автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка способов соединения циркония с другими конструкционными металлами и сплавами

V» о

V"

1 3 ШН В95

КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКЕ РФ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ДГТУ)

На правах рукописи

МИХАЙЛОВА Марина Михайловна

УДК 621. 791. 3. 016.623: 669. 296 (04)

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СОЕДИНЕНИЯ ЦИРКОНИЯ С ДРУГИМИ КОНСТРУКЦИОННЫМИ МЕТАЛЛАМИ И

СПЛАВАМИ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины

сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1995

Работа выполнена на кафедре "Машины и автоматизация сварочного производства" Донского государственного технического университета

Научный руководитель - кандидат технических наук,

Официальные оппоненты:

- доктор технических раук, профессор ПЕРЕВЕЗЕНЦЕВ Б. Н.

- кандидат технических наук,

ст. научн. сотр. РОНСКИЙ В. Л.

Ведущее предприятие - АО "Ростсельмаш"

Защита диссертации состоится 27 июня 1995 г. в 10.00 на заседании специализированного Совета К 063. 27. 01 при Донском государственном техническом университете по адресу: Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

доцент ЧУЛАРИС А. А.

1, ауд. 252.

Автореферат разослан 26 мая 1995 г.

Ученый секретарь спецш совета

канд. техн. наук, доцент

А. И. Шипулин

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современном химическом, радио- и приборостроении, ядерной энергетике, черной и цветной металлургии, авиа- и ракетостроении широко используются цирконий и его сплавы, обладающие комплексом специфических эксплуатационных свойств.

Однако, во многих случаях, механические свойства элементов конструкций из циркония и его сплавов, работающих при повышенных температурах, в условиях знакопеременных нагрузок и термокачек, не отвечает условиям эксплуатации. Выход из создавшегося положения возможен за счет создания разнородных соединений цирконий-конструкционный металл. Несмотря на значительное количество разнородных соединений цирконий-металл, разработанных в последнее время, значительная стоимость и существенные трудности технологического характера ограничивают их использование для создания новых сочетаний цирконий-конструкционный металл.

В связи с вышеизложенным большой интерес представляет разработка способов получения разнородных соединений цирконий-конструкционный материал как путем непосредственного соединения, I так и через компенсационные барьеры. При этом особенности возникающих переходных зон в разнородных соединениях существенным образом определяются способом соединения, набором параметров технологического режима создания соединения, правильный выбор которого должен производиться с учетом требований эксплуатации.

Цель работы. Выявление закономерностей протекания процессов при соединении циркония с другими конструкционными металлами и сплавами для создания перспективных ресурсо- и материалосбе-

регающих технологий.

При этом решались следующие задачи:

1. Исследовать некоторые свойства интер таллидов систем цирконий-медь.

2. Показать принципиальную возможность пользования легкоплавких металлов в качес жидкометаллических барьеров для соединения кония с другими конструкционными металлам сплавами.

3. Исследовать процесс и раскрыть механ диспергирования как новый технологический п при создании разнородных соединений через > кометаллические барьеры.

4. Разработать способы соединения цирко с металлами в условиях твердо- и жидкофазь взаимодействия, обеспечивающие снижение мате лоемкости и повышение ресурса работы разноро соединений.

Научная новизна. На основании проведенн комплекса теоретических и экспериментальных следований предложен механизм диспергиров< поверхностного слоя твердых веществ под де! вием жидкой фазы, инициатором которого явля! дефекты поверхностного слоя и особенно гра зерен твердого металла. Они выступают в каче ве барьеров для дислокаций, способствуя их коплению. Смачивание твердого металла жидкой зой приводит к увеличению плотности дефек кристаллического строения из-за появления в верхностном слое сдвиговых напряжений и oбJ чению работы подповерхностных источников ди каций в твердом металле в результате диссиш межфазной энергии и снижения высоты потенци; ного барьера. При достижении'критической ш ности дефектов начинаются процессы межзеренн

оскальзывани&, образование пор и клиновых трен, заполняемых жидкой фазой. Под действием ре-пьтирующего давления пропитки, а также капил-рных, абсорбционных, гравитационных и выталки-ющей сил происходит выклинивание поверхностных рен твердого металла, переход их в паяный шов, мпозиционируя и придавая ему новые эксплуата-онные свойства. Вероятность протекания процес-

жидкофазного диспергирования оценивается лько с позиций многокритериального подхода-, рмодинамического, физико-химического, термоде-рмационного и термомеханического.

Интенсивность явления жидкофазного диспер-рования обусловлена такими внешними факторами, к температура, время взаимодействия, рабочая еда, род и количествОжидкой фазы.

Практическая ценность и реализация резупь-тов работы. На основе проведенных исследований .зработаны новые технологии соединения циркония

титаном рельефной сваркой «острой гранью», 1йк0й через экспериментальный композиционный >ипой и циркония с медью с использованием явле-1я жидкофазного диспергирования.

Медноциркониевые катоды опробованы и внед-шы на АО «Ростсельмаш» и на АО «Ростовгазоап-фат», опытном заводе РНИИРС, а цирконий-тита-)вые переходники предложены"ЦНИИ КМ «Прометей» 1я комплексных испытаний.

На защиту выносятся:'

- механизм диспергирования твердых металлов сплавов в присутствии жидкой фазы;

- влияние внешних факторов на кинетику провеса жидкофазного диспергирования;

- технологические процессы пайки и рельеф-)й сварки «острой гранью» циркония с другими

конструкционными металлами и сплавами.

Апробация работы. Основные результаты рс ты докладывались:

- на ХШ Всесоюзной научно-технической к ференции 24-26 января 1991 г. , Москва;

- на международной научно-технической ? ференции 13-15 февраля 1991 г., Тольятти;

- на семинаре «Повышение кафества и эфф тивности сварочного производства на предпри* и в организациях», 1993г., Москва;

- на международной научно-технической I ференции 27-30 сентября 1993г., Ростов-на-Дс

- на семинаре«Металлургия и технология с ременных процессов сварочного производст 1994г., Москва;

- на научных семинарах кафедры «Машин автоматизация сварочного производства» и еж< ных научно-технических конференциях ДГТУ.

Публикации. По результатам исследова опубликовано 11 работ, получено одно автор свидетельство на изобретение и подана заявь предполагаемое изобретение.

ОбЬем и структура диссертации. Дйссерт« состоит из введения, пяти глав, общих выводе работе и приложения. Общий объем работы сос ляет 182 страницы текста, включая 47 рисунк 30 таблиц. Список литературы содержит 110 не нований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются основные п мущества циркония перёд другими металлами, пользуемыми в ядерной энергетике, химиче промышленности, авиа- и ракетостроении и др

нечается, что создание различных биметаллов из циркония тормозится значительной стоимостью и существенными трудностями технологического порядка. Поэтому разработка новых способов создания разнородных соединений.цирконий-конструкционный материал сваркой и пайкой является актуальной.

В 1 главе рассмотрены свойства циркония и способы его соединения с другими конструкционными металлами и сплавами.

Чистый нелегированный цирконий принадлежит к числу очень пластичных и относительно малопрочных металлов. Поэтому в цирконий необходимо ввести один, два или более легирующих элементов, которые порализовали бы вредное влияние таких примесей, как азот, углерод, титан, алюминий, кремний и др.

Для легирования циркония чаще используют олово и ниобий. В настоящее время разработаны такие промышленные сплавы, как семейство зарубежных сплавов Циркалой (Циркалой-2 и Циркалой-4) с добавкой до 1.5% олова и отечественные К-1.О и Н-2.5 с добавками ниобия в количестве 1% и 2. 5% соответственно.

Широкое использование хорошо зарекомендовавших себя сплавов Н-1.О и Н-2.5 сдерживается, во-многом, неудовлетворительным качеством его сварных и паяных соединений как в однородном, так и в разнородном сочетаниях. Опыт длительной эксплуатации соединений из циркониевых сплавов показал, что существует относительно небольшое количество способов их получения. Во-первых, это связано с активным поглощением цирконием атмосферных газов при нагревании и в связи с этим необходимостью использования инертных атмосфер или

вакуума. Во-вторых, необходимо использовать такие способы соединения, при которых не происходило бы сложных структурных и фазовых превращений в основном материале. В-третьих,- металлургическая несовместимость, различия в ТКЛР, электропроводности, механизмах окисления и коррозии циркония и другого конструкционного металла или сплава.

Если первое ограничение выполнить достаточно несложно, используя в качестве защиты инертный газ (аргон, гелий или их смесь) или вакуум, то со вторым и третьим дело обстоит сложнее. Избежать нежелательных фазово-структурных превращений возможно только при минимальных длительностях процесса образования соединения, когда интерметаллиды, охрупчивающие соединения, не успевают образовываться вовсе или появляются в шве в виде отдельных выделений.

Решение же третьей проблемы возможно при использовании промежуточных прослоек, выполняющих роль барьеров на пути непосредственного контакта соединяемых металлов и тем самым предотвращающих возникновение нежелательных фаз в зоне соединения.

Из всех возможных способов соединения пайка наиболее полно решает большинство этих задач.

Во второй главе описаны основные методики исследования закономерностейсмачивания опытными припоями исследуемых материалов, приведены методы оценки свойств паяных соединений.

Все эксперименты по пайке и исследованию поведения припоев на поверхности основного материала проводились на экспериментальной вакуумной установке. Нагрев образцов производился индукционным или печным способами нагрева как в

вакууме, так и в среде аргона. ^

Для анализа швов и растворно-диффузионной зоны соединений, образующихся при взаимодействии, применяли модернизированный растровый электронный микроскоп-микроанализатор РЭММА-200-1, оптические микроскопы МИМ-8М, МБС-9 и микротвердомер ПМТ-3.

Фазовый состав сплавов исследовали на рентгеновском дифрактометре ДР0Н-2-М. Для машинного моделирования напряженно-деформированного состояния разнородных соединений на основе физико-химических свойств автономных материалов использовали метод конечных элементов.

В третьей главе рассмотрен механизм явления жидкофазного диспергирования твердых металлов в присутствии жидкой фазы, открытый М. Фольмером и П. А. Ребиндером.

Разные исследователи различали самопроизвольное и квазисамопроизвольное диспергирование.

Под самопроизвольным диспергированием понимают процесс превращения поверхностного слоя монолитного твердого вещества в дисперсные частицы того же состава при смачивании его жидкой фазой.

При жидкофазном взаимодействии все процессы начинаются на контактной поверхности и затем распространяются вглубь металла. Поверхностный слой твердых металлов имеет специфическое строение, обусловленное большой разупорЯдоченностью в расположении атомов, вседствие чего он характеризуется повышенной плотностью точечных и особенно линейных дефектов типа дислокаций. Плотность дислокаций порой настолько велика, что они образуют системы дислокаций различного вида.

Граница двух соседних зерен - это особый двумерный дефект кристаллической решетки, кото-

рый может принять ограниченное количество решеточных дислокаций, отражая лишние обратно в теле зерен. Дислокационные скопления в результате приобретают различную конфигурацию, образуя клубки, сетки, решети, узлы, стенки, ступени, уступы. Решеточные дислокации, выходя на поверхность, будут образовывать ступеньки и разрывы окисных пленок, способствуя образованию деформационного рельефа поверхности. Все эти несовершенства кристаллического строения являются необходимым, но недостаточным условием протекания процесса диспергирования.

Основным условием, обеспечивающим принципиальную возможность протекания процесса диспергирования, является многокритериальный подход с физических и кинетических позиций. К физически* следует отнести термодинамический, физико-химический, термодеформационный, а к кинетическим -термомеханический критерии.

Анализ термодинамического критерия

0-1 Укр й: сву4** - О. 5<Г35

показывает, что величина критического поверхностного натяжения жидкой фазы, способная вызвать явление самопроизвольного диспергирование твердого поверхностного слоя, тем меньше, чем больше зернограничное поверхностное натяжение I интенсивнее снижение поверхностного натяжени/ твердого вещества.

Физико-химический критерий оценивает изменение величины химичекого потенциала межфазно* поверхности раздела и границ зерен, который предопределяется изменением величины химическог потенциала поверхностного слоя и границ зерен.

Созданию дефектов в приповерхностном слое и на границах зерен, поддержанию необходимой вели-

чины пересыщения вакансиями, межузельными атомами, дислокациями способствуют деформации и вызываемые ими напряжения, учитываемые термодеформационным критерием, практически являющимся термомеханическим каналом активации.

Все эти явления вызывают пластическую деформацию зерен, проявляющуюся в образовании так называемого деформационного рельефа, активирующего физические; процессы смачивания и растекания. В местах выхода на поверхность стыка двух зерен формируются канавки, являющиеся -микрокапиллярами и заполняющиеся жидкой фазой. На этом заканчивается первый этап явления самопроизвольного диспергирования.

На втором этапе происходит пропитка поверхностного слоя жидкой фазой под действием разности капиллярного давления и давления пропитки, выклинивание диспергированных зерен твердого металла, окруженных жидкой фазой, и перевод их в объем расплава под действием равнодействующей капиллярной, абсорбционной, гравитационной и выталкивающей сил. .

В четвертой гпаве рассматриваются факторы и кинетика жидкофазного диспергирования.

Сложность явления жидкофазного диспергирования обусловлена не только его природой и механизмом, но и различными внешними воздействиями, сопровождающими реальные процессы получения соединений. К ним относятся вид и состав среды с ее параметрами, температура и время взаимодействия, род жидкой фазы и ее количество.

Термический канал активации является самым мощным фактором, оказывающим влияние на процессы, сопровождающие явление диспергирования. Анализ данных по жидкофазному диспергированию и за-

кононерности изменения гомологической температуры от температуры плавления позволяют сделать следующий вывод. Для большинства конструкционные металлов и сплавов температура жидкофазного диспергирования лежит в интервале 0.3 Тпл * Тлисп 5 О. 7 Тпл укладывающемся в интервале рекристаллизации, установленном А. А. Бочваром. Это лишний раз доказывает вакансионно-дислокационную природу явления жидкофазного диспергирования.

Графически зависимость гомологической температуры жидкофазного диспергирования от температуры плавления твердого металла описывется зависимостью, приведенной на рис. 1.

Среда оказывает существенное влияние на явление диспергирования. Все используемые технологические среды можно разделить на три группы: активные, промежуточные и пассивные. Сравнение технологических сред по их влиянию на величину термодинамического критерия жидкофазного диспергирования показывает, что активные среды сущест-

0 1273 2273 3273 Тпл, К

Ъъ Си Ре КЪ

Рис. 1. Зависимость гомологической температуры от температуры плавления

венно увеличивают, а пассивные - понижают величину критического поверхностного натяжения жидкой фазы. Технологическая среда также оказывает влияние на величину межфазного поверхностного натяжения и, как следствие, влияние этого процесса на плотность дислокаций в приповерхностном слое и степень их блокирования.

Время взаимодействия при жидкофазном диспергировании занимает третье по важности место среди факторов процесса. Исследованиями установлена логарифмическая зависимость относительной глубины жидкофазного взаимодействия от времени, рис. 2.

В пятой главе представлены способы соединения циркония с конструкционными материалами.

При разработке технологии создания циркониевого катода для плазмотрона выявилась опасная тенденция к образованию в шве хрупких интерме-

Л ак = О. 15 1п т - О. 36

Рис.2. Логарифмическая зависимость относительной глубины жидкофазного диспергирования

таллидных прослоек и непредсказуемость свойств катодов. Прогнозирование их поведения стало возможным в результате исследования некоторых свойств интерметаллидов системы цирконий-медь.

Для гарантированного исключения появления в шве хрупкой эвтектики 2г-2г2Си предложен припой типа ПОСТ, повысивший качество паяного разнородного соединения. Предложенная технология улучшает качество паяного соединения путем регулирования процесса взаимодействия циркония с припоем и паяемым металлом - медью.

Принимая во внимание улучшение условий работы катодов, полученных по предлагаемой технологии, ресурс их работы увеличился в 2. . . 2. 5 раза. Катоды прошли производственные испытания на АО «Ростсельмаш», АО «Ростовгазоаппарат» и в опытном заводе РНИИРС.

Соединение циркония с титаном можно получить способами пайки с использованием экспериментального припоя системы цирконий-никель (кобальт)-медь. Соединения, полученные в соответствии с разработанной технологией рекомендуется использовать для изготовления, ререходников для химической и авиационной промышленности, судостроения и энергетического машиностроения.

Для получения разнородных узлов циркрний-титан, обладающих определенным уровнем механических свойств предложена технология получения соединений рельефной сваркой «острой гранью». В отличие от паяных, переходники, сваренные рельефной сваркой «острой гранью», могут быть рекомендованы для элементов установок, работающих в условиях нейтронного облучения. Переходники предложены ЦНИИ КМ «Прометей» для комплексных исследований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Специфические свойства циркониевых спла-¡в существенно ограничивают группу способов их >единения с другими конструкционными металлами ¡-за образования интерметаллидов.

2. Установлено, что интерметаллиды циркония )ладают повышенной твердостью и малой пластич-зстью, причем термодинамически более вероятно 5разование в соединениях интерметаллидов с эльшими отрицательными значениями энтальпии и в эрвую очередь гггСи, ZгCu.

3. В работе впервые показано, что для полу-эния качественных паяных разнородных соединений яркониевых сплавов следует использовать жидко-эталлические барьеры в совокупности с жидкофаз-эШ диспергированием поверхностного слоя одного з соединяемых материалов.

