Влияние на микроструктуру наплавленного металла наноструктурированных порошков | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2017. № 8. DOI: 10.17223/24135542/8/4

Влияние на микроструктуру наплавленного металла наноструктурированных порошков

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния наноструктурированных порошков-модификаторов на микроструктуру и коррозионную стойкость сварных соединений. Показано, что при введении наноструктурированных модификаторов уменьшается размер дендрита, образуется наиболее равновесная структура, что повышает коррозионную стойкость сварных швов.

Effect on the microstructure of deposit metal nanostructured powders.pdf Введение Известно, что коррозионная стойкость сварных соединений ниже коррозионной стойкости основного металла. Часто можно наблюдать и прямое разрушение сварных соединений вследствие структурной коррозии в наплавленном металле и зоне термического влияния. Свой вклад в снижение эксплуатационных свойств вносят и условия эксплуатации сварных швов. Все это в комплексе является основной причиной разрушения сварных соединений трубопроводов, аппаратов химической, энергетической и металлургической промышленности [1-2]. На практике для управления структурообразованием и механическими свойствами сварных соединений [3-4] используется намеренное введение в расплав тугоплавких частиц для увеличения числа центров индуцированной кристаллизации, которое приводит к измельчению зерна при затвердевании. Такой прием применяется и для измельчения структурных составляющих наплавляемого металла [3, 5]. Введение непосредственно в сварочную ванну нанодисперсных металлических и неметаллических порошков-модификаторов повышает эффект управления микроструктурой. Среди известных физических методов получения наноразмерных порошков особое место занимает метод электрического взрыва проводника (ЭВП), являющийся импульсным быстропротекающим процессом. Этим методом получают не только порошки чистых металлов, но и порошки различных соединений на основе металлов (карбиды, оксиды, нитриды, сульфиды и др.) [6-7]. Частицы имеют сферическую форму, распределение частиц по размерам подчиняется нормально-логарифмическому закону, средний размер частиц лежит в диапазоне 100-500 нм. Известно, что одно из наиболее перспективных направлений применения этих порошков - модификация свойств различных материалов [8]. Опираясь на имеющиеся результаты, в данной работе мы исследовали вопрос влияния наноструктурированных порошков на микроструктуру сварного шва и его коррозионную стойкость. Экспериментальная часть В экспериментальных исследованиях была произведена сварка образцов, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, плавящимся электродом по схеме, описанной в работах [9-11]. Образцы наплавлялись по двум различным технологиям: наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения с добавлением наноразмерного порошка вольфрама (W); наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения с добавлением наноразмерного порошка молибдена (Mo). Режимы сварки для всех вариантов одинаковы. Для исследования микроструктуры были изготовлены поперечные шлифы на каждом образце. При изготовлении шлифов использовались механическая шлифовка и полировка на алмазной пасте АСМ 10/7-1/0 и химическое травление в «царской водке» (смесь концентрированных азотной HNO3 и соляной HCl кислот, взятых в соотношении 1:3). Исследование проводилось методом оптической металлографии на микроскопе Neophot-21 с записью изображений при помощи цифровой камеры Genius VileaCam. Проведение испытаний на коррозионную стойкость сварных образцов проводили по ГОСТ 6032 в растворе серной и сернокислой меди в присутствии металлической меди и фтористого натрия [10]. Помимо этого изучение структуры сварного шва до и после испытаний на коррозионную стойкость осуществлялось на атомно-силовом микроскопе Solver PH47-PRO контактным методом. Суть метода заключается в том, что кантилевер непосредственно касается поверхности образца и повторяет её рельеф по мере прохождения поверхности. Результаты экспериментов и их обсуждение Травление шлифов по указанному режиму позволило выявить микроструктуру и наплавленного, и основного металла. Структура основного металла во всех случаях соответствует структуре горячекатаной нержавеющей стали 12Х18Н10Т (рис. 1). Она представлена полиэдрическими сдвойникованными зернами, средний размер которых составляет 31±16 мкм. В обоих образцах на границе раздела наблюдаются дефекты в виде непроваренных макрополостей диаметром до 800 мкм и микрорастрескивание длиной до 700 мкм. Рис. 1. Структура основного металла Зона термического влияния во всех образцах имеет четко выраженную границу и одинаковую ширину (рис. 2). Рис. 2. Граница сплавления основной металл - наплавленный металл: а - наплавка с добавлением наноразмерного порошка Mo; б - наплавка с добавлением наноразмерного W Наплавленный металл условно можно разделить на две зоны, структура которых существенно различна. Более детально структурные составляющие этих слоев исследовали методом атомно-силовой микроскопии. Основной микроструктурной составляющей первого слоя являются сравнительно короткие, разветвленные и не имеющие преимущественной ориентации дендриты. Наиболее ярко слой неориентированных дендритов выражен в образце, модифицированном вольфрамом. На рис. 3, а в 3D-изображении хорошо видно, что они не имеют ярко выраженной ориентации. В образце, модифицированном наноструктурированным порошком вольфрама, ширина границ дендритов такая же, как и в образце с молибденом. Общий вид и ориентация коротких, сильно разветвленных, не имеющих ориентации дендритов аналогичен общему виду образца, модифицированного молибденом. Однако в узлах, где соприкасаются соседние денд-риты, она уменьшается до 2 мкм. Толщина данного слоя в образце составляет ~ 1,2 мм, т.е. 30% от общей. Далее этот слой плавно переходит в следующий слой ориентированных дендритов. Рис. 3. АСМ-изображения слоя неориентированных дендритов: а - наплавка с добавлением наноразмерного Mo; б - наплавка с добавлением наноразмерного W О б Результаты обработки АСМ-изображений показали, что ширина границ дендритов не превышает 330 нм (рис. 3, б). Разветвления дендритов в слое образца с добавлением нанопорошка Mo имеют небольшую длину (515 мкм). б Рис. 4. АСМ-изображения слоя ориентированных дендритов: а - наплавка с добавлением наноразмерного порошка Mo; б - наплавка с добавлением наноразмерного W Ориентация длинных осей дендритов во втором слое нормальна к границе сплавления. В обоих образцах (и с молибденом, и с вольфрамом) вблизи границы сплавления образуются полосы, разделенные промежутками свободной поверхности. Однако в образце, модифицированном нано-порошком молибдена, в каждой полосе длинные оси дендритов практически параллельны, а разветвленность практически отсутствует (см. рис. 4, а). В то же время в образце, где в качестве модификатора применялся вольфрам, полосы дендритов не наблюдались, но здесь очень четко выражена параллельность длинных осей (см. рис. 4, б). Испытания на коррозионную стойкость проводили на образцах, выполненных в трех режимах сварки: с добавлением наномодификаторов W и Mo и без добавок. Результаты исследований сварных швов при испытаниях на коррозионную стойкость представлены в таблице. Результаты коррозионной стойкости сварных швов Время, мин Глубина травления, мкм Без добавок Mo W 30 60 40 25 70 130 75 55 110 205 150 110 140 140 250 200 Исследования на атомно-силовом микроскопе показали, что травление происходит не по границам зерен, а по всей поверхности образца. В зависимости от ориентации зерен их поверхность стравливалась слабее или сильнее. Так как травление зерен происходило с различной скоростью, оценивали среднюю глубину травления на разных образцах: без наномодификатора - 330 мкм; с добавлением нанопорошка W - 200 мкм; с добавлением нанопорошка Mo - 250 мкм (рис. 5). Из рис. 5 и таблицы хорошо видно, что глубина травления дендритов зависит от времени нахождения в агрессивной среде. Так, наибольшее влияние коррозионная среда оказала на образец без добавок модификатора, в то время как наименьшая глубина травления была зафиксирована у образца с добавлением нанопорошка вольфрама. Оценка наплавленного металла проводилась по глубине вытравливания междендритных промежутков. Они во всех образцах в агрессивной среде вытравливались сильнее. Глубина вытравленных канавок в среднем составила 40 мкм, а ширина достигала максимум 2 мкм. Таким образом, порошковый наномодификатор на эти параметры значимого влияния не оказал. Рис. 5. АСМ-изображения зерен в зоне термического влияния: а - без добавок; б - наплавка с добавлением наноразмерного порошка Mo; в - наплавка с добавлением наноразмерного W в Заключение Согласно общепринятым представлениям, чем больше проявляется дендритное строение наплавленного металла и чем более грубое строение дендри-тов, тем хуже эксплуатационные характеристики сварного шва. С этих позиций сварной шов в образце, модифицированном нанопорошком молибдена, уступает образцу, модифицированному вольфрамом, наименьшая глубина травления отмечена также у образца, модифицированного наноструктуриро-ванным порошком вольфрама, он меньше всего подвергался растравливанию при коррозионных испытаниях. Наименее стойким оказался образец без модификатора.

