Full Text

В современном машиностроении одним из путей, направленных на повышение надежности и долговечности выпускаемой продукции, является создание и применение новых энерго- и ресурсосберегающих технологий обработки материалов и изготовления деталей [1]. В последние годы широкое распространение получают аддитивные технологии, однако их широкое внедрение в производство сдерживается недостаточной изученностью влияния послойного наложения металла на свойства готовых изделий, отсутствием технологических рекомендаций по получению бездефектной структуры и требуемых механических свойств. Это предопределило необходимость поиска технологических приемов, обеспечивающих получение необходимых свойств металла изделий при аддитивном производстве [2, 3]. Получение мелкозернистой структуры наплавленного металла позволяет, как показывает практика, обеспечить высокие механические свойства сварного соединения, а также повысить технологическую прочность, коррозионную стойкость и другие специальные свойства, увеличивая ресурс работы изделия в целом [4-6]. Одним из механизмов модификации наплавляемого металла представляется использование различных воздействий на жидкую ванну в процессе наплавки [7]. Существующие особенности кристаллизации литого металла при сварке и наплавке позволяют установить периодичность гармонического характера при затвердевании металла [8]. Часть исследователей считают основной причиной, вызывающей цикличность кристаллизации, выделение скрытой теплоты плавления, тормозящей продвижение фронта затвердевания, другие - концентрационное переохлаждение перед межфазной границей, третьи - периодический подвод тепла к границе. Однако единого мнения пока не сложилось [9-12]. На сегодняшний день известен ряд технологический приемов, позволяющих воздействовать на кристаллизацию металла при сварке и наплавке, с целью получения измельченной структуры [13, 14]. С этой целью используют вибрацию сварного изделия, ввод энергии от импульсного источника нагрева, импульсную подачу присадочной проволоки в различных пространственных положениях, применение источников с модуляцией сварочного тока, воздействующего на жидкий металл хвостовой части ванны, а также в ряде случаев ввод отдельных тепловых источников, влияющих на зону термического влияния около осевой линии шва, внешнее электромагнитное воздействие на расплав как в непрерывном режиме, так и пульсирующее с различной частотой магнитного поля и т.д. [15]. Одни авторы связывали условия образования структуры металла шва с влиянием подвода тепла к фронту затвердевания. Другие исследователи полагали, что колебания жидкого металла сварочной ванны играют важную роль в структурообразовании [16-18]. Для изготовления ответственных конструкций наиболее часто среди высоколегированных сталей используется сталь марки 12Х18Н10Т. Это объясняется тем, что аустенитные хромоникелевые стали, к которым относится сталь марки 12Х18Н10Т, обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью, высокими механическими свойствами при отрицательных значениях температуры, устойчивостью против окисления на воздухе и в атмосфере продуктов сгорания топлива при температуре ниже 900 °С, хорошей свариваемостью. Однако при уникальном комплексе физико-механических свойств исследуемая сталь имеет и ряд недостатков: сравнительно невысокие прочность и твердость, подверженность сварных швов межкристаллитной коррозии [19]. В работе предложен метод повышения качества наплавляемых слоев из стали 12Х18Н10Т при послойной аргонодуговой наплавке при аддитивном производстве деталей. Для исследования возможностей модифицирования структуры применяли ультразвуковое воздействие на наплавляемый материал с помощью волновода, подведенного к нижней поверхности пластины. Аргонодуговую наплавку производили на пластины стали 12Х18Н10Т толщиной 3 мм на установке с инверторным источником питания. Аргонодуговую наплавку проводили по режиму, приведенному в табл. 1. Волновод подведен снизу пластины. Авторами исследования было установлено [20], что наиболее благоприятное влияние ультразвуковое воздействие оказывает на расстоянии 30 мм от волновода (рис. 1, позиция 3). Для оценки Таблица 1 Режим аргонодуговой наплавки Ток наплавки, А Расход аргона, л/мин Скорость подачи, мм/мин Частота ультразвукового воздействия, кГц Расстояние от образца до среза сопла горелки h, мм 120 7 200 22 10 влияния ультразвука выполнили наплавку образцов на одном режиме без ультразвукового воздействия (образец № 1) и с ультразвуковым воздействием (образец № 2). Рис. 1. Схема процесса наплавки Исследование макроструктуры показало, что дефектов (трещин, пор, несплавлений и др.) в наплавленном металле и зоне термовлияния на макрошлифах нет. Макроструктура металла наплавки в обоих случаях транскристаллитная. Вид формирования металла наплавки и зоны термовлияния приведен на рис. 2, 3. Результаты замеров параметров швов наплавки приведены в табл. 2. Рис. 2. Вид формирования металла наплавки и ЗТВ на макрошлифах