Структурні та фазові перетворення в жароміцних нікелевих сплавах і їх роль в утворенні тріщин в зварних з'єднаннях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національнний технічний університет України

Київський політехнічний інститут

УДК 536.669.017.3:539.213.:541.012.234

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів

Структурні та фазові перетворення в жароміцних нікелевих сплавах і їх роль в утворенні тріщин в зварних зєднаннях

Звягінцева Ганна Віталіївна

Київ - 2007

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий керівник: академік НАН України, доктор технічних наук, професор, Ющенко Костянтин Андрійович. Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, заступник директора.

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор, Ошкадьоров Станіслав Петрович. Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, заступник директора. Доктор технічних наук, професор, Кондратюк Станіслав Євгенович. Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, завідувач відділом.

Захист відбудеться 17 грудня 2007р. о 15г 00хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.12 при Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, ІФФ, корпус №9, ауд.203.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий „___” листопада 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К26.002.12 кандидат технічних наук, доцент Л.М. Сиропоршнєв.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Найбільш поширеними матеріалами, що використовуються при виготовленні деталей гарячого тракту газових та авіаційних двигунів є нікелеві жароміцні литі сплави з '-зміцненням. При цьому найбільш поширеним є матеріали з рівновісною структурою литва, що мають розгалужену систему границь зерен. Система легування, що забезпечує експлуатаційні характеристики при температурах до 1100 С, зумовлює складний структурний та кристалічний стан матеріалів. Підвищені характеристики міцності є причиною низької технологічності, одним із проявів якої є утворення тріщин в зварних зєднаннях. Механізм формування такого виду тріщин достатньо не з'ясований. Одержання якісних з'єднань з таких матеріалів є складною проблемою. Ефективне використання конструкційних матеріалів в різних областях нової техніки в багатьох випадках визначається мoжливicтю створення зварних конструкцій, що відповідають високим експлуатаційним параметрам.

Тому удосконалення зварюваності обмежено зварюваних та не зварюваних нікелевих сплавів, в умовах зварювання плавленням є актуальною проблемою. При її вирішенні головне значення має вивчення структурної стабільності та поведінки -фази при підвищених температурах та навантаженнях, а також встановлення звязку між структурними змінами в зоні термічного впливу та можливістю одержання зєднань без дефектів. Важливим є також визначення можливості поліпшення характеристик пластичності перед зварюванням шляхом попередньої термічної обробки металу, що має ціллю одержання якісних зварних зєднань.

Звязок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відділі металургії та технології зварювання високолегованих сталей і сплавів Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за планами науково-дослідних робіт: 1.6.1.19.2. "Створення процесів з'єднання надвисокоміцних та жаростійких нікелевих сталей та сплавів на основі нікелю для екстремальних умов експлуатації" (№ ДС 0100U006429), тема 1.6.1.19.3. ”Дослідження зварюваності високолегованих сталей та сплавів на нікелевій основі; розробка теорії зварюваності і створення нових технологічних процесів зварювання та матеріалів” (№ ДС 0103U005246) та в рамках цільової комплексної програми НАНУ, тема 8.5.19/39 „Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин” (№ ДС 0106Г003882) У процесі виконання цих робіт здобувач брав активну участь у розробці плану досліджень, підготовці і проведенні експериментів, обробці й узагальненні результатів.

Метою роботи є підвищення стійкості до утворення тріщин при зварюванні плавленням нікелевих сплавів з різним ступенем легування шляхом регулювання структурного та фазового складу ЗТВ за рахунок проміжних спеціальних видів технологічної термічної обробки металу перед зварюванням. нікелевий сплав тріщина зварювання

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

1. Дослідити характер структурних і фазових змін в ЗТВ зварних зєднань нікелевих сплавів з різним ступенем легування за умов зварювання плавленням, та їхній вплив на тріщиноутворення залежно від умов і режимів зварювання.

2. Вивчити закономірності структурних та фазових змін нікелевих сплавів під впливом термічного циклу, особливості розчинення та зростання часток основної зміцнюючої структурної складової нікелевих сплавів -фази в діапазоні температур 600...1300 С.

3. Оцінити взаємозв'язок структурних змін і високотемпературних характеристик пластичності при підвищених температурах, в тому числі близьких до температур плавлення, і їхній вплив на тріщиноутворення.

4. Розробити технологічні рекомендації для поліпшення зварюваності нікелевих сплавів, що дисперсійно зміцнюються шляхом формування контрольованого структурного стану.

Об'єкт досліджень: фізико-хімічні процеси формування зварних зєднань нікелевих сплавів з різним ступенем легування (особливості фазоутворення, характеристики пластичності і міцності, критерій тріщиностійкості); особливості механізму тріщиноутворення в зоні термічного впливу зварного зєднання.

Предметом дослідження є мікроструктура полікристалічних сплавів з обмеженою зварюваністю IN738LC, ЧС-70, ЖС-6У до та після проміжної технологічної термічної обробки, а також у зоні термічного впливу зварних зєднань, виконаних плазмово-порошковим зварюванням.

Методи досліджень: експериментальні методи фізичного металознавства - світлова мікроскопія, скануюча та просвічуюча електронна мікроскопія, диференціально-термічний та дилатометричний аналіз; мікрорентгено-спектральний аналіз для оцінки параметрів гратки та міжфазного напруженого стану; методи кількісної металографії для оцінки розмірів, конфігурації та об'ємної долі часток зміцнюючої фази. Механічні характеристики оцінювались за допомогою визначення міцності, пластичності та тріщиностійкості на установці „Ала-Тоо” типу Gleeble за новими оригінальними методиками для оцінювання короткочасної високотемпературної міцності та на пристрої до неї.

