Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние технологии термического цикла сварки на свойства конструкций из титановых сплавов 10
1.1. Аналитическая оценка современного состояния влияния химического состава, дефектов структуры на свойства металла шва сварных конструкций из титанового сплава 10
1.2. Анализ современных достижений в области повышения плотности и механических свойств металла шва и обоснование выбора перспективного направления исследования 21
1.3 Традиционные и перспективные методы исследования, оборудование и методики 27
Глава 2. Механизм формирования диффузионного соединения перед фронтом расплавленной ванны и его влияние на остаточные напряжения, коробление и порообразование в процессе термического цикла сварки титановых сплавов 35
2.1. Формирование поверхности кромок титановых заготовок под сварку плавлением 35
2.2. Механизм формирования соединения перед фронтом расплавленной ванны в процессе термического цикла сварки 51
2.3. Исследование влияния режимов термического цикла сварки на напряжения, порообразование, геометрию металла шва и деформации конструкций из титановых сплавов 73
Глава 3. Исследования влияния состава и термического цикла сварки на свойства металла шва и основного металла конструкций из титановых сплавов 83
3.1. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения и свойства псевдо-а-титановых сплавов 83
3.2. Аналитическая оценка свойств основного металла и металла шва в зависимости от химического состава при входном и технологическом контроле 112
Глава 4, Исследования зависимости изменения механических свойств металла шва от режимов термического цикла сварки 125
Глава 5. Исследование влияния вида раскроя заготовок, режимов термического цикла сварки, (интенсивной) пластической деформации металла шва на химический состав, макро- микроструктуру и механические свойства металла шва 132
5.1. Влияние природы формирования поверхности реза заготовок на их макро- микроструктуру и химический состав поверхностного слоя 132
5.2. Оценка усталостных свойств титановых конструкций в зависимости от вида технологических операций раскроя и последующей обработки заготовок
5.3. Исследование влияния термического цикла на макро- и микроструктуру и механические свойства металла шва 158
5.4. Исследование пластической деформации металла шва на напряжения, деформацию и макро- и микроструктуру сварных конструкций из титановых сплавов 174
Общие выводы 187
Литература 192
Приложение 200
- Анализ современных достижений в области повышения плотности и механических свойств металла шва и обоснование выбора перспективного направления исследования
- Механизм формирования соединения перед фронтом расплавленной ванны в процессе термического цикла сварки
- Аналитическая оценка свойств основного металла и металла шва в зависимости от химического состава при входном и технологическом контроле
- Влияние природы формирования поверхности реза заготовок на их макро- микроструктуру и химический состав поверхностного слоя
Введение к работе
Высокие механические и антикоррозионные свойства, значительная прочность (вдвое прочнее железа) при относительно небольшой плотности (значительно легче железа) делают титан весьма ценным конструкционным материалом, благодаря чему он достаточно быстро получил широкое распространение в современной технике. Исходя из требований к эффективности, экономичности и надежности современных летательных аппаратов (ЛА), связанных с уменьшением материалоемкости, увеличением удельной прочности и жесткости конструкций наиболее перспективными конструкционными материалами для них являются титановые сплавы, особенно при изготовлении из них штампосварных конструкций из прогрессивных точных заготовок (профили, листы штамповки).
Актуальность проблемы заключается в том, что сварка плавлением титана и титановых сплавов сопровождается образованием химической и физической неоднородности зоны соединения, что, как правило, приводит к снижению технологических и эксплуатационных характеристик. При этом искажаются геометрические размеры конструкции из-за возникновения сварочных напряжений, появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики и другие показатели.
На практике при изготовлении сварных конструкции в технических требованиях закладывается снижение предела прочности сварного шва на 10% от предела прочности основного материала. При производстве данное снижение оказывается еще больше - 11-15%. При исправлении дефектов полученных при сварке (поры, подрезы, вольфрамовые включения и др.) подваркой происходит дальнейшее снижение предела прочности. Увеличение времени существования сварочной ванны для исключения порообразования приводит к увеличению размера зерна металла шва, что приводит к снижению механических свойств. Подварка дефектов сварного шва, так же приводит к дальнейшему росту зерна. Согласно теории М.Х. Шаршорова при увеличении
до определенной величины скорости охлаждения зоны термического влияния в интервале температур превращения Р<-»а и скорости охлаждения сварочной ванны можно получить механические свойства ЗТВ и металла шва практически не отличающихся от свойств основного металла.
