Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР

Для изготовления кольцевых заготовок, используемых в авиационном двигателестроении, предложено применять электрошлаковую сварку комбинированным электродом с модифицированием металла шва дисперсными частицами карбонитрида титана. Приведены результаты исследований металла шва при сварке сплава ХН77ТЮР...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Автоматическая сварка
Datum:2007
1. Verfasser: Еремин, Е.Н.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2007
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101859
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР / Е.Н. Еремин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 9 (653). — С. 45-49. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860140157286481920
author Еремин, Е.Н.
author_facet Еремин, Е.Н.
citation_txt Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР / Е.Н. Еремин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 9 (653). — С. 45-49. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Автоматическая сварка
description Для изготовления кольцевых заготовок, используемых в авиационном двигателестроении, предложено применять электрошлаковую сварку комбинированным электродом с модифицированием металла шва дисперсными частицами карбонитрида титана. Приведены результаты исследований металла шва при сварке сплава ХН77ТЮР. Показаны преимущества новой технологии сварки. For manufacture of circular billets used in aircraft engine construction, it is proposed to apply electroslag welding with a combined electrode with weld metal modification by dispersed particles of titanium carbonitride. Results of studying the weld metal in welding Kh77TYuR alloy are given. Advantages of the new welding technology are demonstrated.
first_indexed 2025-12-07T17:49:02Z
format Article
fulltext УДК 669.046.516:621.791.793 МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКЕ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ХН77ТЮР Е. Н. ЕРЕМИН, д-р техн. наук (Омский гос. техн. ун-т, РФ) Для изготовления кольцевых заготовок, используемых в авиационном двигателестроении, предложено применять электрошлаковую сварку комбинированным электродом с модифицированием металла шва дисперсными частицами карбонитрида титана. Приведены результаты исследований металла шва при сварке сплава ХН77ТЮР. Показаны преимущества новой технологии сварки. К л ю ч е в ы е с л о в а : электрошлаковая сварка, жаропроч- ный никелевый сплав, модифицирование, структура, механи- ческие свойства Изделия ответственного назначения, изготавлива- емые из жаропрочных сплавов, широко приме- няются в авиационном двигателестроении. Про- изводство заготовок таких изделий в сварном варианте позволяет существенно повысить коэф- фициент использования дорогостоящих сплавов. Однако такие сплавы характеризуются низкой сва- риваемостью, и поэтому заготовки изготавлива- ются преимущественно различными способами горячего передела — ковкой, прошивкой, раскат- кой, что обусловливает высокую трудоемкость их производства и значительный расход металла при механической обработке. Применение указанных технологических процессов является вынужден- ным решением, к которому прибегают из-за низ- кого качества сварных соединений. Поэтому изыс- кание технологии изготовления таких заготовок в сварном варианте является весьма актуальной задачей. В этом отношении перспективно применение электрошлаковой сварки (ЭШС), с помощью ко- торой выполняют однопроходную сварку конс- трукций различной толщины. Однако широко за- рекомендовавшие себя способы ЭШС пластинча- тым, проволочным и пластинчато-проволочным электродами не всегда обеспечивают необходимое качество сварных соединений жаропрочных ни- келевых сплавов. С целью совершенствования технологии ЭШС выполняли «расщепленным» комбинированным электродом с применением специализированной установки, укомплектованной источником питания ТШС-3000-1 [1, 2]. Осуществляется од- новременный ввод в шлаковую ванну неплавя- щегося и плавящегося электродов. При этом ис- пользуют устройства сигнализации оплавления корня шва и вывода усадочной раковины. Отработку технологии процесса ЭШС комби- нированным электродом проводили на образцах из сплава ЭИ-437БУВД (ХН77ТЮР) толщиной 22…43 мм. В качестве неплавящегося электрода использовали вольфрамовый пруток диаметром 10 мм. Плавящимся электродом служила прово- лока ЭП-533 диаметром 3 мм. Как известно, большое влияние на качество металла шва и формирование шва оказывают флюсы. Наименьший угар титана и алюминия — основных легирующих элементов жаропрочного сплава, образующих γ′-фазу, — обеспечивают флюсы АНФ-7 и АНФ-1. В связи с этим их чаще используют при сварке сплавов, легированных этими элементами [3]. Однако флюс АНФ-7 явля- ется гигроскопичным, поэтому требуется частое прокаливание при высоких температурах. Флюс АНФ-1 имеет высокую температуру плавления, что вызывает несплавление свариваемых кромок. В этом отношении флюс АНФ-21 системы CaF2– Al2O3–TiO2, предназначенный для электрошлако- вого переплава титансодержащих сталей, также перспективен и для сварки: он не гигроскопичен, имеет пониженную температуру плавления и обеспечивает высокую температуру шлаковой ванны [4]. Оценку химического состава металла шва по основным легирующим элементам, ответствен- ным за свойства сплава, осуществляли на опти- ко-эмиссионном анализаторе ARG-MET-930SP. Результаты химического анализа металла элек- трода и шва при сварке сплава ХН77ТЮР под флюсом АНФ-21, приведенные в табл. 1, показали целесообразность использования данного флюса, поскольку при этом обеспечиваются химический состав металла шва в соответствии с требовани- ями технических условий, а также качественное формирование шва. © Е. Н. Еремин, 2007 9/2007 45 Недостатками сварки жаропрочных никелевых сплавов являются низкие механические свойства металла шва и его жаропрочность. В связи с этим с помощью металлографии провели исследование качества сварных соединений, а также испытания механические и на жаропрочность. Образцы про- ходили термическую обработку в соответствии с техническими условиями на основной металл: за- калка при 1080 °С в течение 8 ч, охлаждение на воздухе; старение при 700 °С в течение 16 ч, ох- лаждение на воздухе. Результаты испытаний показали, что свойства металла шва, полученного с применением про- волоки ЭП-533, не удовлетворяют требованиям технических условий по всем показателям. Кроме того, металл шва отличается низкой жаропроч- ностью при температуре 750 °С и нагрузке 350 МПа, которая составляет 60…70 % требуе- мой. Свойства металла околошовной зоны (ОШЗ) превышают свойства металла шва. Поэтому раз- рушение всегда происходит по шву — наиболее слабому месту сварного соединения. Как утверждают авторы ряда работ [3, 5, 6], наиболее целесообразно использовать при сварке металлургические способы повышения свойств сварных соединений. К основному металлургичес- кому приему следует отнести подавление столб- чатого характера кристаллизации и измельчение кристаллической структуры путем легирования элементами-модификаторами [7, 8]. Кроме того, в случае образования равноосной структуры шва появляется возможность увеличить скорость свар- ки при неизменной погонной энергии [9]. В связи с этим для повышения свойств металла шва применено модифицирование металлической ванны дисперсными инокуляторами [10]. Исполь- зовали модификатор, в состав которого входят дисперсные частицы карбонитрида титана (0,04 мас. %) [11]. Введение компонентов осущес- твляли путем переплава дополнительного труб- чатого электрода на никелевой основе, внутренняя полость которого заполнена порошкообразным модификатором. Результаты испытаний образцов из сплава ХН77ТЮР представлены в табл. 2. Металлографическим методом исследовали место разрушения, размер зерна, распределение неметаллических включений и характер выделе- ния упрочняющих фаз. Результаты исследований макроструктуры показали, что разрушение всех образцов носит межзеренный характер. Макрос- труктура образцов немодифицированного металла шва характеризуется развитой транскристаллиза- цией от зоны сплавления к оси (рис. 1, а). В сред- ней части металла шва наблюдается наличие зоны встречи двух кристаллизующихся фронтов. Здесь столбчатые кристаллы имеют радиально-осевое направление с небольшим углом наклона. Гра- ницы зерен с таким расположением являются на- иболее уязвимыми местами шва. Это хорошо вид- но на рельефе поверхностей излома металла шва, которые имеют блестящий камневидный вид без зон долома, что характеризует излом как хрупкий (рис. 2, а). При исследовании мест разрушения образцов не- модифицированного металла шва после длительных жаропрочных испытаний установлено, что оно всег- да происходит в зоне направленной кристаллизации. Особенно низкой жаропрочностью отличается ме- талл шва, у которого границы кристаллитов рас- положены перпендикулярно либо под небольшим углом к действию главных напряжений (рис. 2, б). Это можно объяснить тем, что важными факторами, определяющими качество и служебные свойства жаропрочных сплавов, являются фазовый состав, состояние границ зерен, размер зерна, степень од- нородности, а также морфология и топография включений [10, 12]. В макроструктуре модифицированного метал- ла шва содержатся зерна, границы которых уда- лены приблизительно одинаково от центра (см. Т а б л и ц а 1. Содержание (мас. %) основных легирую- щих элементов в сплаве ХН77ТЮР Объект исследования Al Ti Электрод 0,86 2,76 Шов 0,65...0,77 2,50...2,54 По техническим условиям 0,60...1,00 2,50...2,90 Т а б л и ц а 2. Результаты испытаний металла сварных соединений при ЭШС сплава ХН77ТЮР Металл шва σв, МПа σт, МПа δ, % ψ, % KCU, МДж/м2 τ350 750, ч Немодифицированный шов 830...856 843 676...689 684 9,2...9,8 9,6 12,3...13,1 12,8 0,22...0,29 0,26 31...42 36 Металл ОШЗ 934...940 936 718...726 722 12,2...13,4 12,7 14,8...16,1 15,6 0,32...0,38 0,35 46...51 48 Модифицированный шов (TIN) 982...1012 996 756...769 762 19,2...19,7 19,4 20,2...21,4 20,7 0,78...0,85 0,81 92...98 94 Металл ОШЗ 928...936 931 743...752 748 13,8...14,5 14,2 15,9...16,8 16,4 0,39...0,47 0,44 50...57 53 Сплав ХН77ТЮР по ТУ ≥ 950 ≥ 650 ≥ 12 ≥ 14 ≥ 0,3 ≥ 50 46 9/2007 рис. 1, б). Размер зерна при этом уменьшается до 1…2 мм. Дефектов металла шва на всех шли- фах не обнаружено. Модифицирование металла шва приводит к существенному изменению мак- рорельефа изломов ударных образцов, в которых появляются боковые зоны и зоны долома, а по- верхность становится мелкозернистой и матовой (рис. 3, а). Разрушение образцов во время дли- тельных испытаний происходит в зоне равноос- ных относительно мелких зерен (рис. 3, б). Об- разование такой структуры, устраняющей зону «слабины» по оси шва, приводит к повышению технологической прочности, что позволяет уве- личить в 2 раза скорость сварки. Микроструктура немодифицированного метал- ла шва характеризуется значительными объемны- ми долями строчечных карбидов, иногда иголь- чатой формы, боридных эвтектических фаз на гра- ницах и мелких неметаллических включений вблизи границ (рис. 4, а). Подобная картина наб- людается и в ОШЗ. Боридные эвтектики, отли- чающиеся низкой температурой плавления, спо- собствуют появлению кристаллизационных тре- щин при сварке. Результаты исследований микроструктуры ме- талла модифицированного шва (рис. 4, б) пока- зали, что карбиды в этом случае скоагулированы и имеют компактную округлую форму. Они рас- положены большей частью на границах зерен, что, по-видимому, способствует их упрочнению и обусловливает повышенную жаропрочность ме- талла. Содержание неметаллических включений в этом случае незначительно. Структура ОШЗ ана- логична описанной выше, но вследствие более вы- сокой скорости сварки имеет меньший размер зер- на, что несколько повышает свойства сварного соединения в целом. Изменение градиента температур и скорости перемещения фронта кристаллизации при моди- фицировании существенно влияет на дендритную структуру, размер составляющих и фазовый сос- тав жаропрочных сплавов. Дендритную структуру принято характеризо- вать дисперсностью — средним расстоянием меж- ду осями дендритов второго порядка и плот- ностью, которую в настоящей работе определяли по отношению суммарных длин отрезков осей и межосных пространств, выявляемых методом Рис. 1. Фрагменты макроструктуры сварных соединений, полученных ЭШС без модифицирования (а, 0,5) и с модифициро- ванием (б, 1,0) Рис. 2. Характер разрушения образцов немодифицированного металла шва после испытаний на ударную вязкость (а) и жаропрочность (б) Рис. 3. Характер разрушения образцов модифицированного металла шва после испытаний на ударную вязкость (а) и жаропрочность (б) 9/2007 47 микрорентгеноспектрального анализа. Неодновре- менность кристаллизации металла в межосных пространствах создает ликвационную неоднород- ность его по химическому составу. При изучении дендритной структуры сплава установлено, что с введением модификатора рас- стояние между осями дендритов второго порядка уменьшается от 43 до 21 мкм, плотность денд- ритной структуры возрастает от 1,3 до 1,9, а дис- персность увеличивается в 2,3 раза. В связи с этим можно ожидать меньшее раз- витие дендритной ликвации. Обычно ликвация в сложных сплавах достаточно объективно оценива- ется соотношением концентраций элементов в пределах дендритной ячейки — Kл = Cм/Cо, где Cм — концентрация элемента в межосном прос- транстве, Cо — в оси дендрита. Значения коэффициента ликвации Kл основных легирующих элементов сплава ХН77ТЮР, уста- новленные с помощью рентгеновского микроанализатора MS-46 «Cameca», приведены в табл. 3. Из таблицы сле- дует, что дендритная ликвация алюми- ния, хрома и никеля незначительная и они равномерно распределены между осями и межосными пространствами. Ликвация же титана достаточна велика. Если легирующий элемент имеет Kл > 1, то он концентрируется в межос- ных пространствах и, наоборот, оси ден- дритов обогащены легирующими эле- ментами при Kл < 1. В соответствии с этим такие γ′-образующие элементы, как алюминий и титан, оттесняются в ме- жосные пространства, а хром концент- рируется преимущественно в осях ден- дритов. Выделение в межосное прост- ранство фаз объедняет их состав, что также спо- собствует снижению жаропрочности сплавов [13]. Кроме того, вследствие значительной ликвации эле- ментов и скопления их в карбидах и боридах эв- тектики твердый раствор обедняется, а содержание γ′-фазы уменьшается до 46 об. %, что также су- щественно снижает жаропрочность. После модифицирования титан, имеющий вы- сокую склонность к ликвации, перераспределяет- ся более равномерно, обеспечивая заметное вы- равнивание состава между осями дендритов и ме- жосными участками. При этом наблюдается тен- денция к формированию более однородной струк- туры по сравнению с немодифицированным спла- вом. Это объясняется тем, что модифицирование активизирует диффузионные процессы в расплаве и тем самым способствует более полному устра- нению ликвации. Исследование γ′-фазы (рис. 5) показало, что образующиеся при распаде твердого раствора вы- деления упрочняющей фазы уже в литом состо- янии являются достаточно мелкими и равномерно распределенными для модифицированного метал- ла шва, кристаллизующегося при относительно высоких скоростях. Рис. 4. Микроструктура металла шва, полученного без модифицирования (а, 240) и с модифицированием (б, 520) Т а б л и ц а 3. Коэффициент ликвации основных легиру- ющих элементов сплава ХН77ТЮР Металл шва Al Ti Cr Ni Немодифицированный 1,06 1,94 0,92 1,11 Модифицированный 1,03 1,15 0,96 1,08 Рис. 5. Микроструктура металла шва с γ′-фазой ( 8000) без модифицирования (а) и с модифицированием (б) 48 9/2007 В структуре немодифицированного металла шва наблюдаются обширные выделения вторич- ных фаз, занимающих значительную часть γ-мат- рицы, в связи с этим содержание γ′-фазы здесь существенно меньше, чем в модифицированном металле шва. Таким образом, применение усовершенство- ванной технологии ЭШС позволяет существенно экономить материальные и денежные ресурсы за счет повышения качества и снижения трудоем- кости изготовления кольцевых заготовок из жа- ропрочных сплавов в авиационном двигателест- роении. 1. Еремин Е. Н. Применение комбинированного электрода при электрошлаковой сварке материалов малых толщин // Автомат. сварка. — 2005. — № 12. — С. 54–56. 2. Еремин Е. Н. Устройство для формирования шва при электрошлаковой сварке // Там же. — 2005. — № 9. — С. 50–51. 3. Медовар Б. И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. — М.: Машиностроение, 1966. — 430 с. 4. Металлургия электрошлакового процесса / Б. И. Медо- вар, А. К. Цыкуленко, В. Л. Шевцов и др. — Киев: Наук. думка, 1986. — 248 с. 5. Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. — М.: Металлургия, 1969. — 752 с. 6. Шоршоров М. Х. Горячие трещины при сварке жароп- рочных сплавов. — М.: Машиностроение, 1973. — 224 с. 7. Земзин В. Н. Жаропрочность сварных соединений. — Л.: Машиностроение, 1972. — 272 с. 8. Башнин Ю. А., Исакова В. Н., Масленкова Е. А. Влияние переплавных процессов на структуру и свойства сталей. — М.: Металлургия, 1991. — 240 с. 9. Дудко Д. А., Сидорук В. С., Тягун-Белоус Г. С. Пути сни- жения тепловложения в свариваемый металл при элект- рошлаковой сварке толстостенных конструкций // Авто- мат. сварка. — 1982. — № 10. — С. 48–50. 10. Сабуров В. П. Упрочняющее модифицирование стали и сплавов // Литейн. произ-во. — 1998. — № 9. — С. 7–8. 11. Еремин Е. Н. Применение электрошлакового переплава для регенерации отходов жаропрочных сплавов // Совре- мен. электрометаллургия. — 2005. — № 2. — С. 23–27. 12. Логунов А. В. Прогнозирование влияния структурных факторов на механические свойства жаропрочных спла- вов / А. В. Логунов, Н. В. Петрушин, Е. А. Кулешова, Ю. М. Должанский // Металоведение и терм. обработка мета. — 1981. — № 6. — С. 16–20. 