Наукова новизна отриманих результатів:

- Визначено ведучу роль структурних і фазових змін, зокрема процесів розчинення й коагуляції часток -фази, що відбуваються в ЗТВ при одержанні зварних зєднань жароміцних нікелевих сплавів. Вперше за допомогою дилатометричного аналізу та розрахунково-експериментальної оцінки розподілу температур в зварному зєднанні доведено, що ширина зони зварного зєднання, у якій відбуваються фазові зміни за схемою: , відповідає розмірам температурного інтервалу від повного розчинення часток -фази (T_solvus) до початку плавлення (T_L) і пропорційно залежить від ступеня легування матеріалу, режимів зварювання й часу перебування металу вище температури повного розчинення часток -фази. Розмір часток -фази, що знову утворилися в ЗТВ під час процесу охолодження становить 0,05...0,15 мкм порівняно до початкового стану з розміром часток 0,3...0,4 мкм.

- Вивченні закономірності розчинення часток -фази при нагріві та їх виділення при охолодженні з температур повного розчину для сплавів з різним сумарним процентом -утворюючих елементів (Al+Ti+Nb+Hf) від 2,44% (8,2% -фази) до 9,5% (57% -фази). Для сплавів з підвищеним ступенем легування, таких як IN738LC (47,3% -фази) навіть при високих швидкостях охолодження з температур повного розчинення (v_охол = 500 С/хв) неможливо уникнути виділення дрібних часток -фази, але можливо змінити їх конфігурацію та розмір від 0,05...0,15 мкм до 1...3 мкм шляхом регулювання швидкості охолодження.

- Розроблені методики оцінки механічних властивостей до температур близьких до Т_solidus і визначення інтервалів провалу пластичності нікелевих сплавів під дією температур зварювального циклу при його імітації до температур початку плавлення. Показано, що в діапазоні температур провалу пластич-ності 600...850 С спостерігається низька деформаційна здатність металу, що суттєво впливає на схильність до утворення тріщин у ЗТВ зварного зєднання. Встановлена можливість підвищення відносного подовження в інтервалі провалу пластичності в 2-2,5 рази шляхом спеціальної термообробки, в результаті якої збільшується розмір часток від 0,3 мкм до 1...3 мкм та зменшується на два порядки щільність дислокацій.

- Для умов плазмового зварювання визначені можливості поліпшення зварюваності нікелевих сплавів з різним ступенем легування за допомогою формування контрольованого за розміром часток -фази структурного стану, який може бути отриманий термообробкою перестарюванням без зміни хімічного складу й умов виробництва цих сплавів. Запропонований режим термообробки перестарюванням, проведений перед зварюванням, дозволяє отримати зварні з`єднання без дефектів.

Практичне значення отриманих результатів. У даній роботі виявлено значний внесок фазових перетворень в основному металі при зварюванні нікелевих сплавів на формування структурного стану в зоні термічного впливу зварного зєднання. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації структурного стану нікелевих сплавів перед зварюванням та уточнення режимів зварювання.

З застосуванням аналітичних методів зроблено оцінку внеску швидкості охолодження сплаву з температур повного розчинення зміцнюючої -фази в зміну морфології й конфігурації часток -фази, що утворилися після охолодження, підтверджено вплив структурно - фазових параметрів на зміну механічних характеристик міцності й пластичності нікелевих сплавів з різним ступенем легування.

Розроблені в роботі засоби регулювання характеристик пластичності нікелевих сплавів стали основою для вдосконалення технологій одержання якісних зварних зєднань нікелевих сплавів, що обмежено зварюються плавленням. Запропоновані режими термічної обробки перед зварюванням для сплавів типу ЖС-6У, ЧС-70, IN738LC, які суттєво знижують чутливість до утворення тріщин в ЗТВ зварного з'єднання.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати, положення і висновки були отримані здобувачем особисто або за його безпосередньої участі. При проведені досліджень, результати яких опубліковано в співавторстві [1-12], автору належать: металографічні дослідження на оптичному мікроскопі та дослідження по визначенню умов падіння пластичності у вузькому температурному інтервалі на установці “Ала-Тоо” та їх взаємозв'язку з мікроструктурними змінами в процесі моделювання циклу зварювання [1,2,7]. Автором виконано дослідження ЗТВ зварних з'єднань методом оптичної мікроскопії, а також дослідження змінювання мікротвердості в зонах повного перетворення зварного з'єднання в залежності від умов зварювання [3,9]. В роботах [4,10,11] дисертантом проведений комплекс досліджень по оцінюванню структурного стану та його взаємозв'язку зі зміною механічних характеристик металу після довгострокової експлуатації і відновлювальної термообробки. Автором вперше застосовані дані високотемпературного (до 1200 С) дилатометричного аналізу для ідентифікації структурних процесів в ЗТВ зварного з'єднання. Ним проводилось моделювання умов виникнення тріщин шляхом випробувань зразків в температурному інтервалі провалу пластичності, що дало змогу підтвердити чутливість крупнозернистого металу до крихкого руйнування та обґрунтувати процеси, що призводять до крихкості [5,6,8]. Проведена статистична обробка даних по кількості та розмірам часток -фази в різних частинах зварного з'єднання за допомогою металознавчої програми „АTLAS” [12]. При безпосередній участі автора була розроблена методика вибіркового травлення для визначення кристалографічних характеристик структури нікелевих сплавів з дисперсійним зміцненням з використанням спеціальної приготування зразків для рентгеноструктурного аналізу та методика визначення коефіцієнта тріщиностійкості ф_с.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на І Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців „Зварювання та суміжні технології” (Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ, 2001р.), на ІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців „Зварювання та суміжні технології” (Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ, 2003р.), ІІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців „Зварювання та суміжні технології” (Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ, 2005р.), міжнародній науково-технічній конференції „Динамика, прочность и ресурс машин и конструкцій” (Київ, ІПМ ім. Г.С. Писаренка НАНУ, 1-4 листопада 2005г.), , міжнародній конференції „Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів (Львів, фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАНУ, 2006р.), на конференції Міжнародного інституту зварювання (15-17липня 2006р., Торонто, Канада) та на IV Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців „Зварювання та суміжні технології” (Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ, 2007р.).

