвтектического, чтобы при неравновесных условиях кристаллизации наплавленного слоя было обеспечено получение эвтектической структуры;

-легирозаиие переходными металлами должно быть комплексным: малорастворимыми элементами V111A группы (Fe, Ni), для формирования интерметаллидных фаз, обеспечивающих износостойкость за счет противодействия контртелу, и растворимыми элементами, способствующими повышению износостойкости за счет противодействия вдавливанию интерметаллидных фаз в упрочненную имк матрицу;

-для обеспечения воздействия стронция на дисперсность и морфологию фаз, образующихся в наплавленном слое, его содержание в проволоке должно быть примерно в 2 раза больше (-0,03-0,05 мас.%), чем обычно применяется для модифицирования литейных алюминиевых сплавов.

На основе этих принципов разработан состав композиционной гранулируемой проволоки Св 01399 (патент RU №2067041), состав которой представлен в таблице 4.

Твердость и износостойкость наплавленного слоя увеличиывется не только за счет увеличения уровня легирования, но и за счет более высокой скорости охлаждения при кристаллизации наплавленного слоя.

Исследования по выбору режимов наплавки были проведены совместно с О.Б.Носовской и В.Я.Зусиныы. Для выбора оптимальных режимов наплавки были получены линейные уравнения регрессии для твердости (НВ) и диаметра пятна износа (d):

НВ=100,4 - 0,03 1св + 0,73 иД + 0,49 Vcb (11)

d = 5,92-0,003 Ice - 0,01 ид-0,04 Vcb (12)

Оценка влияния скорости наплавки на твердость наплавленного металла показала, что с ростом скорости наплавки до 20 и/ч твердость растет, затем значения твердости стабилизируются на уровне НВ=1300-1500 МПа.

¡И

7п5"»гг •,.Т.*ггсчеящй состав гдаипозяцпохяой прозого-гя г:з сплзга Сг.01199.

■0. .X Состг" чгсголоки Пластичная ссставстющгл снеся Высоколегпро-Егшая составляющая снеся

100% 33% 67%

А1 осп оси ос.ч

12,0-15,0 • 2,0-3,0 17,0-20,0

Си 1,0-2,6 - 2,0-4,0

М§ 1,0-1,5 - !,5-2,3

Мя 0,5-1,0 0,5-1,0 0,5-1,0

Ре 2,8-3,2 - 4,2-4,8

к; 4,8-5,2 - 7,2-7,3

0,6-1,0 - 0,9-1,5

Т| 0,1-0,4 - 0,2-0,6

5г 0,03-0,05 - 0,05-0,08

Наплгвха композиционной гранулированной проволокой Св 01399 позволяет повысить износостойкость поршней в 1,5-2,7 раза.

ГРАНУЛИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ

ПАЙКИ.

Композиционные гранулированные припои. Исследование возможности изготовления припоев на основе сложных эвтектнк в виде катаных полуфабрикатов, плакирующего слоя, были проведены совместно с МЛ. Первовым, В.К. Королем, А.С. Кирилянчиком, А.Н.Волчковым. Исследования велись на разработанном в ГНЦ ВИАМ припое ВПр19 системы АЬСи-Эь Химический состав припоя ВПр19 (мас.%):

А1 Си И Mg Сг П

ссн 22 2,5 ОД 0,3 0,02

Известно, что высокие скорости охлаждения позволяют повысить пластические характеристики сплавов за счет диспергирования структуры, с этой

целью припой ВПр19 был отлит в виде гранул. Оценка технологической пластичности показала, что допустимая степень деформации образцов, полученных из гранул, в 2 раза больше, чем образцов, полученных из слитка. Однако, несмотря на значительное увеличение степени допустимой деформации, технологическая пластичность прессованной гранулированной заготовки оказалась недостаточна для получения катаных листов .

Для дальнейшего повышения технологической пластичности были проведены исследования по разработке технологии получения композиционных гранулированных припоев, в основе которой лежит та же идея, что и при создании композиционной гранулированной проволоки для упрочняющей наплавки: гранулы припоя были смешаны с гранулами другого, пластичного алюминиевого сплава (наполнителя). Количество пластичного наполнителя в смеси с одной стороны должно обеспечить повышение технологической пластичности при прокатке, с другой стороны не должно препятствовать формированию паяного соединения Проведенные исследования позволили разработать композицию из смеси гранул припоя ВПр19 и наполнителя АДО (A.c. 1413824 СССР), которая обладает технологической пластичностью достаточной для получения припоя в виде плакирующего слоя (рис.11).

Ii х 1 / '-л

i i V

'2

1 н-

О IOO ZOG 300 400 5с0 °С

Рис.11, а- Допустимая степень деформации образцов (С) в зависимости от температуры нагрева перед прокаткой 1. ВПр!9 - слиток, 2. ВПр19 - гранулы, З.смесь гранул 80% ВПр!9 -20%АДО, 4 -смесь гранул65%ВПр!9-35%АДО.

б-Макроструктура заготовки иод прокатку (прессованной полосы) из композиции 65%ВПр 19-3 5%АДО.

йслэльзс^олте з яапсттае пластичного Еаясяяителя спиага, чглеощего более г''со:.>то, яргяоЗ, геязермуру плавления, позволяло не только обеспечить уг;ц-ю хакояогкчгету» пластичность, по и получать новый тип паяного ст!гг;Ееа;ж, схгвчгтекакма г:озыиеп::о5 в 3-7 раз величиной галтели, сопоставимой с размером катета сварного шва (рпс.12.). При этой, учитывая очень плавный переход галтели к основному металлу, можно сделать вывод о тол, что такое соединение будет пкетъ более высокие конструзя;мцые характеристики чем сзяраое.

I •• • !

Рзс.12.Вяешнин вид паяпого соедаяенм, полученного с исподьзозаннеи

композиционного припоя в виде проколок!.

Формирование такой гаятелн можно объяснить тем, что при пайке керасялавизшиеся волокна, образованные дефораиропанаымя грзяудаиа наполнителя АДО, играют армирующую роль, удерживая расллзвяЕшкася припой. Это позволяет также обеспечить возможность пайзсп соединенна с повышенными зазорами, предотвращает стекание припоя с вертикальных плоскостей.

Изготовление композиционных припоев на основе припоев П34А, 362 показало, что разработанная технология позволяет изготавливать припои и другнх состазов, причем установленные технологические принципы оказываются, в основном, справедливыми н для этих композиций.

Разработанный метод позволяет получать в виде деформированных полуфабрикатов эвтектические припои других систем: алюминий - медь, алюминий -медь - кремний, алюминий - медь - магний.

Оптимизация состава сплава типа 01419 для использования в паяных конструкциях. Разработанные принципы технологии изготовления полуфабрикатов из гранулируемых сплавов, позволившие свести до минимума содержание молекулярных газовых примесей, открыли возможность для их использования при пайке без риска образования поверхностных пузырей и расслоений. Высокая температура солидуса (647°С), в сочетании с высокой для термически неупрочняемых сплавов прочностью делают сплав 01419 особенно привлекательным для высокотемпературной пайки. Хотя нагрев до температуры пайки приводит к

определенному разупрочнению сплава, его прочность после пайки составляет 230250 МПа, что значительно превышает прочность сплааа АМц (а„=80-90 МПа). Однако проведенные эксперименты по пайке сплава 01419 различными способами показали, что смачиваемость сплава 01419 припоями значительно уступает смачиваемости сплава АМц. Высокое содержание переходных металлов предопределило специфический характер оксидной пленки, поэтому совместно с Н.В.Кургузовым, К.П. Пащенко были проведены исследования по улучшению смачиваемости сплава типа 01419 припоем Сил1. Установлено, что особенно ■отрицательно на смачиваемость влияет титан. Исключение титана из состава сплава позволило обеспечить хорошее формирование паяных швов при пайке в соляных ваннах и в воздушных печах с использованием флюс-паст. Однако при вакуумной пайке, как показали исследования проведенные совместно с В.М.Сальниковым, Ж.С.Губаревой, АА.Сусловым, А.П.Сухачевым, формирование паяного шва отличалось неста-бильностыо. В связи с этим были проведены исследования влияния малых добавок магния на состав и свойства оксидной пленки сплава типа 01419. Результаты экспе-риментов показали, что введение 0,3мас.% не приводит к заметному изменению физико-химических свойств исходной оксидной пленки гранул. Содержание оксида в гранулах сплава без магния и с магнием ие меняется. Однако в процессе нагрева гранул при дегазации, вследствие диффузии катионов Мй'--, происходит изменение состава оксидной пленки (рис.12.), ее разрыхление, очевидно вследствие образования шпинели МвОхАЬОз.Это позволило обеспечить хорошую смачиваемость сплава в условиях вакуумной пайки.

Ц/1м

0,1

ш

I ISO

дГ

U

isa 6

I3B9

l'llllll

lili lll

■z МИ 11

пег

Рис.13. ВИМС-профшш и ОЖЕ-спектры гранул сплава 01419 в исходном состоянии и после нагрева в вакууме, а-исходные гранулы; б-после нагрева в вакууме 400 "С, 3 часа.

0

5

Б ?«уггматг прогедеааых кссдсдовакяа разработан сплав 014193, зрад:лзаа'лнян£! дая имсогсотенпературао3 пайки в чэкууме, а также организовано врожякигегво плакярсззят-х силумином ластов, получивших марку 01419ПС2М. :

Химический состав сплава 01419В, ыас.%:

Al Mn Ci Zr V Mg

осн. 1,6-2,2 0,6-0,8 0,5-0,7 0,2-0,4 ОД-0,4

В ГНЦ ВИАМ выпущен сертификат а технологические рехоиендации на применение этих материалов для создания паяных конструкций.

СОЗДАНИЕ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ГРАНУЛИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.

Изготовление сварных конструкций из гранулируемых алюминиевых сплавов показало, что достигнутое качество полуфабрикатов позволяет получзть сварные соединения, отвечающие нормам рентгеновского контроля, герметичности и другим требованиям, установленных для традиционных алюминиевых сплавов.

Сгарные трубопроводные системы жизнеобеспечения, изготовленные на ММЗ «Скорость» из сплава 01419 методом зргонодуговон сварки с присадочной прроволокой Св1537, успешно прошли рентгеновский контроль па соответствие требованиям инструкции НИАТ ПИ113, контроль на герметичность и натурные испытания, что позволило использовать их в изделии 48.

Высокие характеристики сварных соединений, выполняемых аргонодуговой сваркой и электронно-лучевой сваркой, обеспечила требуемую прочпость и герметичность шаробаляонов, изготовленных в МИТе нз" сплава тила 01995. При изготовлении шаробадлонов использовали листы, прессованные трубы и штуцеры, полученные горячей штамповкой. Для обеспения расположения волокон, образованных деформированными гранулами, перпендикулярно оси шва, при изготовлении штуцеров была применена технология штамповки с противодавлением.

Проблема создания микроблоков, используемых для создания аппаратуры спутников связи была обусловлена тем, что ни один из традиционных алюминиевых сплавов не обладает требуемым комплексом свойств ( высокой прочностью и

способностью обеспечивать высокую герметичность паяных и сварных швов), вследствие чего их изготавливали механообработкой, что приводило к увеличению веса и снижению полезного объема. Совместно со специалистами НИИ Точного приборостроения В.В Хлебниковым, А.П.Тишкиным были проведены исследования по оптимизации состава сплава типа 01419, отработке технологии пайкп, лазерной и аргонодуговой сварке, что позволило организовать на Ижевском радиозаводе и заводе «Киевприбор» изготовление корпусов микроблоков из сплава 01419, которые используются в спутниках связи системы«Гонец»,

Изготовление антенн пайкой в соляных ваннах в НИИ Приборостроения, показало, что высокая жесткость сплава01419В обеспечивает возможность создания высокоточных изделий значительных габаритов, при этом существенно снижается трудоемкость изготовления узлов.

В ОКБ «Теплоагрегат» ведутся работы по созданию теплообменников из сплава 01419В, изготавливаемых методом вакуумной пайки. Теплообменники предназначены для работы при температуре до 4001С взамен используемых для этой цели теплообменников из нержавеющей стали.

В «ОКБ Сухого», из прессованных тонкосгекных труб сплава типа 01995, изготовлен каркас инвалидной коляски. Изготовление каркаса коляски производилось с применением метода аргонодуговой сварки.

Сварочная проволока для упрочняющей наплавки Св01397 использована на предприятии «Дагдизель» (I. Каспийск) для упрочнения зоны периого компрессионного кольца дизельного поршня. Наплавка осуществлялась с помощью разработанной 11ЭС нм.Е.О. Патона установки для автоматической наплавки УД-225. Наплавка позволила в 1,5-2,5 раза повысить износостойкость сопряжения кольцо-канавка поршня.

Наплавка методом ручной аргонодуговой сварки используется на целом ряде ремонтных предприятий. Так, наплавка поршней автобусов «Икарус» произведенная НТЦ «Пикар» (г. Одесса), позволила повысить ресурс работы поршня на ¡50% по сравнению с ненаплавленными поршнями из сплава АЛ25.

Внедрение результатов работы в промышленность позволило обеспечить экономический эффект около 1100 млн. руб в ценах на 1.01.1994г.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

!. На основания теоретических и экспериментальных исследований, проведено обобщение .закономерностей образования пор при сварке гранулируемых алюминиевых сплавов, что позволило создать единый подход к разработке параметров технологии получения деформируемых полуфабрикатов, саарочных. проволок и припоев, определяющих возможность использования гранулируемых материалов для создания ответственных сварных и паяных конструкций.

2. Изучение закономерностей формирования структуры сзарных соединений гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов в условиях сварки плавлением, позволило разработать рекомендации по легированию свариваемых сплавов переходными металлами а разработать единые принципы выбора режимов сварки и наплавки .

На основании рекомендаций, оптимизирован состав ;каропрочного сплава 01419 и высокопрочного термически упрочняемого сплава 01995, разработан состав высокопрочного термически неупрочпяемого сплава 01579.

Показано, что для сохранения сварным соединением свойств, присущих основному металлу, сварку необходимо вести с минимальной погонной энергией, обеспечивая максимальную скорость охлаждения сварного шва.

3.На основании экспериментальных исследований закономерностей поведения интерметаллндных соединений переходных металлов а сварочной ванне, разработаны основные технологические принципы изготовления сварочной проволоки с концентрацией переходных металлов, значительно превышающей их предельную равновесную растворимость в алюминии. Использование таких проволок способствует повышению уровня легирования металла шва переходными металлами без образования грубых интерметаллндных фаз.

4.Теоретичесю1 обоснован расчетный метод для выбора способа и режимов сварки сплавов полученных с высокими и сверхвысокими скоростями охлаждения, основанный на зависимости скорости охлаждения от геометрических размеров сварочной ванны. Экспериментально доказана корректность данного метода.

5.Исследования состава газовой фазы в несплошностях основного металла и порах сварных швов позволили теоретически обосновать и экспериментально доказать, что компактирование гранул в среде активного по отношению к алюминию газа, кислорода, обеспечивает возможность получения плотных швов при сварке

массивных полуфабрикатов с объемом несплошностей до 0,5%.

Установлены критерии оценки н предельные уровни концентрации.газов в гранулируемыхх сплавах, при которых обеспечивается получение плотных сварных швов:

-по содержанию водорода - 0,35-0,4 см3/100г;

-по содержанию остальных газовых примесей - 0,05-0,1 см3/100г.

6. На основе обобщения результатов исследования закономерностей изменения структуры и свойств при лазерной обработке быстрозакристаллизованных сплавов системы алюминий-переходные металлы, предложен механизм "каркасного упрочнения" при сверхбыстрой кристаллизации сплавов па основе системы Al-Fe.

Показана возможность значительного упрочнения сплавов с высоким содержанием переходных металлов лазерной обработкой:

-сплав AI-8Fe-!Cr-Zr-1 Мо Нр до 4500МПа;

-сплав 01419 Нцдо 2500МПа.

7. Исследования зависимости твердости и износостойкости от состава и структуры наплавленного слоя позволило разработать принципы легирования проволоки для упрочняющей наплавки поршней, на основании которых разработан состав проволок Св01397 и Св 01399 .

Впервые установлено влияние микродобавок стронция на морфологию ннтерметаллидных фаз на основе алюминидов железа и никеля.

8. На основании изучения закономерностей деформирования неоднородных по составу смесей гранул разработан принципиально новый способ получения высоколегированной сварочной проволоки и хрупких припоев на основе сложных эвтектик в виде листов и плакирующего слоя, позволивший создать композиционную проволоку для упрочняющей наплавки поршней Св 01399, применение которой в 1,52,7 раза увеличивает износостойкость канавки поршня, и композиционный припой' на основе сплава ВПр19 системы Al-Cii-Sí.

Установлено, что применение композиционных припоев способствует повышению прочности паяного соединения и улучшению технологичности за счет обеспечения возможности пайки соединений с повышенными зазорами, предотвращения стекания припоя с вертикальных плоскостей. Снижение при этом icMnqiaTypbi панки позволяет расширить номенклатуру алюминиевых сплавов, применяемых для высокотемпературной пайки.

9. На основании исследований закономерностей влияния переходных

металлов и малых добапок магния на состав и свойства оксидной пленки, на >{ оптирование паяных соединений сплава 01419 системы алюминий- переходные металлы, разработан состав сплава 01419В, применение которого позволяет обеспечить новый уровень свойств паяных конструкций.

Показано, что сплав паяется в воздушных и вакуумных печах, прн тгом прочность после пайки сплава 01419В (<зв=220-250 МПа) на 150-200 % превышав! прочность сплава АМц.

Ю.Полученпые в работе закономерности позволили создать сварные и сварно-паяные узлы из нового класса материалов: гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов, применение которых обеспечило снижение массы конструкций за счет замены титана, нержавеющей стали, традиционных алюминиевых сплавов, расширило температурную область использования сварных узлов из алюминиевых сплавов, обеспечило, обеспечило повышение ресурса работы поршней с упрочняющей наплавки и возможность восстановления деталей.

Разработки по диссертационной работе защищены 20 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Таким образом, в работе теоретически обобщена и решена имеющая важное народнохозяйственное значение научная проблема, заключающаяся в создании свариваемых полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов, гранулированных присадочных материалов для сварки и наплавки, гранулированных припоев для высокотемпературной пайки алюминия, в разработке рекомендаций по технологии создания сварных и паяных конструкций, обладающих повышенными удельными прочностными свойствами н высокой жаропрочностью сварных соединений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах :

!.КонкевичВ.Ю.,ФедоровВ.М.ДегтяреваГ.И. Влияние газосодержания на структуру и свойства полуфабрикатов из алюминиевых гранул// Металлургия 1ранул.-М.'ВШ1С,1984-Вып.-С.47.

2.Проблемы металлургии свариваемых гранулируемых сплавов на основе З.ШОМНЧИЯ и их сварки/В.Н.Мироненко.В.Ю.Конкевич.В.М.Федоров и др.Л1стл.и:<ургия гринул.-М.:ВНЛС\1984.Вып.2-С.58-бб.

3.Пнч О.Н.,Конхсвич В.Ю.,Петров А.Д.Влияние степени дегазации на

43

механические свойства и структуру прутков из гранулируемого сплаЕа 01419Шяаллургия транул.-М.:ВИЛС,1986.-Вып.З, С .230-234.

4. Жаропрочный алюминиевый сплав 01419 / Федоров В.М., Сафонов В.Н., Степанова М.Г., Конкевич В.Ю. и др.// Металлургия гранул.-М.:ВИЛС.1984.Вып.2-С.82-90.

5. Рябов В.Р.,Схретовнч АД.Конкевич В.Ю.Наплавка алюминиевых поршней проволокой изготовленной из гранул//Автомат.сварка.-1987-№1, С.67-69.

6. Ерофеева М.М., Быков В.В., Третяк Н.Г., Конкевич В.Ю.Оценка возможности применения гранулируемого сплава системы А1-2л-М§ в сварных конструкциях.//Автомат.сварка,1989.№8. С .23-25.

7. Первое МЛ., Конкевич В.Ю., Петров АД. Фрактографическое исследование поверхности соединения в плакированном материале // Тез. дохл. IV Всесоюзной конференции "Физика разрушения",Киев. - 1989. - ч.2, С.25-26,

8. КонкевнчВ.Ю., Самарина М.В., ВолгинВ.И. Лазерная обработка алюминиевых гранулируемых сплавов с высоким содержанием переходных металлов.//Вопросы авиационной науки и техники.Сер.Технология легких сплавов, вып.6-М.:В ИЛС.1986.,С.21-26.

9. Ищенко А.Я., Третяк Н.Г., Конкевич В.Ю., Лебедева Т.Н. Исследование свариваемости быстрозакристаллизованвых алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов.//Автомат.сварка,-199О^-Ы.С. 16-19.

10. Конкевич В.Ю.Некоторые особенности легирования и технологии производства полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов предназначенных для сварки плавлением .//Тезисы докл.семинара "Прогрессивные процессы сварки и пайки". -Минск,1990,С.35.

11. Ерофеева М.М., Ольшанский А.Н., Конкевич В.Ю. Влияние газосодержания полуфабрикатов на формирование сварных швов.// Тез. докл. IV Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов.- Марнуполь.-1990.-С.45.

12. Конкевич В.Ю. Некоторые области применения и особенности изготовления алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлок.//В кн. Металловедение и технология легких сплавов.-М.;ВИЛС.1990.С.107-110.

13. Лебедева Т.И., Конкевич В.Ю., Скотников ИА. Особенности механизма упрочнения сверхбыстрозакристаллизованных сплавов на основе системы алюминий-железо. - Тезисы докл. 3 Всесоюзной конф. по металлургии гранул, Москва, 15-17 января 1991г. Москва, ВИЛС,1991,С.169.

14. Сальников В.М., Губарева Ж.С., Конкевич В.Ю. Новые плакированные алюминиевые сплавы для пайки.// Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конф. "Пайка в машиностроении"- Тольятти-1991 -С24.

15. Бондарев Б.И.Лебедева Т.И., Шмаков Ю.В., Конкевич В.Ю. Механизм упрочнения сверхбыстрозакристаллизованных сплавов на основе системы алюминий - железо. //Металлы. ДАН.-1993.-№2,С.45-47.

16. Конкевич В.Ю., Зенин Д.В. Новые алюминиевые сплавы для производства теплообменников. // В кн.Нзготовление теплообменной аппаратуры.ЦРДЗ.-М,-1993.С.103-109.

17. Конкевич В.Ю.Гранулируемые алюминиевые сплавы для сварки, пайки и наплавкн.//Технология легких сплавов.-М.:В ИЛС. 1993.-№4-5,С.41-45.

18.Носовская О.Б., Конкевич В.Ю. Сварочная проволока для упрочняющей наплавки поршней. //Технология легких сшгавов.-М.:ВИЛС.1993.-Ле4-5,С.49-55.

19.Конкевич В.Ю. Некоторые вопросы металлургия гранулируемых алюминиевых сплавов предназначенных доя сварки плавлением //В кн. Металлургия гранул.-М.:ВИЛС,1993, вып.6, С.78-80

20.Ерофеева М.М., Конкевич В.Ю., .Картышев Н.Г. Изготовление штампосварных конструкций из сплава 01949.// В кн. Металлургия гранул.-М.:ВИЛС. 1993.-вып.6 .-С. 168-170.

21Лозовская А.В. Илюшенко Р.В., Чудник А.П., Конкевич В.Ю. Особенности структуры сварных соединений гранулируемого сплава 01995.// Автомат .сварка-1993. №9 ,С. 16-20.

22.Konkevich V.Yu. Granulated aluminium alloys for aircraft application welded structure.//Welding in the World-1994-V.33, №6,P.430^t32.

23. Bratuhin A., Bondarev В., Polkin I., Filatov Yu., Konkevich V. RSR-alloys,Sc-bearing aluminium alloys and aluminium matrix composites applied to making aerospace permanent joints/ // Welding in the World-1994-v.33, №6, P.435.

24. Осинцев O.E., Федорова Л.В., Конкевич В.Ю., Капуткин Е.Я. Фазовый состав и закономерности распада твердого раствора при старения сплава 01949.// В кн.¡Технология обработки легких и специальных сплавов.-М.: ВИЛС.1994, 455с,-С .225-233.

24.Konkevicb V.Yu. Assurance of the weld joint heat resistant properties at the argon arc welding of the aircraft life support pipe line from rapidly solidified 01419 aluminium alloys.//IIW-1994-Doc. №SC Air 35-94.

25.Bondarev B.I., Konkevich V.Yu., Kurbatov V.P. Technical and Economic Problems Concerning Application RSR/PM High - Strength Aluminium Alloys in Motor Vehicle Production. / Materials of 30-th ISATA. - Florence, Italy - 1997-№97NM 062.

26. Конкевич В.Ю. Гранулируемые алюминиевые сплавы со скандием и перспективы их применения. /Технология легких сплавов.- М.:ВИЛС, 1997,№5, С .2932.

27. А.с. № 1072509 (СССР). Сплав на основе алюминия./ Фриддяндер И.Н., Добаткин В.И., Елагин В.И., Кривенко РА., Матвеев Б.И., Федоров В.М., Соколов

A.С., Конкевич В.Ю., Кузнецов А.Н., Оводенко М.Б., Пономарев Ю.И., Баранчиков

B.М.

28. А.с. № 1192253 (СССР). Способ получения заготовок из гранул жаропрочных алюминиевых сплавов./Федоров В.М., Данилкин ВА., Волчков А.Н., Конкевич В.Ю., Антипин В.П.,Тюльпакова Р.В., Лебедева Т.И., Занграйкин А.Г., Дегтярева Г.И.

29. А.с. № 1220228 (СССР). Способ получения полуфабрикатов из жаропрочных гранулируемых алюминиевых сплавов./ Федоров В.М., Бич Э.Н., Конкевич В.Ю.. Дегтярева Г.И., Водя некий МЛ., Грачев А.В.

30. А.с. № 12185881 (СССР), Алюминиевый сплав и способ его получения./Елагин В.И., Рябов В.Р., Рабкин Д.М., Конкевич В.Ю., Федоров В.М., Стретович АД., Муравейник А.Н., Луговик В.Г., Дегтярева Г.И.

31. А.с. № 1275913 (СССР). Способ получения сплавов на основе алюминия. / Федоров В.М., Гольдер Ю.Г., Белоцерковец В.В., Конкевич В.Ю., Лебедева Т.И.

32. А.с. № 1292268 (СССР). Способ изготовления полуфабрикатов из

гранулированных алюминиевых сплавов. / Федоров В.М., Щербсль РД., Конкевич В.Ю., Захаров М.Ф., Лебедева Т.И.. Никонов Е.Г., Машкович АА., Мочалов А.К., Лукашенко В.Н.

33. A.c. № 1350939 (СССР). Способ изготовления полуфабрикатов из гранул алюминиевых сплавов./ Елагин В.И., Федоров В.М., Конкевич В.Ю., Бондарев А.Б., Синявская О.В., Бондарев Б.И., Шмаков Ю.В., Лебедева Т.Н., Штерензон A.M., Горбунов ЮА., Г'алиева Л.В.

34. A.c. № 1372750 (СССР). Способ получения листовых полуфабрикатов из гранул алюминиевых сплавов. / Пшеничное Ю.П., Федоров В.М., Конкевич В.Ю., Лебедева Т.Н.

35. A.c. № 1413824 (СССР). Композиционный материал./ Конкевич В.Ю., Волчков А.Н., Первое МЛ., Федоров В.М., Сальников В.М., Гришин ВЛ., Король В.К., КачайникО.И., Чуяков Е.И.

36. А.с.№ 1452167 (СССР). Сплав на основе алюминия /Елагин В .И., Федоров В.М., Степанова М.Г., Конкевич В.Ю., Король В.К., Шмаков Ю.В., Ловцов В.М., Первой МЛ., Попов Б.Е., Горбунов ЮА., Кириллов Ю.Г.

37. A.c. № 1487477 (СССР). Способ получения полуфабрикатов из гранулированных сплавов системы алюминий-цинк-магний./ Федоров В.М., Конкевич В.Ю., Походаев К.С., Федорова Л.В.

38. A.c. № 1527928 (СССР). Сплав на основе алюминия./ Фридляндер И.Н., Елагин В.И., Осинцев O.E., Федоров В,М., Конкевич В.Ю., Соколов A.C., Кузнецов

A.Н.

38. A.c. Н> 1535057 (СССР). Способ получения листовых полуфабрикатов из гранул алюминиевых сплавов. / Пшеничнов ЮЛ., Федоров Ji.M,, Конкевич В.Ю., Петухов CA., Кривцова Т.Н.

29'. A.c. № 1681566 (СССР). Алюминиевый сплав для наплавки. / Конкевич

B.Ю., Бочвар С.Г'., Романова B.C.. Иономаренко A.M.

40. A.c. №1632071 (СССР). Способ оценки склонности полуфабрикатов из алюминиевых сплавоз к обра7ованик> пор при сварке. / Конкевич В.Ю., Ищенко А.Я., Третяк И.Г., Ерофеева М.М., Белянин В.М., Федоров В.М., Попова Г.В., Лозовская

A.B.

41. A.c. № 1777378 (СССР). Сплав нз основе алюминия для сварочной проволоки. / Конкевич В.Ю., Филатов ЮА., Петров А.Д., Захаров В.В., Ерофеева М.М. Третяк Н.Г., Бычкова ЗЛ„ Селиванов В.1).

42. Патент RU № 2001153. Сплав на основе адюинпкя, / Бондарей Б.И., Мартиросов Р.Г., Шмаков Ю.В., Федоров В.М., Розанова B.C., Конкевич В.Ю., Федорова Л .В., Желудков А.П.

¿.1. Патент RU №2025216. Способ получения полуфабрикатов из порошковых алюминиевых сплавов. / Шмаков Ю.В., Федоров В.М., Мартиросов Р.Г., Розанова

B.C., Конкевич В.Ю., Федорова Л.Р»., Тарарышкин В.И.

44. Патент RU №2067041. Алюминиевый сплав дня упрочняющей наплавки. / Конкевич В.Ю.,Тарарышкин В.И..Носовская О.Б., Чу сии В.Я., Шалай А.Н.

45. Патент RUN: 2082807. Деформируемый термически неунрочняемый сплав на основе алюминия./' Захаров В.В., Филатов ЮА., Конкевич В.Ю., Ильенок АА., Сухомлин B.C.

„с®.

/у

"/ Л Щ.оё в/- /О^/Ьу

МАТИ- Российский государственный технологический университет

им. К.Э.Циолковского

На правах рукописи

1

Кан^йдат технических наук

ВАЛЕНТИН ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.01." Материаловедение (машиностроение)"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998 год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................8

ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса получения быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов и проблемы их использования для создания сварных конструкций......................................................................15

1.1. Гранулируемые алюминиевые сплавы с высоким содержанием переходных металлов.......................................................................................15

1.2. Технология получения полуфабрикатов из порошков и гранул..........24

1.3. Влияние переходных металлов на свариваемость алюминиевых сплавов...............................................................................................................31

1.4.Проблемы использования порошковых и гранулируемых алюминиевых сплавов в сварных конструкциях....................................................................34

1.4.1 .Особенности свариваемости спеченных порошковых сплавов типа

САП и САС.......................................................................................................34

1.4.2.Проблемы сварки плавлением гранулируемых алюминиевых сплавов................................................................................................................36

1.5. Теоретические представления о механизме порообразования при сварке и определение факторов, влияющих на пористость сварных швов

гранулируемых алюминиевых сплавов..............................................................39

1 .б.Присадочные материалы с повышенным содержанием переходных металлов для сварки и наплавки алюминиевых сплавов...................................52

1.7.Сплавы и припои для создания паяных конструкций методами

высокотемпературной пайки...............................................................................54

1.8.3аключение и постановка задач исследований.............................................59

ГЛАВА 2. Разработка основных принципов технологии получения полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов, .обеспечивающих возможность их использования в сварных и паяных конструкциях................63

2.1. Исследование связи между пористостью при сварке и технологией получения полуфабрикатов из быстрозакристаллизованных сплавов...........63

2.1.1. Изготовление полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов .................................................................................................................63

2.1.2. Влияние технологических факторов на структуру и

газосодержание гранул........................................................................................65

2.1.3. Зависимость пористости сварных швов от особенностей дегазации гранул...................................................................................................73

2.1.4. Влияние условий компактирования на газосодержание и пористость при сварке.........................................................................................82

2.1.5. Влияние степени деформации и плотности полуфабрикатов на пористость при сварке..........................................................................................84

2.2. Исследование состава газовой фазы в порах сварных швов и несплошностях основного металла...................................................................93

2.3. Критерии оценки склонности полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов к порообразованию при сварке.................................100

2.4. Выводы по Главе 2........................................................................................107

ГЛАВА 3. Исследование особенностей формирования сварных швов при сварке плавлением гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким

содержанием переходных металлов и разработка рекомендаций по технологии получения сварных соединений с повышенными

характеристиками прочности, жаропрочности сварных соединений...........110

3.1 .Особенности образования пор при сварке гранулируемых алюминиевых

сплавов.................................................................................................................110

3.2.0собенности кристаллизации сварных швов при сварке плавлением быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов с высоким содержанием

переходных металлов..........................................................................................118

З.З.Рекомендации по легированию свариваемых гранулируемых сплавов переходными металлами, разработка и оптимизация составов свариваемых

сплавов.................................................................................................................133

ЗАТехнологические особенности сварки плавлением гранулируемых

алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов.........141

3.4.1 .Опробование различных технологических способов борьбы с пористостью при сварке гранулируемых сплавов...........................................142

3.4.1.1. Сварка с электромагнитным перемешиванием.............142

3.4.1.2.Сварка с применением фторидных флюс-паст................143

3.4.1.3. Сварка переменным ассиметричным током с прямоугольной формой волны.........................................................................147

3.4.2. Разработка рекомендаций по технологии получения сварных соединений жаропрочного гранулируемого сплава 01419 системы алюминий-переходные металлы........................................................................148

3.4.2.1. Использование лазерной обработки сварного шва для получения сварных соединений равнопрочных основному металлу............148

3.4.2.2. Влияние состава присадочной проволоки и технологии ее изготовления на структуру сварных соединений из сплава 01419.................155

3.4.2.3. Исследование коррозионной стойкости сварных соединений сплава 01419....................................................................................159

3.4.2.4. Исследование склонности к образованию горячих трещин при сварке сплава 01419.......................................................................160

3.4.2.5.Исследование механических свойств сварных соединений, выполненных с использованием присадочных проволок различного состава................................................................................................................167

3.4.2.6.Исследование и разработка технологии получения гранулированной присадочной проволоки с повышенным содержанием переходных металлов для сварки сплава 01419...............................................176

3.4.2.7.Технологические особенности аргонодуговой сварки сплава 01419.......................................................................................................181

3.4.3. Исследование особенностей свариваемости сплава 01949 системы

А1-2л1-М§-переходные металлы........................................................................186

3.4.4.0ценка свойств сварных соединений из сплава 01579 системы А1-]У^-переходные металлы...................................................................................194

3.5.Поверхностная обработка лазером гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов...............................................197

3.6.Выводы по главе 3.........................................................................................207

ГЛАВА 4. Разработка составов и технологии изготовления гранулированной сварочной проволоки с высоким содержанием переходных металлов для

упрочняющей наплавки......................................................................................211

4.1 .Разработка высоколегированной проволоки для упрочняющей наплавки и исследование структуры и свойств наплавленного металла.......................211

4.1.1 .Разработка состава проволоки для упрочняющей наплавки поршней .............................................................................................................211

4.1.2.Технологические особенности производства высоколегированной гранулированной проволоки для упрочняющей наплавки............................229

4.1.3. Исследование влияния стронция на пластичность проволоки Св 01397, структуру и свойства наплавленного слоя, разработка принципов легирования проволоки для упрочняющей наплавки поршней....................232

4.1.4. Разработка основ технологии изготовления композиционной гранулированной сварочной проволоки для упрочняющей наплавки........238

4.1.5. Влияние технологических параметров наплавки на структуру и

свойства наплавленного слоя.............................................................................245

4.2. Выводы по главе 4........................................................................................251

ГЛАВА 5. Гранулируемые материалы для высокотемпературной пайки ....254

5.1.Разработка основных принципов технологии изготовления композиционных припоев из сплавов на основе сложных эвтектик.............254

5.2.Разработка на основе сплава 01419 конструкционного материала для

создания паяных конструкций.........................................................................269

5.3.0собенности поведения сплава 01419В при пайке.....................................282

5.4.Выводы по главе 5........................................................................................287

ГЛАВА 6. Технологические особенности применения гранулируемых свариваемых сплавов и сварочных материалов для создания сварных и

паяных конструкций ........................................................................................289

6.1. Изготовление сварных и паяных узлов из сплава 01419..........................289

6.1.1.Оценка свойств сварных соединений и изготовление сварных

узлов авиационного назначения из сплава 01419.............................................289

6.1.2.Изготовление паяных и сварно - паяных узлов из

сплава 01419В................................................................................................ 295

6.1.2.1 .Исследование возможности изготовления теплообменников из сплава 01419В для работы при температуре до 400 °С............ 295

6.1.2.2.Изготовление корпусов приборов и других элементов радиоэлектронной аппаратуры из сплава 01419В..........................................299

6.2.Изготовление шаробаллонов топливной системы из высокопрочного гранулируемого сплава типа 01995....................................................................305

6.3.Упрочняющая наплавка поршней гранулированной сварочной проволокой.........................................................................................................313

6.4.Выводы по главе 6........................................................................................317

7.0БЩИЕ ВЫВОДЫ .......................................................................................319

8. ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................323

9.ПРИЛОЖЕНИ Я...............................................................................................346

ВВЕДЕНИЕ.