Поэтому исследования возможности повышения механических свойств сварного соединения до свойств основного материала путем снижения внутренних напряжений, полного исключения пористости сварного шва, управление формированием структуры металла шва путем варьирования скоростью охлаждения сварочной ванны и ЗТВ в интервале температур превращения |3<-нх, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.
Цель работы
Обеспечение надежности конструкций из титановых сплавов ЛА путем повышения плотности металла шва, уменьшения остаточных напряжений и улучшением структуры металла шва, за счет оптимизации режимов термического цикла сварки, обеспечивающих свойства металла шва идентичные свойствам основного металла
Для реализации поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
Анализ существующего положения в области повышения эксплутационных характеристик, в том числе улучшение механических свойств, сварных конструкций из титановых сплавов, выбор и обоснование направлений исследований по улучшению механических свойств (повышения надежности конструкций);
Разработка методик и подбор оборудования для проведения исследований
Исследование влияния формы стыкуемых кромок и режимов термического цикла сварки на остаточные напряжения.
Исследование влияния режимов термического цикла сварки на механические свойства металла шва.
Исследование холодной прокатки металла шва для снижения остаточных напряжений
Исследование влияния скорости охлаждения сварочной ванны в интервале температур превращения Р<->а на механические свойства сварного соединения.
Экспериментальные исследования и практическое опробование полученных результатов
Внедрение разработанных положений
Научная новизна
Выявлены форма стыкуемых кромок, время существования расплавленного металла шва обеспечивающие минимальные коробление и остаточные напряжения сварных конструкций из титановых сплавов, а так же снижение пористости металла шва. J
Установлены закономерности взаимосвязи механических свойств основного металла и металла шва в зависимости от химического состава, толщины листа (материала) и режимов термического цикла сварки.
Выявлена зависимость механических свойств от скорости охлаждения металла шва в интервале температур превращения рЧ-ж фаз, что позволяет прогнозировать механические свойства сварных конструкций.
Практическая значимость работы
На основании исследований влияния формы стыкуемых кромок на коробление и остаточные напряжения, предложена новая оптимальная форма стыкуемых кромок, а так же способ получения данной формы.
Предложена методика расчета скорости охлаждения в интервале температур превращения Р<-ж в процессе термического цикла сварки в
зависимости от скорости сварки, применительно к конструкциям из титановых сплавов.
3. Предложена методика прогнозирования механических свойств основного металла и металла шва в зависимости от химического состава, толщины листа (материала) и режимов термического цикла сварки.
Разработанные рекомендации по изготовлению конструкций из титановых сплавов прошли опытно-промышленное испытание на КнААПО и готовится техдокументация для внедрения в серийное производство отрасли.
Экономический эффект от внедрения технологии составил 138611,5 руб. в год.
Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедрах ТСП и МиТНМ КнАГТУ в курсах «Материаловедение и технология производства материалов», «Технология производства сварных конструкций» и используется при выполнении научно-исследовательской работы студентами и аспирантами.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Анализ причин снижения прочности металла шва, их влияние на свойства и надежность конструкций из титановых сплавов, современных способов улучшения механических свойств, сварных конструкций из титановых сплавов, обоснование выбора направлений исследований по улучшению механических свойств (повышения надежности конструкций).
Исследования механизма формирования соединений перед фронтом расплавленной ванны и напряжений в зависимости от формы стыкуемых кромок и режимов сварки.
Зависимость механических свойств металла шва от режимов термического цикла сварки, химического состава и свойств основного металла.
Закономерности формирования структуры металла шва в зависимости от режимов термического цикла сварки и скорости охлаждения сварочной ванны в интервале температур превращения (3<->ос и ее влияния на механические свойства металла шва.
4. Результаты экспериментальных исследований и практических опробований полученных результатов
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом статистических и экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Апробация работы основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: научно-технических конференциях аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре 2004-2006г.г.); Ш-я конкурсная конференция молодых специалистов авиационных, ракетокосмических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике», г. Королёв. 2004г. ; П-я научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов «Исследованиями перспективные разработки в авиационной промышленности», ОКБ «Сухого», г. Москва, 2004г.; 1-ый Слет молодежи занятой в различных отраслях экономики края г. Комсомольск-на-Амуре, 2004 г.; ХХ-я научно-техническая конференция ОАО «КнААПО» «Созданию самолётов высокие технологии», г. Комсомольск-на-Амуре, 2005 г.; Китайско-Российский форум молодых учёных, Китай, г. Ченду, 2005г.; V-я конкурсная конференция молодых специалистов авиационных, ракетокосмических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике», г. Королёв. 2006г; Международная научно-техническая конференция «Вопросы авиационного материаловедения», посвященная 75-летию ФГУП «ВИАМ», Москва, 2007г.
Публикации основное содержание работы изложено в _13 печатных
работах, из них в журналах рекомендованных для публикации ВАК.
Объем работы диссертация состоит из введения 5 глав, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 190 страницах, содержит 22 таблиц и иллюстрированы 78 рисунками. Список литературы содержит 127 наименований.
Автор искренне признателен всем коллегам за содействие в выполнении настоящей работы, лично научному руководителю д.т.н., профессору В.И. Муравьёву и научному консультанту к.т.н. Физулакову Р.А. за консультации, поддержку и внимание к работе.
Анализ современных достижений в области повышения плотности и механических свойств металла шва и обоснование выбора перспективного направления исследования
Максимальная величина остаточных напряжений зависит от исходной структуры свариваемых сплавов и фазовых и структурных превращений в соединении под воздействием термического цикла сварки.
Более высокие остаточные напряжения возникают в сварных соединениях однофазных а- и р-сплавов титана, а также псевдо и Р-сплавов /16/. У двухфазных (а + Р)-сплавов марок ВТ14, ВТЗ-1, и особенно, ВТ16 и ВТ22, с более высоким содержанием р-фазы остаточные напряжения значительно меньше, что обусловлено протеканием р - ос-превращения в процессе охлаждения соединения после сварки, способствующего снятию остаточных напряжений. Режимы сварки оказывают существенное влияние на наличие остаточных 7 напряжений. С уменьшением мощности источника нагрева /17/ продольные остаточные напряжения снижаются. Это связано с изменением температурных полей: изотермы становятся более округлыми, отношение продольной оси изотермы к поперечной уменьшается. Остаточные сварочные напряжения зависят и от вида шва в конструкции /17/. При сварке соединений из титанового сплава ОТ4-1 в кольцевом шве цилиндрической оболочки остаточные напряжения (49...98 МПа) значительно ниже напряжений в продольном шве (294...392 МПа) того же сплава.
При сварке титана и его сплавов наиболее эффективная мера предупреждения образования холодных трещин - офаничение содержания кислорода, водорода и азота в основном металле и шве. Допускаемое содержание примесей внедрения в швах сплавов титана обычно ниже, чем при сварке технического титана, и зависит от типа сплава и системы легирования.
К технологическим факторам предупреждения образования трещин относятся: надежная защита зоны сварки и остывающих участков от контактов с воздухом, применение присадки с низким содержанием примесей внедрения, принятие мер к снижению пористости. Как показали исследования и производственный опыт /18/, в металле шва могут возникать трещины, развивающиеся от отдельных пор.
Способность к зарождению трещин от пор, а также частота их образования носят избирательный характер и подчиняются закону нормального распределения Гаусса. Образование трещин от пор зависит от уровня остаточных напряжений в сварном соединении, пластичности и структуры металла. С увеличением напряжений, уменьшением пластичности и ростом зерна металла вероятность образования трещин от пор возрастает.
Такие дефекты, как непровар, подрезы, вольфрамовые включения, являются концентраторами напряжений и в наибольшей степени снижают сопротивление сварных соединений титановых сплавов малоцикловой усталости, снижают прочность и могут быть причиной нарушения герметичности /17/.
Поры в швах являются основной причиной снижения долговечности сварных соединений, работающих в условиях циклических нагрузок, уменьшают прочность при двухосном растяжении и предел выносливости /18, 19/.
Наиболее опасны поры, расположенные на поверхности или в подповерхностном слое на расстоянии от поверхности менее 2...2,5 диаметров поры. При осевой нагрузке в малоцикловой области очаги разрушения образуются не со стороны поверхности, а внутри шва у дефектов. Воздействие пор на долговечность металла шва можно объяснить не только концентрацией напряжений у поры, но и направленной диффузией водорода в зону с повышенной величиной напряжений /19, 20/.
В работе /21/ наиболее полно систематизированы результаты многочисленных отечественных и зарубежных исследований проблемы пористости при сварке плавлением цветных металлов и сплавов. Исходя из этих данных, механизм порообразования при сварке титановых сплавов в общем виде можно представить следующим образом. При нагреве в процессе сварки кромки сдвигаются, и происходит образование твердофазного соединения в стыке кромок перед сварочной ванной. Это приводит к завариванию дефектов торцов кромок и образованию газосодержащих замкнутых полостей, формирующих при расплавлении газовые пузырьки.
Таким образом, для повышения плотности и уменьшения пористости сварных швов при сварке плавлением титана и его сплавов необходимо исключить источник готовых зародышей газовых пузырьков на поверхности торцовых свариваемых кромок и присадочной проволоке. При невозможности этого следует интенсифицировать дегазацию сварочной ванны до ее полного завершения.
В первом случае решением проблемы являются: 1 - обеспечение стыковки кромок металла до монолита и высокая степень чистоты поверхности присадочной проволоки (идеальный случай); 2 - обработка поверхности стыкуемых кромок и присадочной проволоки до шероховатости, исключающей образование замкнутых полостей перед фронтом сварочной ванны; 3 -исключение внутренних дефектов металла, выходящих на торцовую поверхность свариваемых кромок и присадочной проволоки.
Во втором случае для интенсификации дегазации сварочной ванны до полного ее завершения наиболее приемлемыми условиями могут быть увеличение времени существования сварочной ванны или нанесение реагентов-стимуляторов из галогенидов на торцовые поверхности кромок и присадочную проволоку. Такая технология может привести к снижению пластичности и прочности вследствие роста зерна и перегрева металла в околошовной зоне /22/.
В многочисленных отечественных и зарубежных публикациях рассматриваются лишь отдельные фрагменты технологических операций, влияющих на процессы порообразования.
Механизм формирования соединения перед фронтом расплавленной ванны в процессе термического цикла сварки
Таким образом, технологические операции первой группы приводят к нарушению целостности волокон металла, разрыхлению поверхностного слоя, образованию в нем растягивающих напряжений, созданию хаотичной, неоднородной микрогеометрии. Зачистка металлическими щётками сопровождается, кроме того, наволакиванием металла. Доводочные операции уменьшают, но не исключают как шероховатость, так и глубину разрыхления поверхностного слоя. Обработка давлением (пластическое деформирование обкаткой) кромок позволяет полностью устранить вышеперечисленные недостатки.
Особенностью формирования рельефа поверхности заготовок технологическими операциями второй группы является избирательность процессов травления и испарения. Последние обусловлены различной скоростью диффузии атомов и молекул по поверхности, по границам зёрен, у дефектов различного уровня, кристаллической решётки и др. Электростимулирование приводит к ускорению этих процессов. Поэтому хаотичная микрогеометрия поверхности заготовок в этих процессах формируется в основном за счёт растравливания, испарения и удаления металла преимущественно по границам зёрен, микротрещинам и другим дефектам. Величина деградации поверхностного слоя, вызываемая технологическими операциями второй группы, соизмерима с величиной деградации поверхностного слоя, вызываемой доводочными операциями первой группы (исключение составляет операция электроэрозионного раскроя). Кроме того, уменьшаются остаточные внутренние напряжения в обрабатываемых заготовках.
Формирование плавлением рельефа поверхности заготовок технологическими операциями третьей группы в отличие от предыдущих технологических групп исключает разрыхление поверхностного и приповерхностного слоя, создает на поверхности оксидно-нитридную пленку, приповерхностный слой со значительным увеличением твёрдости и поверхность заготовок с регулярным микрорельефом (исключение в последнем случае - процесс газопламенной резки).
По активации адсорбции м капиллярной конденсации влаги на поверхности титановых заготовок технологические операции обработки заготовок по убывающей степени абсорбционной способности располагаются по группам с I по II. Степень активации адсорбции влаги на поверхность заготовок определяется съемом металла создаваемой при этом развитой микрогеометрии, кроме того, величиной разрыхленного подповерхностного слоя, определяющего количество капиллярно конденсированной влаги.
Количество вещества на поверхности адсорбента (металла) определяется скоростью адсорбции, зависящей от ряда факторов, основными из которых являются: концентрация свойства адсорбента и адсорбата, физико-химическое состояние поверхности адсорбента, наличие динамических потоков адсорбата, количество молекул адсорбента, ударяющихся в единицу поверхности за единицу времени (Nq). Последнее для статических условий протекания адсорбции в случае динамических потоков адсорбата может быть выражено следующим образом /34/.
Учитывая, что в реальных условиях адсорбция вещества на поверхности твердого тела (металла) протекает при наличии конвективных потоков воздушной среды, то процесс адсорбции молекул вещества будет протекать в динамическом режиме.
Практически можно принять, что скорость адсорбции определяется скоростью, с которой молекулы адсорбата достигают поверхности адсорбента. Обычно скорость физической адсорбции весьма велика, адсорбционное равновесие достигается за считанные секунды (10...20 с), причем 90...95 % адсорбирующегося вещества связывается адсорбентом уже за 1...2 с /35/. Изменение температуры действует на процессы физической и химической адсорбции по-разному. Повышение температуры снижает скорость физической адсорбции и способствует хемосорбции, являющейся активируемым процессом (энергия активации 41,9...125,7 кДж/моль), в то время как энергия активации физической адсорбции близка к нулю.
Следует отметить, что шероховатость поверхности значительно увеличивает адсорбционную способность, как в аспекте интенсивности, так и экстенсивности.
Помимо адсорбционного процесса веществ, во множестве капиллярных углублений и полостей шероховатой поверхности может протекать процесс капиллярной конденсации влаги, вызванный тем обстоятельством, что с ростом кривизны вогнутой поверхности жидкости давление пара над ней уменьшается, т.е. над вогнутым мениском пар становится насыщенным при давлении рк меньше, чем над плоской поверхностью ps. При этом заметим, что для возникновения вогнутого мениска необходимо, чтобы влага хорошо смачивала поверхность.
Процессы удаления капиллярно-конденсированной жидкости из полостей дефектов сформированной поверхности стыкуемых заготовок и поверхности присадочной проволоки (рис. 18 - 21)представляют определенную сложность. Наибольшая эффективность может быть достигнута нагреванием очищаемой поверхности заготовки до температуры испарения или кипения жидкости.
Расчеты показали, что для выброса жидкостей из капилляров необходима температура: для воды - от 100 до 370 С, глицерина - от 100 до 320 С, этилового спирта - от 100 до 260 С, ацетона - от 100 до 240 С в течении 1 часа.
Кроме того, образование на поверхности при нагреве тонкой бездефектной оксидной пленки в определенных условиях сформированного рельефа стыкуемых кромок приводит к повышению класса чистоты поверхности на 0,5 - 1,0 ед., т.е. к уменьшению количества адсорбированных загрязнений.
Аналитическая оценка свойств основного металла и металла шва в зависимости от химического состава при входном и технологическом контроле
Из анализа влияния основных факторов на Тпп титановых сплавов (табл. 12) следует: - Величина гистерезиса, т.е. разность между критическими точками превращений при быстром нагреве и охлаждении (до 10000 град/с), у титана составляет около 30 С. При охлаждении смещение критических точек значительно более резкое, чем при нагреве. Наличие гистерезиса связано с трудностью образования зародыша новой фазы. Превращение (3-»а происходит с уменьшением объема примерно на ОДЗ %. - Равноосную структуру ос-фазы можно получить только путем деформации и последующего высокотемпературного отжига в а-области. - Существенное влияние на Тпп оказывают легирующие элементы и примеси в титане. Вследствие колебаний марочного состава из-за неоднородности легирования, Тпп может различаться для разных плавок одного сплава на 20...80 С и более. Влияние легирующих элементов и примесей на Тпп титановых сплавов объясняется их стабилизацией а- или (3-фазы /46,47/. Неограниченной растворимостью хотя бы в одной из модификаций титана обладают лишь соседние с титаном по таблице Д.И. Менделеева элементы Zr, Hf, V, Nb, Ta,Cr, Mo, W. Это приводит к заключению, что сходство в электронном строении атомов взаимодействующих элементов является решающих фактором, определяющим растворимость в системах титановых сплавов /48/. В титане неограниченно растворяются те переходные элементы, атомы которых, как и у титана, имеют незастроенную d - s-электронную оболочку с неспаренными й?-электронами. Из описанных выше закономерностей, следует, что неограниченной растворимостью в титане обладают элементы, повышающие статистический вес атомных стабильных конфигураций (СВАСК) cf (рис. 41) /48/. Поэтому алюминий является а-стабилизатором и повышает температуру полиморфного превращения.
Федотов С.Г. с сотрудниками /49/ отмечают, что легирующие элементы в титане растворяются преимущественно в тех фазах, в которых они увеличивают силы межатомного взаимодействия и повышают их относительную устойчивость. Действительно, алюминий увеличивает упругие константы а-твердого раствора и вместе с тем расширяет температурный интервал существования а-фазы. Алюминий является основной легирующей добавкой в титановых сплавах. Благодаря легкоплавкости и способности восстанавливать окислы тугоплавких металлов (алюмотермия) его используют также для получения лигатур с хромом, молибденом, ванадием и другими легирующими компонентами /50...57/. Молибден и ванадий, стабилизирующие р-фазу, понижают упругие константы а-раствора, повышая эти характеристики для (3-растворов. Ванадий относится к группе элементов, стабилизирующих Р-фазу титана, и резко снижает температуры полиморфного превращения титана с увеличением его концентрации /48...62/. При содержании не менее 15% V путем закалки можно полностью зафиксировать при комнатной температуре Р-фазу. При меньшем содержании ванадия в зависимости от температуры нагрева под закалку можно получить в структуре различные соотношения а- и Р-фаз, а также зафиксировать и другие фазы, а именно а , а" и о.
Важное значение для создания промышленных титановых сплавов имеет сравнительно большая растворимость ванадия в а-титане (более 3 %), поскольку это дает возможность создавать сплавы, сочетающие преимущества однофазных а-сплавов (хорошая свариваемость) и двухфазных сплавов (способность к упрочняющей термической обработке, повышенная по сравнению с а-сплавами технологическая пластичность). Наглядным примером этому служит наиболее популярный промышленный сплав типа 6-4, соответствующий нашей марке ВТ6. Другим преимуществом ванадия как легирующего элемента в титановых сплавах является отсутствие в системе Ti-V эвтектоидных реакций и металлидных фаз. Этим практически исключается возникновение хрупкости при любых ошибках в проведении технологических процессов, связанных с нагревами.
С точки зрения литейных свойств достоинством сплавов титан-ванадий является очень узкий интервал кристаллизации, доказательством чему служит успешное применение сплава ВТ6 для фасонного литья (рис. 42). Цирконий, как и гафний, является ближайшим аналогом титана, имеет близкую температуру плавления и также обладает полиморфизмом, а - и р-модификации титана образуют непрерывные ряды твердых растворов с соответствующими модификациями циркония. При любой концентрации циркония (3-фаза не фиксируется закалкой, а претерпевает мартенситное превращение в а-фазу /63...72].
По сравнению с другими легирующими добавками цирконий является для титана довольно слабым упрочнителем. Однако при повышенных температурах упрочняющее действие циркония проявляется сильнее. По этой причине цирконий нередко входит в состав жаропрочных титановых сплавов. Окалиностойкость титана при добавке циркония почти не изменяется при температурах нагрева до 600 С, но при 700 С и выше резко падает. Ввиду сравнительно малого влияния на температуру аллотропического превращения титана цирконий принято относить к группе так называемых нейтральных упрочнителей (рис. 43).
Влияние природы формирования поверхности реза заготовок на их макро- микроструктуру и химический состав поверхностного слоя
Формирование микро-, микрорельефа и макро- микроструктуры поверхности и поверхностного слоя стыкуемых кромок под сварку в зависимости от вида той или иной технологической операции как раскроя так и последующей обработки классифицируются в зависимости от природы их формирования (рис. 57-60): - разрушение (механическая обработка рубка на ножницах гильотинного типа, фрезерование и др.) - травление (химическое, электрохимическое, электроэрразионное и др.) - плавление (разка с использованием высококонцентрированных источников энергии - плазменный, газолазерный и др.). Общеизвестно традиционная обработка резанием (рубка, точение, фрезерование, шлифование и др.) сопровождается процессами деформации и разрушении и удалением с поверхности части металла. Разрушениеповерхности части металла. Разрушение металлов сопровождается уменьшением плотности его у поверхности излома за счет концентрации напряжений от скопления дислокаций около препятствий (включения, границы зерен и др.) и образованием пор и микротрещин - разрыхление поверхностного слоя (рис. 57-60).
При электроэрозионной обработке в результате воздействия электрических разрядов обработанная поверхность приобретает характерныенеровности (рис. 57(5), 59(a)). Поверхностные слои ЭЭО претерпевают структурные и химические превращения, чему дополнительно способствуют поступления в них тех или иных элементов из рабочей жидкости, а в некоторых случаях и из ЭИ. Как видно из рисунка 59(6), процесс ЭЭО идет преимущественно по границам зерен. На поверхности формируется светлая нетравящая зона эрозионноупрочненного слоя и частицы разрушенного эрозионноупрочненного (рис 59 в,г). Микротвердость эрозионноупрочненного слоя составляет Ну 8500МПа (рис. 59(д)), причем микротвердость не претерпевает никаких изменений после вакуумного отжига.
Современный производственный технологический цикл нуждается в разработке и промышленном освоении новых методов получения заготовок из листового материала путем резки по контуру. При этом предъявляются требования как по производительности процесса, так и по точности и качеству поверхностей реза. В соответствии с этим появились такие перспективные процессы разделения материалов, как лазерная резка металлов, основанная на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны реза.
Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие разрезы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как непосредственно в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой степенью точности, в том числе и легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза.
Компьютерное управление лазерным пучком позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса в сравнении с традиционными методами обработки.
Предпочтительным представляется способ газолазерной резки, основанный на механизме разрушения металлов плавлением с продувом зоны реза инертным газом. При этом обеспечивается снижение средней мощности лазерного излучения по сравнению с разрушением металлов в процессе резки испарением.
Известно /122/, что использование кислорода при высоких плотностях мощности для резки титана даёт отрицательный результат из-за того что теплота, выделяющаяся от реакции горения титана в струе кислорода переводит в автогенный неуправляемый режим резки ухудшающий качество поверхности реза (шероховатость, ширина реза и т.д.). Перевод в управляемый режим резки титана в кислороде требует либо слишком высокой, либо слишком малой скорости резки, что ограничивает толщину разрезаемого металла. Такие же толщины резки титана достигаются, правда с обеспечением устойчивого процесса резки, с использованием в качестве вспомогательного инертного газа аргона.
Известно /123/, что процесс взаимодействия титана с азотом имеет много общего с процессом взаимодействия его с кислородом.
Как для кислорода, так и для азота уже при ничтожно малом давлении создаются термодинамические возможности образования оксидов и нитридов на поверхности титана.
И тем не менее существуют различия. Соединение TiN - одно из самых устойчивых при высоких температурах, температура плавления составляет 2950 ±30С, намного выше температуры плавления титана (1668 С) и температуры плавления оксидов (Ті202 - 1640С). Диффузионная подвижность азота в титане меньше, чем кислорода. Эти отличительные признаки способствует управляемому режиму резки титана в среде азота.
Поскольку длительность локального нагрева участка металла до температуры плавления под воздействием лазерного излучения составляет ти 10 7с и примерно соизмерима со временем охлаждения канала реза до температуры окружающей среды, есть все основания полагать, что на поверхности реза формируется аморфная структура.