Публікації. Матеріали дисертації представлені в 12 публікціях [1-12], з яких 5 відповідають вимогам ВАК України щодо дисертацій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, пяти розділів, загальних висновків і списку літератури з 140 найменувань. Робота містить 185 сторінок машинописного тексту, 6 таблиць і 109 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі, що необхідно вирішити в процесі досліджень. Сформульовано наукову новизну й практичне значення отриманих результатів із зазначенням особистого внеску автора.

Перший розділ присвячено аналізу відомих робіт, у яких вивчалися структурні особливості нікелевих сплавів в залежності від ступеню їх легування, а також основні фізичні-хімічні процеси, що мають місце при високотемпературному нагріві в тому числі при утворенні зварних зєднань.

Результати аналізу показують, що сплави із вмістом -фази більше 45% вважаються такими, що не зварюються плавленням або зварюються обмежено. Відповідно до опублікованих даних відомо також, що під дією термічного впливу на сплави, що досліджуються, частки зміцнюючої -фази розчиняються або змінюють свою конфігурацію та розміри, що в свою чергу впливає на характеристики міцності та пластичності. Так для сплавів з вмістом -фази >30% підвищення пластичності реалізується за рахунок термічної обробки, в результаті якої може бути отримана структура з покращеними характеристиками відносного подовження т відносного звуження, якщо розмір часток -фази досягає більше 0,9 мкм. Беручи до уваги тісний взаємозв'язок характеристик пластичності досліджуваних сплавів із процесами, що відбуваються в зоні термічного впливу необхідно дослідити: структурні зміни, що відбуваються в сплавах з різним ступенем легування під час нагріву т охолодження в межах зварювального циклу; відмінності розчинення та росту часток основної зміцнюючої фази при змінюванні інтенсивності термічного нагріву; залежність механічних характеристик від морфології часток -фази, які в свою чергу мають безпосередній вплив на зварюваність сплавів, що досліджуються.

Виходячи з мети роботи й поставлених завдань і, беручи до уваги результати аналізу наявних літературних даних по дослідженню проблеми, були обрані апаратура й методики для подальших досліджень. За результатами виконаного аналізу сформульовані мета та основні завдання дослідження.

Другий розділ містить характеристику обєктів дослідження, режими зварювання, також пояснюється вибір комплексу методів дослідження та наводиться опис обладнання для його реалізації.

Для вивчення були обрані рівновісні матеріали, які широко використовуються в промисловості: IN738LC, ЧС-70, ЖС-6У. Методом плазмово-порошкового зварювання виготовлені експериментальні зразки зєднань.

Досліди структурних та фазових перетворень проводили за допомогою дилатометричного та диференціально-термічного аналізу. Вперше отримані дані вимірювання коефіцієнту термічного розширення при температурах, які перевищують Т_solvus які порівняні з експериментальними даними розподілу температур безпосередньо в зварному з'єднанні. Використання цих методик дало змогу уточнити механізм структурних змін, що відбуваються в ЗТВ в процесі зварювання.

В роботі застосовувався комплекс методів, що дають змогу виконувати дослідження на різних масштабних рівнях. Для вивчення структури i фазових складових отриманих з'єднань використовували металографічний аналіз, електронну растрову мікроскопію, та просвічуючу електронну мікроскопію. Дослідження мікроструктури з'єднань проводили за допомогою оптичного мікроскопа NEОPHOT-3. Для виявлення структури було застосовано хімічний, та вакуумний іонний методи травлення. Для вивчення загального характеру розподілу хімічних елементів у досліджуваній зоні, визначення хімічного складу в локальних областях, а також для вивчення структури поверхні зруйнованих зварних з'єднань використовували аналітичну растрову електронну мікроскопію. Дослідження проводилися за допомогою скануючого електронного мікроскопа Camscan-4 (Англія), що оснащений енергодиспер-сійним спектрометром системи "LINK". Електронно-мікроскопічні дослідження тонкої структури на просвіт проводили на приладі JEM-200 CX фірми ”JEOL” (Японія).

Фазовий склад дисперсних виділень та оцінку параметрів гратки виповнювали на устновці для рентгеноструктурних досліджень „ДРОН-4”. Вперше була випробувана методика вибіркового травлення для отримання найбільш достовірних значень параметрів кристалічної гратки.

Комплекс випробувань по визначенню механічних характеристик, а також для уточнення механізмів мікро пластичної деформації використовували установку „Ала-Тоо”. Були розроблені спеціальні методики по оцінюванню коефіцієнта тріщиностійкості ф_с та температур нульової міцності та нульової пластичності. Використання даних, що отримані за допомогою розроблених методик дають змогу оцінити вірогідність утворення тріщин в зварних з'єднаннях сплавах, що досліджуються.

Третій розділ присвячений структурним змінам у нікелевих сплавах в залежності від ступеня легування та температурних факторів, у тому числі циклу зварювання. Розгляд структурних особливостей зони термічного впливу зварних зєднань, обраних для досліджень сплавів показало наявність у зоні, пов'язаною зі зварним швом виділень дрібнодисперсної -фази, розміром 0,05...0,15 мкм, у відмінності від розміру часток -фази в основному металі (0,4...0,9 мкм).

Порівнюючи данні дилатометричних досліджень з застосуванням безконтактного лазерного дилатометра сплаву ЧС-70 з даними розподілу температур в ЗТВ зварного з'єднання, можна зробити висновок, що температурний інтервал вище повного розчинення часток -фази на дилатометричній кривій збігається з температурним інтервалом, що примикає до лінії сплавлення на кривій розподілу температур в реальному зварному з'єднанні. Це дозволяє стверджувти, що розміри частини зони термічного впливу, у якій відбуваються фазові зміни за схемою: , відповідає розмірам температурного інтервалу T_L - T_solvus і залежить від ступеня легування матеріалу, температури й часу перебування матеріалу вище температури повного розчинення часток -фази.

Статистичні дослідження наявності дефектів у даних зєднаннях визначають найбільш імовірним місцем розташування тріщин зони основного металу, що примикає до лінії сплавлення, причому довжина тріщин порівняна із розміром цієї зони термічного впливу. Просування гарячої тріщини, що утворилася, по границях зерен із зони та убік основного металу гальмується за рахунок релаксації локальних напруг, завдяки пластичній деформації у вістрі тріщини.

Розглядаючи фазові й структурні перетворення в ЗТВ необхідно відзначити, що температура повного розчинення й морфологія часток -фази залежить від хімічного складу сплаву. Дані диференціально-термічного аналізу п'яти сплавів з різним ступенем легування показали наявність структурних змін, котрі супроводжуються збільшенням об'єму металу при нагріванні й зменшенням об'єму металу при охолодженні, що свідчить про розчинення при нагріванні й виділенні при охолодженні часток -фази, яка має менший, чим параметр решітки та дозволили точно визначити кількість -фази в цих сплавах.

Аналіз літературних даних про залежність пластичних характеристик нікелевих сплавів від ступеня їхнього легування, а також, враховуючи, що підвищення пластичності гальмує розповсюдження тріщин по границях зерен, для зазначених п'яти сплавів проводили дослідження залежності високотемпературної пластичності від ступеня легування, морфології часток -фази та швидкості охолодження з температур повного розчинення часток -фази. Процентний вміст -фази та значення відносного подовження для досліджуваних п'ти сплавів.

Аналіз результатів показує, що відносне подовженя сплавів зменшуєть-ся по мірі ускладнення системи легування, (більшого вмісту часток -фази), причому у загартованих зраз-ків пластичність падає в більшій мірі, чим для зраз-ків охолоджених повільно. На прикладі сплаву IN738LC встанов-лено, що уповіль-нення швидкості охолоджен-ня від 20С/хв до 2,33 С/хв призводить до збільшення розмірів часток -фази від 0,1...0,5 мкм до 1...3 мкм.

Таким чином, зі зміною процентного вмісту -фази в металі, що зварюється, міняється температура її повного розчинення, а також фіксується значна зміна пластичності сплавів при різній швидкості охолодження з температур повного розчинення часток -фази, це необхідно враховувати при виборі термообробки сплавів перед зварюванням.

Наведені дослідження показали, що зміна швидкості охолодження з температур гомогенізації впливає на пластичність і границю текучості сплавів. В металі з підвищеним вмістом зміцнюючої фази, взагалі проблематично одержати однофазний стан навіть при високих швидкостях охолодження. Аналіз кінетики виділення часток -фази, отримано за допомогою побудови С-кривих для сплаву IN738LC. Він показує, що при досить високій температурі, при значному ступені легування перетворення протікає практично миттєво, тому крива перетворення наближається до осі ординат.

Це означає, що для сплавів з високим вмістом -фази неможливо уникнути виділення часток зміцнюючої -фази при охолодженні, однак, спеціальна термічна обробка, дозволяє одержати виділення -фази різних розмірів. Для сплаву з IN738LC провели наступну термообробку: зразки нагрівали до темпера-тур повного розчинення часток -фази та охолод-жували з різними швид-костями. На отриманих зразках визначали розміри часток -фази за допомогою просвічуючої мікроскопії. Зі збільшенням швидкості охолодження зменшується розмір часток -фази, що виділилися. Тонка структура високо-легованих нікелевих сплавів являє собою твердий розчин часток -фази в -матриці. Існують розходження в дислокаційній структурі зразків, охолоджених з різною швидкістю з температур повного розчинення. При охолодженні зі швидкістю 20 С/хв дислокації мають вигнуту форму й безпорядкове розташування в основному в -матриці та на границях . У випадку термообробки зі швидкістю охолодження 2,33 С/хв дислокації також розташовуються в -матриці, але зменшується їхня щільність.

З охолодженого зі швидкістю 20С/хв і 2,33 С/хв металу виготовили розривні зразки, які випробовували на міцність і пластичність на установці “Ала-Тоо” при температурах 20...1200 С. З отриманих даних, можна зробити висновок, що зразки, повільно охолоджені з температур повного розчинення часток -фази більш пластичні, але менш міцні, ніж швидко охолоджені зразки. У випадку випробувань повільно охолоджених зразків, провал пластичності набагато менш виражений.

Таким чином, якщо для високоле-гованих сплавів неможливо уникнути виділення часток -фази навіть при високих швидкостях охолодження з температур повного розчинення зміцнюючої фази, однак, змінюючи швидкість охолодження можна змінити розміри цих часток, що у свою чергу приводить до підвищення пластичності, а отже покращанню зварюваності високолегованих нікелевих сплавів.

Ще одним найважливішим фактором, що визначає структурну стабільність нікелевих сплавів є характер поверхні розподілу фаз /, на яких виникають міжфазні напруження, що сумуються з тимчасовими або залишковими напруженнями, та можуть змінювати характеристики міцності та пластичності. Для оцінки міжфазного напруженого стану необхідне визначення параметрів структурних складових ( і ), що виконане із залученням рентгеноструктурних досліджень.

Виходячи із отриманих даних були розраховані: відносна величина пружної деформації = 0,001, напруження на границі фаз / =Е=1830,001=183 МПа, та невідповідність параметрів гратки і -фаз LM (lattice mismatch) у сплаві ЧС-70 дорівнює + 0,22%. Збільшуючи розміри часток -фази неможливо змінити міжфазне напруження, однак, при цьому зменшується протяжність міжфазних границь, знижується загальний напружений стан, змінюються характеристики міцності і пластичності.

Таким чином, регулювання розмірів зміцнюючої -фази від 0,1...0,15 мкм до 1...3 мкм при уповільненні швидкості охолодження від 20 С/хв до 0,2 С/хв для сплавів з вмістом -фази більше 45% сприяє підвищенню пластичності, що, в свою чергу сприяє стійкості проти утворення тріщин в ЗТВ зварного з'єднання.

Розглядаючи структурні зміни в нікелевих сплавах при зварювальному нагріванні, необхідно відзначити, що поводження -фази нерозривно пов'язано зі зміною механічних характеристик міцності та пластичності. Тому четвертий розділ присвячено оцінці механічних характеристик, що дає змогу уточнити механізм утворення тріщин в зоні термічного впливу зварних зєднань, розширює можливості поліпшення зварюваності металу.

Визначення високотемпературної міцності й пластичності проводиться шляхом імітації термоцикла нагрівання й охолодження металу, моделюючи тим самим процеси в ЗТВ при зварюванні. Для цього в певному інтервалі температур термоцикла проводять випробування з метою одержання даних, представлених як залежність пластичності від температури нагрівання, які мають у більшості випадків характерні риси.

Випробування проводили на установці “Ала-Тоо”, типу Geeble. Досліджуваний інтервал температур: 20...1380 С та швидкості деформування 1,8410^-3,с^-1 для сплаву ЧС-70. Із графіка, видно, що в той час, як ₀₂ і _в плавно знижується в інтервалі температур від кімнатної до 900 °С, значення пластичності утворять провал при температурах 600...850 °С. Це можна пояснити тим, що для полікристалічних матеріалів існує технологічний інтервал крихкості (DTR). У цьому випадку, по нашій думці, механізм крихкості реалізується за допомогою взаємодії рухливих дислокацій із домішковими атомами й визначається двома конкуруючими температурними процесами: зміною енергії зв'язку атомів з дислокаціями (зворотня температурна залежність) і дифузійною рухливістю цих атомів (пряма залежність). Температурний інтервал, в якому зберігається досить висока енергія зв'язку домішкових атомів з дислокаціями в і той же час підвищується їх рухливість у кристалічній гратці, завдяки збільшенню параметрів дифузії, сприяє утворенню інтервалу падіння пластичності.

З метою виключення впливу границь зерен на міцність і пластичність досліджували зразки з монокристального сплаву ЖС-26, який по типу легування та механічним властивостям близький до ЧС-70. Випробування підтвердили, що провал пластичності в цьому випадку не спостерігається, це підтверджує припущення про переважну міжзеренну крихкість полікристалічних нікелевих сплавів при певних температурах, коли змінюється співвідношення міцності тіла зерна і його границь у результаті дифузійних процесів В таких випадках відсутній температурний інтервал провалу пластичності та поверхня руйнування різко відрізняється.

Для більш точного визначення процесів, що відбуваються в досліджуваних нікелевих сплавах при температурах, близьких до температур плавлення, вимірювали нульову міцність Т_н.міц і нульову пластичність Т_н.пл. при температурах, близьких до температур плавлення. Випробування проводили на зразках зі сплаву ЖС-26. Аналіз закономірностей зміни пластичності й міцності при температурах переходу близьких до T_L показує наявність перегину на кривій міцності для обох сплавів.

Температура зазначеного перегину збігається з температурою різкого падіння пластичності практично до нуля, що вказує на початок оплавлення литого металу. Висловлені припущення підтверджуються при проведенні фрактографічних і металографічних досліджень структури й будови поверхні руйнування зразків, що зруйновані при температурі 1270 С, тобто між Т_н.міц. і Т_н.пл. і при 1055 С, тобто до температур інтенсивного перетворення з наступним швидким охолодженням.

Поблизу місця руйнування зразка, зруйнованого при температурі 1270 С, спостерігаються рихлоти в місцях оплавлення, частки -фази мають розмір 40...60 нм. Структура металу зразка, нагрітого до 1055 С, дозволяє розрізнити залишки нерозчиненої при нагріванні первинної -фази у формі чотирибічних пелюстків. Між нерозчиненою первинною -фазою очевидно присутня структура /, де - дрібна нерозрізнена при даному дослідженні фаза, що утворилася в результаті швидкого охолодження. Зразок, зруйнований при 1055 С має крихкий характер зламу. Зразок, випробуваний при 1270 С зруйнувався в момент існування твердожидкого стану. Про це свідчить гладка поверхня, що сформувалася під дією сил поверхневого натягу.

За допомогою ще однієї механічної характеристики, а саме, критерію тріщиностійкості _с, показано, що чутливість до тріщин провалу пластичності залежить від розміру часток -фази. Досліджували зразки з матеріалу ЖС-26, термооброблені по різних режимах: І нагрівання до 1265 °С, витримка 1год 15 хв, охолодження зі швидкістю _охол = 20 °С/хв; (вихідний стан): II - нагрівання до 1265 °С, витримка 1 год 15 хв, _охол = 0,2 °С/хв до 1200 °С; III- (термообробка відновлення після термообробки II): Нагрівання до 1265 °С, витримка 1год 15хв охолодження зі швидкістю _охол = 20 °С/хв.

Після всіх видів термообробок були проведені випробування на технологічну пластичність (повзучість) на установці “Ала-Тоо” при постійному навантаженні 500 кг. Оцінювали ширину розкриття тріщини по формулі: _с = l₂-l₃-l₁, де l₁ -ширина надрізу до деформації; l₂- ширина надрізу після деформації; l₃ - ширина тріщини. Експеримент показує, що в стані поставки й після термообробки, що відновлює, руйнування відбувається з малим ступенем деформації (низький критерій тріщиностійкості), при цьому розмір часток -фази 0,3...0,4 мкм, а перестарений характеризується великою деформацією (високе значення критерію тріщиностійкості), розмір часток -фази до 1...3 мкм.

Таким чином, дослідження показує можливість коректування зварюваності шляхом використання спеціальної попередньої термообробки, яка складається з нагріву до температур вище температури повного розчинення часток -фази витримку та повільне охолодження, яка одержала назву перестарювання. Варто підкреслити, що після зазначеної термообробки поряд з підвищенням пластичності має місце значне зниження міцності металу нижче паспортних величин для умови постачання сплаву. Повторна обробка на паспортних режимах відновлює всі зумовлені механічні характеристики. Для уточнення характеру взаємозв'язку особливостей високотемпратурних пластичних властивостей високолегованих нікелевих сплавів і процесу тріщиноутворення в ЗТВ зварного зєднання, проводили фрактографічне дослідження поверхні розкритих тріщин, що утворилися в ЗТВ зварних зєднань, виконаних на зразках зі сплаву ЖС26 з полікристалічною структурою. При розгляді поверхні руйнування полікристалічного зразка були встановлені чітко виражені границі зерен по яких і відбувалося міжзеренне розтріскування. Виявлено несплошності на границях зерен і сліди мікропластичної деформації на поверхні руйнування.

Зазначений тип тріщин утвориться в температурному інтервалі провалу пластичності, характерному практично для всіх матеріалів із ГЦК кристалічною граткою, таких як аустенітні високолеговані сталі, нікелеві сплави, сплави на основі міді й ін. При цьому розмір провалу пластичності визначає чутливість до утворення тріщин. У цьому випадку оцінку зварюваності матеріалу можна визначати шляхом побудови температурної залежності зміни характеристик міцності та пластичності металу.

Необхідно відзначити, що механізми руйнування основного матеріалу в інтервалі провалу пластичності й зварного зєднання в зоні термічного впливу подібні. У зварних зєднаннях з рівновісних матеріалів руйнування відбувається по границях зерен, а в монокристалічних матеріалах при відсутності границь, тріщиноутворення менш імовірно.

В пятому розділі приведено технологічні рекомендації для покращання зварюваності сплавів з - зміцненням. Для сплаву ЖС-6У, що зварюється обмежено, для підвищення пластичності з метою поліпшення зварюваності було визначені режими термічної обробки перестарюванням перед зварюванням з метою збільшити розміри часток зміцнюючої -фази. Стосовно до даного сплаву, з огляду на високу стабільність його структури, для реалізації ефективного процесу перестарювання, швидкість охолодження від температур повного розчинення часток -фази знижували до 0,2 С/хв. У результаті перестарювання показники пластичності підвищуються в інтервалі провалу пластичності з 4% до 8%, тобто вдвічі. Отримані дані дали можливість оптимізувати структурний стан зони термічного впливу зварного зєднання. Плазмово-порошкове зварювання сплаву ЖС6У проводилася на пластинах з використанням присадки ЭИ-367. Наявність тріщин визначали за допомогою пенетрантів, а також оптичним методом. Перша партія пластин зварювалася в стані після аустенитизації. У зварних зєднаннях спостерігалися поперечні щодо напрямку зварювання, одиничні тріщини в ЗТВ. Друга партія зразків піддавалася термічній обробці перестарюванням перед зварюванням по режиму: нагрів до 1260 С, витримка 4ч, охолодження до 950 С зі швидкістю 0,2 С/хв. У зварних зєднаннях тріщини не виявлені. Рекомендації було використано при розробці та впровадженні технологій зварювання на виробництві.

Таким чином, процес перестарювання перед зварюванням основного металу, що обмежено зварюється, з наступною аустенитізацією завершеного зварного зєднання дозволяє забезпечити зварюваність і експлуатаційні властивості зварних зєднань нікелевих сплавів.

Загальні висновки

1. В процесі зварювання в жароміцних нікелевих сплавах із вмістом -фази від 8 % до 60 % в зоні термічного впливу, в результаті ()() перетворення утворюються тріщини по границям зерен. Розміри зони, в якій відбуваються фазові перетворення залежить від ступеня легування твердого розчину, температури й часу перебування матеріалу вище температури повного розчинення часток -фази (T_solvus). Наявність мілких часток -фази, що знов утворилися під час охолодження і мають розмір 0,05...0,15 мкм (розмір часток -фази в основному металі 0,4...0,9 мкм), призводить до підвищення щільності дислокацій та вірогідності утворення тріщин і, як наслідок, збільшенню міцності та рівня залишкових напружень II роду на границі фаз та І роду на мкрорівні.

2. З підвищенням у нікелевих сплавах сумарного відсотка вмісту -утворюючих легуючих елементів (Al+Ti+Nb+Hf) від 2,44 % до 9,5 % збільшується процентний вміст часток, що виділилися при охолодженні -фази, від 8,2 % до 57 %, підвищується температура початку розчинення -фази (Т_п.р.) із Т_п.р. = 730 С до Т_н.р. = 860 С, і кінця розчинення (Т_п.р.) -фази із Т_п.р. = 850 С до Т_п.р. = 1230 С, розширюється також температурний інтервал між початком і кінцем перетворення з 120 С до 370 С.

3. Збільшення розмірів часток -фази в аустенитній матриці до 3 мкм за рахунок уповільнення швидкості охолодження від температур повного розчинення дає можливість підвищити пластичність металу, його релаксаційну спроможність, знизити щільність дислокацій та значно підвищити стійкість до утворення тріщин ЗТВ зварного з'єднання.

4. Показано, що зниженя пластичності в інтервалі температур 600...850°С в полікристалічному сплаві ЧС-70 с 50 % -фази пов'язано з низькою деформаційною спроможністю та утворенням МоО₃ , а в інтервалі температур вище T_solvus - із утворенням матричної рідкої фази по границям зерен та досягненням нульової пластичності при температурах близьких до температур плавлення.

5. Розроблено технологічні рекомендації, що підвищують стійкість високолегованих нікелевих сплавів проти утворення тріщин в ЗТВ за рахунок коагуляції -фази та їх розподілу по тілу зерна шляхом попередньої термообробки, зниженням погонної енергії та обмеженням під час зварювання перебування в температурному інтервалі провалу пластичності.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Ющенко К.А., Савченко В.С., Звягинцева А.В. Влияние структурных изменений при высокотемпературном нагреве на характеристики пластич-ности никелевых сплавов // Автоматическая сварка. - 2001.- №4.- С.14-18.

2. Ющенко К.А., Савченко В.С., Звягинцева А.В. Влияние термообработки и степени легирования на структурные изменения никелевых сплавов // Автоматическая сварка. - 2004. - № 7. - С.14-16.

3. К.А. Ющенко, В.С. Савченко, Н.О.Червяков, А.В.Звягинцева А.В. Характер образования горячих трещин при сварке литых жаропрочных никелевых сплавов // Автоматическая сварка. - 2004. -№ 8. - С.35-40.

4. К.А. Ющенко, В.С. Савченко, Л.В. Червякова, А.В. Звягинцева. Высокотем-пературная газовая коррозия лопаток турбин из никелевых сплавов в процессе эксплуатации // Автоматическая сварка. - 2005. - № 5. - С.12-14.

5. К. Ющенко, В. Савченко, Л. Червякова, А. Звягинцева, И. Федулова. Исследование причин образования трещин при сварке технологических трубопроводов печи реформинга агрегата производства аммиака // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2006. - спеціальний випуск №5. - С.502-508.

6. Звягинцева А.В. Влияние структурных изменений при высокотемпературном нагреве, имитирующем сварочный цикл, на характеристики пластичности никелевых сплавов // І Всеукраинская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов “Сварка и родственные технологии” (22-24 мая 2001г). Тезисы докладов.- Киев, 2001. - С.67.

7. Ющенко К.А., Савченко В.С., Звягинцева А.В. Влияние степени легирования никелевых сплавов на морфологию упрочняющей фазы при технологической обработке // II Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології” (25-27 червня 2003 р.). Збірка тезисів. - Київ, 2003. - С.99.

8. Ющенко К.А., Савченко В.С., Звягинцева А.В. Определение температур нулевой пластичности и нулевой прочности высоконикелевого сплава // Матеріали III Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології” ( 25-27 травня 2005 р.). - Київ, 2005.- С.119-120.

9. K.A. Yushenko, V.S. Savchenko, N.O. Chervyakov, A.V. Zvyagintseva. Character of Hot Crack Formation during Welding of Cast Heat-Resistant Nickel Alloys // Hot Cracking Phenomena in Welds. -Springer-Verlag: Horst Herold, 2005. - P.71-83.

10. Ющенко К.А., Савченко В.С., Наконечный А.А., Червякова Л.В., Звягинцева А.В., Рабинович А.А., Грязнов в Б.А., Гопкало А.П., Налимов Ю.С. Ремонт сваркой плавленим робочих лопаток ГТД из нікелевого сплава ЭП-539ЛМ. Динамика, прочность и ресурс машин и конструкцій. Тезисы докладов международной научно-технической конференции. Киев, Украина,1-4 ноября 2005г. Т.2 с.397-398.

11. Ющенко К.А., Савченко В.С., Червякова Л.В., Морозова Р.І., Звягінцева Г.В., Червяков М.О. Ремонт та подовження ресурсу лопаток зі сталі 20Х13Ш осьового компресора агрегату ГТК-10 // Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин.. - Київ: ІЕЗ ім.Є.О.Патона, 2006. - С.497-500.

12. Звягінцева Г.В., Ющенко К.А., Савченко В.С.Структурні особливості зони термічного впливу зварних з'єднань дисперсійно зміцнюваних нікелевих сплавів // Матеріали IV Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології” ( 23-25 травня 2007р.). - Київ, 2007.- С.175.

Анотація

Звягінцева Г.В. Структурні та фазові перетворення в жароміцних нікелевих сплавах і їх роль в утворенні тріщин в зварних з'єднаннях.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.01-“Металознавство й термічна обробка металів”

Дисертаційна робота присвячена дослідженню основних фізико-хімічних процесів, що відбуваються в зоні термічного впливу зварного зєднання нікелевих сплавів під дією зварювального циклу. Систематизовано експериментальні результати, що визначають імовірність появи й місця розташування тріщин у зварних зєднаннях нікелевих сплавів з різним ступенем легування. Проведені дослідження механізму утворення та розповсюдження тріщин в ЗТВ зварного з'єднання при зварюванні плавленням.

Визначено, що в момент проходження зварювальної дуги в ЗТВ метала біля лінії сплавлення утвориться зона з повністю аустенітною структурою, де відбуваються фазові перетворення за схемою: , і яка відповідає розмірам температурного інтервалу T_L - T_solvus, тобто залежить від ступеня легування матеріалу, температури й часу перебування матеріалу вище температури повного розчинення часток '-фази. Виходячи із цього, розглянуті процеси розчинення й коагуляції часток -фази у високолегованих сплавів з вмістом -фази більше 45 % при високотемпературному нагріванні. Визначено, що уповільнюючи швидкість охолодження з температур повного розчинення з 20 С/хв до 0,2 С/хв можна підвищити відносне подовження в інтервалі провалу пластичності в 2-2,5 рази. При цьому розмір часток -фази змінюється відповідно з 0,1...0,15 мкм до 1...3 мкм.

Було розроблено та випробувано методики оцінки комплексу характеристик тріщиностійкості, міцності та пластичності. Розроблено рекомендації з оптимізації розмірів часток -фази з метою підвищення пластичних властивостей нікелевих сплавів.

Отримані дані дають можливість поліпшити стійкість до утворення тріщин в ЗТВ зварних з'єднань обмежено зварюваних нікелевих сплавів при зварюванні плавленням за допомогою керування структурними складовими до операції зврювння та під час одержання званого з'єднання.

Ключові слова: нікелеві сплави, структурні та фазові перетворення, зварювання плавленням, зона термічного впливу, -фаза, термічна обробка, температурні інтервали провалу пластичності, тріщини.

Аннотация

Звягинцева А.В. Структурные и фазовые превращения в жаропрочных никелевых сплавах и их роль в образовании трещин в сварных соединениях.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01-“Металловедение и термическая обработка металлов”

Диссертационная работа посвящена исследованию основных физико-химических процессов, происходящих в зоне термического влияния сварного соединения никелевых сплавов под действием сварочного цикла. Систематизированы экспериментальные результаты, определяющие вероятность появления и места расположения трещин в сварных соединениях никелевых сплавов с различной степенью легирования, полученных при сварке плавлением. Исследованы механизмы образования и распространения трещин в ЗТВ сварного соединения.

С использованием данных дилатометрического, дифференциально-термического анализа и экспериментально-расчетного метода оценки температур в сплаве в процессе сварки определено, что в момент прохождения сварочной дуги в зоне термического влияния (ЗТВ) металла вблизи линии сплавления образуется зона с полностью аустенитной структурой. Ширина зоны, в которой происходят фазовые изменения по схеме: , соответствует размерам температурного интервала T_L - T_solvus, т.е. зависит от степени легирования материала, температуры и времени пребывания материала выше температуры полного растворения частиц -фазы. Размер вновь образовавшихся в ЗТВ частиц -фазы составляет 0,05...0,15 мкм, в то время как размер частиц -фазы в основном металле 0,4...0,9 мкм.

Данные рентгеноструктурного анализа для сплава ЧС-70 показывают, что на границе фаз / существует межфазное напряжение: частицы -фазы испытывают растягивающие +200 МПа, а -матрица - сжимающие (-200 МПа) напряжения. Рассмотренные факторы сказываются отрицательно на развитии напряжений и деформаций в зоне термического влияния сварных соединений.

Проведенные исследования показывают, что повышение степени легирования никелевых сплавов влечет за собой увеличение количества упрочняющей -фазы, которая в свою очередь является определяющим фактором в получении сварных соединений высокого качества. Исходя из этого, рассмотрены процессы растворения и коагуляции частиц -фазы в сплавах с содержанием -фазы более 45 % под действием повышенных температур, в том числе и сварочного цикла. Определено, что изменяя скорость охлаждения с температур полного растворения с 20 С/мин до 0,2 С/мин можно повысить пластичность при 750 С при испытаниях на кратковременную прочность с =10% до = 22%. При этом размер частиц -фазы меняется соответственно с 0,1...0,15 мкм до 1...3 мкм.

Принимая во внимание неразрывную связь структурных изменений в никелевых сплавах с механическим характеристиками был разработаны и опробованы методики по определению трещиностойкости, прочности, пластичности. Данные подтвердили наличие двух температурных интервалов провала пластичности, глубина которых зависит от скорости охлаждения с температур полного растворения -фазы, что связано с изменением морфологии и конфигурации частиц -фазы. Сравнение поверхности трещины в ЗТВ реальных сварных соединений и поверхности разрушения образцов из основного металла, разрушенных при температурах провала пластичности показывают идентичную фрактографическую картину, что дает основание предположить идентичный механизм разрушения. По данным Оже- спектроскопии поверхность разрушения обогащена в основном молибденом, кислородом и углеродом. При исследовании трещиностойкости материала с 65% упрочняющей -фазы также подтвердили влияние скорости охлаждения с температур полного растворения на пластические свойства, а именно, охлаждение со скоростью v_охл = 20 С/мин дает коэффициент трещиностойкости _с=36 мкм, в то время как охлаждение скоростью v_охл = 0,2С/мин дает коэффициент трещиностойкости = 462 мкм.

Полученные данные дали возможность улучшить стойкость к образованию трещин в ЗТВ сварного соединения ограниченно свариваемых никелевых при сварке плавлением путем управления структурными составляющими, как перед проведением сварки, так и непосредственно во время процесса сварки.

Ключевые слова: никелевые сплавы, структурные и фазовые превращения, сварка плавлением, зона термического влияния, -фаза, термическая обработка, температурные интервалы провала пластичности, трещины.

Abstract

Zvyagintseva A.V. Structural and phase transformations in heat-resistant nickel alloys and their role in formation of cracks in welded joints. - Manuscript

Thesis for candidate of technical sciences degree in speciality 05.16.01 - “Metal Science and Heat Treatment of Metals”

The thesis is dedicated to investigation of basic physical-chemical processes occurring in the heat-affected zone of welded joints on nickel alloys under the effect of the welding cycle. Experimental results determining the probability of initiation and location of cracks in the welded joints on nickel alloys with a different alloying degree were systematized. The mechanisms of initiation and propagation of cracks in the heat-affected zone (HAZ) of fusion welded joints were studied.

It was determined that the zone with a fully austenitic structure, characterized by the phase transformations, is formed in the HAZ metal near the fusion line at the moment of passing of the welding arc. Size of this zone corresponds to the T_L - T_solvus range, i.e. it depends upon the degree of alloying of a material, temperature and time of dwelling of the material above the temperature of complete dissolution of particles of the -phase. On this basis, the processes of dissolution and coagulation of particles of the -phase were studied for high alloys with a strengthening -phase content of more than 45 % in high-temperature heating. It was found that decreasing the rate of cooling from temperatures of complete dissolution of the -phase from 20 to 0.2 ^oC/min causes a 2.0-2.5 times increase in elongation . In this case, size of the -phase particles varies from 0,1...0,15 to 3 m.

Methods for evaluation of a set of crack resistance, strength and ductility characteristics were developed and tested. Recommendation for optimization of sizes of the -phase particles were worked out to improve ductile properties of nickel alloys.

The data generated make it possible to increase resistance to formation of cracks in HAZ of the welded joints on alloys with a limited weldability, or on alloys that are unweldable by the fusion welding methods, through controlling the structural components before welding and during the welding process.

Key words: nickel alloys, structural and phase transformations, fusion welding, heat-affected zone, -phase, heat treatment, ductility dip temperature ranges, cracks

Размещено на Allbest.ru