автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Технологические особенности поведения титановых сплавов при производстве элементов конструкций

Министерство науки, высшей школ» и технической политики Российской Федерации

ТУЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗШИШ ПОЛИТЙОШ'ПССИЙ ИНСТИТУТ

ДРА11ЩШ Александр Васильевич

ТЗЯМ0П1ЧБСКЙЕ ОСОЕЙНШСТИ ПОВЕДйШИ ТИТАШВЫХ СПЛАВОВ UBI ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКТ!

Специальность 05.,16.01 - "Шт'адловедение- и ю^лотескал ' обработка.ыегаллсв"

АВТОРЕ Ф Е Р А. Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

■Для служебного пользования Экз. № f?

На правах рукописи

v г

i

í i. ■

у/ í v í

Тула - 1992

Работа выполнена на кафедре "Металловедение и горячая обработка металлов" Московского авиацяоЕШого технологического института ш. К.Э.Циолковского

Ilayqimil руководитель - доктор технических наук, ■ профессор А.В.Мальков

Официальные оппонент - доктор технических наук

A.П.Г.Ькров .

кандидат технических наук

B.П.Горохов

Ведгцое предпртгпо - указано в решении слепнвдпзир&ваасого Сове га

Jli ов

Зсг|яга диссертации сосговтоя "/У."....... 1992х-.

¡4

в ".' : ." "часов в 9 учеочш корпусе Тул.1111, а уд. .101 на заседании специализированного Совета К С63.47.02 и Тульском ор-. дека Трудового Крепкого Зиаг.дакв цояптехшгчс-скса институте.

Огзнв на апгоргфзрат в прух экзёг.галр^х, заверекзнЗ печатью организации,' прэскл направлять по адресу: 2СОЗОО, г,Тула, пр.ЛеРш-а, 92, ТулПИ, спеидалпзиросап'шГ! Совет К 060.47,02

С диссертацией глогчяо озпакогеться в библиотеке института. Автореферат разослан " J^," , Ç^. . . . 1992г.

Ученый секретарь ' ' ■ ' -

йкециализяротеанйого Совета, ' .. , '-^-fV ' • ' ' кандидат технических наук",' доцент и''*' ' И.А.Гончарекко

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность пройдеш. Своеобразие технологических свойств .'итана й его сплавов потребовало создания принципиально новпх :ехно'логаческ:гх 'процессов, проведения широких ¡«¡следований по шбору рабочих параметров процессов обработки, а также создания ювого оборудования, как основного, гак и. вспомогательного.

.' В целях уменьшения загрязнения готовых полуфабрикатов или )Ле.чентов конструкций'газами используют' специальное технологическое оборудование' с нейтрально!! атмосферой пли вакуумом, а :аюхе предусматривают в качестве многоцелевой финишной операции *акуукпую обработку'в установках типа СШ.-СИВ, УВП и др. Опит юпользоваиия этих установок для обработки титановых.полуфабрикатов и иехано-сваряих конструкции,'а также практика.существующих зпдов сварки (дифТузионной, электронно-лучевой) показали, что Юведенпе титана характеризуется, рядом физико-хлипческпх особеп-юстеи: растравой.поверхности, сублигиациен легпрукцдх элементов, ¡юрмир'ованпем тонких газонасшцешшх йлоев, поверхности!.! наводо-эояивайаегл и т.д.'В этой связи вопроси.влияния технологических ¿р'оцессов обработки и их реаш.гев на природу, поведения титановых ¡плавов и члр'длровашге их с?руктур'но-иеха1«песг.ого 'состояния даляигсл актуальными и представляют теоретический-и практический ¡:170т ОС. ' ' .

Цель работ» состояла в. разработке практических рекошндацай ю ойвершенстйовашга процессов обработки полуфабрикатов и эл-з-«ентов конструкций на базе исследования особенностей ф.ормпрова-шя' структурно-механического состояния титановых Сплавов при еехнодогичйскях. воздействиях• (вйкууйнат. теришчоская обработка, сериообрабогка- в защитных средах,: диффузионная сиарка и т.д.).

Научная новизна'

14* Установлено влияние электрической дуги, как источника «цшзация,. н углеродосодерхаднх компонентов • остаточной среди (пари масла д&ХФузйояних насосов, СОг ) на' гаэойасищенйе тята-ювых сплавов при обработке, в вакууме..По результатам тергадд:'-шшгческого'анализа оценена роль реакций' на поверхности натту>-зателей в. формировании состава остаточной среда прошпшешшх закуумных установок.

