Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 11
1.1 . Титановое сопло и его конструкция 11
1.2 . Применение диффузионной сварки в конструкциях летательных аппаратов 16
1.3 . Обоснование целесообразности замены пайки титановых сплавов диффузионной сваркой 21
1.4 . Образование соединений при диффузионной сварке титана 29
1.5 . Влияние термодеформационной обработки на микроструктуру и свойства титана 36
1.6 . Критерии и факторы качества диффузионного соединения 39
1.7 . Результаты изготовления опытного диффузионного-сварочного сопла из сплава ОТ4.41
1.8 . Задачи исследования 45
Глава 2. Методика проведения исследований 49
2.1. Общая характеристика сплава ВТ6 49
2.2. Металлографическиеисследования 51
2.3. Фрактографические исследования 52
2.3.1. Методика анализа поверхности изломов 53
2.3.2. Методика анализа деформации поверхности под действием собственных напряжений 57
2.4. Механические испытания 59
2.5. Термодеформационная обработка 61
2.6. Методика испытания на ползучесть при диффузионной сварке 63
2.7. Обработка результатов экспериментальных исследований и оценка достоверности измерений 68
Глава 3. Влияние термодеформационной обработки сплава ВТ6 с пластинчатой микроструктурой на его свойства 70
3.1. Влияние термо деформационной обработки на микроструктуру сплава 70
3.1.1. Высокотемпературная деформационная обработка 72
3.2. Механические свойства сплава после его термодеформационной обработки 81
3.3. Влияние термодеформационной обработки на высокотемпературную ползучесть сплава 86
3.3.1. Ползучесть сплава в состоянии поставки 86
3.3.2. Ползучесть сплава с пластинчатой микроструктурой после термодеформационной обработки 92
3.4. Влияние термодеформационной обработки на развитие микрорельефов на поверхности сплава при вакуумном отжиге 97
3.5. Выводы и результаты 106
Глава 4. Анализ влияния термодеформационной обработки сплава ВТ6 и технологических параметров на процесс сварки и качество диффузионного соединения . 108
4.1. Влияние термодеформационной обработки на развитие физического контакта 108
4.2. Влияние термодеформационной обработки и режимов сварки на механические свойства диффузионных соединений 119
4.3. Анализ влияния термодеформационной обработки и режимов сварки на деформацию свариваемых заготовок 132
4.4. К вопросу образования диффузионного соединения при сварке сплава ВТ6 138
4.5 Выводы и результаты 142
Глава 5. Технологические рекомендации по повышению качества и надежности диффузионного соединения оболочек сопла из сплава ВТ6 145
5.1. Влияние сварочного давления на прочность диффузионного соединения 145
5.2. Оценка эффективности снижения прогибов оболочек за счет использования двухслойных композитов 151
5.3. Прочность диффузионного соединения оболочек из двухслойных структурных композитов 157
5.4. Влияние способа подготовки контактных поверхностей на качество диффузионного соединения 164
5.5. Технологические рекомендации по диффузионной сварке оболочек сопла из сплава ВТ6168
5.6. Выводы и результаты 173
Общие выводы по работе 174
Библиографический список 176
- Применение диффузионной сварки в конструкциях летательных аппаратов
- Методика анализа деформации поверхности под действием собственных напряжений
- Механические свойства сплава после его термодеформационной обработки
- Влияние термодеформационной обработки и режимов сварки на механические свойства диффузионных соединений
Введение к работе
Актуальность. Одним из основных факторов,
определяющих высокотемпературную ползучесть титановых сплавов (лежащую в основе образования физического контакта) и качество диффузионного соединения, является их микроструктура. Причем скорость ползучести сплава, имеющего крупнозернистую пластинчатую структуру, может быть в десятки раз меньше, скорости ползучести сплава того же состава, но с глобулярной (или мелкозернистой равноосной) структурой. Поэтому при диффузионной сварке сложных конструкций (к которым следует отнести и сопло), содержащих участки с различным типом структуры, прочность соединения на различных участках будет различной, т. е. конструкция будет не равнопрочной.
Получение равнопрочного диффузионного соединения
оболочек сопла может быть достигнуто регулированием исходной
микроструктуры свариваемых заготовок сопла путем их
предварительной термодеформационной обработки,
обеспечивающей за счет последующей рекристаллизации переход от крупнозернистой пластинчатой структуры к равноосной мелкозернистой (глобулярной).
