21 января 2018г.
Аннотация: Предложено для повышения технологической прочности наплавленных сплавов системы титан-алюминий легировать никелем в процессе наплавки. Установлено влияние никеля на структуру, механические и эксплуатационные свойства наплавленного металла.
Ключевые слова: наплавка, сплавы титан-алюминий, никель, износостойкость, твердость.
Введение: Интерметаллидные сплавы титан-алюминий находят все более широкое применение в промышленности, что связано с их уникальным комплексом механических и эксплуатационных свойств. Алюминиды титана имеют более высокую жаростойкость и жаропрочность, чем промышленные титановые сплавы, их плотность в 2,5 раза ниже плотности жаропрочных никелевых сплавов. Благодаря низкой плотности и достаточно высоким прочностным характеристикам интерметаллиды титан-алюминий и сплавы на его основе превосходят существующие жаропрочные сплавы на основе титана, железа и никеля поудельным значениям модулей упругости и показателям жаропрочности в широком интервале температур вплоть до 850 °С [1].
Как и большинству интерметаллидам алюминидам титана свойственна высокая хрупкость, особенно при комнатной температуре, что затрудняет их практическое применение в качестве конструкционных материалов [1]. Одним из методов повышения технологической прочности алюминидов титана является легирование. В качестве легирующих элементов рекомендуется применять никель, кобальт, хром, ниобий [2].
Для легированием никелем наплавленных сплавов системы титан-алюминий при автоматической аргонодуговой наплавке с применением присадочной проволоки на основе алюминия [3] было предложено укладывать никелевую проволоку перед сварочной горелкой (рисунок 1).
Методика проведения исследований. Исследования влияния легирующих элементов на свойства наплавленных сплавов системы титан-алюминий на специальной автоматической двухкординатной установке с использованием сварочной горелки AUT-TIG 400W фирмы Abicor-Bensel и универсального сварочного источника Migatronic BDH 550 [3].
Для наплавки
использовали образцы из титана марки ВТ1-0 размером 120×120×10 мм и
присадочную проволоку СвА5 диаметром 1,2 мм и никелевую проволоку НП1 диаметром 1,2 мм.
Присадочную проволоку СвА5 вводили в хвостовую часть жидкометаллической ванны, что обеспечивало стабильное формирование наплавленного валика и уменьшало потери алюминия на угар и разбрызгивание. Никелевая проволока диаметром 1,2 мм, длиной 120 мм укладывалась на образец титана и
переплавлялась в процессе наплавки. Количество никелевых проволок варьировалось от 1 до 3 шт. Скорость
подачи алюминиевой присадочной проволоки изменялась в пределах Vп/пп Al= 1–6 м/мин при постоянных значениях скорости
наплавки Vн= 0,154 м/мин
и силы тока Iн= 270A.
Исследование химического состава наплавленного металла проводились методами растровой электронной микроскопии на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS, Германия)
с блоками рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского
волнового спектрометра INCA Wave-500.
Износостойкость образцов при абразивном изнашивании определялась при трении о закрепленные
абразивные частицы и оценивалась относительной износостойкостью:
&
= Δlэ/Δlм
где Δlэ — линейный
износ эталона;
Δlм — линейный износ испытуемого материала.
В качестве эталонов использовали
сталь 45.
Склонность к образованию трещин оценивалась по количественному содержанию трещин и отслоению металла на определенном участке наплавки, длина участка наплавки составляла 100 мм.
Результаты исследований и их обсуждение. Проведенные исследование показали, что при
выбранных режимах наплавки формировался валик со стабильными геометрическими параметрами
(рисунок 2). Увеличение скорости подачи присадочной проволоки, а так же введение никелевой проволоки
способствовало
захолаживанию сварочной ванны, что
привело к уменьшению проплавления основного металла и увеличению ширины, высоты наплавленного валика, что в свою очередь уменьшило долю основного металла в составе валика. Содержание титана в наплавленном металле при этом снизилось
(таблица 1).
Исследование химического состава показало, что по сечению наплавленного валика наблюдалась незначительная неравномерность по химическому составу. Содержание алюминия и никеля снижалось по высоте от поверхности валика к
линии
сплавления и от центра к
линии сплавления.
С увеличением скорости подачи присадочной проволоки увеличивалось содержание алюминия в
наплавленном металле, в связи с увеличением массового расхода проволоки и уменьшения площади проплавления основного металла. Содержание алюминия в наплавленном металле в зависимости от режимов наплавки и количества укладываемых никелевых проволок находилось в пределах 7,9-27,3%.
Увеличение количества никелевой проволоки так же приводит к повышению содержания никеля в наплавленном валике и уменьшению содержания алюминия (Таблица 1). Содержание никеля в наплавленном металле
при применении одной проволоки
составляет 2,86-3,75 %, с двумя проволоками
6,71- 6,75 %,
а с
тремя- 10-12,1%
Таблица 1. Химический состав в зависимости
от
режимов наплавки.