Ключевые слова

наноструктурированные порошки, сварочная ванна, защитный газ, дуговая сварка, микроструктура, nanostructured powders, weldpool, shielding gas, arc welding, microstructure

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Шляхова Галина ВитальевнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Северский технологический институт НИЯУ МИФИканд. техн. наук, научный сотрудник лаборатории физики прочности; доцент кафедры «Машины и аппараты химических и атомных производств»shgv@ispms.tsc.ru
Баранникова Светлана АлександровнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Томский государственный университетд-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физики прочности; профессор кафедры «Механика деформируемого твердого тела»bsa@ispms.tsc.ru
Кузнецов Максим АлександровичЮргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университетаканд. техн. наук, сотрудник кафедры сварочного производстваkvznechik85@mail.ru
Зуев Лев БорисовичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Томский государственный университетдоктор физ.-мат. наук, профессор, зав. лабораторией физики прочности; профессор кафедры «Теория прочности и проектирования»lbz@ispms.tsc.ru
Всего: 4

Ссылки

Коломийцев Е.В. Коррозионно-усталостная прочность тавровых соединений стали 12Х18Н10Т и методы ее повышения // Автоматическая сварка. 2012. № 12. С. 4143.
Кривоносова Е.А., Синкина Е.А., Горчаков А.И. Влияние типа покрытия электрода на коррозионную стойкость металла шва стали 08Х18Н10Т // Сварочное производство. 2012. № 4. С. 38-41.
Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей). М. : Машиностроение, 1979. 253 с.
Соколов Г.Н., Лысак И.В., Трошков А.С., Зорин И.В., Горемыкина С.С., Самохин А.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 6. С. 41-47.
Рябчиков И.В, Панов А.Г., Корниенко А.Э. О качественных характеристиках моди фикаторов // Сталь. 2007. № 6. С. 18-23.
Яворовский Н.А. Получение ультрадисперсных порошков методом электрического взрыва // Известия вузов. Физика. 1996. № 4. С. 114-136.
Кузнецов М.А., Зернин Е.А., Колмогоров Д.Е., Шляхова Г.В., Данилов В.И. Строе ние, морфология и дисперсность металла, наплавленной дуговой сваркой плавящимся электродом в аргоне в присутствии наноструктурированных модификаторов // Сварка и диагностика. 2012. № 6. С. 8-10.
Еремин Е.Н. Применение наночастиц тугоплавких соединений для повышения каче ства сварных соединений из жаропрочных сплавов // Омский научный вестник. 2009. № 3. С. 63-67.
Кузнецов М.А., Шляхова Г.В., Данилов В.И., Зернин Е.А., Карцев Д.С. Коррозионная стойкость сварных соединений, полученных с применением электровзрывных нано-порошков неорганических материалов // Сварка и диагностика. 2016. № 2. С. 16-19.
Кузнецов М.А., Журавков С.П., Зернин Е.А., Яворовский Н.А. Структурообразование сварных соединений в присутствии нанопорошка молибдена // Известия вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 9/3. С. 123-127.
Kuznetsov M.A., Barannikova S.A., Zemin E.A., Filonov A.V., Kartcev D.S. Methods for defining the concentration of nanostructured powders in protective gas and its effect on the microstructure of deposit metal // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 770. P. 28-33.
 Влияние на микроструктуру наплавленного металла наноструктурированных порошков | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2017. № 8. DOI: 10.17223/24135542/8/4

Влияние на микроструктуру наплавленного металла наноструктурированных порошков | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2017. № 8. DOI: 10.17223/24135542/8/4