В литературе имеются данные о влиянии режимов термодеформационной обработки (степени деформации) на структуру и механические свойства титана, но данных о влиянии такой обработки на высокотемпературную деформацию под действием внешних и собственных (внутренних) напряжений и образование диффузионного соединения титановых сплавов нет.
Поэтому исследования и оптимизация микроструктуры титановых заготовок для диффузионной сварки путем их
предварительной термодеформационной обработки является: актуальной задачей.
Цель работы. Оптимизация микроструктуры сплава ВТб термодеформационной обработкой для повышения качества и надежности соединения оболочек.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать влияние термодеформационной обработки ВТ6 с исходной пластинчатой микроструктурой на его микроструктуру, механические свойства и высокотемпературную ползучесть под действием внешних и собственных (внутренних) напряжений;
провести комплексный анализ влияния термодеформационной обработки сплава ВТ6 с исходной пластинчатой микроструктурой и технологических параметров процесса диффузионной сварки на механические свойства диффузионного соединения и остаточную деформацию свариваемых заготовок;
исследовать возможность повышения прочностных характеристик сопла за счет изготовления оболочек из двухслойных материалов с различной структурой;
сформулировать принципы оптимизации процесса диффузионной сварки сплава ВТ6 и разработать рекомендации по промышленному использованию результатов исследований.
Научная новизна
1. Установлены закономерности влияния предварительной термодеформационной обработки сплава ВТ6 с исходной крупнозернистой пластинчатой микроструктурой на механизм и кинетику его высокотемпературной деформации под действием
внешних напряжений в условиях сжатия и под действием собственных (внутренних) напряжений.
2. Показано, что наибольшая разница в скоростях
высокотемпературной деформации под действием собственных
напряжении и под действием внешних напряжении наблюдается
при объемном содержании в сплаве с пластинчатой структурой
участков с глобулярной структурой на уровне 50% и температуре
а+р—^Р превращения.
3. Установлены закономерности влияния предварительной
термодеформационной обработки сплава ВТ6 на кинетические
характеристики процесса: развития физического контакта между
соединяемыми поверхностями.
На основании анализа деформаций, сопутствующих процессам развития контакта и получения диффузионного соединения, равнопрочного основному материалу, показано, что фактором, влияющим на формирование этого соединения, является образование деформационных рельефов на контактных поверхностях под действием собственных напряжений.
Выдвинута гипотеза о том, что роль деформационных рельефов в формировании диффузионного соединения заключается в разделении контактных зазоров на ряд более мелких пор и создании в зазоре дополнительных центров, вокруг которых могут развиваться процессы спекания, протекающие без участия внешних сжимающих давлений.
Практическая ценность. Результаты выполненных
экспериментальных исследований являются основой новых технологических решений в области получения титановых слоистых конструкций.
Получены количественные зависимости между степенью деформации сплава ВТ6 с исходной пластинчатой микроструктурой и суммарной площадью (объемом) участков с глобулярной структурой, образующихся при последующем рекристаллизационном обжиге, что позволяет выбирать режимы предварительной термодеформационной обработки свариваемых заготовок.
Установлено, что процесс развития физического контакта сопровождается меньшей накопленной деформацией соединяемых заготовок при суммарном объемном содержании участков с глобулярной структурой (в заготовках с исходной пластинчатой микроструктурой) порядка 50...60%.
3. Методом статистической обработки экспериментальных
данных получены выражения, отражающие зависимость ударной
вязкости диффузионного соединения от технологических
параметров (температуры, давления, времени) для заданных типов
микроструктур.
4. Показано, что расширение диапазона допустимых сварочных
давлений и исключение прогибов неподкрепленных участков
оболочек может быть достигнуто использованием
микроструктурных композитов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» ( Москва, 20-21 ноября 2003г.);
Научно-технической конференции, посвященной 30-летию кафедры ОТСП (Воронеж, 10-11 сентября 2003.);
Всероссийской с международным участием конференции «Сварка и контроль-2004» (Пермь, 17-20 мая 2004.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ. Получены два решения на выдачу патентов по заявкам: 2004100410/20 и 2004100411/20.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 186 страниц машинописного текста, включая 76 рисунков и 4 таблицы.
Список литературы содержит 116 наименований.