2. Установлены тешературно-времешше условия обработки в вакууме (1,33.Ю-3 Па), при .-которых, происходит необратимое изме-' нение состояния поверхностного слоя'титановых-сплавов, приводя—/ цее к ухудшению механических и служебных свойств' и изменению, ма- , рочкото состава сплавов. Разработала физическая. модель сублкма-дии легирующих элементов пз титановых.сплавов при нагреве в ва- . кууие, на основании которой получено уравнение, позволявшее оценить "склонность" легирующего элемента к субликащщ в' вакууме.

3. Определены условия, кинетика п основное особенности ,фр.р-цвровакия г,;е;ззе.рекного и внутризереняого рельефа при. вакуумом растраве для прог/ышленных' титановых сплавов различных классов. Установлен^ гемпературя'о-временные условия нагрева в вакууме

Па), при которых на поверхности титановых сплавов формируются опасные, с позиции ухудшения усталостных свойств,, концентраторы напряжений." Исследованы особенности морфологии. рельефа титановых сплавов при вакуут/ло.ч растраве и предложена механизмы возникновения типичных деталей рельефа.

4. Приведены систематические экспериментальные данные по влиянию среди я режимов. откига на релаксацию остаточных напряжений, газонасыщение, дегазаци» водорода, микрорельеф поверхности и .работоспособность тонколистовых сварных' соединений из титановых сплавов, полученных аргоно-дугово:! .сваркой. Исследовано ■ влияние технологической среды ц шк^оструктуры, характерной для различных зон.'сварного соединения^ иа ползучесть, за счот которой происходит короблена? тонколистовых сварных конструкций при сг~;:т. • ■

5. Установлена эффективность пршаенеяия обратимого -водородного легирования при диффузионно й -сварке титановых сплавов- в разработаны технологические- основы диффузионной. сварки 6 пепояь-зозаякеи в качестве специально!! технологической среда аргоно-во-дородно!! атмосферы. •-....-.

П-сактдческал значимость '

. I. Разработана методика количественного анализа остаточной среды псогдшлеякык вакуушых почёй УБН-1500 и. УВН-4500 с помощь цоноцелнрного цасс-сцектррметра 1£Х-7301, 'при которой пэ требует ся превеганкя'-операдай калибровка прибора'по газгд!.. '• " -. .

2. Г-еко?,!9йдоЬан!>'проводять ваку5г-шу|} обработ!су элементов коне группа»; из титановых 'сплавов прй.теше^турах'не превышаюкц.

?50-S50°C (при остаточном давлен:»; Г.З'ЗгЮ^Па) во избежание обеднения'поверхностного слоя легирующими элементами до уровня, приводящего, к'отклонений от марочного состава, и возникновения опасных поверхностных концентраторов'напряжений из-за вакуумного расправа. ' .--.'''''. '.'■ . • ■ ■•

• ' 3; Отяиг тонколистовых сварных конструкций ответственного назначения из титановых сплавов рекомендовано проводить в вакууме при 550-€60°С, 2 часа.во избежание коро&шшя по механизму ползучести и с целью повышения .работоспособности при эксплуатации.

4. При использовании.огнеупорного бетона в качестве материала технологической оснастки .при диффузионной сварке титановых .сплавов рекомендовано' поверхность-оснастки обрабатывать жидким стеклом для предотвращения 'газонасыщения поверхности свариваемых деталей. ' ' .. ; ' ■ .'

■. ;5, Разработана новая технология диффузионной сварки титановых сплайов, защиценная'авторским свидетельством: а»с. СССР № 140БЭ35 ОТ. 1,.03.В88.'.г; ".'/ . :':'''■,;'

Работа выполнялась • по заказу прошшлеиных' предприятий в период 197У-Г900-т.г.^0тдельнце разделы работы отражены в отчетах по НИР,-имеющих следующие номера государственной.регистрации: У5ШОО, ■ У.4985Э ,.'У78134,- У144И," •. ■"'..'■' ■ ' •

Основные положения,, выносише на 'защиту: . . '— закономерности''изменения состояния поверхностного слоя полуфабрикатов •и.'эдемейг'ов'койо.грукцпй из тйтановцх сплавов' при нагреве' н'вакууме к его последствия;.....

- особенности сублимации легирующих элементов в вакууме из бинарных. титаноаых; сплавов в pai.'itax'модели регулярных твердых растворов,; '•"'•'"■.".. ■".'■'.' ..' - ' ' ' - понятие о критических- условиях вакуумного отжига, при которых цропсходит. необратимое- изменение структурно-механического состояния-титановых сплавов, прйводящее.к ухудшению механических и служебных свойств ir изменении марочного сосг&за-'сдлавов; .-. - новый -способ даффузионноЙ-:сварки :ги.тачовых сплавов,, в котором в качестве активной.технологической -среды используется ар-гано-водородная атмосфера.,. Г - - '- " ' ■

Апробация работы. • Отдельные раздели'Диссертации были долохе-

Научный 'консультант - к.г.й.,доц. .В.В.Ыввчзнко

6 . ' ■. .