исследуемых образцов без УЗ-воздействия Рис. 3. Вид формирования металла наплавки и ЗТВ на макрошлифах исследуемых образцов с УЗ-воздействием Таблица 2 Результаты замеров параметров швов наплавки исследуемых образцов Номер образца Параметры шва наплавки, мм Ширина зоны термовлияния, мм Ширина шва Усиление Глубина проплавления 1 5,6 2,1 0,7 3,3 2 6,1 1,5 1,0 2,5 Исследование микроструктуры показало следующее. При наплавке без ультразвукового воздействия микроструктура металла наплавки гетерогенная, с выделениями δ-феррита, в основном по направлению роста кристаллитов (рис. 4). Внутри кристаллитов микроструктура аустенитно-ферритная, представляет собой структуру типа корзиночного плетения - пакеты зерен реечного типа с различным направлением реек (см. рис. 4). В межслойных участках имеются скопления зерен с геометрией, отличной от реечной: отдельные мелкие зерна со структурой, близкой к равноосной, и более крупные зерна неправильной геометрической формы (см. рис. 4). У границы сплавления в металле наплавки имеется светлая, слаботравящаяся зона шириной до ~0,25 мм. Микроструктура в этой зоне крупнозернистая, с внутризеренным игольчатым строением (рис. 5). Рис. 4. Микроструктура металла наплавки образца № 1, ´500. Стрелками указан δ-феррит Рис. 5. Вид микроструктуры наплавленного металла образца № 1 у границы сплавления, ´500 Микроструктура основного материала со следами пластической деформации (зерно немного вытянуто в направлении проката), размер зерна соответствует 8-му баллу (рис. 6). В зоне термовлияния у границы сплавления с металлом наплавки наблюдается рост зерна. Непосредственно у границы сплавления примерно на величину зерна наблюдается полоса с ферритной структурой (см. рис. 6). Далее структура ферритно-бейнитная, феррит выделился по границам зерна и телу зерна с игольчатым формированием по типу видманштеттовой структуры. Далее по мере удаления от границы сплавления зерно становится равноосным, наблюдается измельчение зерна (до 9-10-го баллов) с формированием ферритно-перлитной структуры. а б в г д Рис. 6. Микроструктура зоны термовлияния и основного материала образца № 1, ´200: а - участок 1 (ЗТВ), 2-3-й балл зерна; б - участок 2 (ЗТВ), 2-3-й балл зерна; в - участок 3 (ЗТВ), 3-4-й балл зерна; г - участок 4 (ЗТВ), 9-10-й балл зерна; д - участок 5 (основной материал), 8-й балл зерна При наплавке с ультразвуковым воздействием микроструктура металла наплавки гетерогенная, предположительно аустенитно-ферритная с выделениями карбидной фазы, представляет собой структуру типа корзиночного плетения - пакеты зерен реечного типа с различным направлением реек (рис. 7). В зоне термовлияния у границы сплавления рост зерна менее выражен (максимально 5-й балл), полосы сплошной ферритной структуры нет (рис. 8). Характер изменения структуры в зоне термовлияния в целом аналогичен образцу № 1 с отличиями в размере зоны термовлияния и величины зерна по характерным зонам ЗТВ (рис. 9). Рис. 7. Микроструктура наплавленного металла образца № 2, ´500 Рис. 8. Вид микроструктуры наплавленного металла образца № 1 у границы сплавления, ´500 а б в г д Рис. 9. Микроструктура зоны термовлияния и основного материала образца № 5, ´200: а - участок 1 (ЗТВ), 5-й балл зерна; б - участок 2 (ЗТВ), 5-й балл зерна; в - участок 3 (ЗТВ), 9-й балл зерна; г - участок 4 (ЗТВ), 11-й балл зерна; д - участок 5 (основной материал), 8-й балл зерна При проведении исследований по измерению микротвердости наплавленного слоя предполагалось, что измельчение зерна может привести к росту значений микротвердости для образца, выполненного с УЗ-воздействием. Результаты представлены в табл. 3. Таблица 3 Результаты замеров микротвердости № п/п Место измерения твердости Микротвердость Нµ50, кгс/мм2 1 Образец 1 (наплавленный материал) 268-290 2 Образец 2 (наплавленный материал) 305-338 3 Основной материал 118-137 Выводы 1. Рассмотрено влияние ультразвуковых колебаний, накладываемых в процессе аргонодуговой наплавки стали 12Х18Н10Т, на структуру и свойства наплавленного металла. 2. Показано, что УЗ-колебания оказывают благоприятное воздействие на структурообразование в металле наплавки, а также ЗТВ. Установлено, что достигается уменьшение размера зерна при УЗ-воздействии на 2-3 балла. 3. Отмечается увеличение твердости наплавленного слоя с применением УЗ-колебаний до 10 % по отношению к режимам обработки без дополнительного воздействия. 4. Результаты исследования могут быть применены при разработке технологий аддитивного производства изделий ответственного назначения из высоколегированных сталей.

About the authors

Yu. D Shitsyn

Perm National Research Polytechnic University

S. D Neulybin

Perm National Research Polytechnic University

D. S Belinin

Perm National Research Polytechnic University

R. G Nikulin

Perm National Research Polytechnic University

K. P Karunakaran

Indian Institute of Technology

References

Statistics

Views

Abstract - 24

PDF (Russian) - 16

Refbacks

• There are currently no refbacks.