Structure and properties of the fixed joint of Ti-6Al-4V titanium alloy obtained by friction stir welding.pdf Введение Сварка трением с перемешиванием (СТП) является актуальным методом соединения деталей, который позволяет получать сварные швы с прочностью, превышающей прочность основного металла [1, 2]. В настоящее время этот вид сварки успешно используется для получения неразъемных соединений легких и пластичных материалов, таких как алюминиевые или магниевые сплавы [2, 3], которые распространены в авиационной и космической промышленности благодаря своей высокой удельной прочности и коррозионной стойкости. Этими свойствами обладают и титановые сплавы, также получившие применение в указанных отраслях. Однако при использовании традиционных методов соединения данных сплавов возникают дефекты [4]. Решением проблемы могло бы быть применение сварки трением с перемешиванием, но, в отличие от алюминиевых сплавов, при применении ее к титановым сплавам имеет место высокий износ инструмента. В настоящее время при сварке трением с перемешиванием титановых сплавов используются инструменты, изготовленные из вольфрамовых, кобальтовых, молибденовых и других сплавов. Все они имеют определенные недостатки. Например, наиболее популярный инструмент для СТП титановых сплавов, изготавливаемый из твердых сплавов на основе карбида вольфрама, имеет высокую степень износа из-за хрупкости, что исключает его использование в промышленных масштабах [5]. Инструмент из вольфраморениевых сплавов дорог и сложен в изготовлении [6, 7]. Инструмент из поликристаллического кубического нитрида бора хорошо работает при СТП сталей, но при сварке титановых сплавов обнаруживает высокое химическое взаимодействие с ними [8-9], из-за чего в получаемых соединениях появляются бориды и нитриды титана, охрупчивающие шов. Это ограничивает применение подобных материалов при сварке титановых сплавов. Возможным решением проблемы высокой хрупкости или высокой стоимости инструментов, используемых для сварки титановых сплавов, может стать применение жаропрочных сплавов на основе никеля, которые используются, как правило, для газотурбинных установок, работающих при повышенных температурах [10]. Такие инструменты уже применялись при обработке трением с перемешиванием (ОТП) титановых сплавов ВТ1-0 (титановый α-сплав), ОТ4-1 (титановый α' сплав) [11-13], но в работе [14] авторами был обнаружен износ рабочего инструмента, изготовленного из жаропрочных сплавов на основе никеля ЖС6У при сварке и обработке трением с перемешиванием титанового сплава ВТ1-0. Однако неразъемные соединения титановых (α+β)-сплавов, полученные методом сварки трением с перемешиванием при помощи инструментов, изготовленных из жаропрочных сплавов на основе никеля, не рассматривались. Целью данной работы является получение и исследование неразъемных соединений титановых (α+β)-сплавов на примере сплава ВТ6 из листового проката сваркой трением с перемешиванием при помощи инструмента, изготовленного из жаропрочного сплава ЖС6У на основе никеля при дополнительном жидкостном охлаждении инструмента. Материалы и методы исследования Неразъемные соединения листов титанового сплава ВТ6 толщиной 2.5 мм получали методом сварки трением с перемешиванием. Марочный состав сплава ВТ6 приведен в табл. 1. Таблица 1 Марочный состав титанового сплава ВТ6, мас.% Fe C Si V N Ti Al Zr O H Примеси ≤ 0.6 ≤ 0.1 ≤ 0.1 3.5-5.3 ≤ 0.05 86.45-90.9 5.3-6.8 ≤ 0.3 ≤ 0.2 ≤ 0.015 другие 0.3 В качестве материала для инструмента использовался жаропрочный сплав на основе никеля (табл. 2). Таблица 2 Марочный состав сплава ЖС6У, мас.% Fe Pb Cr Ce Mo Zr B ≤ 1 ≤ 0.001 8-9.5 ≤ 0.02 1.2-2.4 ≤ 0.04 ≤ 0.035 W Y Co Nb Ti Al Bi 9.5-11.0 ≤ 0.01 9-10.5 0.8-1.2 2-2.9 5.1-6 ≤ 0.0005 C P Si Mn Ni S Ni 0.13-0.2 ≤ 0.015 ≤ 0.4 ≤ 0.4 54.3-62.7 ≤ 0.01 54.3-62.7 Параметры процесса сварки были выбраны в соответствии с ранее полученными результатами [15], однако в связи с изменением геометрии инструмента возникла необходимость его корректировки (табл. 3). Таблица 3 Технологические параметры сварки трением с перемешиванием Номер шва Fp, кг Fw, кг ω, об/мин V, мм/мин L, мм 24 4300 4500 360 86 75 25 4300 4500 340 86 75 27 4300 4500 380 86 75 Примечание: Fp - усилие на инструменте при его внедрении в образец; Fw - усилие на инструменте в процессе сварки; V - скорость движения инструмента (скорость сварки), ω - скорость вращения инструмента в процессе сварки; L - длина прохода (расстояние полученного соединения). В процессе эксперимента варьировалось усилие внедрения и время внедрения, благодаря чему предварительный разогрев был различным. Образцы для структурных исследований, вырезанные перпендикулярно направлению сварки, шлифовали на шлифовальных бумагах от Р180 до Р2000 и затем полировали алмазной пастой АСМ 1/0. Микроструктуру сварного соединения изучали при помощи оптического и растрового электронного микроскопов с приставкой для энергодисперсионного анализа. Изображения поверхности изломов были получены на сканирующем электронном микроскопе с полевой эмиссией (FEG SEM) Apreo 2 S (Thermo Fisher Scientific), оснащенном детектором энергодисперсионного спектрального анализа (ЭДС/EDS) Octane Elect Super (EDAX). Испытания сварных соединений на статическое растяжение проводили на испытательной машине УТС 110М-100 при комнатной температуре. Плоские образцы вырезались поперек сварного соединения, сварной шов располагался в центре рабочей части образцов. Результаты и их обсуждение На рис. 1 показана схема формирования неразъемного стыкового соединения листов из титанового сплава ВТ6 методом СТП. В процессе формирования соединения в зоне шва создавалась защитная атмосфера из аргона для предотвращения окисления титанового сплава. Рис. 1. Схема формирования методом СТП стыкового соединения Макроскопические изображения поперечного сечения образцов, полученных в процессе сварки, показаны на рис. 2. В образцах наблюдается типичная макроструктура соединений СТП [16], но с рядом особенностей. На них выделяются макроструктурные зоны, характерные для СТП-соединений титановых сплавов: 1) зона перемешивания (ЗП), 2) зона термического воздействия (ЗТВ), 3) зона основного металла (ОМ). Зона перемешивания, формируемая контактом с плечами инструмента, располагается в области непосредственного контакта с инструментом. Ниже находится зона перемешивания, контактируемая со штифтом инструмента. Зона термического влияния достаточно узкая, а зона термомеханического воздействия на макроструктурных изображениях не определяется и расположена между ЗП и ЗТВ. Макродефекты в виде несплошностей были обнаружены в соединениях, полученных по режимам 24 и 25. Возникновение данных дефектов вызвано низкой скоростью вращения инструмента. Во всех образцах имеются инородные тела в нижней части зоны перемешивания, а также на границе наступающей стороны зоны перемешивания и зоны термического воздействия. Предыдущие работы [13, 15] показывают, что данные Рис. 2. Макроструктура СТП-соединений титанового сплава ВТ6 в поперечном сечении включения по химическому составу совпадают со сплавом ЖС6У, из которого был изготовлен сварочный инструмент. Такой слой образуется в процессе трибологического взаимодействия инструмента из сплава ЖС6У и титанового сплава при высоких температурах с сопутствующими процессами взаимного растворения материалов трибосопряжения. При травлении возник высокий градиент яркости между верхней частью сварного соединения и нижней частью. Его можно объяснить интенсивной пластической деформацией, которой подвергается материал. Она, в свою очередь, вызвана термомеханическим воздействием, оказываемым плечами инструмента, когда на нижнюю часть соединения оказывает влияние лишь штифт инструмента. Теплопроводность титановых сплавов меньше алюминиевых, и в процессе сварки происходит локальный перегрев. Впоследствии данная область рекристаллизуется повторно с ростом зерна. При сдвигах в этом месте возникают области локализованной деформации, которые при травлении осветляются. Такие объекты выявляются только при травлении. По всей видимости это вызвано меньшей разницей между диаметром плеч и диаметром основания штифта. На рис. 3 представлены снимки образцов лопаток сварных соединений титанового сплава ВТ6 до (а) и после механических испытаний на растяжение (б). При использовании режимов 24 и 25 разрушение происходило по материалу зоны перемешивания, что свидетельствует о дефектах в соединении, выявленных металлографически. В этих случаях разрыв происходил по зоне перемешивания, затрагивая наступающую сторону соединения, на которой находился дефект. У образца 27 разрыв произошел по основному металлу с образованием трещины под углом 45 к оси образца, что говорит о том, что прочность сварного соединения выше прочности основного металла. Рис. 3. Образцы неразъемных соединений титанового сплава ВТ6, полученного методом сварки трением с перемешиванием, до испытаний (a) и после испытаний (б) В табл. 4 представлены результаты механических испытаний образцов титанового сплава ВТ6 толщиной 2.5 мм, полученных методом сварки трением с перемешиванием. Прочность образцов, полученных по большинству режимов, превышает 90% от предела прочности основного материала. Наиболее прочными являются соединения, полученные при использовании режима 24. В данном режиме получено и наименее прочное значение, что говорит о его нестабильности. Среднее значение предела прочности шва, полученного при использовании режима 27, было выше, что указывает на его стабильность: изменения прочности по длине соединения минимальны. Таблица 4 Влияние параметров сварки трением с перемешиванием на свойства соединений Режим P, кг , об/мин 1, МПа 2, МПа 3, МПа < >, МПа 24 4500 360 1055.2 458.4 1046.3 853.3 25 4500 340 1048.7 800.7 740.8 863.4 27 4500 380 1036 1012.6 1051.6 1033.4 Примечание: 1, 2, 3 - пределы прочности соединения, полученные при 1, 2, 3 испытании соответственно; < > - среднее значение предела прочности материала, полученное при испытаниях. На рис. 4 изображены диаграммы испытания образцов титанового соединения ВТ6, полученных при различных режимах сварки трением с перемешиванием. Относительное удлинение полученных соединений уменьшилось в сравнении с исходным материалом, несмотря на то, что предел прочности превышает прочность исходного материала. Это обусловлено тем, что в процессе СТП происходит интенсивная пластическая деформация материала, приводящая к измельчению зерна и увеличению зернограничного упрочнения в соответствии с эффектом Холла - Петча. Результаты работы [13] показывают, что в процессе СТП размер зерна титановых сплавов уменьшается в 10 раз. При этом частично эффект увеличения прочности соединений за счет измельчения зерна уменьшается благодаря тому, что в зоне перемешивания высокое значение имеет термическое воздействие, приводящее к получению рекристаллизованной зеренной структуры. Это снижает типичное для листового проката упрочнение за счет наклепа материала. Рис. 4. Диаграммы пластического течения образцов, полученные при механических испытаниях Фрактографический анализ зоны разрушения образцов (рис. 5) показывает, что при испытаниях на статическое растяжение титановый сплав разрушался вязко как в зоне основного материала, так и в зоне перемешивания. Об этом свидетельствует ямочное строение излома. Рис. 5. SE/BSE-изображения участка сварного шва При разрушении в областях, где излом затрагивал фрагменты материала инструмента, замешанные в шов, строение излома изменялось. В данных местах также наблюдалось ямочное строение излома, но ямки были ориентированы под углом к направлению разрыва и, в целом, вязкость разрушения, судя по строению излома, была ниже. Это могло произойти по нескольким причинам: во-первых, твердость сплава ЖС6У выше твердости титанового сплава ВТ6. Во-вторых, при испытаниях образцов сварных соединений ось растяжения была перпендикулярна к направлению сварки. В таком случае материал сплава ЖС6У, замешанный в титановое соединение, оказывается под некоторым углом к направлению действующих в зоне разрушения напряжений. Соответственно, в отличие от материала ВТ6, на который при испытаниях действуют только механические нагрузки на растяжение, материал ЖС6У, предположительно, испытывает также сдвиговые нагрузки. В результате у данных включений наблюдается ямочное строение излома под иным углом, чем у материала ВТ6, хотя оба материала испытывали вязкое разрушение. При этом варьирование режимов позволило получить соединение с прочностью не ниже прочности исходного материала. Выводы Таким образом, образцы листового проката титанового сплава ВТ6 были успешно сварены встык с использованием технологии сварки трением с перемешиванием и рабочего инструмента, изготовленного из жаропрочного сплава на основе никеля ЖС6У с применением жидкостного охлаждения. В процессе эксперимента варьировались параметры сварки. Впоследствии методами оптической микроскопии в зоне перемешивания обнаружено образование дефектов при низких скоростях вращения инструмента и их нивелирование при повышении частоты. Показано, что фрагменты инструмента при СТП замешиваются в неразъемное соединение. Но при использовании оптимального режима сварки данный фактор не влияет на общую прочность соединения. Механические испытания образцов СТП соединения показали, что при наиболее оптимальном режиме возможно получить соединение с прочностью не ниже прочности основного металла. При этом инструмент из жаропрочного сплава на основе никеля ЖС6У устойчив к износу при повышенных термомеханических нагрузках в условиях СТП титановых сплавов. Рабочий инструмент из жаропрочного сплава ЖС6У с применением жидкостного охлаждения позволил получить более одного метра сварного соединения титанового (α+β)-сплава. При этом инструмент остался в рабочем состоянии и был пригоден для дальнейших сварочных работ. Исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН.

Скачать электронную версию публикации