Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов

Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов

На основе исследований особенностей температурно-скоростных параметров кристаллизации металла сварочной ванны при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов установлены особенности их влияния на обеспечение монокристаллической структуры. Исследования выполняли на монокрис...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Автоматическая сварка
Datum:2016
1. Verfasser: Ющенко, К.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2016
Schlagworte:
Научно-технический раздел
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146896
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:Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов / К.А. Ющенко, Б.А. Задерий, И.С. Гах, О.П. Карасевская // Автоматическая сварка. — 2016. — № 8 (755). — С. 21-28. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146896
record_format dspace
spelling Ющенко, К.А.
2019-02-11T21:14:28Z
2019-02-11T21:14:28Z
2016
Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов / К.А. Ющенко, Б.А. Задерий, И.С. Гах, О.П. Карасевская // Автоматическая сварка. — 2016. — № 8 (755). — С. 21-28. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
0005-111X
DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.08.04
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146896
621.791.72:669.15.018
На основе исследований особенностей температурно-скоростных параметров кристаллизации металла сварочной ванны при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов установлены особенности их влияния на обеспечение монокристаллической структуры. Исследования выполняли на монокристаллических образцах промышленного жаропрочного никелевого сплава ЖС 26 с использованием методов термометрии расплава жидкой ванны в процессе кристаллизации металла шва при остывании. Структуры изучали с привлечением методов микрорентгеноспектрального анализа, оптической и электронной металлографии, рентгеновской дифрактометрии. Предложена расчетно-экспериментальная методика определения температурно-скоростных параметров кристаллизации металла шва, показан характер их изменения по фронту кристаллизации сварочной ванны и установлена взаимосвязь с режимами сварки. Определен диапазон значений параметров, при которых имеет место образование в шве зерен случайной кристаллографической ориентации. Показана возможность управления структурным совершенством металла шва за счет оптимизации температурно-скоростных параметров кристаллизации.
Investigations of the features of temperature-rate parameters of weld pool metal solidification in EBW of single crystals of high-temperature nickel alloys were the basis for establishing the peculiarities of their influence on ensuring the single-crystal structure. Investigations were performed on single-crystal samples of commercial high-temperature nickel alloy JS26 with application of methods of thermometry of liquid pool melt during weld metal solidification at cooling. The structures were studied with application of methods of microprobe analysis, optical and electron metallography and XRD. A computational-experimental procedure for determination of temperature-rate parameters of weld metal solidification is proposed, the nature of their variation across weld pool solidification front is shown, and the interrelation with the welding modes is established. The range of parameter values was determined, in which grains with random crystallographic orientation form in the weld. The possibility of controlling the structural perfection of weld metal through optimization of temperature-rate parameters of solidification is shown.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Научно-технический раздел
Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
Formation of weld metal structure in electron beam welding of single crystals of high-temperature nickel alloys
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
spellingShingle Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
Ющенко, К.А.
Научно-технический раздел
title_short Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
title_full Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
title_fullStr Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
title_full_unstemmed Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
title_sort формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
author Ющенко, К.А.
author_facet Ющенко, К.А.
topic Научно-технический раздел
topic_facet Научно-технический раздел
publishDate 2016
language Russian
container_title Автоматическая сварка
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
format Article
title_alt Formation of weld metal structure in electron beam welding of single crystals of high-temperature nickel alloys
description На основе исследований особенностей температурно-скоростных параметров кристаллизации металла сварочной ванны при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов установлены особенности их влияния на обеспечение монокристаллической структуры. Исследования выполняли на монокристаллических образцах промышленного жаропрочного никелевого сплава ЖС 26 с использованием методов термометрии расплава жидкой ванны в процессе кристаллизации металла шва при остывании. Структуры изучали с привлечением методов микрорентгеноспектрального анализа, оптической и электронной металлографии, рентгеновской дифрактометрии. Предложена расчетно-экспериментальная методика определения температурно-скоростных параметров кристаллизации металла шва, показан характер их изменения по фронту кристаллизации сварочной ванны и установлена взаимосвязь с режимами сварки. Определен диапазон значений параметров, при которых имеет место образование в шве зерен случайной кристаллографической ориентации. Показана возможность управления структурным совершенством металла шва за счет оптимизации температурно-скоростных параметров кристаллизации. Investigations of the features of temperature-rate parameters of weld pool metal solidification in EBW of single crystals of high-temperature nickel alloys were the basis for establishing the peculiarities of their influence on ensuring the single-crystal structure. Investigations were performed on single-crystal samples of commercial high-temperature nickel alloy JS26 with application of methods of thermometry of liquid pool melt during weld metal solidification at cooling. The structures were studied with application of methods of microprobe analysis, optical and electron metallography and XRD. A computational-experimental procedure for determination of temperature-rate parameters of weld metal solidification is proposed, the nature of their variation across weld pool solidification front is shown, and the interrelation with the welding modes is established. The range of parameter values was determined, in which grains with random crystallographic orientation form in the weld. The possibility of controlling the structural perfection of weld metal through optimization of temperature-rate parameters of solidification is shown.