ны на научно- методической'конференций, 'посвященной 25-летию ' . Ступинского филиала МАТИ (Стушшо, 1981 ), Всесоюзном совещании., по тугоплавким материалам (Львой, Х982),- научно-технической конференции авиатехнологичёскогр факультета МАТИ; (Москва, .1984] , совещании "Высокотемпературное взаимодействие с"газовыми среда- •. ми и. его влияние на'структуру и физико-механические' свойства титана и его сплавов", (Львов, 1985), ХЦ- Всесоюзных Гагаркнских' чтениях' (Москва,'1990), совещании "Высокотемпературная газовая коррозия и ее влияние на. 'физиксыдехантеские -свойства ти'таНа и его сплавов" (Львов, 139.0). ..... .•-.•"' :

Публикации. По'материалам работы имеется пять публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит'из'введений, пяти глав, выводов по работе, списка Литературы из.121 наименования.- • Материалы изложены'На'246' страяйцах машинописного' текста, содержат 91 рисунок и 18 таблиц. ' " ' •

' содержание работы ■

I. Состояние вопроса. Обоснование цели и задач исследования

Рассмотрены основные явлений и процессы., происходящие в титановых сплавах яри обработке ъ вакууме, являющемся защитной или ■технологической средой для рада основного :и вспомогательного оборудования. Отмечается, что обработка в вакууме (особенно в ; серийных промышленных установках) ¡лжет-сопровождаться ■необрати-1шм ухудшением структурночлеханического состояния 'материала,' Подчеркнуто, что интенсивноегь. физико-Ш&хчо'ских процессов взаимодействия титана.с остаточной атмосферой и последствий,его зависят от вида техпроцесса, гида оборудования,'рабочего режима,' природы и состояния обрабатываемого---материала.'Указано,'что-'со-. Еершенствование технологии производства-титановых конструкций ."с применением вакуумной обработки во тагом зависит, от' понимания природы явлений, 'происходящих. в вакуоле при:шейках температурах, и возмогноса'И управления ими за счет оптимизации рабочих рели- . мов. В связи с вышеизложенным в настоящей- работе были поставлены следующие задачи: • ■ '' -",-"'

I) исследовать "влияние технологических"параметров и условий вакуумной обработки на структурно-механическое состояние, полуфабрикатов г деталей из титановых сплавов;'. ■'. ; . :

'.■ 2) уточнить природу явлений, лежащих в основе взаимодействия остаточной,среды вакуумной установки с обрабатываемым материалом пр,ч высоких температурах; '. ;

3) оценить эффективность вакуумного отжига применительно к Механо-сварным конструкциям из титановых-сплавов ответственного" назначения; - ' •

4) выяснить роль технологической среди в установках для диффузионной сварки и оценить современннз технологические возможности по снюгенр) тешературнс-сяловцх параметров процесса;

5) разработать'.рекоглеялацяи по выбору температуря Е?л;уупного отжига титановых сплавов и'конструкций.

. 2. Материала 9 методика экспериментов и исследований

В'качестве исходных казсеряелов^ псйальзовалк 'полуфабрикаты црогяшлещ&го производства из тнтанойих сплавов разиих классов, а такко сзарнке соединения и кехзяо-сваршв конструкция, солу-чекше .грпшо-луговой и• диффузионной сваркой.

' ' Тет^пескуо обработку проводили в лабораторная (С1Ш-Т.3.1/ 16И1,. Т1Б-11.1, 1Г.!ЛП15С—65) я .пршшешкх (УЗН-1500, УРП-1500) зв-йуум:гах установка:'.. ■'

Состав остаточной среды 'про;япленн:;х вакуутдгппс пзчеГх определят марр-споктрометраческГ!.! методом с понощъю установпт, собранной на базе' [.Юнополяриото ипсс-снедтрсметра '2-7301 с азтп-'номной вакуумной ьвстемэй!

■ Обраяид и-сварные соединения всшпгвалаг на твердость, расгл-эдкие,' ударкуп вязкость, замененное разрушение, усталость, пот.-то'рнуп статику, ползучесть. •

'Применяли сле.дуглие вдды псачеловаалП: металлографлчэегнй г; рентгенографический анализы,- эдоктроняул. :>лкроскоипо, Фрактогра-фда, 'снег,тральнш1-анализ, прэфвдографлюскйй анализ поверхности :: др. '■'•.'.'.