13. Кишкин С. Т. Особенности структурных превращений жаропрочного никелевого сплава в процессе высокотем- пературного нагрева // Изв. АН СССР. Металлы. — 1980. — № 6. — С. 190. For manufacture of circular billets used in aircraft engine construction, it is proposed to apply electroslag welding with a combined electrode with weld metal modification by dispersed particles of titanium carbonitride. Results of studying the weld metal in welding Kh77TYuR alloy are given. Advantages of the new welding technology are demonstrated. Поступила в редакцию 07.02.2007 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ ПЕНОАЛЮМИНИЯ Пеноалюминий (ПА) характеризуется уникальным сочетанием таких свойств, которыми не обладает сегодня ни один конструкционный материал, – негорючесть, нетоксичность, низкие звуко-, тепло- и электропроводность, малая гигроскопичность, легкость, хорошие обрабатываемость и внешний вид. Особенно привлекателен ПА в сравнении с другими материалами по массе при условии одинаковой жесткости конструкции. С целью расширения областей при- менения ПА и номенклатуры изделий из него были проведены исследования с использованием различных видов сварки плавлением. Получены соеди- нения листов ПА с монолитными алю- миниевыми сплавами различных сис- тем легирования. В качестве заготовок использовали листы ПА плотностью 0,6...0,7 г/см3 толщиной 4 мм, получен- ные на основе сплава 1995 (система легирования Al—Zn—Mg). Результаты экспериментов пока- зали, что соединение заготовок из ПА между собой с использованием сварки плавлением не предс- тавляется возможным. Была разработана технология соединения ПА через вставки из серийных алюминиевых сплавов. Аналогичная схема соединения может применяться и в других сварных конст- рукциях, где используются заготовки, полученные как по традиционной технологии, так и из ПА. Раз- работаны различные схемы конструктивного оформления кромок для соединения заготовок одинако- вой и различной толщины. Контакты: Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, 03680, Украина, Киев-150, ул. Боженко, 11, отд. № 7. Тел.: (38044) 287 44 06. Факс: (38044) 287 12 83; 287 46 30 9/2007 49
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101859
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:49:02Z
publishDate 2007
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Еремин, Е.Н.
2016-06-08T15:20:02Z
2016-06-08T15:20:02Z
2007
Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР / Е.Н. Еремин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 9 (653). — С. 45-49. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101859
669.046.516:621.791.793
Для изготовления кольцевых заготовок, используемых в авиационном двигателестроении, предложено применять электрошлаковую сварку комбинированным электродом с модифицированием металла шва дисперсными частицами карбонитрида титана. Приведены результаты исследований металла шва при сварке сплава ХН77ТЮР. Показаны преимущества новой технологии сварки.
For manufacture of circular billets used in aircraft engine construction, it is proposed to apply electroslag welding with a combined electrode with weld metal modification by dispersed particles of titanium carbonitride. Results of studying the weld metal in welding Kh77TYuR alloy are given. Advantages of the new welding technology are demonstrated.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Производственный раздел
Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР
Modification of weld metal in electroslag welding of KhN77TYR high-temperature alloy
Article
published earlier
spellingShingle Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР
Еремин, Е.Н.
Производственный раздел
title Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР
title_alt Modification of weld metal in electroslag welding of KhN77TYR high-temperature alloy
title_full Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР
title_fullStr Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР
title_full_unstemmed Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР
title_short Модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава ХН77ТЮР
title_sort модифицирование металла шва при электрошлаковой сварке жаропрочного сплава хн77тюр
topic Производственный раздел
topic_facet Производственный раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101859
work_keys_str_mv AT ereminen modificirovaniemetallašvapriélektrošlakovoisvarkežaropročnogosplavahn77tûr
AT ereminen modificationofweldmetalinelectroslagweldingofkhn77tyrhightemperaturealloy