№ образца
|
Vпп,
м/мин
|
Vсв,
м/мин
|
Iсв, А
|
Ni проволока
d=1,2 мм
|
Ti,%
|
Al,%
|
Ni,%
|
1
|
1
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
90,052
|
9,948
|
0
|
2
|
1,5
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
84,845
|
15,15
|
0
|
3
|
2
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
81,82
|
18,18
|
0
|
4
|
3
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
74,702
|
25,298
|
0
|
5
|
3,5
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
72,648
|
27,351
|
0
|
6
|
1
|
0,152
|
270
|
1
|
89,048
|
7,906
|
3,041
|
7
|
1,5
|
0,152
|
270
|
1
|
81,94
|
14,245
|
3,75
|
8
|
2
|
0,152
|
270
|
1
|
78,362
|
18,772
|
2,86
|
9
|
3
|
0,152
|
270
|
1
|
72,725
|
24,14
|
3,063
|
10
|
3,5
|
0,152
|
270
|
1
|
71,465
|
25,63
|
2,906
|
11
|
2
|
0,152
|
270
|
2
|
81,18
|
12,09
|
6,71
|
12
|
3
|
0,152
|
270
|
2
|
76,1
|
17,15
|
6,75
|
13
|
2
|
0,152
|
270
|
3
|
76,03
|
12,83
|
12,1
|
14
|
3
|
0,152
|
270
|
3
|
69,75
|
20,049
|
10
|
Склонность к образованию трещин при легировании никелем незначительно снизилась, о чем можно
было судить по уменьшению количества трещин на наплавленных валиках.
Твердость наплавленных валиков изменялась в пределах 36–51 НRC, а износостойкость в пределах 2- 11 (таблица.
2).
Повышение содержания алюминия в нелегированных наплавленных валиках приводит к повышению
твердости металла. Твердость при этом изменяется в пределах 36-48,5HRC. Значения относительной
износостойкости составляли 3,6-7,5. Максимальные значения относительной износостойкости наблюдались в образце №4 при
содержании
алюминия около 25%.
Таблица 2.Режимы наплавки, твердость и износостойкость.
№
образца
|
Vпп,
м/мин
|
Vсв,
м/мин
|
Iсв, А
|
Ni проволока
d=1,2 мм
|
HRC
|
ξ износ
|
1
|
1
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
36
|
3,66
|
2
|
1,5
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
38,8
|
4,75
|
3
|
2
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
43
|
7,33
|
4
|
3
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
46
|
7,5
|
5
|
3,5
|
0,152
|
270
|
отсутствует
|
48,5
|
5,5
|
6
|
1
|
0,152
|
270
|
1
|
38,8
|
3,75
|
7
|
1,5
|
0,152
|
270
|
1
|
51,5
|
11
|
8
|
2
|
0,152
|
270
|
1
|
48,9
|
5,7
|
9
|
3
|
0,152
|
270
|
1
|
45,5
|
5,5
|
10
|
3,5
|
0,152
|
270
|
1
|
44,5
|
5,3
|
11
|
2
|
0,152
|
270
|
2
|
42
|
3,75
|
12
|
3
|
0,152
|
270
|
2
|
51
|
5,5
|
13
|
2
|
0,152
|
270
|
3
|
46,4
|
2,83
|
14
|
3
|
0,152
|
270
|
3
|
45,1
|
2
|
Легирование никелем повысило твердость наплавленного металла. При этом максимальные значения твердости наблюдались при содержании никеля в пределах 3,75% и содержании алюминия около 14%. Дальнейшее повышения степени легирования никелем алюминида титана незначительно снижало твердость
валика (таблица 2). Легирование никелем повысило значения относительной износостойкости только при
содержании алюминия до 14% и содержании никеля до 3,75%. Более высокое содержания легирующих элементов снижает значение относительной износостойкости наплавленного металла.
Выводы:
Исследования аргонодуговой наплавки системы титан-алюминий показали, что легирование никелем
наплавленного металла при помощи никелевой проволоки увеличивает ширину и высоту наплавленных валиков и уменьшает в незначительной мере глубину проплавления, а так же приводит к уменьшению
содержания алюминия в наплавленных образцах.
При легировании никелем интерметаллидов системы титан-алюминий при наплавке, наблюдается
незначительное повышение трещиноустойчивости
и твердости наплавленного металла.
Список литературы
1.
Колачев Б.А.,
В.И. Елагин, Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2005.
432 с.
2.
Деменюк А.О., Ганеев А.А.,
Деменюк
О.Б.,
Кулаков Б.А. Выбор легирующих элементов для
сплавов на
основе алюминида
титана/
А.О. Деменюк, А.А.
Ганеев,
О.Б. Деменюк, Б.А. Кулаков//Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия».-2013.-Т.13. №1.-С.95-102.
3.
Ковтунов А.И.,
Плахотный
Д.И., Гущин А.А., Бочкарев А.Г., Плахотная С.Е. Влияние режимов наплавки на структуру и свойства покрытий системы титан-алюминий// журнал «Сварка и
Диагностика» №2 2016 года.
С – 35-37.