Full Text

Введение Применение процессов наплавки в ремонтных технологиях дает возможность восстанавливать конфигурацию и размеры изношенных деталей в высокотехнологичных изделиях авиа- и двигателестроения, что позволяет получить значительную экономию металла и многократно сократить стоимость процесса [1-5]. Это в полной мере относится к технологиям производства изделий из таких дорогостоящих материалов, как титановые сплавы. В работе применялись одни из самых эффективных технологий ремонтной наплавки - лазерная и аргонодуговая наплавка. Аргонодуговой метод является традиционным, хорошо зарекомендовавшим себя методом восстановления изношенных поверхностей изделий из высоколегированных сталей и сплавов, в том числе титановых. Использование лазерной наплавки обеспечивает ряд преимуществ как с технологической, так и экономической точки зрения. К ним можно отнести высокую точность при восстановлении изделий сложной формы, регулирование в широких пределах теплопередачи в основной и наплавляемый материал и, как следствие, управление глубиной и шириной проплавления, структурой, составом и свойствами формируемого материала [2; 6-8]. Однако существенным недостатком технологий восстановительной наплавки являются некоторые структурные особенности формирования наплавленного материала, в частности, вероятность появления несплавлений как по границе с основным металлом, так и между наплавленными слоями, неблагоприятная структура, анизотропия и, как следствие, снижение механических свойств [9-13]. Целью данной работы являлось исследование основных закономерности формирования структуры и свойств жаропрочного титанового сплава ВТ-20 системы Ti-Al-V-Mo-Zr в технологиях ремонтной наплавки с использованием дуговых и лазерных процессов. Особое внимание уделено изучению качества соединения наплавленного металла с основой. Наплавочный материал - сплав ВТ-20, в основу которого положена характерная для большинства высокопрочных титановых сплавов тройная система Ti-Al-V, относится к псевдо-α-сплавам. В соответствии с принципами жаропрочного легирования титановых сплавов многокомпонентный сплав легирован α-стабилизаторами (Al), β-стабилизаторами (V, Mo, Fe, Zr) и нейтральными упрочнителями (C, N), что обеспечивает эффективное сочетание дисперсионного и твердорастворного механизмов упрочнения [10-14]. Состав жаропрочного матричного α-раствора подобран так, чтобы диффузионная подвижность атомов была по возможности минимальной и растворно-осадительные механизмы, приводящие к укрупнению дисперсных фаз, протекали с наименьшей скоростью. Алюминий при введении более 5 масс.% не только сам по себе повышает жаропрочность псевдо-α-сплавов, но и в заметной степени увеличивает растворимость изоморфных β-стабилизаторов (железо, ванадий, молибден) в α-фазе, создавая дополнительные возможности твердорастворного упрочнения сплава этими элементами. Легирование ванадием дополнительно обеспечивает низкую склонность к водородной хрупкости. Из неметаллов Рис. 1. Схема установки лазерной наплавки MLS FL 040 Таблица 1 Химический состав наплавочной проволоки ВТ20-2св Содержание элементов, масс.% Al V Mo Zr Si Fe C N O Ti H 5,5-7,0 0,8-2,5 0,5-2 1.5-2.5 До 0,1 До 0,3 До 0,1 До 0,05 До 0,15 85,15-91,4 До 0,015 для сплава ВТ-20 особое значение для повышения жаропрочности имеет кремний, действующий по механизму блокирования дислокации при высоких температурах и препятствующий их скольжению вследствие большого параметра размерного несоответствия атомов Si и Ti [12], а также элементы, образующие твердые растворы внедрения - углерод, азот. Технологии, исследовательские методики и материалы Лазерная порошковая наплавка производилась на установке MLS FL 040 на базе волоконно-оптического диодного лазера, разработанной АО «Плакарт», схема процесса показана на рис. 1. Основной материал - сплав ВТ8-М. В качестве наплавляемого материала для лазерной наплавки использован порошок ВТ20. Аргонодуговая наплавка осуществлялась на типовом оборудовании. Химический состав наплавочной проволоки ВТ-20св приведен в табл. 1. При подготовке изношенных изделий под наплавку выполнено удаление остатков детонационного покрытия химическим способом с последующей фрезеровкой поверхности и фиксацией геометрических размеров. После наплавки выполнена механическая обработка, полировка восстановленных поверхностей, отжиг, контроль наличия дефектов люминесцентным ЛЮМ1-ОВ и рентгеновским методами, контроль геометрии изделий [15]. Исследования проводились по двум локальным зонам (зона 1 и зона 2) на четырех изделиях для каждого из вариантов наплавки. После наплавки были проведены структурные исследования наплавленного материала, зон сплавления между слоями с применением световой микроскопии (Neophot 32). Для металлографического Таблица 2 Результаты рентгеновского контроля восстановленных изделий аргонодуговой и лазерной наплавками Вид наплавки № обр. Зона 1 Зона 2 Аргонодуговая наплавка 1 Несплавление Несплавление 2 Линия сплавления и индикация Линия сплавления 3 Линия сплавления Несплавление 4 Линия сплавления и несплавление Несплавление Лазерная порошковая наплавка 1 Без замечаний Без замечаний 2 Без замечаний Пора 3 Без замечаний Без замечаний 4 Без замечаний Черновины исследования по контактным поверхностям изделий с аргонодуговой наплавкой и с лазерной порошковой наплавкой были изготовлены продольные и поперечные микрошлифы. Количественный металлографический анализ проводили на автоматизированном программно-аппаратном комплексе анализа изображений и моделирования структур «Видеотест-металл» на базе металлографического микроскопа «Альтами-587». Испытания микротвердости проводили на приборе ПМТ-3 при нагрузке 200 г с шагом 0,15 мм. Испытания прочностных свойств осуществляли в соответствии с ГОСТ 9454-78, испытательный комплекс INSTRON 5982, анализ химического состава методом спектрального анализа по ГОСТ 7727-81. Исследование дефектности слоев сплава ВТ20, наплавленных арогонодуговой и лазерной технологией В табл. 2 представлены результаты рентгеновского исследования дефектности слоев сплава ВТ20, наплавленных арогонодуговой и лазерной технологией. Фиксировалось наличие дефектов типа несплавлений, пор, трещин, в различных зонах наплавок, а также места их локализации и размеры. Анализ данных рентгеновского контроля показал наличие видимой линии сплавления с основой на всех образцах, наплавленных аргонодуговым методом, кроме того, в металле присутствуют несплавления в различных зонах наплавки как по линии сплавления с основой, так и между слоями наплавки. На образцах, выполненных лазерной наплавкой, линии сплавления с основой не выявляются, количество несплавлений значительно меньше. На рис. 2. показаны примеры результатов индикации дефектов при контроле люминесцентным методом ЛЮМ1-ОВ. Исследования микроструктуры наплавленных слоев сплава ВТ-20 Для детального исследования микроструктуры наплавленного металла были изготовлены образцы в продольном и поперечном сечении относительно слоев наплавки. Для характеристики размеров несплавлений, имеющих дугообразную форму, использовали параметр, равный диаметру описанной окружности DÆ, мм [15; 16]. Аргонодуговая наплавка На рис. 3, а, показана макроструктура и распределение дефектов по длине наплавленного слоя при аргонодуговой наплавке для зоны 1. Микроструктура наплавленного металла и основы представлен на рис. 3, б. На рис. 4, а, показана макроструктура и распределение дефектов по длине наплавленного слоя при аргонодуговой наплавке для зоны 2. Микроструктура наплавленного металла и основы представлена на рис. 4, б, в. В зоне 1 образца, полученного аргонодуговой наплавкой, в средней части изделия высота наплавки составляет 0,288…0,300 мм (см. рис. 3). Трещин и пор в наплавленном металле нет, ЗТВ чистая. По месту расположения дугообразной индикации в металле наплавки на линии сплавления наблюдается дугообразное несплавление DÆ = 0,519 мм, вдоль линии сплавления наплавки с основным материалом наблюдаются протяженные продольные несплавления длиной 0,288…3,076 мм. В зоне 1 наплавки трещин и пор нет, наблюдается несплавление DÆ = 0,190 мм на границе наплавки с основным материалом. Высота наплавки в средней части изделия составляет 0,230…0,235 мм. В зоне 2 образца, полученного аргонодуговой наплавкой (см. рис. 4), в самом наплавленном металле трещин и пор нет, вдоль линии сплавления наплавки с основным материалом наблюдаются Зона 1 Зона 2 а б Рис. 2. Вид изделия с индикаций при контроле ЛЮМ1-ОВ: а - аргонодуговая наплавка; б - лазерная наплавка а б Рис. 3. Структура зоны 1 образца, полученного аргонодуговой наплавкой: а - макроструктура и распределение дефектов по длине наплавленного слоя, б - микроструктура протяженные несплавления DÆ = 0,615…2,150 мм. По месту расположения дугообразной индикации в наплавке наблюдается несплавление DÆ = 2,15 мм. Высота наплавки в средней части полки составляет 0,190…0,200 мм. Микроструктура наплавленного металла состоит из пластинчатой α-фазы, что типично для псевдо-α-сплавов с очень невысоким коэффициентов β-стабилизации, к которым относится сплав ВТ-20. Микроструктура основы представляет собой α+β-структуру, характерную для двухфазных сплавов типа ВТ-8М [17-20]. Лазерная порошковая наплавка На рис. 5, б, показана макроструктура и распределение дефектов по длине наплавленного слоя при лазерной наплавке для зоны 1. Микроструктура наплавленного металла и основы представлен на рис. 5, а. а б в Рис. 4. Структура зоны 2 образца, полученного аргонодуговой наплавкой: а - макроструктура и распределение дефектов по длине наплавленного слоя, б - микроструктура наплавленного и основного материала, в - микроструктура основы Рис. 5. Структура зоны 1 образца, полученного лазерной наплавкой: а - микроструктура, б - макроструктура и распределение дефектов по длине наплавленного слоя На рис. 6, а, показана макроструктура и распределение дефектов по длине наплавленного слоя при лазерной наплавке для зоны 2. Микроструктура наплавленного металла и основы представлена на рис. 6, б, в. Высота наплавки в средней части зоны 1 составляет 0,650…0,670 мм, зоны 2 - 0,504…0,544 мм. Анализ микроструктуры наплавленного лазерной технологией материала выявил существенно более низкий уровень дефектности наплавок. Особенно это характерно для металла зоны 2 на рис. 6, в котором не зафиксировано практически ни одного значительного участка несплавления. Микроструктура наплавленного металла для этого способа состоит из более мелкодисперсной пластинчатой α-фазы, чем на лопатке с аргонодуговой наплавкой: средняя толщина игл α-фазы составляет 80 мкм против 100 мкм (рис. 7). Исследование микротвердости наплавленного сплава ВТ-20 при аргонодуговой и лазерной порошковой наплавке В табл. 3 представлены результаты испытания микротвердости материала, полученного наплавлением сплава ВТ-20 при аргонодуговой и лазерной порошковой наплавке на сплав ВТ8-М. а б Рис. 6. Структура зоны 2 образца, полученного лазерной наплавкой: а - макроструктура и распределение дефектов по длине наплавленного слоя, б - микроструктура наплавленного и основного материала Рис. 7. Микроструктура наплавленного металла при лазерной порошковой наплавке Таблица 3 Микротвердость сплава ВТ-20, наплавленного различными технологиями и основного материала Характерные участки наплавки Микротвердость НV0,05, кгс/мм2 аргонодуговая наплавка лазерная порошковая наплавка Наплавленный металл (ВТ20) 189-225 241-257 Зона термовлияния 203-223 221-262 Основной материал (ВТ-8М) 227-255 230-257 Выводы 1. Проведенные исследования показали, что ремонтные технологии аргонодуговой и лазерной порошковой наплавки позволяют использовать жаропрочный титановый сплав ВТ-20 для восстановления изношенных участков изделий, как в виде сварочной проволоки, так и в виде порошка. 2. Установлено, что структура наплавленного лазерной технологией материала имеет существенно более низкий уровень дефектности наплавок: пор и трещин не выявлено, участки несплавлений незначительны по протяженности. 3. Установлено, что лазерная порошковая наплавка способствует измельчению структуры наплавленного титанового сплава, повышению дисперсности пластин α-фазы, что сопровождается ростом микротвердости до среднего уровня 250 HV. Таким образом, в качестве основной ремонтной технологии для выбранных изделий из титановых сплавов предложена технология лазерной порошковой наплавки.

About the authors

I. S Homutinin

Perm National Research Polytechnic University

S. N Akulova

Perm National Research Polytechnic University

A. V Myshkina

Perm National Research Polytechnic University

E. A Krivonosova

Perm National Research Polytechnic University

Yu. V Lyamin

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 129

PDF (Russian) - 74

Refbacks

• There are currently no refbacks.