К.т.н Мухаметрахимов М.Х.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук, Россия

ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ СВАРНЫХ ШВОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА Ti-6Al-4V

Введение

Известно [1], что в условиях сварки давлением обеспечивается получение твердофазного соединения (ТФС) с высокими механическими свойствами, приближающимися к свойствам основного металла. Однако специфической особенностью сварки в твердом состоянии титана и его сплавов, соединенных с небольшой макропластической деформацией, является пониженная ударная вязкость ТФС при отсутствии в стыке оптически видимых дефектов [2]. В этой связи проводили исследование строения изломов сварных образцов с различной стадией формирования соединения [3].

Материал и методика исследований

Материалом для исследования был выбран промышленный двухфазный титановый сплав Ti-6Al-4V стандартного химического состава по ГОСТ 19807-91. Исходные заготовки сплава имели микрокристаллическую (МК) структуру со средним размером зерен 3 мкм (рис. 1а). В результате всесторонней ковки исходных заготовок в них была сформирована наноструктура (НС) со средним размером зерен (фрагментов) около 0,2 мкм [4] (рис. 1б).

а	б
Рис. 1. Микроструктура исследуемого сплава ВТ6: а) МК, б) НС

Соединение заготовок осуществляли в твердом состоянии специальной оснастки с использованием термокомпрессионной сварки (ТКС) в вакуумной печи СНВЭ-1.3.1/16–ИЗ-УХЛЧ.1 при остаточном давлении воздуха 2,0х10^-3 Па.

Для оценки качества ТФС проводили механические испытания на ударный изгиб на маятниковом копре RPSW 150/300 фирмы «SCHENCK TREBEL».

Результаты исследования

Для получения соединений с различным уровнем ударной вязкости сваривали НС образцы из титанового сплава Ti-6Al-4V в температурном интервале 600…900^оС. Из соединенных заготовок готовили образцы Менаже с расположением надреза по линии соединения. Такой вид испытания наиболее объективно отражает качество ТФС. Для сравнительного анализа свойств материала испытывали образцы-свидетели, которые подвергали аналогичной обработке, что и сварные образцы. Оценку качества ТФС проводили по результатам испытаний на ударный изгиб.

Анализ изломов монолитных образцов в исходном состоянии и после вакуумного отжига при пониженных температурах (термообработанное состояние) показал, что структурные составляющие более мелкие и структура более мелкодисперсная [5].

Неоднородность излома связана со структурной неоднородностью исходного НС титанового сплава Ti-6Al-4V. После вакуумного отжига характер излома более однороден, межзеренное разрушение уже не характерно. Анализ изломов отожженных образцов показывает, что после вакуумного отжига преобладает вязкий излом, в котором присутствуют участки как вязкой (80%), так и хрупкой (20%) составляющей. Изучение общего строения изломов показало, что в них присутствуют ямки и утяжки, изломы характеризуются волнистой, матовой шероховатой поверхностью.

После ТКС электронно-фрактографический анализ выявил, что при температуре 600^оС поверхность разрушения образцов остается плоской с ярко выраженными следами рельефа от механической обработки, что указывает на незавершенность процесса образования ТФС, и ударная вязкость составила 0,02 МДж/м², что по техническим условиям (KCU = 0,3 МДж/м²) ниже свойств, установленных для титанового сплава Ti-6Al-4V. С увеличением температуры ТКС до 650^оС осмотр изломов ударных образцов выявил ямочной рельеф поверхности разрушения и значительную неоднородность в распределении размеров ямок [6].

После ТКС при температуре 700^оС в изломе соединенных образцов четко выявляются центры активного адгезионного схватывания. При дальнейшем повышении температуры ТКС возможно повышение ударной вязкости.

Таким образом, увеличение температуры ТКС с 600 до 800^оС повышает ударную вязкость соединенных образцов НС титанового сплава Ti-6Al-4V.

Для сравнения механических свойств на ударный изгиб образцы с МК структурой соединяли ТКС в температурном интервале от 650 до 900^оС.

При фрактографическом анализе поверхности разрушения образцов после ударных испытаний выявлено, что при температуре ТКС 650^оС в зоне ТФС присутствует не до конца растворенная оксидная пленка и видны участки адгезионного схватывания по границам β-фазы. Это согласуется с наблюдаемой картиной разрушения сварных соединений [6]. Увеличение температуры ТКС до 750^оС приводит к формированию в зоне соединения отдельных очагов взаимодействия между соединяемыми поверхностями. И только с повышением температуры ТКС от 800 до 900^оС происходит формирование полноценного соединения. Разрушение соединения происходит по механизму квазискола, переходящего по мере увеличения температуры ТКС в слияние микропустот, что приводит к появлению на поверхности излома вязкой составляющей в виде чашечного излома.

Таким образом, проведенные исследования выявили четкую связь между величиной ударной вязкости, строением излома и микроструктурой в зоне соединения.

На рис. 2. показано изменение ударной вязкости соединений сплава Ti-6Al-4V с НС и МК структурами в зависимости от температуры ТКС.

Рис.2. Ударная вязкость соединенных ТКС НС и МК образцов из титанового сплава Ti-6Al-4V

Литература:

[1] Гельман, А. С. Основы сварки давлением – М.: Машиностроение, 1970. – 312 с.

[2] Гельман А.А. Оптимальные параметры диффузионной сварки титановых сплавов различного фазового состава // Автоматическая сварка. – 1977. № 4. С. 53-58.

[3] Мухаметрахимов М.Х., Лутфуллин Р.Я. Прочность твердофазного соединения наноструктурированного титанового сплава ВТ6 // Материалы V международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», Оренбург, 2008. Т.1. С. 270-274.

[4] Kaibyshev O.A., Salishchev G.A., Galeyev R.M., Lutfullin R.Ya. and Valiakhmetov O.R. // Patent PCT/US97/18642, WO 9817836, 30.04.1998.

[5] Mukhametrakhimov M.Kh. The influence of surface roughness of VT6 alloy processed sheets on quality of solid state joining under conditions of low temperature superplasticity // 3^nd International Symposium on BNM-2011.

[6] Мухаметрахимов М.Х., Лутфуллин Р.Я. Ударная вязкость после термокомпрессионной сварки объемных наноструктурных материалов из титанового сплава Ti-6Al-4V. Вестник тамбовского университета. Том 15, вып. 3, 2010, с. 866-867.