Применение диффузионной сварки в конструкциях летательных аппаратов
Этот способ получения неразъёмного соединения нашёл достаточно широкое применение за рубежом [20-26 и др.]. В соответствии с выводами ряда ведущих фирм США использование процесса диффузионной сварки в целях экономии металла, уменьшения массы и стоимости титановых конструкций сложной формы имеет большие потенциальные возможности. В настоящее время с помощью процесса диффузионной сварки изготовлены для стратегического бомбардировщика В1 элементы системы обдува лобового стекла; усиления шпангоута хвостовой части фюзеляжа; узлы крепления механизмов поворота и отклонения крыла; для самолёта «Боинг-747» - балки шасси; для вертолёта Sikorsky s Н-53 - втулки несущего винта; криогенная крыльчатка для ракетного двигателя; панель теплового экрана для Шаттла; кольцевой фитинг фюзеляжа самолёта F - 104. В то время, как фирма Rockwell International Corporation сконцентрировала свою деятельность на изготовлении крупногабаритных статических конструкций для авиации и космоса, группа Pratt and Whitney Aircraft фирма United Technologies Corporation применила диффузионное соединение при изготовлении двух основных компонентов реактивного двигателя: полых втулок крыльчатки двигателя и камеры сгорания. Фирма Stresskin Products Со изготавливает крупногабаритные титановые панели с сотовым заполнителем, которые затем, используются в элементах реактивного двигателя и планера самолёта. Фирма Rockwell International применила процесс диффузионного соединения при изготовлении камеры синхротрона из сплава Ti-6AI-4V диаметром 20,1 футов (6,09 м) для Argonne National Laboratory. Стенки камеры имеют упрочнённую структуру, полученную благодаря сварке нервюр толщиной І мм с обшивкой толщиной 0,64 мм и колпаком с толщиной стенки 1,3 мм. У нас в стране изучению как самого процесса формирования диффузионного соединения, так и возможности его практического использования при изготовлении титановых конструкций посвящено большое количество работ [14-19,26-56 и др.]. Однако, несмотря на такой интерес к данному технологическому процессу, пока его практическое применение в производстве титановых конструкций весьма ограничено. Это обусловлено рядом объективных причин [55]: - наличие других хорошо изученных традиционных методов и технологических процессов (мехобработка, контактная сварка, пайка), которые, где только можно, предпочитают диффузионному соединению, хотя достаточно часто в ущерб качеству соединения и экономике; - относительная сложность процесса диффузионной сварки и отсутствие данных о способах и технологических условиях его реализации; - очень ограниченный практический опыт изготовления и эксплуатации диффузионно-сварных соединений. В итоге конструкторы далеко не всегда осознают потенциальные возможности этого процесса и не предусматривают его использование в проектируемых изделиях аэрокосмического назначения. В настоящее время задачу получения диффузионной сварки титановых сплавов на уровне образцов с компактным сечением для механических испытаний можно считать решённой [15,18,29,32,34,38,43,55 и др.], хотя далеко не по всем вопросам образования диффузионного соединения существует ясность и понимание.
Принципиально важной особенностью диффузионного соединения элементов тонкостенных слоистых конструкций является то, что, с одной стороны, необходимо прикладывать сжимающее давление для реализации процессов, ответственных за образование соединения, а с другой стороны, необходимо ограничивать степень пластической деформации соединяемых элементов (исключить возможность потери их устойчивости), что в свою очередь, накладывает ограничения на величину сварочного давления. Поэтому задача получения качественного диффузионного соединения при сохранении геометрии свариваемых элементов является далеко не простой [55]. При изготовлении конструкций сложного криволинейного профиля, к которым следует отнести и сопло, может быть использована технологическая схема (рис. 1.4), при которой сжимающее давление, создаваемое газом в компрессионной печи или контейнере, воспринимается непосредственно внешними элементами самой конструкции (оболочками) [41,55]. В процессе сварки в результате развития ползучести под давлением газа оболочки на неподкреплённых участках могут деформироваться (прогибаться) (рис.1.4, г). Это, с одной стороны, будет уменьшать сечение сообщающихся каналов, а с другой стороны - ухудшать условия для формирования диффузионного соединения. Одним из возможных решений этой задачи может быть повышение сопротивления ползучести оболочек. при одновременном сохранении исходных свойств материала в зоне соединения. Этого можно добиться, например, регулированием исходной микроструктуры свариваемых заготовок [27,28,33,41,43,45,48,50]. Однако это направление требует проведения специальных исследований: 1.3. Обоснование целесообразности замены пайки титановых сплавов диффузионной сваркой Для обоснования возможности использования диффузионной сварки вместо применяемой в настоящее время пайки через медь при соединении элементов титановых конструкций нами были проведены сравнительные испытания соединений на ударную вязкость и предел прочности при 20 и -196С из титановых сплавов ОТ4, ВТ5 и ВТ6 [26]: Соединения получали пайкой и диффузионной сваркой в вакууме 8 - 10" Па при температурах 950 и 1050С в течение 30 мин. цилиндрических образцов диаметром 16 мм и высотой 30 мм. Медное покрытие толщиной 8-Ю мкм наносили на одну из соединяемых поверхностей гальваническим способом. Для того, чтобы создать условия при пайке, сопоставимые с диффузионной сваркой, в ряде экспериментов к образцам прикладывали одинаковые сжимающие давления величиной 2 МПа (обычно при пайке используются более низкие давления - 0,5 МПа).