issn 0005-111X
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146896
citation_txt Формирование структуры металла шва при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов / К.А. Ющенко, Б.А. Задерий, И.С. Гах, О.П. Карасевская // Автоматическая сварка. — 2016. — № 8 (755). — С. 21-28. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT ûŝenkoka formirovaniestrukturymetallašvapriélektronnolučevoisvarkemonokristallovžaropročnyhnikelevyhsplavov
AT ûŝenkoka formationofweldmetalstructureinelectronbeamweldingofsinglecrystalsofhightemperaturenickelalloys
first_indexed 2025-11-25T21:08:27Z
last_indexed 2025-11-25T21:08:27Z
_version_ 1850551209305309184
fulltext У О Т З 21ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 удК 621.791.72:669.15.018 фОРМИРОванИЕ стРуКтуРы МЕталла Шва ПРИ ЭлЕКтРОннО-лучЕвОй сваРКЕ МОнОКРИсталлОв жаРОПРОчных нИКЕлЕвых сПлавОв К. А. ЮЩЕНКО, Б. А. ЗАДЕРИЙ, И. С. ГАХ, О. П. КАРАСЕВСКАЯ 1ИЭс им. Е. О. Патона нан украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua 2Ин-т металлофизики им. г. в. Курдюмова нан украины. 03680, г. Киев-142, б-р академика вернадского, 36. E-mail: Karas@imp.kiev.ua на основе исследований особенностей температурно-скоростных параметров кристаллизации металла сварочной ванны при электронно-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов установлены особенности их вли- яния на обеспечение монокристаллической структуры. Исследования выполняли на монокристаллических образцах промышленного жаропрочного никелевого сплава жс26 с использованием методов термометрии расплава жидкой ванны в процессе кристаллизации металла шва при остывании. структуры изучали с привлечением методов микрорент- геноспектрального анализа, оптической и электронной металлографии, рентгеновской дифрактометрии. Предложена расчетно-экспериментальная методика определения температурно-скоростных параметров кристаллизации металла шва, показан характер их изменения по фронту кристаллизации сварочной ванны и установлена взаимосвязь с режи- мами сварки. Определен диапазон значений параметров, при которых имеет место образование в шве зерен случайной кристаллографической ориентации. Показана возможность управления структурным совершенством металла шва за счет оптимизации температурно-скоростных параметров кристаллизации. библиогр. 24, рис. 10, табл. 4 К л ю ч е в ы е с л о в а : монокристалл, жаропрочный никелевый сплав, температурно-скоростные условия, темпера- турный градиент, кристаллографическая ориентация, сварной шов, ориентация преимушественного роста кристалла, направление максимального температурного градиента, зерна случайной ориентации Одним из основных факторов, определяющих экс- плуатационные характеристики монокристаллов таких жаропрочных никелевых сплавов (жнс), как жаропрочность, пластичность, сопротивление усталости и др. [1–11] является степень совершен- ства структуры. Качество монокристаллической структуры определяется следующими кристал- лографическими и структурными показателями: кристаллографической ориентацией и степенью разориентации элементов структуры, параметра- ми структурных составляющих, отсутствием зе- рен с отличающейся кристаллографической ори- ентацией от исходного металла. в работах показано [12–15], что показателями совершенства структуры сварных соеди- нений монокристаллов жнс являются: – ориентационная согласованность кристаллографической структуры ме- талла шва, зоны термического влияния и основного металла (с отклонением не более 5°); – отсутствие зерен случайной кри- сталлографической ориентации в метал- ле шва, которые считаются основным дефектом монокристаллов. Получение таких швов (рис. 1, 2) возможно при выполнении следующих условий: – поверхность сплавления и направление свар- ки не должны отклонятся от кристаллографиче- ской ориентации (001) более чем на 3°; – отклонение направления максимального тем- пературного градиента от кристаллографической ориентации преимущественного роста <100> по фронту кристаллизации