■ . ■ Подученшй результата лод8ергйЯ1г бтатксгпчёсЧоЙ обработка использованием методов .'рэгресс'ионкого и дкмгерсяоккого- с:ш.«за,

. ' 3. Влияние •услрв'йЗ а рагаиов-юй^устой обрабопс: кй •¡'••¿тс— механическое ббегоянке я свойства полуфабрикатов.;; ; деталей--из -г1Гтановах-'силайов •'

/'-.' '-Показано,'что вщеууший отяиг/'тих'акошх псду£а'бр1:кэго;;'.:: :>'-

8 '..талей в промышленных установках типа УВН.сопровождается газопа-сыщением, приводящим je формированию хрупких поверхностных слоев с повышенной твердостью. Толщина и свойства газонасыщенных слоев определяются не только температурно-времённым режимом обработки в'вакууме, но и состоянием остаточной атмосферы в рабочем пространстве установки. Обнаружено, что в заводских условиях'вакуумный отяиг'изделий из титановых сплавов в установке УВН-4500 сопровождается более интенсивным газонасьщением по сравнении с обработкой в установке УВН-1500.

Статистическая обработка результатов масс-спектром?трическо-го анализа показала, что составы остаточной среды установок УВН-1500 и УВН-4500 различаются .в качественном й количественно:.! отношении. Такое различие обусловлено типом высоковакуумных насосов, применяемых в этих установках. Показано', что в интервале температур 200-750°С суммарное содержание СО i¡ C0t в остаточной атмосфере установки УБН—1500 в 3,3-6 раз. больше, чем в установке УВН-1500. -

Па основании термодинамического анализа физико-химических явлений, происходящих в вакуумных установках, и экспериментальных данных по составу остаточной атмосферы преклонена-модель формирования остаточной среда наиболее днроко применяемых на' практике' типов вакуумных печей: с пароиасляннмд дкффузйошасли насосами а гет1ернш,и элехтрояуговыкя -касосамл. •

Экспериментально'установлено, что в процессе вакуумного 'с-т-гпга (при остаточном давлении 1,33-КГ3 Ha) при температурах, прешпащпх некоторую критическую, начинается интенсивная -су<5-лшацая легирующих элементов аз поверхностного слоя титановых полуфабрикатов. Вследствие, уменьшения содержания легирующих-элементов в поверхностном слое их концентрация может выйти за ев.н:г2 предел, установленный техническими условиями. Для сплавов 0Т4 и ВТ22 эта крпгдческёя температура составляет 750°С, ' дчя сплавов ЗГ5, ВТ6, BT3-I, ЗГ8 и BU5'~"850°С и для сплавов ВТ20, BUG I! BT30:- 950°C. Отмечено, что при теьше'ратуре-900°с обеднение поверхности основными легирующими элементами,происходит на глубине 10-20 да, а для элементов с высоком упругостью паров - Снапр;:г.ер, Нп ) на глубине до .100 шал. Показано, что-уменьшение концентрации легирующего элемента в поверхностном. .

слое пропорционально его ¿сходкой концентрации-.в сплаве.

Предложена. схема 'процесса сублимации легирующих элементов в .'вакууме из.бинарных титановых сплавов, подчиняющихся модели регулярных твердых растворов. На основании решения уравнения диффузии при краевых-условиях третьего рода получено уравнение, моделирующее изменение содержания легирующих элементов в поверх-костном-,с.дое бинарных сплавов. Выполненный по этому методу расчет '(температура 900°С, продолжительность обработки 2 часа) позволил расположить основные легчрувщие элементы титановых сплавов по сглонн'осгя -к. сублимации в вакуоле в сярдущвй ряд: Мп , (к. ,

5л ,. V 21 ', Мо . За исключением V и Ио расчет качественно'согласуется с эксперименталъгшплп результатами. Сделано предположение о том, что сублимация. У и Мо из титановых сплавов при вакуушго:.?'отшп'е'происходит не в виде атомов, а в виде молекул устойчивых в вакууме окислов и ИоО} , давление насыщенных паров которых ЕкДе давления насыщенных поров V и Мо , сделанное лредполряенйе устраняет несоответствие между теоретическим расчетом и экспериментом-для таких элементов, кал '/ и Мо . В связи с этим предложены две схемы, описывающие механизм сублшлаисз Леги'руВДйх элементов из титановых- сплавов при вакуумном отздге:- прямая и ступенчатая. При прямой схегл сублимация легирующих элементов щ»исходит в атомарном виде, при ступенчатой - суйчнмация.является результатом двух последователен«" ' стадий - образование дегх'ояотутего окисле п его сублнгатшя, .