Методика анализа деформации поверхности под действием собственных напряжений
Исследования кинетики образования микрорельефа под действием внутренних (собственных) напряжений, возникающих в металле при отжиге, проводили на образцах толщиной 2..5 мм, изготовленных из сплава с исходной крупнозернистой пластинчатой структурой, деформированного при 950С по методике, описанной ниже (см. раздел 2.5). Для облегчения наблюдения за развитием рельефа исследуемые поверхности полировали до Ra = 0,02...0,03 мкм. Образцы отжигались в установке (ркс. 2.4) в диапазоне температур 850,..975С при изотермических выдержках до 4 часов. Отжиг осуществляли в вакууме не хуже 10" Па; для снижения возможности окисления образцов при отжиге их дополнительно защищали экраном из титановой фольги. О качественном влиянии температуры отжига на топографию поверхности титана можно судить по профилограммам, приведённым на рис.2.5. Для количественной оценки изменения микрогеометрии поверхности использовали стандартную характеристику шероховатости поверхности Ra, которую измеряли с помощью профилографа-профилометра 252. Процесс развития деформации поверхности под действием собственных напряжений описывали построением кинетических зависимостей Ra=tp(t) при заданных температурах. Среди статических методов испытаний материалов наиболее широкое распространение получили испытания на растяжение, в процессе которого образец деформируется плавно возрастающей нагрузкой до его разрушения, а среди динамических испытаний — испытания на ударный изгиб. Для испытаний на растяжение использовали образцы с рабочей частью в виде цилиндра с диаметром 6 и 8мм. Испытания на растяжение проводили на разрывной машине Р-10 со скоростью нагружения 15мм/мин. Для испытания на ударный изгиб использовали образцы Менаже (с V - образным концентратором) с квадратным сечением 10 10мм (в отдельных случаях 5 10мм). Ударную вязкость материала определяли на маятниковом копре КМ-Г. При выборе способа механических испытаний диффузионно-сварных соединений руководствовались следующим. Основные дефекты в сварных соединениях — это непровары, трещины, деформация свариваемых заготовок [15]. Изучение влияния размера и формы дефектов на механические свойства сварных соединений, выполненные в работах [95-99 и др.], показали, что испытания на статическое растяжение отражает развитие процесса взаимодействия свариваемых поверхностей на начальном этапе, когда площадь взаимодействия не превышает 60...80% от номинальной. При этом напряжение, при котором происходит разрушение, равно (или близко) ов основного материала.
Авторы работ [18, 19, 95 и др.] считают, что наиболее
объективный критерий качества диффузионного соединения ударная вязкость, величина, которая отражает полноту завершенности процесса взаимодействия контактных поверхностей. и является достаточно чувствительной характеристикой для выявления дефектов.
Так, при испытании сварочных соединений из титанового сплава ВТ6 на удар обнаруживается существенная зависимость работы разрушения от наличия в плоскости контакта: несплошностей размером до 1мкм [98].
Согласно [99] при испытании на ударную вязкость критический размер несплошностей, расположенных на границе, составляет 0,2 мкм, а внутри зёрен - 4 мкм.
Сравнение кинетических зависимостей относительной ударной вязкости и относительного поперечного сужения сварных соединений показывает удовлетворительную их корреляцию В то же время необходимо отметить, что испытания на ударный изгиб нечувствительны к начальному этапу процесса обрывания диффузионного соединения, и в большинстве этих случаев значения КСV близки к 0.