сварочной ванны не бо- лее 15°. технологически обеспечение выполнения пер- вого условия осуществляется за счет кристалло- графически ориентированной подготовки элемен- тов сварного соединения, второго – управлением формой сварочной ванны на стадии ее кристал- лизации. наиболее благоприятные исходные © К. а. ющенко, б. а. задерий, И. с. гах, О. П. Карасевская, 2016 Рис. 1. Микроструктура монокристаллического сварного соединения сплава жс32, полученного при управлении ориентационными параметра- ми кристаллизации металла шва У О Т З 22 ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 ориентационные условия получения швов с со - вершенной монокристаллической структурой обеспечиваются при совпадении кромок стыка с кристаллографической плоскостью {001} (рис. 1) — симметричное строение соединения. на прак - тике такие исходные условия не всегда могут быть обеспечены, например, при ремонтных опе - рациях либо сварке конструкций сложной формы, а также при выполнении многопроходных швов. в соединениях с исходной ориентацией по - верхности сплавления, близкой к {111}, в метал - ле шва может возникать до 80 % зерен случай - ной ориентации. При неблагоприятной геометрии сварочной ванны в соединениях с симметрич - ным кристаллографическим строением процент зерен может составлять 4...10 %. Поэтому полу - чение сварных швов, отвечающих изложенным выше критериям качества на монокристаллах не - симметричной кристаллографической ориента - ции затруднительно. для ее решения исходили из известного положения теории кристаллизации, а именно, что качество ростовых монокристал - лов определяется главным образом кристаллогра- фией исходной заготовки (затравки) и темпера - турно-скоростными условиями кристаллизации. Известно [8–11], что оптимальные параметры структуры в ростовых монокристаллах литейных жнс достигаются при выполнении температур - но-скоростных и ориентационных условий на - правленной кристаллизации, главные из которых оцениваются величиной и направлением макси - мального температурного градиента G по фронту кристаллизации, скоростью кристаллизации R, их соотношением G / R и кристаллографической ори - ентацией «стартовой» затравки. При выращивании монокристаллов данные па- раметры определяют кинетику кристаллизации на фронте затвердевания и оказывают доминиру - ющее влияние на формирование структурных и кристаллографических параметров монокристал - лической отливки (степень совершенства моно - кристаллической структуры, дисперсность ден - дритной структуры, морфологию и размер вторых фаз). Отношение G / R определяет тип, совершен - ство структуры и склонность к образованию зе - рен случайной ориентации (зсО), а произведение G × R — дисперсность структурных составляю - щих. При выращивании монокристаллов жнс оптимальные величины указанных факторов уста- новлены и достигаются за счет конструктивных особенностей оборудования и технологических параметров жидкометаллического охладителя, на- гревателя и самого процесса. При сварке такая оптимизация возможна за счет выбора распределения мощности источ - ника нагрева, а также скорости и схемы процес - са формирования сварного соединения. но если при выращивании монокристаллов закономерно - сти влияния технологических параметров на ве - личину изменения указанных выше температур - но-скоростных условий формирования хорошо изучены [8–11], то такие данные при сварке в ли - Рис. 2. Полюсные фигуры {220} (а, б) и распределение Iq⊥ отражения (200) (в, г) в различных зонах сварного соединения, полученного при управлении ориентационными параметрами кристаллизации металла шва: а, в — основной металл; б, г — металл шва (численные значения по осям даны в градусах) У О Т З 23ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 тературных источниках крайне ограничены, осо- бенно для обоснования рекомендаций по управле- нию формированием структурой металла сварных швов. такое положение объясняется в основном методическими трудностями, связанными со ско- ротечностью и