Показало, что °пря вакуумном отжиге (остаточное давлегта 1-,.33'Ю"^- По) гитаяозых.сплаэов ВТ1-0, ВТ5, ВТ6 и ВТ15 в интервала -температур 700-1200°С (продолжительность сбработ:;п I чес) .происходит вакуумное- растравливание'лисювих полуфабрикатов. , Штенсявность вакуумного растравливания зависит от химического состава сгсгава, класса сплава к ■ температура вакуумного отлига. Статистическая обработка' результатов эксперимента показана, что при походной полированной, поверхности (-глубина пнпронсровнос-той.0,02 мкм) глубина растрава в, о1 - и -сплавах при повы-

шения . гсетературы отлИга' до. 12С0°С'по траявцам зерен -вгзтастает в 150-400 раз, *а внутри зерок'- 6-6,5 раз по сравнения с истод-шчя 'состоянием.'Для ' 'с( - я4 + р '-сплавов'наиболее ннтенггвно вакуумное растравливание реализуется при тишературах, пгавкна-

щих температуру Ci + р . / р - превращения '(.TntI )•■ .. : • ' '

Посредством скоростного нагрева (~170 град/о) образцов из. сплава ОТ 4 в вакууме (остаточное давление 1,33-ICT^ Па).показано, что при температурах выше-1000°С возможно'формирование рельефа глубиной до 30-40 гам. Гельеф существенно сг^азквастся при наложении на это состояние вакуумного отнята при 660°С, 10 часов.

Рассмотрена природа явления•"вакуумного растрава" с учетом процесса избирательно}'! сублимации к объемных эффектов цра фазовых превращениях. Отмечено, что морфология растрава зависит от -фазового и хгадгче.ского состава сплава, величины температуры-Тд11, кристаллографических особенностей и чистоти поверхности, ■тсмпа-ратуры и продолжительности o+sura. Taie, .при отагге в р -области на отдельных участках поверхности возникает рельеф в виде ступенек, к образованию которого приводит прерывистый характер дьа~е-ния границ р -зерен при их росте к разная скорость.сублимации соседних зерен. Преимущественная сублимация вдоль определенных ' кристаллографических направлений вызывает образование рельефных '.'. полос на поверхности-зерен. Б результате избирательной сублимации в пределах- одного зерна возможно возникновение 2-3 областей, • икек-днх внутреннее полосчатое строение .п ^ориентированиях.друг; относительно друга на угол 60°. Наложение' полос такого .типа npiir jçojyir к формированию сетчатого микрорельефа на поверхности зарон.

Механические испытания -показали, что .влияние вакуумной обработки, обусловленное кзкеиекши в поверхностно:.: слой, /прогазля-' ется на образцах с диаметром рабочей части.3 мм и ыеньЬе. Эти даяние позволяют ввести понятие 'относительной пбврездшзмости . характеристики, 'вредегавздяцой собой'.отнесение глубина изменен- ' ного поверхностного слоя к характеристическому'размеру образца, ил л детали.. . . - . '

4. Влияние .условай и реклмов.' технологических возпействяй- . , на состояние, и свойства сьаркнх соединений к элементов KOHcrpj'Kixiiii из'титановых еддавов- -.'. ■ ;

, 1»пя снятия остаточных .напряшрай в сварлых соединениях и.ме-ха:-;о-свар;шх'крнстр.угатеях пр;рагпяэт чглзкотемпературный отзиг " (450гб60°С), который •ивжно'в.'прйищще -осуществить в 'врздутдн'оТ: •

или нейтральной атмосфере или в вакууме. Установлено, что отжиг в этих средах Сопровождается формированием., измененных поверхностных слоев (что особенно' ойас'но для элементов конструкций толщиной 0,8-1 мм). При отжиге на воздухе формируется хрупкий аяьфированный слой, концентрация кислорода.в котором составляет 0,4%' по массе и более и который подвергается .интенсивному растрескиванию при тешгературно-сйловых воздействиях. При отжиге в аргоне -поверхность металла, насыщается кислородом, азотом и водородом,- т.е. г4заш, -входящими в состав этой атмосферы в виде примесей, при этом экранирование Сварных соединений является малоэффективным способом- защиты. Отмечено, что газонасыщение при отжиге в аргоне • увеличивает склонность сварных соединении из псевдо- Д -сплавов к'замедленному разрушению, причем- эта склонность возрастает\с,увеличением, температуры отжига.

