Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой
Установлено, что повышенное содержание кислорода и азота в металле шва негативно влияет на пластичность сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов при рабочей температуре. Применительно к условиям ремонтной микроплазменной порошковой сварки определен диапазон содержания кислорода и азота в мет...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2008 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2008
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99996 |
| 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: | Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой / К.А. Ющенко, А.В. Яровицын, А.В. Звягинцева // Автоматическая сварка. — 2008. — № 9 (665). — С. 5-9. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860020682307403776 |
|---|---|
| author | Ющенко, К.А. Яровицын, А.В. Звягинцева, А.В. |
| author_facet | Ющенко, К.А. Яровицын, А.В. Звягинцева, А.В. |
| citation_txt | Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой / К.А. Ющенко, А.В. Яровицын, А.В. Звягинцева // Автоматическая сварка. — 2008. — № 9 (665). — С. 5-9. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Установлено, что повышенное содержание кислорода и азота в металле шва негативно влияет на пластичность сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов при рабочей температуре. Применительно к условиям ремонтной микроплазменной порошковой сварки определен диапазон содержания кислорода и азота в металле шва, при котором обеспечиваются его качественное формирование и удовлетворительные механические свойства сварных соединений.
It has been established that increase in the content of oxygen and nitrogen in the weld metal has a negative effect on ductility of welded joints in heat-resistant nickel alloys at a working temperature. The range of the content of oxygen and nitrogen in the weld metal, within which the quality formation of the weld and satisfactory mechanical properties of the welded joints are provided, has been determined for repair microplasma powder welding.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:47:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.72
СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ ЖАРОПРОЧНЫХ
НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ
МИКРОПЛАЗМЕННОЙ ПОРОШКОВОЙ СВАРКОЙ
Академик НАН Украины К. А. ЮЩЕНКО, А. В. ЯРОВИЦЫН, инж., А. В. ЗВЯГИНЦЕВА, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Установлено, что повышенное содержание кислорода и азота в металле шва негативно влияет на пластичность
сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов при рабочей температуре. Применительно к условиям ремон-
тной микроплазменной порошковой сварки определен диапазон содержания кислорода и азота в металле шва, при
котором обеспечиваются его качественное формирование и удовлетворительные механические свойства сварных
соединений.
К л ю ч е в ы е с л о в а : микроплазменная порошковая свар-
ка, наплавка, жаропрочный никелевый сплав, сварное соеди-
нение, содержание кислорода и азота, кратковременные
механические свойства
Известно, что вредными примесями в жаропроч-
ных никелевых сплавах, снижающими жаропроч-
ность [1] и трещиностойкость [2] при сварке, на-
ряду с другими элементами являются кислород
и азот. В современных жаропрочных никелевых
сплавах их содержание после вакуумно-индук-
ционного переплава ограничивается (0,0015 мас.
% для каждого) [1]. Металлургическим способом
борьбы с горячими трещинами при сварке никеля
и его сплавов наряду с измельчением структуры
металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ)
и формированием оптимального термодеформа-
ционного цикла является ограничение содержания
кислорода в металле шва до 0,005 мас. % [3].
Особенность технологии сварки жаропрочных ни-
келевых сплавов состоит в присутствии тугоплав-
ких оксидных пленок на поверхности сваривае-
мого металла [4, 5]. В связи с этим рекомендуется
применять технологические приемы, ограничива-
ющие окисление наплавленного металла [6].
Для ремонта лопаток из жаропрочных нике-
левых сплавов перспективно применение плаз-
менно-дуговых способов сварки с использованием
присадочного порошка [7, 8]. При микроплазмен-
ной порошковой наплавке [9] для ремонта лопаток
вследствие снижения эффективности защиты зо-
ны сварки могут возникать дефекты микрострук-
туры (рис. 1), а при увеличении содержания кис-
лорода и азота в наплавленном металле могут из-
меняться механические свойства сварных соеди-
нений.
При ремонтной микроплазменной порошковой
сварке жаропрочных никелевых сплавов в отли-
чие от широко применяемой аргонодуговой свар-
ки вольфрамовым электродом с использованием
присадочного металла [5, 6] присутствует ряд фак-
торов, которые снижают эффективность защиты
зоны сварки: увеличенная длина дуги; наличие
возмущения течения газовых потоков при вве-
дении порошка; внесение в сварочную ванну с
порошком дополнительных примесей.
Одним из методов оценки эффективности за-
щиты зоны сварки инертными газами является оп-
ределение содержания кислорода и азота в металле
сварного шва [10], которое зависит не только от
химического состава основного металла и свароч-
ных материалов, но и от способа сварки [11].
Целью данной работы является исследование
влияния технологических параметров на содер-
жание кислорода и азота в металле шва и оценка
изменения механических свойств сварных соеди-
нений при микроплазменной порошковой сварке
жаропрочных никелевых сплавов.
Для количественной оценки содержания газов
в наплавленном металле выполняли наплавку по-
рошком жаропрочного никелевого сплава с со-
© К. А. Ющенко, А. В. Яровицын, А. В. Звягинцева, 2008
Рис. 1. Микроструктура участка наплавленного металла с
оксидным включением, полученная при ремонтной микроп-
лазменной порошковой сварке лопаток из жаропрочных ни-
келевых сплавов
9/2008 5
держанием 50 об. % γ′-фазы на пластины тол-
щиной 2,5…4,0 мм аналогичного химического
состава (табл. 1).
При наплавке в качестве плазмообразующего,
транспортирующего и защитного газа использова-
ли аргон сорта 1 (ГОСТ 10157–79) со следующим
содержанием примесей, мас. %: 0,002 O2; 0,001 Н2О.
Остаточное давление в баллоне составляло не менее
3 МПа. Расход газов был следующим: плазмооб-
разующего 1, транспортирующего и защитного
6…7 л/мин. Скорость vсв перемещения плазмот-
рона равна 3 м/ч. В качестве присадочного ма-
териала использовали просушенный порошок
фракции 40…160 мкм, полученный сухим распы-
лением в атмосфере аргона. В качестве изменя-
ющихся параметров процесса приняты расстояние
от плазмотрона до изделия и масса порошка, по-
даваемого в дугу. Схема наплавки представлена
на рис. 2. Для оценки влияния состояния при-
садочного порошка на содержание кислорода и
азота в наплавленном металле выполнена наплав-
ка валиков непросушенным и окисленным в дуге
порошком. В последнем случае наплавку выпол-
няли с целью оценки возможности повторного ис-
пользования присадочного материала для сокра-
щения его потерь.
Для исследований из наплавленного металла
на высоте не менее 1 мм от основного металла
электроэрозионной резкой вырезали образцы в
форме куба со стороной 3…4 мм; их поверхность
механически зачищали от оксидных пленок. Ко-
личественную оценку газосодержания наплавлен-
ного металла выполняли путем измерения пол-
ного содержания кислорода и азота путем вос-
становительной плавки в потоке газоносителя со-
ответственно на установках RO316 и TN114 (фир-
ма «Leco»). Качество формирования наплавляе-
мого металла определяли визуально по внешнему
виду валика и оксидной пленки на его поверх-
ности (рис. 3).
Результаты исследований содержания газов в
наплавленном металле приведены на рис. 4–7. Ус-
тановлено, что в зависимости от параметров про-
цесса наплавки содержание кислорода в наплав-
ленном металле составляет 0,007…0,022, а азота
— 0,0026…0,008 мас. %. Качественное и удов-
летворительное формирование наплавленного ме-
талла обеспечивается при массовой доле кисло-
рода 0,007…0,017 % и азота 0,0026…0,0055 % в
наплавленном металле. При этом содержание га-
зов, внесенных в наплавленный металл непосред-
ственно из порошка, составляет: кислорода не менее
0,007 мас. %; азота — не менее 0,0022 мас. %. Ус-
тановлено, что технологическими параметрами, в
значительной степени влияющими на содержание
кислорода и азота в наплавленном металле, яв-
Т а б л и ц а 1. Химический состав (мас. %) исследуемых жаропрочных никелевых сплавов
Сплав C Si Mn W Cr Mo Ti Al
С 50 об. % γ′-фазы ≤ 0,17 ≤ 0,3 ≤ 0,5 2,6 16,0 1,8 3,4 3,4
ЭИ-698 ≤ 0,08 ≤ 0,4 ≤ 0,4 — 13,0...16,0 2,8...3,2 2,35...2,75 1,3...1,7
Окончание табл. 1
Сплав Nb Co Fe B Ta Zr [O] [N]
С 50 % об. γ′-фазы 0,9 8,5 ≤ 0,3 ≤ 0,01 1,8 0,1 0,0007 0,0018
ЭИ-698 1,8...2,0 — ≤ 2,0 — — — 0,0009 0,0014
Пр и м е ч а н и е . Содержание кислорода и азота в сплавах не регламентируется; данные по кислороду и азоту получены авторами.
Рис. 2. Схемы микроплазменной порошковой наплавки на
пластину (а) и ее торец (б)
Рис. 3. Внешний вид ( 10) наплавленных валиков жаропроч-
ного никелевого сплава, содержащего 50 об. % γ′-фазы, с
плохим (а) и удовлетворительным формированием (б)
6 9/2008
ляются расстояние от плазмотрона до изделия, а
также схема наплавки и количество присадочного
порошка, подаваемого в дугу. Снижение массовой
доли газов в наплавленном металле при наплавке
на узкую подложку (торец пластины) объясняется
тем, что соответствующие режимы наплавки от-
личаются незначительными расходом порошка и
расстоянием от плазмотрона до изделия (около
3 мм).
Для исследования механических свойств свар-
ных соединений жаропрочных никелевых сплавов
с определенным выше диапазоном содержания
кислорода и азота в металле шва выбран жароп-
рочный никелевый сплав ЭИ-698 (табл. 1, 2) с
14…17 об. % γ′-фазы [12] в состоянии поставки
[13], который относится к категории трудносва-
риваемых и применяется для дисков и лопаток
газовых турбин, работающих при температуре до
750 °С [13].
С целью исследований выполнена микроплаз-
менная сварка двух жестких стыков из пластин
размером 100 50 2,5 мм. Присадочный по-
рошок из сплава ЭИ-698 фракции 40…160 мкм
подавался в количестве 7 г/мин. Скорость сварки
составляла 3 м/ч. Технологические параметры
микроплазменной сварки в экспериментах под-
бирали таким образом, чтобы обеспечить мини-
мальное и максимальное содержание кислорода,
азота в металле шва. Для удовлетворительного
формирования шва при максимальном содер-
Т а б л и ц а 2. Свойства сварных соединений сплава ЭИ-698
Объект испытаний
σв, МПа σт, МПа δ, %
[O], мас. % [N], мас. %
20 oC 750 oC 20 oC 750 oC 20 oC 750 oC
Основной металл 1206
1
800
1
920
1
770
1
34
1
18
1 0,0009 0,0014
Сварное соединение:
№ 1 973
0,806
726
0,908
600
0,652
490
0,636
30
0,882
17,2
0,956 0,0060 0,0032
№ 2 885
0,774
579
0,723
550
0,598
510
0,662
33
0,971
10
0,556 0,0150 0,0079
Пр и м е ч а н и е . В знаменателе приведены значения коэффициента прочности для σв, σт, δ относительно основного металла при
указанной температуре.
Рис. 4. Содержание кислорода (а) и азота (б) в металле жаропрочного никелевого сплава с 50 об. % γ′-фазы при многослойной
наплавке с присадочным порошком в количестве 5 г/мин: 1 — литой сплав; 2 — присадочный порошок; 3, 4 — наплавленный
металл, полученный при расстоянии между плазмотроном и изделием соответственно L = 4 и 10 мм
Рис. 5. Зависимость содержания кислорода (1) и азота (2) в
наплавленном металле жаропрочного сплава с 50 об. % γ′-фа-
зы от количества присадочного порошка, подаваемого в дугу
9/2008 7
жании газов в металле шва сварочный ток уве-
личили на 30 %, скорость сварки при этом ос-
тавалась неизменной.
Механические свойства сварных соединений
в состоянии после сварки оценивали на установке
«ALA-TOO» [8] при испытаниях составных свар-
ных образцов, вырезанных поперек шва с сече-
нием рабочей части 1,5 2 мм (рис. 8). Поверх-
ность образца перед испытаниями контролирова-
лась методом цветовой дефектоскопии на наличие
дефектов. Нагрев образца во избежание влияния
кислорода из воздуха осуществляли радиацион-
ным способом в вакууме. Для исключения вли-
яния масштабного фактора оценены кратковре-
менные механические свойства основного метал-
ла. Испытания выполняли при температуре 20 и
750 °С. Выбор такой температуры обусловлен
температурными условиями эксплуатации сплава
[13], а также наличием для данного класса ма-
териалов температурного интервала провала плас-
тичности [8], в котором особенно проявляется
склонность к образованию трещин в сварных со-
единениях. Разрушение образцов наблюдалось по
металлу шва. Результаты испытаний приведены
в табл. 2.
Рис. 6. Содержание кислорода (а) и азота (б) в наплавленном металле жаропрочного никелевого сплава с 50 об. % γ′-фазы в
зависимости от состояния присадочного порошка, подаваемого в дугу, при многослойной наплавке в количестве 5 г/мин: 1 —
порошок просушенный; 2 — без просушки; 3 — окисленный в дуге
Рис 7. Содержание кислорода (а) и азота (б) в наплавленном металле жаропрочного никелевого сплава с 50 об. % γ′-фазы в
зависимости от схемы многослойной наплавки с присадочным порошком в количестве 5 г/мин на пластину (1) и ее торец (2)
Рис. 8. Внешний вид составного сварного образца после ис-
пытаний на кратковременные механические свойства
8 9/2008
Установлено, что при температуре 750 °С пре-
дел прочности на разрыв образца сварного сое-
динения № 1 с минимальным содержанием кис-
лорода и азота в металле шва на 20 % превышает
соответствующую характеристику образца № 2
с максимальным содержанием кислорода и азота.
При этом пластичность образца № 1 при 750 °С
практически сохраняется на уровне основного ме-
талла, а образца № 2 при той же температуре
составляет только 55,6 % пластичности основно-
го металла при 750 °С.
Полученные данные хорошо согласуются с ре-
зультатами проведенных ранее металлографичес-
ких исследований [1, 2]. Понижение пластичности
жаропрочных никелевых сплавов обусловлено
обогащением границ зерен кислородом и обра-
зованием легкоплавких соединений с другими при-
месными элементами. В частности, это подтверж-
дается данными оже-спектроскопии поверхности
разрушения образца из поликристаллического ни-
келевого жаропрочного сплава с 65 об. % γ′-фазы,
испытанного в температурном интервале провала
пластичности [2].
Повышение содержания кислорода и азота в ме-
талле шва снижает пластичность и предел проч-
ности на разрыв сварных соединений в темпера-
турном интервале провала пластичности, что может
негативно повлиять на трещиностойкость сварных
соединений при сварке и термообработке.
Таким образом, при сварке (наплавке) жароп-
рочных никелевых сплавов с суммарным содержа-
нием алюминия и титана более 3 мас. % возникает
необходимость в усовершенствовании защиты зоны
микроплазменной порошковой сварки.
1. Строганов Г. Б., Чепкин В. М. Литейные жаропрочные
сплавы для газовых турбин. — М.: ОНТИ, МАТИ, 2000.
— 128 с.
2. Investigation of structure and crack formation in welded jo-
ints of single crystal Ni-base alloys / V. S. Savchenko, K. A.
Yushchenko, A. Zvyagintseva et al. // Welding in the World.
— 2007. — 51, № 11/12. — Р. 76–81.
3. Машиностроение: Энциклопедия. Технология сварки,
пайки и резки. — В 40 т. — Т. III-4 / В. К. Лебедев, С. И.
Кучук-Яценко, А. И. Чвертко и др.; Под ред. Б. Е. Пато-
на. — М.: Машиностроение, 2006. — 768 с.
4. Цинке М., Нойберт Г., Герольд Х. Свойства сварных сое-
динений жаропрочных сплавов на основе никеля // Авто-
мат. сварка. — 1999. — № 4. — С. 35–38.
5. Сорокин Л. И. Заварка трещин с окисленной поверх-
ностью на жаропрочных никелевых сплавах // Свароч.
пр-во. — 2004. — № 12. — С. 30–31.
6. Сорокин Л. И. Аргонодуговая наплавка бандажных по-
лок рабочих лопаток из высокожаропрочных никелевых
сплавов // Там же. — 2004. — № 7. — С. 36–39.
7. Особенности сварки высоконикелевых дисперсионно-
твердеющих жаропрочных сплавов и ремонта изготовля-
емых из них изделий / В. С. Савченко, К. А. Ющенко,
Н. И. Саволей, А. В. Шавель // Автомат. сварка. — 1993.
— № 10. — С. 31–33.
8. Исследование свариваемости никелевых суперсплавов и
разработка технологии ремонта лопаток газовых турбин
/ К. А. Ющенко, В. С. Савченко, Л. В. Червякова и др. //
Там же. — 2005. — № 6. — С. 3–6.
9. Ющенко К. А., Калина П. П., Яровицын А. В. Особеннос-
ти микроплазменной порошковой наплавки // Там же. —
2005. — № 4. — С. 9–16.
10. Федоренко Г. А., Шведиков В. М., Грищенко Л. В. О дос-
товерности методов исследования струйной защиты //
Свароч. пр-во. — 1986. — № 6. — С. 35–37.
11. Металлургия дуговой сварки. Взаимодействие металла с
газами / И. К. Походня, И. Р. Явдощин, А. П. Пальцевич
и др. — Киев: Наук. думка, 2004. — 446 с.
12. Сорокин Л. И. Напряжения и трещины при сварке и тер-
мической обработке жаропрочных сплавов // Свароч. пр-
во. — 1999. — № 12. — С. 11–15.
13. Марочник сталей и сплавов / А. С. Зубченко, М. М. Ко-
лосков, Ю. В. Каширский и др.; Под ред А. С. Зубченко.
— М.: Машиностроение, 2003. — 784 с.
It has been established that increase in content of oxygen and nitrogen in weld metal has a negative effect on a working-
temperature ductility of welded joints in heat-resistant nickel alloys. The quantitative range of oxygen and nitrogen content
of the weld metal, which provides the quality weld formation and satisfactory properties of the welded joints, has been
determined for repair microplasma powder welding.
Поступила в редакцию 21.03.2008
9/2008 9
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99996 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:47:13Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ющенко, К.А. Яровицын, А.В. Звягинцева, А.В. 2016-05-14T18:22:58Z 2016-05-14T18:22:58Z 2008 Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой / К.А. Ющенко, А.В. Яровицын, А.В. Звягинцева // Автоматическая сварка. — 2008. — № 9 (665). — С. 5-9. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99996 621.791.72 Установлено, что повышенное содержание кислорода и азота в металле шва негативно влияет на пластичность сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов при рабочей температуре. Применительно к условиям ремонтной микроплазменной порошковой сварки определен диапазон содержания кислорода и азота в металле шва, при котором обеспечиваются его качественное формирование и удовлетворительные механические свойства сварных соединений. It has been established that increase in the content of oxygen and nitrogen in the weld metal has a negative effect on ductility of welded joints in heat-resistant nickel alloys at a working temperature. The range of the content of oxygen and nitrogen in the weld metal, within which the quality formation of the weld and satisfactory mechanical properties of the welded joints are provided, has been determined for repair microplasma powder welding. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой Properties of microplasma powder welded joints on heat-resistant nickel alloys Article published earlier |
| spellingShingle | Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой Ющенко, К.А. Яровицын, А.В. Звягинцева, А.В. Научно-технический раздел |
| title | Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой |
| title_alt | Properties of microplasma powder welded joints on heat-resistant nickel alloys |
| title_full | Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой |
| title_fullStr | Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой |
| title_full_unstemmed | Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой |
| title_short | Свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой |
| title_sort | свойства соединений жаропрочных никелевых сплавов, выполненных микроплазменной порошковой сваркой |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99996 |
| work_keys_str_mv | AT ûŝenkoka svoistvasoedineniižaropročnyhnikelevyhsplavovvypolnennyhmikroplazmennoiporoškovoisvarkoi AT ârovicynav svoistvasoedineniižaropročnyhnikelevyhsplavovvypolnennyhmikroplazmennoiporoškovoisvarkoi AT zvâgincevaav svoistvasoedineniižaropročnyhnikelevyhsplavovvypolnennyhmikroplazmennoiporoškovoisvarkoi AT ûŝenkoka propertiesofmicroplasmapowderweldedjointsonheatresistantnickelalloys AT ârovicynav propertiesofmicroplasmapowderweldedjointsonheatresistantnickelalloys AT zvâgincevaav propertiesofmicroplasmapowderweldedjointsonheatresistantnickelalloys |