неравновесностью процесса кри- сталлизации ванны, малым объемом и временем ее существования, высоким уровнем и гради- ентом температур, переменной скоростью и на- правлением роста кристаллитов по фронту сва- рочной ванны. в малочисленных публикациях приводятся только интегральные значения уров- ня температурного градиента и средняя скорость кристаллизации [16–19]. При этом результаты получены преимущественно расчетным мето- дом, не раскрыта связь теплофизических факто- ров (G, R) кристаллизации с кристаллографиче- скими и структурными параметрами металла шва и технологическими условиями формирования соединения. Целью настоящей работы являлось исследование влияния температурно-скоростных и ориентацион- ных условий кристаллизации металла сварочной ванны на совершенство монокристаллической структуры, склонность к образованию зсО, пара- метров структуры металла шва, определение ди- апазона значений температурно-скоростных ус- ловий образования зсО при Элс промышленных жаропрочных никелевых сплавов с монокристал- лической структурой. для изучения кинетики температурно-скорост- ных параметров процесса кристаллизации при формировании структуры металла шва была раз- работана специальная методика с использованием локальной термометрии расплава жидкой ванны и металла шва при Элс. Предложенные конструк- ция образца и схема эксперимента (рис. 3, 4) по- зволяют оценивать температурные параметры в определенно выбранной области сварочной ван- ны с тем, чтобы установить взаимосвязь с харак- теристиками структуры метала шва для данного участка. Исследования выполняли на образцах про- мышленного жнс с монокристаллической струк- турой жс26 и жс32 (табл. 1) толщиной 2,5 мм. Эксперименты по сварке проводили в диапазоне скоростей 12...90 м/ч. значения других параме- тров режима выбирали исходя из условий полного провара и формирования швов с параллельными поверхностями сплавления. Использовали термопары W–Re5—W–Re20 ди- аметром 0,2 мм. спай термопары диаметром до 0,8 мм, выполненный Элс, покрывали порошком окиси алюминия со связующим веществом. Это обеспечивало получение тонкого диэлектрическо- го слоя, исключающего шунтирование сигнала и не оказывающего влияния на точность измерения и инерционность термопары. для записи экспери- ментальных данных использовался комплект обо- рудования, который включал аналогово-цифровой преобразователь EP-9018P, соответствующее про- граммное обеспечение и ЭвМ. Регистрацию по- казателей термопар проводили с частотой 10 гц. в результате обработки полученных термо-ки- нетических кривых оценивали основные параме- тры термического цикла сварки — максимальную температуру, время существования расплава сва- рочной ванны и нахождения металла шва в опре- деленном температурном интервале, скорость его нагрева и охлаждения. Исследование струк- турных изменений в зависимости от температур- но-временных условий формирования шва про- водили на микрошлифах сварных соединений с использованием методов микрорентгеноспек- трального анализа, металлографии и рентгенов- ской дифрактометрии. Рис. 3. схема термометрии процесса кристаллизации металла шва и конструкция образца Т а б л и ц а 1 . Химический состав исследуемых ЖНС [11] сплав средние значения, мас. % с Cr Co W Mo Ti Al Nb V Re Ta в жс26 0,15 5,0 9,0 5...15 0,5...5,0 0,2...4 4,5...8,0 1,6 1,0 – – 0,01...0,30 жс32 0,15 5,0 9,3 2...10 0,5...5,0 – 4,5...8,0 1,5...5,0 – 4,0 4,0 0,01...0,30 У О Т З 24 ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 Оценивали следующие показатели структуры швов: междендритное расстояние λ; дисперсность и морфологию γ′-фазы, эвтектических составляю- щих γ-γ’-фаз и карбидных выделений; плотность и распределение дислокаций; наличие и характер зсО. скорость кристаллизации R и характер ее из- менения по фронту сварочной ванны МО, соглас- но представленной на рис. 3 схеме оценивали с шагом 0,2...0,3 мм с применением известной зави- симости [18]: R = vсвcos α, (1) где R — скорость кристаллизации; vсв — скорость сварки; α — угол между направлением максималь- ного температурного градиента и осью шва (рис. 4). температурный градиент G по фронту кри- сталлизации определяли исходя из соотношения броуди–флемингса: λ = АG–mR–n, (2) где λ — величина междендритного расстояния, ко- эффициент А пропорционален интервалу кристал- лизации ΔТ, а показатели степени при m = n = 0,32 отражают расстояние между осями дендритов I-го порядка λ для жнс [5, 11]. данное соотно- шение при предварительном определении скоро- сти кристаллизации и коэффициента А позволяет оценить температурный градиент G по фронту кристаллизации и установить связь между темпе- ратурно-скоростными условиями и структурным совершенством формирующегося металла шва, с одной стороны, и технологическими параметрами режима сварки, с другой. значение коэффициента А для исследованно- го диапазона режимов Элс определяли расчет- но-экспериментальным методом согласно зави- симости (2). При этом скорость охлаждения G×R определяли через тангенс угла наклона линейного участка термограммы вблизи точки перегиба ТL-S, а замер междендритного расстояния λ проводили на шлифах в месте расположения термопары. Микроструктура металла швов, полученных на монокристаллических образцах при полном про- плавлении с ориентацией поверхности сплавле- ния, далекой от высокой симметрии {110}, {115} и {111}, характеризуется во всех случаях ден- дритной формой фазовых составляющих. Отме- чается наличие как объемов материала с насле- дуемой ориентацией исходного монокристалла, так и зерен случайной ориентации (рис. 5). ана- лиз параметров дисперсности дендритной струк- туры металла швов в диапазоне скоростей сварки 12...90 м/ч показал, что при Элс обеспечивается высокая скорость отвода тепла от фронта кристал- Рис. 4. схема сварочной ванны (а) для оценки угла α отклонения направления максимального температурного градиента G по макрофронту кристаллизации МОМ´ сварочной ванны (б); ОN — кривая изменения направления максимального температур- ного градиента на макрофронте кристаллизации по сечению шва (ХХ´ — ось шва) У О Т З 25ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 лизации (рис. 6) и создаются условия для форми- рования высокодисперсной ячеисто-дендритной структуры. Минимальное значения λ = 3...12 мкм в зависимости от режима сварки наблюдается в зоне сплавления, где имеет место максималь- ный температурный градиент. При приближении к оси шва величина λ возрастает до значений λ = = 25...55 мкм, что соответствует снижению ско- рости охлаждения G×R (табл. 2). Особенностью структуры металла сварных швов является нали- чие узкой зоны у линии сплавления (лс), которая характеризуется четким наследованием кристал- лографической ориентации основного метал- ла, что подтверждается результатами рентгено- графических (см. рис. 5) и металлографических (рис. 7) исследований. данная зона представляет собой участок эпитаксиального роста шириной 0,1...0,5 мм, в котором отсутствуют зерна случай- ной ориентации (см. рис. 5, в, г). Распределение интенсивности рентгеновского отражения Iq⊥ от- носительно плавное, близкое к исходному метал- лу. Изоинтенсивные линии имеют вид плавных элипсоподобных кривых (см. рис. 5, г), что отве- чает монокристаллическому состоянию металла с равномерным распределением краевых дислока- ций [20–24]. наличие такой зоны с четким наследованием исходной кристаллографической ориентации указывает на возможность формирования моно- Рис. 5. Полюсные фигуры {220} и распределение Iq⊥ отражения (022) в различных зонах сварного соединения несимметрич- ной кристаллографической ориентации: а, б — основной металл; в, г — шов у линии сплавления; д, е — ось шва Рис. 6. зависимость темпа охлаждения по фронту кристалли- зации от скорости Элс сплава жс26 толщиной 2,5 мм Т а б л и ц а 2 . Зависимость параметров дендритной структуры λ сплава ЖС26 от скорости ЭЛС vсв, м/ч λ металла шва у лс, мкм λ металла шва по его оси, мкм 90 3,4 33,3 53 3,3 25,0 17 12,5 56,3 Примечание. Основной металл λ = 200…230 мкм. У О Т З 26 ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 кристаллического шва в любых ориентационных условиях. Полученные экспериментальные результа- ты (рис. 8) подтверждают известное теоретиче- ское положение [18], что термические условия по фронту кристаллизации по мере прорастания ден- дритов от линии сплавления к оси шва изменяют- ся. температурный градиент G имеет максималь- ные значения у линии сплавления и уменьшается к оси шва, а скорость кристаллизации R при этом изменяется от минимальной — у границы сплав- ления, до максимальной — у оси шва. При таких термических условиях кристаллизации металла шва в узкой зоне у линии сплавления обеспечи- вается высокая устойчивость направленного роста дендритов и максимальное до λ ~ 3 мкм измельче- ние дендритной структуры. в результате измельчения структурных состав- ляющих монокристаллов при оптимизации пара- метров Элс значительно снижается структурная и ликвационная неоднородность [11], а главное — повышается устойчивость направленной кри- сталлизации по фронту роста кристаллов. анализ результатов исследований структуры и темпера- турно-временных и ориентационных параметров кристаллизации на разных участках фронта за- твердевания (табл. 3) позволяет сделать вывод, что нарушение совершенства монокристалличе- ского строения, которое чаще всего проявляется в образовании зерен случайной ориентации, проис- ходит на участках, где величина отношения G/R ниже допустимого уровня, который зависит от ве- личины углового отклонения направления макси- мального температурного градиента от ориента- ции преимущественного роста <100> по фронту кристаллизации (табл. 4). Таблица. 3. Температурно-скоростные параметры кристаллизации металла шва по фронту затвердевания сварочной ванны при скорости сварки 53 м/ч, полученные расчетно-экспериментальным путем номер точки l, мм R, мм/с G, °с/мм G×R, °с/с G/R, с·°с/мм2 1 лс 1,28 139074 178015 108652 2 лс +0,3 2,0 48828 97656 24414 3 лс +0,6 2,6 591 1537 227 4 лс +0,9 3,3 219 722 66 5 лс +1,2 3,8 161 612 42 6 лс +1,5 4,5 97 437 22 7 лс + 1,8 (ось шва) 11,09 29 321 2,6 Примечание. l — расстояние от линии сплавления. Т а б л и ц а 4 . Допустимые отклонения φ направления максимального температурного градиента G от ориентации преимущественного роста кристалла <001> по фронту затвердевания сварочной ванны в зависимости от величины G/R φ, ≤ град 0...5 10...15 20 25 30 35 40...45 G/R, с·°с/мм2 0,2...0,23 1,2...1,5 230 1500 19·103 25·103 (62...68)·103 Рис. 7. Микроструктура металла соединения сплава жс26 несимметричной кристаллографической ориентации (лс — линия сплавления; ОМ — основной металл) Рис. 8. Изменение температурно-скоростных условий направ- ленной кристаллизации по фронту затвердевания сварочной ванны при скорости сварки 17 м/ч: 1 — величина максималь- ного температурного градиента G; 2 — скорость роста кри- сталлита R У О Т З 27ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 в рассмотренном диапазоне режимов сварки и толщин оптимальной скоростью можно считать 40...50 м/ч, при которых обеспечивается бездефек- тное формирование шва со сквозным проплав- лением и поверхностями сплавления, близкими к параллельным. некоторое несовпадение с об- щепринятым представлением о влиянии скоро- сти сварки на формирование шва и его структу- ру можно объяснить характером распределения тепловложения, которое имеет место при таком проваре между расплавом сварочной ванны, зо- ной термического влияния и выносимой из кана- ла проплавления энергией. При достижении тем- пературно-скоростных параметров кристаллизации порядка G/R = 65·103 с·°с/мм2 значительно рас- ширяется допустимый ориентационный диапа- зон и обеспечивается условия для направленной кристаллизации металла шва при больших углах отклонения φ ≥ 45° направления максимального температурного градиента от ориентации преиму- щественного роста <001> по фронту затвердева- ния ванны. Очевидно, при таких температурно-скорост- ных условиях зона концентрационного переох- лаждения