. Обнаружено, что газонасыщение сварных соединений при отжиге на Еоздухё и в аргоне носит-избирательный характер: кислородом Насыщается- в большей степени непосредственно металл сварного шва, .а водородом - металл околошовной зоны (зона термического влияния). Кроме того, эти способы отхара не обеспечивают дегазации изделий относительно вод'орбда. ■ • "'-■

При'низкотемпературных отжигах сварных конструкций из титановых сплавов возможна потеря'геометрии изделий.из-за ползучести металла; Специальные эксперименты -показали, что скорость ползучести титановых-сплавов-зависит ог среды испытаний. Отмечено, что {даксимамьная ■ скорость Ползучести характерна для сварных соединений йосле отжига-в аргоне. Анализ полученных результатов позволяет рекомендовать вакуум, как технологическую среду для низкотемпературного 'о гаига- сварных соединений и механо-сварных конструкций из. титановых (зплавов. Такая обработка обеспечивает практически полное снятие остаточных напряжений, стабилизацию структуры, минимальное поверхностное, газонасыщение, минимальную скорость ползучести", а также' дегазацию по-водороду и сглаживание водородных тисов сварочного происхождения. Следует подчеркнуть, что этот вид обработка (при. температуре 660°С) сопровождается реализацией всего - комплекса нежелательных, явлений,' отмеченных в гл. 3.

Исследование работоспособности сварных соединений из псевдо-0(-сплавов (толщиной Г ми) после-вакуумного..отжига (660°С, 2 ча-

: ' 12 • ' '.-■■• са) показало,. чт о долговечность пря циклических нагрузках в ус-' ловиях симметричного и асимметричного изгиба существенно возрастает по сравнению с исходным состоянием,- а работоспособность при повторно-статических псщганйях.на растяжение1, практически не -.-'.; ухудшается. ' " . "-. . ' '■'..'" '"" '-,' - .

5. Влияние .технологических -взаимодействий, на $изико-хпм1г-. ческие процессы, происходящие при диффузионной•сварке . ■ титановых сплавов . ."■'■'• " ■ '. . - .-

При диффузионной сварке; элементов титановой конструкции, осуществляемой, при высоких температурах в вакууме, в поверхностном слое свариваемых деталей происходят явления, связанные-'не.' . только-с воздействием вакуума,-но и также'в'результате взаимодействия титана с' технологической оснасткой.' При использовании-в ■'■ качестве материала оснастки.огнеупорного бетона-на поверхности ■ сварного-соединения .'тонких листов из- сшшва ОТ4- обнаружен газонасыщенный' слбй ,'. возникший: за счет' физдЬо-ХиМИЧеского' взаимо1- '" действия.гитана с составляющими' Йе-тсна/ ^Установлено,'что покрытие цз жидкого стекла; нанесенное на оснастку, из- огнеупорного-бетона, в отличие от жаростойкой 'змапй ЭВ-15 к, стеклокрйетадля-ческого, покрытия (глазурь), практически исключает 'образование-газонасшденно'го слоя и сплаве 014'при дкдфузиойкой сварке." ' ;

Метода! дисперсионного анализа результатов определения мик-ротвердосга и рентгенографаче.скш:*анйлйзш ус-тановдено, ;.Ч.то при-диффузионной' сварке. 1онк(ш-1стовой' ••ёоюво'й-конструкций при температуре 1000°С! в течение 1,5 час'а в поверхностном, слое^обшивки' из сплава 0Т4, 'контактировавшей с осйаеткои-в .'виде азотирован--ной титановой плиты, образуется газрнаскаденййй.слой', что.ухудша-.ет работоспособность конструкции при' действии изгибавдих'-цикли- ■ ческп'х нагрузок. Показано, что При. контакте с-азотированный'т.и-г тановым листом в вакууме при температуре 1СрО°С в течению 2,5 и 7 часов и рабочем-усилии .10 МПа в'листе -тсш^ной "1,2'мм из сплава 0Т4 возни&аег' поверхностный -слой /толщаййй порядка. 0,05'№.1.,;с' измененно.й структурой,' который Характеризуется-сравнительно большим отношением "параметров ■ -с/а кристаллической' .решетки ' 0( -•фааы сплава 0Т4,'^ем. сердцевина. Проведенный ¡анализ. показал,. что наиболее -вероятной причиной -образования слоя является растворе-

яие азота, поступающего-в. сплав ОГ4.из азотированного титана.

Технические недостатки современной диффузионном сварки ти-TaitoBtix конструкдий во многом связаны с необходтлостью поддержания внсоких температур и низкого остаточного давления. В этих условиях .свартааеше' материал«, а также катерчалн оснастки особенно активны. Специально проведенные эксперименты по 'замене soKyyiia, как технологической среди, показали, что более объективной средой может 'бить водородная или аргено-водородная атмосфера. Помимо восстановительных функций водородная атмосфера об-- -учавает еце и гомологическое иаводоро^иванне сварпваешх . деталей ухе при температурах 650-700°С. Каводорсливанпе титановых сплавов сопровождается: изменением фазового состава в сторону увеличения р ^-фазч, снижением температуры oí + ß /^-прев-раявш.'р, повышением дн'Музионнол подв'нглостн атомов основы и ле-rnpyíEiiix элементов, а так?.ё повапенвем пластичности при повышенных температурах.