Поэтому при анализе влияния технологических параметров. процесса на качество диффузионного соединения на завершающем этапе процесса сварки в качестве основной механической характеристики целесообразно использовать ударную вязкость, а на начальном этапе - предел прочности при статическом растяжении. Для решения поставленной задачи по установлению возможности измельчения крупнозернистой пластинчатой структуры: элементов сопла за счёт развития процесса рекристаллизации в предварительно деформированном металле использовали сплав ВТ6 с исходной крупнозернистой пластинчатой микроструктурой (рис.2.1,в). Получение рекристаллизованной структуры во всём деформированном объёме возможно только при условии равномерного осаживания образца. Для этого на торцах цилиндрического образца изготавливали плоские выточки (рис.2.6), которые заполняли парафином. Это обеспечивало низкое трение в контакте «образец - боёк машины» и тем самым позволяло осуществить деформирование практически в условиях линейного сжатия. Деформирование образцов производили при комнатной температуре на машине УРМ ZD-40. При этом достигались следующие деформации, %: 8, 14, 19 ,26, 40 и 44. Дальнейшее увеличение деформации приводило к разрушению образца. Деформированные образцы подвергали рекристаллизационному отжигу в аргоне в течение 60 мин. при температуре 950С. Другую часть цилиндрических образцов диаметром 10 и высотой 20 мм деформировали в вакууме с начальной скоростью 10" с" при температуре 950С. Заданная степень деформации 10, 20, 40 и 60 % достигалась использованием стальных ограничительных колец. После рекристаллизационного отжига проводили металлографические исследования и испытания на ползучесть и свариваемость. Шлифы для металлографического анализа делали в плоскости, проходящей через центр образца параллельно направлению приложения сжимающих усилий при деформации.
Образцы для исследования влияния термодеформационной обработки на механические свойства и свариваемость сплава изготавливали из прутков с исходной крупнозернистой пластинчатой микроструктурой, которые предварительно деформировали в интервале температур 940-980С всесторонней ковкой по схеме осадка - протяжка до достижения заданной степени деформации: 10; 20; 40 и 60%. Образцы перед сваркой и механическими испытаниями отжигали при 950С в среде аргона.
Механические свойства сплава после его термодеформационной обработки
Результаты механических испытаний на статический разрыв и ударный изгиб образцов, изготовленных из прутков как в состоянии поставки, так и предварительно деформированных всесторонней ковкой , приведены в табл. 3.1. - состояние поставки крупнозернистая пластинчатая м и кроструктура; - состояние поставки равноосная мелкозернистая микроструктура Из анализа полученных данных следует, что деформация сплава ВТ6 с исходной крупнозернистой пластинчатой микроструктурой в интервале от 10 до 40% приводит к незначительным изменениям механических свойств сплава по сравнению с исходным состоянием. Увеличение предварительной деформации до 60% сопровождается повышением ав, ,5 и некоторым снижением ударной вязкости материала. Показатели механических свойств при этом приближаются к свойствам сплава, имеющему в исходном состоянии равноосную (глобулярную) микроструктуру. Наблюдаемые изменения механических свойств (табл.3.1) следует связывать с увеличением содержания в сплаве объёма участков с глобулярной микроструктурой, которая характеризуется большей пластичностью и меньшим сопротивлением распространению трещины по сравнению со сплавом, имеющим пластинчатую микроструктуру [13]. Фрактографический анализ поверхностей разрушения образцов с исходной крупнозернистой пластинчатой микроструктурой (рис. 3.8, а) показал, что поверхность излома характеризуется значительной неоднородностью. В изломе присутствует несколько типов рельефа разрушения. Большую часть поверхности разрушения занимают участки, представляющие собой чередующиеся гребни отрыва и впадины, В зависимости от условий разрушения на поверхности может присутствовать ямочный рельеф с различными по размеру и плотностью ямками. В изломе могут присутствовать и гладкие участки с микрорельефом, имеющим на своей поверхности отдельные «язычки» вязкого отрыва.