перед фронтом кристаллизации сужа- ется до уровня, при котором термомеханические флуктуации не могут привести к зарождению но- вых центров кристаллизации [5]. следует отме- тить, что результаты, представленные на рис. 8 и табл. 3, приводятся в качестве иллюстрации реа- лизации предложенного методического подхода. в работе исследования были выполнены на об- разцах разных кристаллографических ориента- ций, режимов и условий сварки, по результатам которых получены выводы. на рис. 9, 10 показан один из результатов такого подхода. При сварке кристаллографически несимметричных образцов (рис. 10, а) сформирован шов с совершенной мо- нокристаллической структурой (рис. 9, 10, в). на- блюдается только смена кристаллографическо- го индекса ориентации металла шва с <001> на <010> в высокоградиентной зоне эпитаксиально- го роста. При этом зерна не образовались и в це- лом сформировался шов с монокристаллической структурой. таким образом показано, что за счет оптимиза- ции температурно-скоростных параметров кристал- лизации металла сварочной ванны посредством вы- бора режимов сварки возможно получение сварных соединений с совершенной монокристаллической структурой при большом (φ ~ 45°) отклонении на- правления максимального температурного градиен- та от ориентации преимущественного роста <100>. такой подход позволит разработать и освоить в про- мышленности технологии сварки и ремонта моно- кристаллических изделий сложной формы. Выводы 1. Предложена расчетно-экспериментальная ме- тодика оценки температурно-скоростных пара- метров кристаллизации по фронту затвердевания сварочной ванны при электронно-лучевой сварке. Рис. 9. Микроструктура металла шва с исходной несимметричной кристаллографической ориентацией сварного соединения, выполненного с управлением температурно-скоростными параметрами кристаллизации сварочной ванны Рис. 10. Полюсные фигуры {311} свариваемого металла (а) и распределение Iq⊥ отражения (311) (б, в) в различных зонах сварного соединения несимметричной кристаллографической ориентации, выполненного с управлением температурно-ско- ростными параметрами кристаллизации сварочной ванны: б — основной металл; в — металл шва (численные значения по осям даны в градусах) У О Т З 28 ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 2. Определен диапазон температурно-скорост- ных параметров процесса кристаллизации свароч- ной ванны сплава жс26, при которых обеспечива- ется высокое совершенство монокристаллической структуры металла шва и отсутствие зерен слу- чайной ориентации. так, при отклонении φ на- правления максимального температурного гра- диента от ориентации преимущественного роста <100> порядка 5° направленная кристаллизация металла шва сохраняется при значениях G/R ≥ ≥ 0,2...0,23 с·°с/мм2, а при отклонении φ ~ 45° — G/R ≥ 62...68·103 с·°с/мм2. 3. Показана возможность управления форми- рованием структурой металла шва при электрон- но-лучевой сварке монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов посредством оптимизации температурно-скоростных параметров процесса кристаллизации металла сварочной ванны, что по- зволяет получать соединения с совершенной мо- нокристаллической структурой на конструкциях с кристаллографически ассиметричным строением соединения. 1. суперсплавы II: жаропрочные материалы для аэрокос- мических систем и промышленных энергоустановок; под ред. ч. т. симс, н. с. столофф, у. К. хагель; пер. с англ. [Кн. I]; под ред. Р. Е. Шалина. – М.: Металлургия, 1995. – 384 с. 2. Erickson G. L. DS and SX superalloys for industrial gas turbines / G. L. Erickson, K. Harris // Materials for Advansed Power Engineering Part II. Proc. of a Conf. Belgium, 3–6 okt. 1994. – Kluwer Academic Publishers, 1994. – P. 1055–1074. 3. Erickson G. L. A new third generation single crystal, casting superalloy / G. L. Erickson // Journal of Metals. – 1995. – 47, № 4. – Р. 36–39. 4. литейные жаропрочные сплавы. Эффект с. т. Кишкина. научно-технический сборник к 100-летию со дня рожде- ния с. т. Кишкина; под ред. Е. н. Каблова. – М.: наука, 2006. – 272 с. 5. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р. Е. Шалин, И. л. светлов, Е. б. Качанов [и др.] – М.: Маши- ностроение, 1997. – 336 с. 6. строганов г. б. литейные жаропрочные сплавы для газо- вых турбин / г. б.строганов, в. М. чепкин. – М.: ОнтИ МатИ, 2000. – с.63–65. 7. Shah D. M. The Effect of Orientation, Temperature and Gamma Prime Size on the Yield Strength of a Single Cristal Nickel Base Superalloy / D. M. Shah, D. N. Duhl; In Superalloys 1984; ed. M. Gell et al. // The Metallurgical Society of AIME. – Р. 105–114. 8. строганов г. б. литейные жаропрочные сплавы для газо- вых турбин / г. б.строганов, в. М. чепкин. – М.: ОнтИ МатИ, 2000. – 128 с. 9. Кишкин с. т. литейные жаропрочные сплавы на никеле- вой основе / с. т. Кишкин, г. б. строганов, а. в. логу- нов. – М: МИсИс, 2001. – 126 с. 10. Dong H. B. Simulation of equiaxed growth ahead of a advancing columnar front in directionally solidified Ni-base superalloys / H. B. Dong, X. L.Yang, P. D. Lee // Journal of materials science. – 2004. – 39. – P. 7207–7212. 11. Каблов Е. н. литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) / Е. н. Каблов. – М.: МИ- сИс, 2001. – 632 с. 12. влияние геометрии сварочной ванны на структуру ме- талла швов монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов / К. а. ющенко, И. с. гах, б. а. задерий [и др.] // автоматическая сварка. – 2013. – № 5. – C. 46–51. 13. О природе зерен случайной ориентации в сварных швах монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов / К. а. ющенко, б. а. задерий, И. с. гах [и др.] // Метал- лофизика и новейшие технологии. – 2013. – 35, № 10. – с. 1347–1357. 14. склонность к образованию трещин и структурные изме- нения при Элс монокристаллов жаропрочных никеле- вых суперсплавов / К. а. ющенко, б. а. задерий, Е. П. Полищук [и др.] // автоматическая сварка. – 2008 – № 2. – C. 10–19. 15. гах І. с. фізико-технологічні особливості електрон- но-променевого зварювання високонікелевих жароміц- них сплавів з монокристалічною структурою: авторефе- рат дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.03.06 «зварювання та спорідненні процеси і техноло- гії» / І. с. гах. – Київ: ІЕз ім. Є. О. Патона, 2011 р. – 20 с. 16. Рабкин д. М. дуговая сварка алюминия и его сплавов / д. М. Рабкин, в. г. Игнатьев, И. в. довбищенко. – М.: Машиностроение, 1982. – 95 с. 17. Рыкалин н. н. Расчеты тепловых процессов при сварке / н. н. Рыкалин. – М.: Машгиз, 1951. – 296 с. 18. теоретические основы сварки / в. в. фролов, в. а. ви- нокуров, в. н. волченко [и др.]; под ред. в. в.фролова. – М.: высшая школа, 1988. – 559 с. 19. Оценка температуры в канале проплавления при Элс разнородных металлов / Е. с. соломатова, д. н. труш- ников, в. я. беленький [и др.] // современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2. – с. 21–26. 20. Панин в. Е. структурные уровни деформации твердых тел / в. Е. Панин, в. а.лихачев, ю. в. гриняев. – ново- сибирск: наука, 1985. – 226 с. 21. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации / в. а. лихачев, в. Е. Панин, Е. Э. засимчук [и др.]; отв. ред. в. в. немошкаленко; ан уссР, Ин-т метал- лофизики. – К.: наукова думка, 1989. – 319 с. 22. Малыгин г. а. самоорганизация дислокаций и локализа- ция скольжения в пластически деформируемых кристал- лах / г. а. Малыгин // физика твердого тела. – 1995. – т. 37. – вып. 1. – с. 3–42. 23. сарафанов г. ф. К теории образования неоднородных дислокационных структур / г. ф. сарафанов // физика металлов и металловедение. – 1998. – т. 85. – вып. 3. – с.46–53. 24. Конева н. а. физическая природа стадийности пласти- ческой деформации / н. а. Конева, Э. в. Козлов. – Изве- стия вузов. физика. – 1990. – № 2. – с. 89–106. Поступила в редакцию 17.05.2016 ExpoWELDING 2016 18–20 октября 2016 г. г. Сосновице, Польша Экспо Силезия и Институт сварки Польши проводят очередную сварочную выставку ExpoWELDING 2016 http://exposilesia.pl

Ähnliche Einträge