4. На основе результатов исследований пред-ожена гипотеза, объясняющая явление жидкофазного испергирования, заключающаяся в том, что причи-ой жидкофазного диспергирования является де-ектность поверхности и особенно границ зерен вердого металла, которые выступают в качестве арьеров для дислокаций, инициируя их накопле-ие. Жидкая фаза, смачивающая твердый металл, лособствует увеличению плотности дефектов крис-аллического строения в силу появления в припо-ерхностном слое сдвиговых напряжений и облегче-ия работы источников дислокаций в приповерх-остных слоях твердых металлов в результате дис-ипацик межфазной энергии и уменьшения высоты отенциального барьера. Накопление дефектов вы-ывает межзеренное проскальзыванке, образование ор и клиновых трещин, заполняемых жидкой фазой, ри этом отслоившиеся зерна перемещаются в ка-

г

пиллярный зазор под действием результирующего давления пропитки, равнодействующей капиллярной, абсорбции, гравитации и выталкивающей сил, ком-поз иционируя паяный шов и придавая ему новые эксплуатационные свойства.

5. На основе результатов исследований жид-кофазного взаимодействия разработаны технологические процессы получения разнородных соединений циркониевых сплавов с титаном и медью для изготовления переходников и катодов плазмотронов, ресурс работы которых увеличвается в 1. 5. . . 2. О раза.

6. В условиях жидкофазного формирования соединений циркониевый сплав-конструкционный металл при рельефной сварке острой гранью качественные соединения образуются при ограничении максимальных температур температурой полиморфного превращения Zr(Ti) и времени пребывания при этих температурах с одновременным высокоскоростным формированием приконтактных зон, позволяющих исключить появление критических концентраций другого металла в цирконии, образование метаста-бильных фаз или интерметаллидов.

Результаты исследований внедрены на АО «Ростсешьмаш», АО «Ростовгазоаппарат», опытном заводе РНИИРС и предложены ЦНИИ КМ «Прометей».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чуларис А. А. , Михайлова М. М. Особенности образования соединения циркониевого сплава с титановым рельефной сваркой острой гранью/ Сварка тугоплавких металлов и сплавов. -Киев, 1990.

2. Чуларис A. A. , Попов А. И. , Михайлова М. М. Соединение разнородных сплаиов рельефной сваркой

острой гранью/ Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. -М. , 1991.

3. Чуларис A.A., Михайлова М. М. Исследование процесса образования соединения циркониевого сплава с титановым при пайке в вакууме. -Автоматическая сварка. - 1991.-Nl 1.

4. Чуларис А. А. , Михайлова М. М. , Балакин В. И. Особенности вакуумной пайки титана с цирконием. / Пайка в машиностроении. -Тольятти, 1991.

5. Чуларис А. А. , Михайлова М. М. , Попов А. И. Особенности образования и свойства соединений циркониевого сплава Н-2.5 с титановым сплавом ПТ-ЗВ, полученных рельефной сваркой острой гранью. -Сварочное производство. -1991. -N6.

6. Чуларис А. А. , Михайлова М. М. , Томашевс-кий В. М. Использование, легкоплавких жидкометал-лических барьеров для соединения разнородных металлов и сплавов./ Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях и в организациях. -М. , 1993.

7. Чуларис A.A., Михайлова М. М. Теоретические основы диспергирования при жидкофазном взаимодействии. / Современные проблемы сварочной науки и техники. - Ростов-на-Дону, 1993.

8. Чуларис А. А. , Михайлова М. М. , Томашевс-кий В. М. Смачивание циркониевого сплава Н-2.5 легкоплавкими припоями в вакууме. / Современные проблемы сварочной науки и техники.-Ростов-на-Дону, 1993.

9. Чуларис А. А. , Михайлова М. М. Критерии диспергирования при жидкофазном взаимодействии./ Металлургия и технология современных процессов сварочного производства. -М. , 1994.

10. А. с. 1296339 СССР. Способ соединения титана с металлами /А. А. Чуларис, В. И. Балакин, М. М.

Михайлова и др. -Заявл. 26.0.7. 85. -Опубл. 15. 11. £ 11. Заявка 94038558. Способ соединения цир кония с металлами./А. А. Чуларис, М.М.Михайлова

Лицензия ЛР № 040339 от 17.02.92. Подписано в печать 24.05.95. Формат 60x84 1/16. Гарнитура Литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ № 44.

Издательство Ростовского областного института

усовершенствования учителей,

344011, Ростов-на-Дону, Красноармейская, 1