Образование различных типов рельефов в изломах при разрушении сплава с крупнозернистой пластинчатой микроструктурой связано с различной ориентацией фронта распространения трещины относительно а - пластин . Поверхность разрушения, представляющая собой чередование гребней отрыва и впадин, образуется при движении фронта трещины через колонии а - пластин с образованием на поверхности вытянутых гребней. Изменение расстояния между гребнями и строение поверхности разрушения обусловлены различными углами между направлениями распространяющейся трещины и колониями а - пластин. Мелко-ямочный рельеф поверхности излома образуется при распространении трещины по границам а - пластин, при этом разрушение происходит путём зарождения, роста и слияния микропор. Пластины а фазы деформируются в большей степени и образуют вытянутые в направлении разрушения продолговатые гребни отрыва, в то время как р - прослойки разрушаются с образованием мелкоямочного рельефа. Изломы на сплаве с исходной глобулярной микроструктурой соответствуют вязкому характеру разрушения, происходящему путём зарождения, роста и слияния микропор, и имеют типичное «чашечное» строение (рис.3.8,6). Распределение ямок отрыва по их размерам, построенное по вышеописанной методике, приведено на рис. 3.9, криваяі, из которого видно, что при разрушении формируется наибольшее количество ямок диаметром 1...1,5 мкм. Изучение влияния предварительной термодеформационной обработки на топографию разрушения сплава с исходной крупнозернистой пластинчатой микроструктурой показало, что предварительная деформация до 20% практически не изменяет характера поверхности разрушения по сравнению с состоянием поставки(рис. 3.10, а). После деформации до 40%, несмотря на сохраняющуюся неоднородность,, большую часть поверхности разрушения занимают участки с мелкоямочным рельефом (рис. 3.10, б). Деформация сплава до 60% приводит к качественному изменению топографии поверхности разрушения; изломы соответствуют вязкому характеру разрушения по механизму зарождения, роста и слияния микропор (рис. ЗЛО, в). В то же время топография поверхности разрушения характеризуется большей неоднородностью по сравнению со сплавом, имевшим в исходном состоянии глобулярную микроструктуру. Это же Исследовалась ползучесть сплава с исходными глобулярной и крупнозернистой пластинчатой микроструктурами (см. рис. 3,1, а и в). На рис. 3.11 приведены типичные кривые ползучести сплава с исходной глобулярной Скорости ползучести Єц, вычисленные по линейным участкам кривых є = f (т), с повышением температуры испытания до температуры конца полиморфного превращения монотонно возрастают. Независимо от атомного механизма, контролирующего массоперенос при высокотемпературной деформации металлов, скорость ползучести является экспоненциальной функцией температуры [107,108]: где Е - энергия активации процесса, контролирующего ползучесть; R - газовая постоянная; Т - температура. Опытные данные в координатах 1пп — 1\Т укладываются на прямую линию (рис.3.12, кривая 1) из тангенса угла наклона которой следует, что энергия активации ползучести сплава ВТ6 с глобулярной структурой в области температур до конца полиморфного превращения составляет 242 кДж/моль. Найденное значение энергии активации близко к энергии активации диффузионных процессов, протекающих на границах зёрен титановых сплавов. Так, согласно результатам работы Паркера, приведенным в [107], энергия активации зернограничной релаксации для сплавов системы Ti-Al составляет 217-292 кДж/моль. В зависимости от атомного механизма,, контролирующего ползучесть, скорость течения металлов в функции напряжения обычно описывается линейной, либо степенной, либо экспоненциальной зависимостью [107]. Экспериментально найденные значения скорости ползучести сплава ВТ6 при постоянной температуре укладываются на прямые в логарифмических координатах In єп —In р (рис.3.13, прямая 1) с тангенсом угла наклона, близким к единице (-1,2), то есть ползучесть сплава ВТ6 осуществляется по одному из механизмов вязкого течения Анализ микроструктурных изменений при ползучести сплава ВТ6 показал, что для исследованного интервала температур характерно наличие деформаций по границам зёрен. Для обеспечения непрерывности деформации и сохранения сплошности материала необходима и внутризеренняя деформация. То есть ползучесть сплава с исходной глобулярной структурой осуществляется с помощью межзёренных механизмов пластической деформации. Скорость установившейся ползучести сплава ВТ6 с исходной глобулярной микроструктурой в области температур 850,..1000С (ниже конца полиморфного превращения) может быть оценена по выражению:
Влияние термодеформационной обработки и режимов сварки на механические свойства диффузионных соединений
Результаты механических испытаний образцов после их диффузионной сварки показали, что разрушение соединений при пределе прочности, равном пределу прочности основного металла, может происходить при очень низких значениях показателей пластичности (5, v/, KCV). Диффузионные соединения в этом случае разрушаются по свариваемым поверхностям. При этом площадь физического контакта не превышает 0,5,..0,6 от номинальной площади контакта.