Реализация этих эТфектов в процессе диффузионной сварки долчна позволить снизить температурно-силовыё показатели процесса й тем сшш устранить'отмеченные.внае технические недостатки. Результаты экспериментов в этом направлении приведены в табл. I.

. .: • Таблица I.

Механические свойства сварных соединений', полученных • разными способами (850°0, 1,5 часа, удельное давление 0,5-tffiIa). "-"' ' ' .

~~ " . ' '¿Предел прочнос-|относительное ¡Ударная вяз-Соедийяеше }ти. ' {удлинение ¡кость материалы ' ' j '. . 6g , Ща ,| 8 ,%' . j KCU , ОДя/м2

..' . 1 ■ ■ j.. Г ' ! ■ 2 . ? .1 ! 2 '••'! I ! 2 ЗТ6 - ÍÜ5 875 '• 768 "14. 1С 0,26 0,18

ВТ6 - ПТ-ЗВ ВСЧ). • Г SO. . 16 8 0,30; - .0,13

•Примечание: 1.-3 аргоно-зояородной атмосфере;.. ■•-/.•. '■ ваяуумз -

. . Применение ..водородной: атмосферукак технологической'среды для- диффузионной ЕВПрю, Дозйоляет'существенно увеличить удар-

ную вязкость сварных соединений, полученных этим методом. Навог дороживание . металла, в процессе сварки" мойно рассматривать как-' обратимое водородное, легирование. Легирование - Потому что водород на 'этой стадии ведет .себя как легирующий элемент,. обратимое ■ - потому что после завершения процесса ¡водород должен быть удален из готовой конструкции' при вакуумном отжиге зо избегание. ■' развития водородной хрупкости. . ."

. Дополнительные эксперименты показали (табл. 2) и возможность снижения температуры процесса, что особенно важно в .технологическом плане. ' . ..: .•...:' ...'-'""

. - , ' .Таблица 2

Ударная вязкость, образцов из сплава ВТ6,. сваренных диффузионной сваркой по различной технологи к

Технологическая .среда : i.Температура.сварки; ! -, °с . " | Ударная вязкость. ! . KCU , {.Щж/м2

Вакуум ' - - . . 840 • -.: 0,09.

' •' '.'.900 '"' ■ :о,зо.

Аргон о-водо'родная ■ , - 840 ■!. ■ -,:.. - 0,30

..SCO .. .. 0,31 - .

к - удельное усилие 5 Ща, время сварки - 2 часа '■

Предложенный, способ диффузионной'- сварки защищен-авторским свидетельством..(а.с. й 1406935 ССОР от 1.03.1968)

. ОСНОВНЫЕ ВИВОДЬ! ПО 'РАБОТЕ

I. Вакуумная обработка изделий из. титая'овмх сплавов' в прокш-лешшх устш.ювках (УВН-15СЮ,. УВН-4500) сопровождается образованием хрупких газонасыценных слобЬ: после вакуумного- отжига- 750°С', 40 часов в установке УВН-4500':.;Икро'а'вердость' поверхности сгшйва ВТо составляет 6240 Ща, .толщина газойасыцзнного- слоя - 180 шш. Состав и толщина газонасыщенного слоя определяется типом промышленных установок, о.ш'пшощйхся фйзико-химкчес.киш условиями формирования'остаточной среды. • , .'

2..Предложена.модель 'физико-химических процессов формйрова-

няя остаточной среди.определенного состава в промышленных установках различной конструкции,-при "котором на поверхности обрабатываемых "изделий возникают газонасвдешгае слон.

3.- Определены граничные темп'ературнс-вреглешше условия обработки-в вакууме (1,33«10"^ Па), при которых ■ наблюдается недопустимое обеднение поверхностного слоя титановых сплавов основными - лёгарущгада элементами и формирование ярко-выраженных поверхностных концентраторов напряжении в результате "вакуумного растрава". Содержание легирующих элементов в поверхностном слое достигает нижнего допустимого-.предела при 750°С для сплавов 0Г4 и ВТ22, 850°С для ВТ5," ВГ6, ВТ8, BT3-I, BTI5 и 950°С для ВТ20, BTI6. BT30 при обработке в вакууме продолжительностью 2 часа.

'4. Исследование-влияния r-ei-трратурн. на среднюю глубину и морфологию внутри- и мекзереяного- рельефа после "вакуумного растрата" . для титановых сплавов различных 'классов показало, что Наиболее опасен "вакуумлиД растрав"' по границам зерен в условиях, когда глубина дефектов,в тонколистовых конструкциях достигает значений 20 мкм. Опасные' элементы рельеТа формируются при температурах, претвавщйзе температуру полиморфного превращения. Предложена схема возникновения рельефа, основанная на учете э.р-фодтст сублимации и объемных изменений'при d/p -превращении, йроисходящих на поверхности титана при вакуумной обработке,

5. Среда отглга не оказывает влияние на релаксацию остаточ-гппс нзпряг.енпп: в тонколкстотдах соединениях из титановых псевдо-

с( -сплавов, подуч'еигшх аргоно-дуговой сваркой; однако, ort-.tr сварных соединений в аргоне сопровождается дополнительным газо-иаскщедиём поверхностных слоев, сохранением водородных пиков и приводит к снижению циклической долговечности и повышению склонности к замедленному разрушения. '.'•■'

6.-При'Téimepaiype "неполного (550°С) и полного (660°С) отяи-'га вакуумный отжиг,, по сравнению'с отжигом на воздухе и в-аргоне, обеспечивает мяйшал^нупг деформацию по механизму ползучести,- уменьшение содержания водорода' й повышение-работоспособности. сварных соединений;из псеВдо-.d -сплавов при Циклических

• нагрузках. После -вакуумного. отжига 550-660°0, .2- часа изменений .микрорельефа,-.-поверхности в зоне терляческого влияния сварных -.соединений,'не происходит, .... .'""■'

IG •

7. Использование при диффузионной сварке титановых сплавов в качестве технологической оснастки огнеупорного бетона или азотированной титановрй плиты приводит к возникновению в тонколистовых конструкциях (типа сот) хрупких газонасьпценних слоев в ре-, зудьгате физико-химического взаииодействия титановых сплавов с материалом оснастки. Газонасыщенпе можно предотвратить за счет нанесения нейтральных покрытий на материал оснастки или за счет сникения температуры процесса. ' •.

8. Разработана технология ди$?узио.нно2 сварки'титановых сш-ьов на базе обратимого водородного легирования. Новая Технология ' позволяет существенно уменьшить теыпературно-силовые параметры' процесса и повысить качество сварных соединений'.{авторское' свидетельство СССР Л 1406935). .■''•'

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах : .-..'■• _ ^

1. Шевченко В.В., Иванищева Г.А., Драницин A.B. Влияние'характера остаточной ашосферй вакуумной лечи на лараметрц газонасы-цонного слоя сплава ВТ6. В сб., посвященном 25-л'етию СФ MATîi "Со-верццнствоваизе связей, висыей сколы с- производством". Ступино; . j"9fc:i. C.4Q-4I. . ' • /

2. Шевченко B.D., Садков B-B., Драницин A.B., Савостиков Л.И. О составе остаточных атмосфер вакуумных печей с геттерныма и Диф>--'узаонишаи насосаш. Тезпов докладоз научно-технической конференции авпатехнологического .факультета. U,-:'."AT1I. Í984. c.î9.

3. Шевченко В.В.', Колачев В.А., Драницин A3», Савостиков А.11. Садков ÏJ.B. О составе остаточной-итыосфери вакуумных' печеЙ-с гет-Tepuiiiäii насосаш.'Авиационная пражше'нностъ. .ГЗВЬ. Jf "6, с. 66-67.

4. Авторское свидетельство £ I4uG935 (СССР), Способ диффузионной сварки. Шевченко В.В., 'Низкий П.Д., Наяьков Л.В,', Носов В.К., Ajaiidituti A.C., Алексеев В.К., Росткоьский Г.11., '¡.lai.iaeö А.А.',1988'

Ö. Везвершенко Q.1Í., Драницин А.В.. 'Релаксация напряжении и газонасыщение в .лй.стах из титанового сплава ВТ6 при отжиге в воз' душной атмосфере. Тезисы 'докладов ХУУ Всесоюзных ГагарннСких чтений. U.:;.ÎATlu 1990.'- С;53,: - . "'.'. ' ' " '•''. ' , '

Üj;3=i'.лялр еддиегдештЗ Догтгиынехьнэ размчоавно IDO акз.

лея. Хснофирова Г.Г, ' JJJS 2 -101 по заказу - наряду - о; 8.06.32 г. от , . .92 г." '' Испымиггль: Драшяеш A.B. ' '. . .. • Чдаэвш ук;;чтскеяц

Сод.«свяо к печати I&.Q7.92. «puai буааги 60iM IJ&. tj'jâra шлогр. ti 2. 0ícei.r,s4, ïqj.M4.h,0,9.' Уч.-изд.л.0,8. "upa* ДМ акз. Заказ k> il.

Г.здаьо а Тульской ордена Трудного Красного Зюизкй -nMKieAMWSMa »actajyw. 1улв,ул^5одда1и ¿51. •' СгычаъзКО' Ь4 po.ianpit'Hïi'» íjtí!.!.- ,"• •