Production of weldments from sintered titanium alloys

ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2014, № 3 (51) МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО УДК 669.295.055.018.62:621.791.05 А. Е. КАПУСТЯН1, А. В. ОВЧИННИКОВ2*, И. А. ВАКУЛЕНКО3 1 Каф. «Оборудование и технологии сварочного производства», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69096, тел. +38 (096) 256 72 60, эл. почта , ORCID 0000-0002-8979-8076 2* Каф. «Механика», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69096, тел. +38 (061) 769 83 62, эл. почта , ORCID 0000-0002-5649-1094 3 Каф. «Технология материалов», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 56, эл. почта , ORCID 0000-0002-7353-1916 ПОЛУЧЕНИЕ СВАРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЕЧЕННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Цель. Ограниченное применение деталей из порошковых титановых сплавов связано с трудностями получения длинномерных заготовок, деталей сложной формы и больших габаритов. Решить данные проблемы можно путем применения технологий сварочного производства. Для этого необходимо провести исследование структуры и механических свойств сварных соединений спеченных титановых сплавов, полученных сваркой оплавлением. Методика. В качестве исходного материала использовали промышленные порошки титана марки ПТ5-1. Формообразование заготовок, химический состав которых соответствовал сплаву ВТ1-0, проводили методом порошковой металлургии. Соединения получали путем сварки оплавлением без подогрева. Проводили микроструктурные исследования и механические испытания. Для сравнения результатов проводились исследования литого сплава ВТ1-0. Результаты. Получены образцы сварных соединений спеченных титановых заготовок из сплава ВТ1-0 методом стыковой сварки оплавлением. При сварке микроструктура основного металла, состоявшая из зерен α-фазы размерами 40…70 мкм, трансформируется для сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ) в пластинчатое строение α-фазы. Остаточные поры в сварном шве практически отсутствовали, в ЗТВ их размер составлял до 2 мкм при 30 мкм в основном металле. Достигаемый уровень механических свойств сварного соединения спеченных титановых сплавов соизмерим с основным металлом. Научная новизна. Обнаружены качественные изменения структуры и достигаемый комплекс свойств соединений спеченных титановых сплавов, сформированных в результате стыковой сварки оплавлением. Практическая значимость. Показана принципиальная возможность получения качественных соединений спеченных титановых сплавов методом сварки оплавлением. Это дает основание для более широкого применения спеченных титановых сплавов за счет получения длинномерных заготовок, соответствующих деформируемым прутковым полуфабрикатам. Ключевые слова: титановые сплавы; порошковая металлургия; сварка; сварной шов; зона термического влияния; структура; механические свойства Введение Титановые сплавы являются конструкционным материалом для ряда отраслей промышленности [9, 17]. Широкое применение деталей из титановых сплавов сдерживает их высокая стоимость. Весомой составляющей стоимости изделия является технология его получения. С технологической точки зрения одним из наиболее рациональных и распространенных методов получения полуфабрикатов из титана является метод порошковой металлургии (ПМ) [4, 10, 11]. Существенный недостаток ПМ − невозможность получения длинномерных заготовок и сложной геометрии изделия. Технологии сварочного производства позволяют решить данную проблему путем получения монолитных соединений деталей небольших размеров и простой конфигурации [1]. Как правило, литой титан сваривают аргоннодуговым, электронно-лучевым, плазменным, электрошлаковым способами, под флюсом, лазерной термической технологией, сваркой давлением [7, 18, 21, 22] и комбинацией данных способов [20]. Свариваемость порошковых титановых сплавов изучали в основном при аргоннодуговой и точечной сварке [8, 14]. Сварка давлением – весьма перспективна [6, 12], в частности, стыковая сварка оплавлением. Данный метод, об© А. Е. Капустян, А. В. Овчинников, И. А. Вакуленко, 2014 84 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2014, № 3 (51) МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО ладая преимуществами других способов сварки давлением (позволяет соединять заготовки значительной длины без присадочных материалов, без защиты зоны сварки газами и за более короткое время в сравнение со сваркой плавлением), позволяет соединять заготовки без ограничения формы сечения свариваемых деталей [13]. Свариваемость при стыковой сварке оплавлением определяется, в основном, распределением температуры в деталях, величиной и характером пластической деформации торцов при осадке, микрорельефом и температурой торцевых поверхностей [15]. Все эти параметры в случае сварки спеченных сплавов могут в широкой степени варьироваться от количества и размера пор, структуры сплава, загрязненности исходного материала (порошка) окислами и т.п. Качество сварного соединения в значительной мере будет зависеть от температурного цикла сварки, процесса структурных изменений в металле шва и зонах термического влияния (ЗТВ) [2, 5, 16, 19 ]. Использование материалов и сплавов в спеченном состоянии неизбежно приведет к корректировке используемых в настоящее время технологий сварки [3]. В связи с этим, для более широкого применения титана необходимо исследование свариваемости спеченных титановых сплавов стыковой сваркой оплавлением. Цель Цель работы – исследование структуры и механических свойств спеченных титановых сплавов после стыковой сварки оплавлением без подогрева для определения возможности получения качественных сварных соединений данным методом. Методика В качестве исходного материала использовали промышленные порошки титана марки ПТ5-1 (ТУ 14-10-026-98) и гидрида титана производства ГП «Государственный научно-исследовательский и проектный институт титана», ГП «Запорожский металлургический опытнопромышленный завод». Заготовки для прутка изготавливали методом порошковой металлургии, химический состав которых соответствовал сплаву ВТ1-0 (ГОСТ 19807-91). Формообразование заготовок ∅ 38 мм, длиной 70…80 мм (рис. 1, а) проводили путем прессования на гидравлическом прессе с давлением 900 МПа. Спекание проводили в вакуумной печи СНВЭ– 1.3.1/16ИЗ при температуре 1 250 ± 20 °С и давлении 13,3 Па в течении 3 ч. Охлаждение осуществляли с печью. а–а б–b Рис. 1. Внешний вид опытных прессованных (а) и сварных (б) заготовок Fig. 1. The exterior of experimental nibs (a) and welded (b) blanks Диаметр заготовок был выбран как предельный для сварки непрерывным оплавлением на обычных стыковых машинах без необходимости подогрева и применения защиты от воздуха (рис. 1, б). Из рис. 1, б, по наличию цветов побежалости, определили размер ЗТВ, который составл (...truncated)