При увеличении относительной площади контакта более 0,6 % и испытания на статический разрыв разрушение происходит по основному металлу, но при испытаниях на ударный изгиб такие образцы разрушались по свариваемым поверхностям. При этом в зоне соединения присутствуют непровары, легко выявляемые металлографическим анализом.
Типичные кинетические кривые роста прочности диффузионного соединения приведены на рис. 4.9 - 4.11.
Из сопоставления этих зависимостей видно, что независимо от микроструктурного состояния свариваемых заготовок механические свойства диффузионного соединения существенно изменяются при изменении температуры сварки
При достижении диффузионным соединением относительной прочности 0в = 1 и разрушении испытуемых образцов по зоне соединения ударная вязкость соединения составляла 0...0,15 от номинального значения ударной вязкости основного металла (см. рис. 4.9-4.11).
Дальнейшее увеличение длительности сварки сопровождается изменением характера разрушения образцов (образцы при испытаниях на статический разрыв разрушаются: по основному металлу) и ростом ударной вязкости сварного соединения. Как это следует из данных, приведенных на рис. 4.9 - 4.11, важным фактором, влияющим на механические свойства сварного соединения, является исходная микроструктура свариваемых образцов.
Так, при одинаковых удельном давлении (р = 5 МПа) и температуре сварки (t = 975С) для получения соединения, равнопрочного основному металлу, требуется время сварки не менее 30 мин., 15 мин. и 20 мин. соответственно для образцов, имевших в исходном состоянии крупнозернистую пластинчатую, равноосную (глобулярную) мелкозернистую и пластинчатую с объёмным содержанием участков с глобулярной структурой до 60%, полученную предварительной термодеформационной обработкой до 50%.
Снижение температуры сварки или удельного сварочного давления приводит к увеличению времени, необходимого для формирования качественного соединения.
Так, при 950С для получения соединения, равнопрочного основному металлу, время, необходимое для сварки образцовое теми же исходными структурами, что и в предыдущем примере), возрастает соответственно в 10 раз ( с 30 мин, до 5 часов), в 4 раза (с 15 мин. до 1 часа) и в 6 раз (с 20 мин. до 2 часов).
Снижение удельного сварочного давления с 5МПа до 2 МПа сопровождается увеличением длительности сварки и для получения диффузионного соединения, равнопрочного основному металлу, в интервале температур 900,..950С время сварки озрастает в 11...13 раз.
Для возможности проведения систематического количественного анализа процесса образования сварного соединения найдём аналитические зависимости, отражающие связь между показателями качества сварного соединения и технологическими параметрами процесса сварки. В качестве основных показателей качества диффузионного соединения использовали его механические свойства: относительную ударную вязкость KCV (KCV = KCVCB/KCV, где KCVCB - ударная вязкость при испытании сварного соединения, a KCV - ударная вязкость основного металла после термического цикла сварки и относительный предел прочности ств ( т„ = а„св/ ств).
Для обработки экспериментальных данных в качестве аппроксимирующей функции был выбран полином степени т. Удобство полиномиальных моделей проявляется, в частности, в том, что описание поведения объекта легко уточнить до требуемого значения, повышая степень полинома. При решении: большинства реальных прикладных технических задач целесообразно применять полиномиальные модели, которые для факторов записываются в виде:
Коэффициенты полинома Ао, Аь Ay, Аи при этом будут эквивалентны частным производным кратного ряда Тейлора [1 И], По экспериментальным данным можно получить модель для расчетного значения целевой функции: Учитывая тот факт, что исходные экспериментальные величины - статистические по своей природе, задача должна быть дополнена статистическим анализом; результатов. В качестве такового нами вычислялись статистическая значимость рассчитанных коэффициентов полинома по критерию Стьюдента и уровень их достоверности. Выбирая уровень достоверности результатов, равный стандартному значению Р = 95%, для каждого коэффициента модели расчётное значение критерия Стьюдента t; сравнивалось с табличным tKp, соответствующим заданному уровню достоверности и числу степеней свободы. При этом, если выполнялось соотношение t; tKp, то соответствующий коэффициент признавался значимым, в противном случае он исключался из модели. Учитывая, что одним из основных факторов, влияющих на сопротивление сплава ВТ6 высокотемпературной деформации, является исходная микроструктура, модели строились для пяти основных типов структуры:
