УДК 621.791.755.5
DOI: 10.15587/1729-4061.2021.240154
Анализ металлургического взаимодействия при дуговой наплавке барьер- ных слоев на титан для предотвращения образования интерметаллидов в соединениях «титан-сталь»
В. Н. Коржик, В. Ю. Хаскин, А. А. Гринюк, О. В. Ганущак, В. А. Щерецкий, С. И. Пелешенко, О. В. Конорева, А. И. Демьянов, Н. М. Фиалко,
В. В. Квасницкий
Розглянуто можливість отримання якісних стикових з'єднань біметале- вих листів зі сталі, плакованої шаром титану, із застосуванням бар'єрних прошарків. Вирішувалася задача запобігання утворенню інтерметалідних фаз (ІМФ) Ti-Fe між сталлю і титановим шаром. Наплавлення бар'єрних прошар- ків (висотою ~0.5 мм) з ванадію і мідних сплавів виконувалося дуговими спосо- бами з мінімізацією рівня термічного впливу на основний метал. Для цього за- стосовували плазмове наплавлення зі струмопровідним дротом і імпульсне MAG наплавлення. Отримані зразки досліджували методами металографії, рентгеноспектрального мікроаналізу, дюрометріческого аналізу. Встановлено, що при наплавленні шару ванадію на поверхню титану, утворюється бездефе- ктна структура змінного складу (53.87–65.67) мас. % Ti з (33.93–45.54) мас. % V без ІМФ. Подальше наплавлення сталі на шар ванадію призводить до форму- вання евтектики (твердістю до 5523 МПа) в зоні сплавлення, а також до утворення тріщин. Для запобігання утворенню ІМФ проведено наплавлення шару бронзи CuBe2 на поверхню ванадію. Шар, який формувався при цьому, сприяв утворенню сітки гарячих тріщин. У зонах переходу титан-ванадій-мідь (шириною 0,1–0,2 мм) спостерігалася крихка фаза. Для усунення цього недоліку бронзу CuBe2 замінили бронзою CuSi3Mn1 і отримали бездефектне з’єднання.
У разі використання бар'єрного шару з CuSi3Mn1 отримано бездефектне з’єднання (10–30 %Ti, 18–50 %Fe, 5–25 %Cu). Проведені дослідження дозволя- ють рекомендувати CuSi3Mn1 як бар’єрний прошарок для зварювання бімета- левих листів «сталь-титан». Одним із застосувань результатів досліджень може бути зварювання повздовжношовних труб магістральних нафто- і газо- проводів, сформованих з біметалевих листів сталі, плакованої титаном.
Ключові слова: біметал сталь-титан, бар’єрний прошарок, структура, інтерметалідні фази, границя розділу.
1. Введение
При изготовлении различных изделий в современной промышленности используются плакированные биметаллы [1]. Часто в таких металлах для до- стижения конструктивной прочности используется стальной слой, а для корро- зионной стойкости – титановый. Обычно биметаллические листы класса «сталь – титан» получают горячей прокаткой или плакированием взрывом [2]. Суще- ствует задача изготовления из этих листов сварных труб для магистральных
Not
a reprint
нефте- и газопроводов [3]. Наличие титанового и стального слоев в сочетании с требованиями, предъявляемыми к прочности и коррозионной стойкости свар- ных соединений, вызывают ряд проблем. В первую очередь – возникновение твердых и хрупких интерметаллидов Fe-Ti, способствующих трещинообразова- нию и разрушению соединений [4]. Актуальной является задача разработки технологических приемов сварки листов плакированной титаном стали, кото- рые при сравнительно невысоких затратах позволят получать конструкции тре- буемого качества.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
В работе [4] изучалась проблематика сварки стыковых соединений листов из стали, плакированной слоем титана. Результаты исследований показали, что основной проблемой снижения прочности при одновременном расплавлении стали и титана является опасность образования интерметаллидных фаз типа Fe2Ti и FeTi. Такие фазы обладают высокой твердостью и хрупкостью. Они приводят к снижению прочности сварного соединения и образованию трещин в зоне сплавления, что вызывает его разрушение. Для устранения этой проблемы в работе [5] рекомендуется использовать барьерные прослойки. Показано, что создание таких прослоек между сталью и титаном предохраняет от перемеши- вания этих двух металлов при сварке.
Именно такой подход использован в работе [6]. В ней при сварке титанового Ti6Al4V сплава и нержавеющей стали SS316 для устранения образования хрупких интерметаллидов Ti-Fe предложено использовать барьерную прослойку из не- скольких (трех) металлов. Для изготовления соединения на сплав Ti6Al4V при помощи лазерной порошковой наплавки (LMD) послойно осаждали V, Cr и Fe.
Получаемая в результате переходная композиция Ti6Al4V→V→Cr→Fe→SS316 позволила избежать появления интерметаллидных фаз между Ti6Al4V и SS316.
Отметим, что использование лазерного излучения для сварки биметаллических соединений не всегда экономически оправдано. Улучшить экономический показа- тель можно за счет частичной замены лазерной энергии более дешевой дуговой путем использования гибридных лазерно-дуговых процессов [7].
Однако увеличение количества наносимых слоев увеличивает время изго- товления соединения и одновременно повышает его стоимость. В работе [8] для соединения титанового сплава ПТ-3В с нержавеющей сталью 08Х18Н10Т пред- ложено использовать промежуточный слой из ультрадисперсного порошка ни- келя. Это значительно упрощает получения соединения. Однако используемая при этом диффузионная сварка имеет низкую производительность. Значитель- ного повышения производительности позволяет достичь сварка взрывом [9]. Но такой способ сварки может применяться лишь для весьма ограниченного числа задач – в основном для изготовления переходных элементов. Таким образом, желательно использовать одно- или двуслойную барьерную прослойку, нано- симую простым, высокопроизводительным и широко доступным методом.
Для повышения экономичности процесса получения неразъемных соеди- нений биметаллических листов «сталь-титан» целесообразно предпринять сле- дующие шаги:
For reading
only
– выбрать доступный и недорогой способ нанесения барьерной прослойки;
– выбрать доступный и экономически приемлемый материал (или матери- алы) создаваемой прослойки;
– отработать технологические приемы, позволяющие наносить барьерную прослойку с максимальной производительностью.
Наиболее доступными и недорогими способами нанесения барьерных про- слоек являются способы дуговой наплавки [10]. Их применение для наплавки барьерных прослоек требует минимизации уровня термического влияния на ос- новной металл. Поэтому желательно исключить либо уменьшить наличие ка- тодного либо анодного пятна и время его существования [11]. Одним из спосо- бов достижения такого результата является применение плазменной наплавки с токоведущей проволокой [12]. Для снижения теплового влияния на основной металл в этом случае целесообразно применять плазмообразующее сопло, име- ющее больший диаметр по сравнению с диаметром сопла обычной PAW наплавки [13]. Другим способом снижения тепловложения при нанесении барь- ерных прослоек может быть использование импульсной MAG наплавки [14].
Оба эти способа применялись в описанных экспериментальных исследованиях.
Титан удовлетворительно сваривается с ограниченным количеством ме- таллов, а именно с цирконием, гафнием, ниобием, танталом и ванадием [5]. Из этих металлов только ванадий при сварке со сталью (железом) образует непре- рывный ряд твердых растворов, а потому может применяться в качестве мате- риала барьерной прослойки (рис. 1). Он обеспечивает подавление образования хрупких интерметаллидов титана с железом в расплавленном состоянии. Ис- следования [15] показывают, что Ti и Fe образуют с V твердые растворы, в пе- реходной зоне контакта имеет место твердый раствор переменной концентра- ции, который характеризуется повышенной твердостью по сравнению с твердо- стью свариваемых металлов.
а б
Рис. 1. Диаграммы состояния: а – Ti с V; б – Fe с V [15]
Not
a reprint
Для более детального изучения вопроса металлургического взаимодей- ствия ванадия с титаном и сталью в сварочных процессах с использованием плазменной наплавки с токоведущей проволокой и импульсной Р-MAG наплав- ки необходимо провести ряд соответствующих экспериментов. С учетом тем- ператур плавления ванадия (1910 °С) и углеродистой стали (порядка 1450–
1520 °С) для наплавки барьерного слоя на титан и слоев стали на барьерный слой целесообразно использовать различные по концентрации теплового ис- точника способы [16]. Для нанесения ванадия больше подходит плазменная наплавка с токоведущей проволокой, а стальных слоев – импульсная наплавка дугой плавящегося электрода (Р-MAG).
3. Цели и задачи исследования
Целью исследования является выявление особенностей металлургического взаимодействия различных металлов с титаном и сталью, как основы для эф- фективной дуговой наплавки барьерных прослоек, формируемых при получе- нии качественных стыковых соединений биметаллических листов из стали, плакированной слоем титана.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
– наплавка прослойки ванадия на титан и изучение полученных образцов;
– наплавка слоя ванадия на сталь и изучение полученных образцов;
– наплавка стали на слой ванадия, ранее наплавленный на титан, и изуче- ние полученных образцов;
– последовательная наплавка на титан прослоек ванадия и бронзы с после- дующей наплавкой стали (соединение «титан – ванадий – бронза – сталь»), изу- чение полученных образцов;
– наплавка слоя бронзы на титан с последующей наплавкой стали, изуче- ние полученных образцов.
4. Материалы и методы исследований 4. 1. Объект и гипотеза исследования
Объектом исследований являлось металлургическое взаимодействие при дуговой наплавке между металлом барьерного покрытия (ванадий, бронзы CuВе2 и CuSi3Mn1), а также титаном ВТ1-0 и сталью типа Q235 (составляю- щими биметаллического листа титан – сталь). При этом барьерное покрытие должно наплавляться на титан (лист толщиной 2 мм) с последующей наплавкой стали (толщиной до 10 мм).
Основной гипотезой исследования было предположение о том, что исполь- зование барьерного покрытия из одного или двух указанных металлов при ду- говой наплавке позволит избежать образования хрупких интерметаллидных фаз Fe-Ti. При этом между титаном и сталью будет сформирована бездефектная пе- реходная зона, имеющая ширину в пределах от 0,1 до 1,0 мм. В такой зоне до- пустима размытость и нечеткая выраженность границ сплавления металлов.
Однако при этом обязательным является наличие металлургического контакта (сплавления) барьерных слоев со слоями титана и стали.
For reading
only
Для упрощения проведения экспериментов барьерные слои наплавляли на пластины титана (толщиной 2 мм) и стали (толщиной 10 мм). В случае удовле- творительных результатов после наплавки барьерного покрытия на титан по- верх него в один проход наплавляли слой стали (толщиной порядка 1–2 мм).
Удовлетворительными результатами наплавки барьерного покрытия считали отсутствие в нем трещин и качественное формирование наплавляемого валика.
Наплавку выполняли импульсным МАG (Р-MAG) и плазменными способами.
4. 2. Методика наплавки образцов
Выполняли многопроходную наплавку на пластину из титана ВТ1-0 тол- щиной 2 мм или углеродистой стали типа Q235 толщиной 10 мм (табл. 1). Для снижения тепловложения минимизировали высоту наплавляемого валика при нанесении барьерной прослойки и последующего стального слоя. Использовали плазменную наплавку с токоведущей проволокой и/или Р-MAG наплавку [12–
14]. Для улучшения качества формирования наплавляемых валиков использо- вали поперечные колебания сварочной горелки.
Материал прослойки в виде проволоки диаметром 1.0 мм из ванадия (V-2, табл. 1) и бронз CuSi3Mn1 и CuВе2 (табл. 1) наносился плазменной наплавкой с токоведущей проволокой на титановую (материал ВТ1-0, δ=2.0 мм) и стальную (сталь Q235, δ=10 мм) пластины. Поверх наплавленной на титановую пластину прослойки наплавлялась проволока ER70S-6 (Ø1.0 мм, табл. 1) Р-MAG спосо- бом. Критериями получения валиков наплавляемых металлов выбраны качество их формирования, отсутствие трещин и геометрические параметры (высота и ширина).
Таблица 1
Химический состав применявшихся материалов
Материал Содержание элементов, масс. %
Fe Ti C Si Mn Ni Cr Cu Al V P S
Основной металл образца Сталь
Q235
ос-
нова –
0.14 – 0.22
0.05 – 0.15
0.4–
0.65 <0.3 <0.
3 <0.3 – – <0.04 <0,05 Титан
ВТ1-0
<0.2 5
Ос- нова
<0.
07 <0.1 – – – – – – – –
Наплавочные (присадочные) проволоки ER70S-6
(Ø1.0 мм) ос-
нова – <0.
08
0.7–
0.95 1.8–
2.1
<0.2 5
<0.
2 <0.25 – – <0.03 <0,02 5 V-2
(Ø1.0 мм) <0,2 – 0,02 0,00
4 – – <0,
2 – <0, 1
Ос- но- ва
Прочее:
О2 0,035;
N2 0,01 CuSi3Mn1
(Ø1.0 мм) <0.3 – – 2.7–
3.5
1.0-1.
5 <0.2 – ос-
нова – –
Прочее:
Zn<0.5;
Sn<0.25 CuВе2
(Ø1.0 мм) 0.15 – – 0.15 – 0.2–
0.5 – ос- нова
0.1 5 –
Прочее:
Ве 1.8–2.1;
Pb<0.005
Not
a reprint
4. 3. Методика металлографических исследований
Для проведения металлографического анализа из наплавленных образцов вырезали поперечные темплеты и изготавливали микрошлифы. При этом при- меняли химическое травление 4 %-ным спиртовым раствором HNO3 и электро- литическое травление хромовой кислотой или 20 %-ным раствором сернокис- лого аммония. Полученные образцы исследовали методами оптической (микро- скоп Neophot-31) и электронной (микроскоп CamScan-4) микроскопии. Распре- деление компонентов в зоне сплавления и в наплавленном металле, а также наличие и состав интерметаллидных фаз, определяли при помощи рентгено- спектрального микроанализа (РСМА), выполняемого на микроанализаторе
«CAMEBAX», и электронно-зондового анализа, выполняемого на электронном микроскопе CamScan-4. Микродюрометрический анализ наплавленных образ- цов проводили на микротвердомере LECO с шагом измерения 10 мкм при нагрузке 20 г.
5. Результаты исследования металлургического взаимодействия ме- талла барьерных прослоек с титаном и сталью
5. 1. Наплавка прослойки ванадия на титан и изучение полученных образцов
Наплавку ванадиевой проволоки на титановую пластину осуществляли плазменным способом дугой прямого действия (анод – наплавляемый образец).
Такая технология использует более концентрированный источник и обеспечи- вает более контролируемый ввод тепла по сравнению с аргоно-дуговой наплав- кой. Это важно для минимизации нагрева участков биметалла в зоне термиче- ского влияния наплавочного валика и предотвращения образования интерме- таллидов на границе «титан-сталь». Для наплавки использовали присадочную ванадиевую проволоку V-2 (Ø1.0 мм, табл. 1) и плазмообразующее сопло диа- метром 2 мм. Для увеличения ширины наплавляемого валика применяли попе- речные колебания плазмотрона с позиционером проволоки, закрепленном на нем. Режимы наплавки приведены в табл. 2. В первом случае наплавку выпол- няли без защиты хвостовой части шва (рис. 2), а во втором – с защитой (рис. 3).
Таблица 2
Режимы наплавки ванадиевой проволоки V-2 на титановую пластину
№ об- раз ца
Сва- роч- ный ток, А
Напр яже- ние на дуге,
В Га
з
Расход плаз- мооб- разу- ющего
газа, л/мин.
Рас- ход за- щит-
ного газа, л/мин.
Расход газа
са- пожка, л/мин.
Расход газа подду-
ва, л/мин.
Ско рост ь свар
ки, мм/
мин.
Ско- рость подачи
прово- локи, м/мин.
Ам- пли- туда
ко- ле- ба- ния,
мм
Ско- рость
ко- ле- ба- ния, мм/с.
1 120 22.4 Ar 0.4 25 – 30 200 0.5 4 40
2 120 23.4 Ar 0.4 25 30 30 200 0.5 4 40
For reading
only
а
б
Рис. 2. Соединение Ti-V (образец № 1, табл. 2): а – внешний вид; б – макро- структура
а
б
Рис. 3. Соединение Ti-V (образец № 2, табл. 2): а – внешний вид; б – макро- структура
Слой ванадия на образце № 1 (табл. 2), является достаточно равномерным (рис. 2, а). Металлографическое и микрорентгеноспектральное исследования полученного соединения ванадий–титан показывают, что в зоне сплавления об- разуется структура переменного химического состава (рис. 4, 5, табл. 3). В ре- зультате взаимной диффузии элементов на границе раздела в исследованном участке, переходная зона представляет собой непрерывный ряд твердых рас- творов Ti с V переменного состава: (70.54–77.83) % Ti и (28.3–21.89) % V. При помощи рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) обнаружены диффузи- онные зоны значительных размеров без образования интерметаллических фаз.
Со стороны титана она имеет структуру, характерную для фазы α-Ti, и со сто- роны ванадия – прослойку, легированную титаном. Хрупкие фазы на границе соединения и в переходной зоне не образуются. Граница раздела между вана- диевой наплавкой и титаном – бездефектная.
Исследование наплавки образца № 1 (табл. 2) показало, что в связи с высокой химической активностью титана при взаимодействии с атмосферным воздухом целесообразно усилить газовую защиту горячей части шва. Поэтому при наплавке образца № 2 (табл. 2) применили такую защиту. Определено (рис. 6, 7, табл. 4),
Not
a reprint
что узкий интервал кристаллизации способствует затвердеванию металла с незна- чительным изменением состава: Ti (78.73; 78.14; 78.49) масс. % и V (20.96; 21.54;
21.24) масс. %. Это создало благоприятные условия для получения однородной наплавки металла по всему сечению в соединении. Уровень микротвердости в об- ласти наплавки повышается в среднем с 2500 МПа до 3750 МПа (рис. 8). Этот эф- фект, вероятно, связан с упрочнением ванадия за счет растворения титана.
а б
Рис. 4. Переходная зона соединения Ti-V: а – микроструктура; б – распределе- ние компонентов (электронно-зондовый анализ CamScan-4)
Рис. 5. Локальные участки определения содержания элементов в переходной зоне Ti-V (образец № 1, табл. 2) методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) Таблица 3
Содержание (масс. %) элементов в локальных участках переходной зоны Ti-V (рис. 5), определенное методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА)
Spectrum Химический состав, масс. %
Al Ti V Fe Total
Spectrum 1 0.42 99.58 – – 100
Spectrum 2 0.45 95.44 2.9 1.21 100
Spectrum 3 0.34 89.08 9.33 1.25 100
Spectrum 4 – – 100 – 100
Spectrum 5 0.35 93.92 4.16 1.58 100
For reading
only
а б
Рис. 6. Переходная зона соединения Ti-V: а – микроструктура; б – распре- деление компонентов (электронно-зондовый анализ CamScan-4)
Рис. 7. Локальные участки определения содержания элементов в переход- ной зоне Ti-V (образец № 2, табл. 2) методом рентгеноспектрального микро- анализа (РСМА)
Таблица 4
Содержание (масс. %) элементов в локальных участках переходной зоны Ti-V (рис. 7), определенное методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА)
Spectrum Химический состав, масс. %
Al Ti V Total
Spectrum 1 0.43 99.57 – 100
Spectrum 2 0.31 78.73 20.96 100
Spectrum 3 0.32 78.14 21.54 100
Spectrum 4 0.27 78.49 21.24 100
Таким образом, выполненную по описанной технологии наплавку ванадия на титан с применением дополнительной газовой защиты можно считать успешной.
Not
a reprint
Рис. 8. Распределение микротвердости в зоне соединения Ti-V
5. 2. Наплавка слоя ванадия на сталь и изучение полученных образцов Нанесение ванадия на стальную пластину марки Q235 (табл. 1) толщиной 8 мм выполняли плазменной наплавкой, аналогично табл. 2. Для наплавки ис- пользовали присадочную ванадиевую проволоку V-2 (Ø1.0 мм, табл. 1) и плаз- мообразующее сопло диаметром 2 мм. Позиционер проволоки закреплялся на плазмотроне и вместе с ним совершал поперечные колебания в процессе наплавки. Режим наплавки приведен в табл. 5, внешний вид полученной до- рожки на рис. 9.
Таблица 5
Режим наплавки ванадиевой проволоки V-2 на пластины из стали типа Q235
Сва- роч- ный ток, А
Напр яже- ние на дуге,
В
Газ
Расход плазмо- образу- ющего газа, л/мин.
Расход защит-
ного газа, л/мин.
Расход газа сапож-
ка, л/мин.
Расход газа подду-
ва, л/мин.
Ско- рость свар- ки, м м/ми н.
Ско- рость подачи прово- локи, м/мин.
Ам- пли- туда коле- ба- ния,
мм
Ско- рость коле-
ба- ния, мм/с.
150 – Ar 0.4 25 30 30 200 0.5 4 40
а
б
Рис. 9. Наплавка ванадиевой проволоки V-2 на пластину из стали типа Q235:
а – внешний вид; б – макроструктура
For reading
only
Микроструктура металла наплавки при разном содержании ванадия в ме- талле наплавки показана на рис. 10, 11. Металлографические исследования по- казали, что на границе сплавления стали с ванадием наблюдается образование трещин. Также присутствует мелкая микропористость. На границе ванадий- сталь наблюдается зона взаимной диффузии со следующим составом: 47.7 % Fe и 52.3 % V (рис. 11, табл. 6).
Металлографический анализ показал, что в структуре переходной зоны сплавления по всему периметру со стороны стали образуется участок металла, обогащенный ванадием, представляющий собой твердый раствор ванадия в стали. Как следует из диаграммы состояния Fe-V [14], появляется возможность образования хрупких интерметаллидов. Ограничение содержания ванадия в ме- талле (до 8–10 %) предотвращает их образование в зоне сплавления по границе соединения. По диаграмме состояния теоретически опасным является содержа- ние ванадия свыше критического значения 15 масс. % в составе металла. При повышении содержания ванадия в шве происходит выделение хрупкой фазы.
Значительное повышение содержания ванадия в металле наплавки (в нашем случае от 42.57 до 75.77 масс. %, рис. 11, табл. 6) приводит к появлению тре- щин на границе сталь-ванадий. Для создания бездефектного соединения вана- дия со сталью необходимо применение прослойки, которая осуществляет предотвращение образования хрупкой фазы в зоне сплавления.
Анализ распределения микротвердости выполняли по высоте наплавлен- ных образцов с шагом 5 мкм (рис. 12).
Установили, что твердый раствор по линии сплавления в переходной зоне переменной концентрации характеризуется повышенной твердостью по срав- нению с твердостью свариваемых металлов (ванадия и стали) и составляет до 5523 МПа.
а б
Рис. 10. Переходная зона соединения V-Fe: а – микроструктура; б – распреде- ление компонентов (электронно-зондовый анализ CamScan-4)
Not
a reprint
Рис. 11. Локальные участки определения содержания элементов в переходной зоне V-Fe (образец № 1, табл. 5) методом рентгеноспектрального микроанализа
(РСМА) Таблица 6
Содержание (масс. %) элементов в локальных участках переходной зоны V-Fe (рис. 11), определенное методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).
Spectrum Химический состав, масс. %
V Mn Fe Total
Spectrum 1 42.57 – 57.43 100
Spectrum 2 42.83 – 57.17 100
Spectrum 3 75.77 – 24.23 100
Spectrum 4 74.9 0.2 24.9 100
Spectrum 5 65.14 – 34.86 100
Spectrum 6 52.3 – 47.7 100
Spectrum 7 – – 100 100
Рис. 12. Распределение микротвердости в зоне соединения сталь-ванадий 5. 3. Наплавка стали на слой ванадия, ранее наплавленный на титан, и изучение полученных образцов
На прошабренную титановую пластину толщиной 2 мм выполнялась наплавка слоя № 1 ванадия с поперечными колебаниями сварочной головки.
После чего поверх слоя № 1 наплавляли слой № 2 стали (табл. 7):
For reading
only
– слой № 1: плазменная наплавка косвенной дугой токоведущей ванадие- вой проволоки-анода V-2 (Ø1.0 мм, табл.1), диаметр плазмообразующего сопла 4 мм размеры получаемого валика: ширина 8.5 мм, высота 0.75 мм;
– слой № 2: импульсная МАG наплавка стальной проволокой ER70S-6 (Ø1.0 мм, табл. 1); размеры получаемого валика: ширина 8.5 мм, высота 2.7 мм.
Способ плазменной наплавки слоя № 1 косвенной дугой с токоведущей вана- диевой проволокой-анодом V-2 на пластину из титана ВТ1-0 был выбран с пози- ций минимизации тепловложения с целью предотвращения образования интерме- таллидных фаз. С этой же целью выбрали плазмообразующее сопло Ø4 мм. Выбор импульсной МАG наплавки слоя № 2 стальной проволокой ER70S-6 поверх наплавленного слоя V-2 был связан с необходимостью повышения производи- тельности при сохранении сравнительно невысокого тепловложения.
Было выполнено несколько образцов на различных по энерговложению режимах (табл. 7). Во всех образцах в корневой части стального слоя (возле границы ванадий-сталь) наблюдались трещины. В качестве характерного при- мера на рис. 13 представлены внешний вид и поперечное сечение образца № 2.
Таблица 7
Режимы наплавки слоя № 1 ванадиевой проволоки V-2 на титан и слоя № 2 проволоки ER70S-6 на слой № 1
№ об ра зц а
№ сло я на пл ав- ки
Сва роч- ный ток, А
Нап ря- же- ние
на ду- ге, В
Газ
Расход плаз- мооб- разу- ющего
газа, л/мин.
Рас- ход за- щит ного газа, л/ми
н
Рас- ход газа са- по- жка, л/ми
н.
Рас- ход газа под-
ду- ва, л/ми
н.
Ско- рост ь свар
ки, см/м ин.
Ско- рость подачи
прово- локи, м/мин.
Ам- пли- туда
ко- ле- ба- ний,
мм
Ско- рост ь ко- ле- ба- ний, мм/с . 1
1 80 20 Ar 0.6 25 30 30 200 0.7 6 40
2 45 14.5
82 % Ar+18 %
СО2
- 25 - - 200 2.1 4 40
2
1 85 20 Ar 0.6 25 30 30 20 0.7 7 40
2 45 14.5
82 % Ar+18 % СО2
- 25 - - 20 2.1 3 40
3 1 120 22.4 Ar 0.4 25 – 30 200 0.5 4 40
2 120 16 Ar 0.4 25 – 30 200 0.5 4 40
Добавки железа к соединению Ti-V показали отрицательное влияние на прочность соединения. Растворимые в жидком состоянии Fe и V, не имеющие взаимной растворимости в твердом состоянии, образуют эвтектики. Микро- структура представляет собой твердый раствор с формированием эвтектики (рис. 14, 15). При превышении содержания железа в металле наплавки от 27.42 % до 43.25 % (табл. 8), вследствие чрезмерно интенсивного перемешива-
Not
a reprint
ния расплава стали и ванадия практически на всех режимах наплавки, наблюда- ется образование трещин.
а
б
Рис. 13. Наплавка ванадиевой проволоки V-2 и стали на титан (образец № 2, табл. 7): а – внешний вид; б – макроструктура
а б
Рис. 14. Переходная зона соединения Ti-V-Fe: а – микроструктура; б – распре- деление компонентов (электронно-зондовый анализ CamScan-4)
а б
Рис. 15. Определение содержания элементов в переходной зонах Ti-V-Fe (обра- зец № 3, табл. 7) методом рентгеноспектрального микроанализа )РСМА(: a, б –
локальные участки
For reading
only
Таблица 8
Содержание (масс. %) элементов в локальных участках переходных зон Ti-V-Fe (рис. 15), определенное методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА)
Образец № 3 в зоне рис. 15, а Образец № 3 в зоне рис. 15, б Spectru
m
Химический состав, масс. %
Spectru m
Химический состав, масс. % Si Ti V Fe Tota
l Al Si Ti V Mn Fe Tota
l Spectru
m 1 – 100 – – 100 Spectru m 1
0,3 3
0,1 2
53,8 2
17,9 2
0,3 9
27,4
2 100 Spectru
m 2
0,3 9
67,7 5
31,8
5 – 100 Spectru m 2
0,2 2
0,4 5
37,7 1
21,5 7
0,6 2
39,4
4 100 Spectru
m 3 0,5 67,5 6
31,9
4 – 100 Spectru m 3
0,1
5 0,2 48,2
6 8,01 0,1 4
43,2
5 100 Spectru
m 4
0,5 1
51,2 5
16,4 5
31,7
8 100 Spectru
m 4 0,2 0,4 2
55,7 3
10,0
8 0,2 33,3
7 100
– – – – – – Spectru
m 5
0,1 6
0,5 2
40,4 1
21,0 2
0,5 2
37,3
7 100
– – – – – – Spectru
m 6
0,2 9
0,2 8
49,1 2
17,6 2
0,4 3
32,2
6 100
Особенно ярко образование трещин проявляется на периферии соединения. Это может объясняться ухудшением условий теплоотвода в металл наплавляемого валика.
5. 4. Исследование соединения «титан-ванадий-бронза-сталь»
Для осуществления соединения V со сталью (Fe), между ними также должна быть барьерная прослойка, которая предотвращает диффузию углерода из стали к ванадию и устраняет образование хрупких фаз в зоне контакта с V со сталью (Fe). Этим требованиям отвечает медь, т. к. через медь углерод не диф- фундирует, а в системах V-Cu и Cu-Fe интерметаллические соединения и лег- коплавкие эвтектики не образуются. Наплавка меди в чистом виде может привести к значительному перегреву образца из-за её высокой теплопроводности. Поэтому, с позиций улучшения свариваемости, медь целесообразно заменить бронзой. В экспериментах использовали 2 вида бронзовой присадочной проволоки: CuВе2 и CuSi3Mn1 (табл. 1). Сначала рас- смотрим результаты применения проволоки CuВе2.
Для проверки возможности использования двойной барьерной прослойки V-Cu были послойно наплавлены несколько образцов (табл. 9). Образец № 1 наплавляли неподвижным плазмотроном в 2 слоя, наносимых на предваритель- но прошабренную титановую пластину толщиной 2 мм (рис. 16, а):
– слой № 1 – плазменная наплавка с присадочной проволокой V-2 (табл. 1) слоя ванадия на титановую пластину, диаметр плазмообразующего сопла 2 мм, анод – образец, наплавленный валик шириной 10 мм, высотой 0.3 мм;
– слой № 2 – плазменная наплавка с присадочной проволокой слоя бронзы на слой ванадия, диаметр плазмообразующего сопла 2 мм, наплавленный валик (суммарно со слоем № 1) шириной 10 мм, высотой 1 мм.
Способы плазменной наплавки слоев № 1 и № 2 выбраны, аналогично табл. 2.
Not
a reprint
Таблица 9
Режимы наплавки образцов с двойным барьерным слоем (слой № 1 ванадия V-2 и № 2 бронзы CuВе2) на титановую пластину
№ о браз ца
№ на плав ки
Сва- роч- ный ток,
А
Напр яже- ние на дуге,
В
Газ
Расход плаз- мооб- разу- ющего
газа, л/мин.
Рас- ход за- щит-
ного газа, л/мин
Рас- ход газа са- по- жка, л/ми
н.
Рас- ход газа под ду- ва, л/ми
н.
Ско рост ь свар
ки, см/м ин.
Ско- рость пода- чи про- воло-
ки, м/ми
н.
Ам- пли- туда
ко- ле- ба- ний,
мм Ско рост ь ко- ле- ба- ний, мм/
с.
1 1 130 23.7 Ar 0.4 25 30 30 20 0.8 7 40
2 130 24 Ar 0.4 25 30 30 20 0.8 5.6 40
2 1 60 17.6 Ar 3.5 25 30 30 20 1 7 40
2 60 17.6 Ar 3.5 25 30 30 20 1 5 40
3 1 90 18 Ar 0.6 25 30 30 20 0.76 6.6 40
2 70 18 Ar 0.6 25 30 30 20 0.76 3 40
Наплавка образца № 2 выполнялась на предварительно прошабренную ти- тановую пластину толщиной 2 мм с поперечными колебаниями плазмотрона в 2 слоя (табл. 9, рис. 16, б):
– слой № 1 – плазменная наплавка с присадочной проволокой V-2 (табл. 1) слоя ванадия на титановую пластину, диаметр плазмообразующего сопла 2 мм, анод – мундштук подачи проволоки, наплавленный валик шириной 7 мм, высо- той 1 мм;
– слой № 2 – плазменная наплавка с присадочной проволокой слоя бронзы на слой ванадия, диаметр плазмообразующего сопла 2 мм, анод – мундштук по- дачи проволоки, наплавка отдельными каплями, в основном на правой стороне слоя № 1.
Способы плазменной наплавки слоев № 1 и № 2 образца № 2 были выбра- ны аналогичными способам наплавки соответствующих слоев образца № 1 по вышеприведенным соображениям.
Наплавка образца № 3 выполнялась на предварительно прошабренную ти- тановую пластину толщиной 2 мм с поперечными колебаниями плазмотрона в 2 слоя (табл. 9, рис. 16, в, г):
– слой № 1 – плазменная наплавка с присадочной проволокой V-2 (табл. 1) слоя ванадия на титановую пластину, диаметр плазмообразующего сопла 4 мм, анод – мундштук подачи проволоки, наплавленный валик шириной 8 мм, высо- той 0.8 мм;
– слой № 2 – плазменная наплавка с присадочной проволокой слоя бронзы, диаметр плазмообразующего сопла 4 мм, анод – мундштук подачи проволоки.
При плазменной наплавке образца № 3 был выбран способ, близкий к тому, что применялся при наплавке образцов № 1 и № 2. Отличие заключалось в использовании плазмообразующего сопла вдвое большего диаметра (4 мм). В данном случае выполнялась задача уменьшения концентрации плазменного ис-
For reading
only
точника тепла для уменьшения глубины проплавления, как титановой подлож- ки, так и нанесенного слоя ванадия.
а
б
в
г
Рис. 16. Внешний вид образцов титановых пластин, наплавленных слоями ванадия и бронзы для дальнейшей наплавки сталью типа Q235: а – образец № 1; б – обра-
зец № 2; в – образец № 3; г – макроструктура поперечного сечения образца № 3 В случае наплавки образца № 1 имело место хорошее формирование валика, однако наблюдалось его интенсивное растрескивание с образованием сетки горячих трещин (рис. 16, а). При наплавке образца № 2 бронза растеклась по ванадию достаточно равномерно, в левой части наплавленного валика наблюдались капли не растёкшейся бронзы (рис. 16, б). Возможно, это связано с отклонениями присадочной проволоки от оси дуги, что приводило к нехватке энергии на ее полное расплавление. При наплавке образца № 3 (рис. 16, в, г) со стороны меди обнаруживается прослойка, имеющая дендритное строение,
Not
a reprint
структура пластинчатая. Происходит взаимная диффузия элементов на границе раздела титан-ванадий-медь без образования хрупких фаз (рис. 17, табл. 10).
а б
Рис. 17. Определение содержания элементов в переходных зонах Ti-V-Cu (об- разец № 3, табл. 9) методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА): a, б
– локальные участки Таблица 10
Содержание (масс. %) элементов в локальных участках переходных зон Ti-V- Cu (рис. 17), определенное методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА)
Образец № 3 в зоне рис. 17, а Образец № 3 в зоне рис. 17, б Spectrum
Химический состав, масс. %
Spectrum
Химический состав, масс. %
Al Ti V Cu Tot
al Al Ti V Cu Total
Spectrum 1 0.34 99.6
6 – – 10
0 Spectrum 1 0.3 3
87.
29 11.7
9 0.58 100 Spectrum 2 0.35 78.4
7 15.
61 5.57 10
0 Spectrum 2 0.1 2
39.
99 6.82 53.08 100 Spectrum 3 0.17 29.6
1 5.1
1 65.1 10
0 Spectrum 3 – 23 1.09 75.91 100 Spectrum 4 – 12.9
2 1.0
6
86.0 2
10
0 Spectrum 4 – 39.
94 2.31 57.75 100 Spectrum 5 – 16.5
9 1.8
8
81.5 3
10
0 – – – – – –
Spectrum 6 – 20.5 7
2.0 1
77.4 2
10
0 – – – – – –
Однако при использовании в качестве второго барьерного слоя бронзы CuВе2 в наплавленных на поверхность ванадия валиках наблюдается образова- ние сетки горячих трещин. Для устранения этого недостатка бронзу CuВе2 за- менили бронзой CuSi3Mn1. Такая наплавка осуществлялась плазменным спосо- бом, известным как «мягкая плазма» [17]. Слой ванадия наплавляли на режиме, аналогичном использованному для образца № 3 (табл. 9). Режим наплавки
«мягкой плазмой» слоя бронзы CuSi3Mn1 указан в табл. 11. Наплавку осу-
![Currently the lifetime of the prosthesis is approximately 10 years [1]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/pubdocco/85561.10793/cover.webp)