Развитие авиационно-космической техники, других современных отраслей машиностроения требует применения материалов обладающих более высоким уровнем свойств, более высокой массовой эффективностью по сравнению с существующими. Одним из эффективных способов создания новых алюминиевых сплавов является применение порошковой и гранульной металлургии. В результате фундаментальных исследований влияния скорости охлаждения при кристаллизации на структуру и свойства алюминиевых сплавов, выполненных такими учеными как В »И. Добаткин, В.И. Елагин, И.Н. Фридляндер, В.М. Федоров, К.С. Походаев, Н.И. Варич, И.С. Мирошниченко, И.В. Салли и др., разработаны металловедческие основы легирования быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов переходными металлами, что позволило создать новый класс конструкционных материалов с повышенным уровнем прочности и жаропрочности, высокими ресурсными характеристиками, специальными физическими свойствами. Создание этих сплавов базируется, в основном, на идее увеличения растворимости переходных металлов в алюминии за счет высокой скорости охлаждения и образовании аномально пересыщенных твердых растворов переходных металлов в алюминии. Упрочнение сплавов при распаде твердого раствора в результате технологических нагревов позволяет достичь значительно более высокого уровня свойств по сравнению с традиционными сплавами. Кроме того, существует группа сплавов легированных малорастворимыми элементами УША группы и редкоземельными металлами (РЗМ), в которых упрочнение за счет высокой скорости охлаждения при кристаллизации достигается

диспергированием структуры, при этом размер упрочняющих фаз составляет десятые доли микрона. Большой научный вклад в разработку технологии получения быстрозакристаллизованных частиц и полуфабрикатов из них внесли

такие ученые как А.И. Колпашников, Б.И. Бондарев, Б.С. Митин и многие другие. В результате исследований, проведенных в ВИЛСе, ВИАМе, НПО"Композит", МАТИ совместно с другими научными и производственными предприятиями, разработаны как сплавы новых систем легирования, которые невозможно получить при использовании традиционной технологии, так и сплавы на основе традиционных систем легирования, дополнительно легированные переходными металлами. Так , жаропрочный гранулируемый сплав 01419 системы алюминий-переходные металлы, не имеющий аналогов среди традиционных алюминиевых сплавов, может длительно эксплуатироваться при температуре 350 - 400 °С. Дополнительное легирование сплавов типа 1201, В95, 1915 переходными металлами позволило не только значительно увеличить прочностные свойства, но и увеличить коррозионные и технологические характеристики. Легирование этих сплавов переходными металлами производилось из расчета на скорость охлаждения при кристаллизации 103-104 К/с. Такая скорость охлаждения достигается при газовом распылении порошка размером 100-300 мкм и при центробежном способе распыления гранул размером 0,5 - 3,0 мм с охлаждением в воде. Именно второй способ был взят за основу при разработке опытно-промышленной технологии производства деформированных полуфабрикатов из быстрозакристаллизованных сплавов в ВИЛСе. Сплавы, получаемые со сверхвысокой скоростью охлаждения при кристаллизации, 103-106К/с, в основном на основе системы Al-Fe, в России изготавливаются по опытной технологии.

Комплекс механических, конструкционных, физических характеристик быстрозакристаллизованных сплавов делает их крайне перспективными для использования в конструкциях авиационно-космической техники, в автомобилестроении, в приборостроении, электротехнической промышленности и других областях машиностроения / 1,2,3,4,5,6 / . Однако внедрение сплавов, получаемых методами порошковой и гранульной металлургии, в большой степени

зависит от возможности их использования в сварных конструкциях. Создание сварных и паяных узлов из быстрозакристаллизованных сплавов, а также использование эффекта быстрой кристаллизации для создания сварочных материалов, позволяет значительно расширить область применения сварных конструкций из алюминиевых сплавов в промышленности, улучшить их технические характеристики, снизить их массу, что делает эту задачу чрезвычайно важной и актуальной, Хотя работы Г.Д.Никифорова и ряда других ученых по сварке материалов типа САП и САС /7,8,9/ , проведенные В.И.Елагиным , В.М.Федоровым, А.И.Косаревым и др. исследования по сварке гранулируемых алюминиевых сплавов /10,11/, показали принципиальную возможность решения этой задачи, две основные проблемы препятствуют использованию быстрозакристаллизованных сплавов в сварных узлах: интенсивное образование пор в сварных швах, вызванное повышенным газосодержанием полуфабрикатов, и трудность сохранения сварным соединением служебных характеристик, присущих основному металлу, связанная с более низкой, чем при получении быстрозакристаллизованных частиц, скоростью охлаждения при кристаллизации сварного шва.

Целью работы является создание нового класса материалов для сварки и пайки: свариваемых гранулируемых алюминиевых сплавов, гранулированных сварочных проволок с высоким содержанием переходных металлов, гранулированных припоев для высокотемпературной пайки алюминия, и разработка основных принципов технологии сварки, обеспечивающих получение сварных конструкций с повышенными характеристиками прочности, жаропрочности сварных соединений.

Выполненная работа представляет собой обобщение результатов научно-исследовательских тематических и хоздоговорных работ , выполненных в ВИЛСе, и в сотрудничестве с ведущими научными и производственными организациями

России и стран СНГ за период с 1978 по 1997г, научным руководителем или непосредственным исполнителем которых являлся автор, по разработке опытно-промышленной технологии производства свариваемых гранулируемых алюминиевых сплавов и гранулированных сварочных материалов, разработке рекомендаций по основным принципам технологии сварки плавлением гранулируемых сплавов с высоким содержанием переходных металлов.

В работе использовались такие методы исследований, как световая и электронная металлография, микрорентгеноспектральный анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия, масс-спектроскопия, локальное лазерное плавление металла с масс-спектроскопическим анализом, ОЖЕ-спектроскопия, ИК-спектроскопия, вторичная ионная масс-спектроскопия, компьютерный количественный металлографический анализ, термодинамический анализ, метод критериального подхода к количественной оценке явлений, статистическая обработка результатов исследований и др.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной

работы:

-результаты исследования зависимости пористости сварных швов от технологических параметров изготовления полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов;

-технологические принципы изготовления гранулируемых свариваемых сплавов , гранулированных сварочных проволок и припоев;

-методика и критерии оценки склонности полуфабрикатов из гранулируемых сплавов к порообразован