Abstract

Abstract

Рассмотрена диффузионная сварка разнородных металлов методом горячего изостатического прессования. Исследованы соединения стали марки 09Х17Н-Ш со сталью марки 08Х18Н10Т и титановым сплавом марки ПТ-3В. Получены значения предела прочности для различных вариантов сварки – с никелевым гальваническим покрытием, прослойкой из тантала, созданием на свариваемых поверхностях рельефа механической и лазерной обработкой.

Full Text

В газостатах, относящихся к технике высоких давлений и температур, в качестве рабочей среды используется сжатый газ, что позволяет проводить баротермическую обработку. Это направление в настоящее время известно как горячее изостатическое прессование (ГИП). В прикладном отношении ГИП представляет собой технологический процесс, обычно применяемый для компактирования порошковых материалов и устранения дефектов литья. В газостатах также осуществляют пайку и диффузионное соединение деталей из различных материалов. Обязательным условием для осуществления диффузионной сварки в условиях ГИП является изолирование свариваемых поверхностей от рабочей среды, например за счет помещения деталей в герметичный контейнер, в котором создано разряжение. Это делает процесс сложным и трудоемким. Тем не менее благодаря присущим этому способу особенностям диффузионная сварка в условиях ГИП обладает рядом преимуществ, определяющих ее практическую привлекательность. При ГИП имеет место равенство давления по всем направлениям, что приводит к изотропности свойств. Геометрия сварного узла, в частности положения места сварки, может быть выдержана с большой точностью. Размеры свариваемых деталей ограничены только размером рабочего пространства газостата и могут значительно превосходить размеры деталей, которые могут быть сварены на промышленных установках для диффузионной сварки. При необходимости в газостате можно одновременно осуществить сварку такого количества узлов, которое можно разместить в одной садке. В таблице приведены условия, при которых осуществляли сварку, и значения предела прочности сварных соединений. Исследовали сварные соединения стали марки 09Х17Н-Ш со сталью марки 08Х18Н10Т и титановым сплавом марки ПТ-3В. Такие соединения применяются, например, в магнитопроводах линейных шаговых электродвигателей. Условия получения и предел прочности сварных соединений СоединениеРежим сварки*Наличие покрытия или рельефа на свариваемых поверхностях, промежуточной прослойкиПредел прочности, МПа 09Х17Н-Ш + 08Х18Н10ТТ = 922 °С, t = 135 мин, P = 151 МПаМеханическая обработка, без рельефа332…353 342 Лазерная обработка свариваемых поверхностей 456…504 481 Т = 1100 °С, t = 90 мин, P = 167 МПа Механическая обработка, без рельефа390…425 405 Механическая обработка, без рельефа, никелевое гальваническое покрытие стали 08Х18Н10Т580…581 580,8 Окончание таблицы СоединениеРежим сварки*Наличие покрытия или рельефа на свариваемых поверхностях, промежуточной прослойкиПредел прочности, МПа Т = 1100 °С, t = 180 мин, P = 167 МПаМеханическая обработка, без рельефа535…598 575 Выступы на стали 08Х18Н10Т**567…575 571 Выступы на обеих сталях**570…589 579 09Х17Н-Ш + ПТ-3ВТ = 922 °С, t = 135 мин, P = 151 МПаМеханическая обработка, без рельефа, никелевое гальваническое покрытие стали460…470 464 Механическая обработка, без рельефа, прослойка из тантала682…684 683 * Степень разрежения в контейнере (параметр А) около 0,013 Па. ** Форма выступа – равнобедренный треугольник. Подготовку деталей и температуру сварки выбирали в соответствии с рекомендациями монографии [1]. Контейнер со свариваемыми деталями герметизировали электронно-лучевой сваркой. При сварке сталей применяли следующие технологические приемы: нанесение гальванического никелевого покрытия и создание на свариваемых поверхностях рельефа механической и лазерной обработкой. Один из возможных путей создания на свариваемых поверхностях рельефа состоит в формировании периодических поверхностных структур с заданными параметрами геометрии. Упорядоченный волнообразный рельеф существенно увеличивает площадь поверхности соединения, что повышает конструктивную прочность и надежность сварного соединения, в том числе за счет механического подкрепления [2]. Для соединения сталей опробованы варианты с рельефом как на одной, так и на обеих свариваемых поверхностях, образованным выступами, имеющими в сечении форму равнобедренного и прямоугольного треугольников. Для варианта, когда рельеф был на обеих свариваемых деталях, применяли предложенное авторами взаимное угловое смещение выступов [3]. Оценивали также вариант создания рельефа путем обработки свариваемой поверхности импульсным лазерным излучением с диаметром точки 1 мм и перекрытием точек 50 % (рис. 1). На рис. 2 показана геометрия соединений, обеспечивающая механическое подкрепление соединения за счет рельефа в виде выступов на свариваемых поверхностях. На рис. 2, а – выступы в форме равнобедренных треугольников, на рис. 2, б – в виде прямоугольных треугольников. Рис. 1. Поверхность детали из стали марки 08Х18Н10Т, обработанной импульсным лазерным излучением а б Рис. 2. Геометрия сварных соединений с механическим подкреплением: а – сталь 08Х18Н10Т; б – сталь 09Х17Н-Ш На рис. 2, а деформации выступов не наблюдается, механическое подкрепление обеспечивается в одном направлении. На рис. 2, б благодаря направленному изменению формы выступов вследствие их исходной асимметрии механическое подкрепление обеспечивается в двух направлениях. На рис. 3 показан вид поверхности образца (диаметр рабочей части 3 мм) с рельефом, образованным механической обработкой, после испытаний на растяжение. Видно, что разрушение имеет смешанный характер: частично идет по поверхности соединения, частично – по основному металлу. Соединение титана со сталью получали на одном режиме с разными промежуточными слоями – никелевым гальваническим покрытием на детали из стали марки 08Х18Н10Т и промежуточной прослойки из тантала толщиной 0,1 мм. Рис. 3. Смешанный характер разрушения Для контроля качества рассмотренных сварных соединений в производственных условиях может быть использован разработанный авторами способ [4]. В соответствии с классификацией методов сварки давлением по видам энергетического воздействия и активирующим параметрам, приведенным в работе [5], описанную выше сварку деталей с гладкими свариваемыми поверхностями (включая варианты с никелевым покрытием и танталовой прослойкой) можно отнести к Р, Т, А, t-процессам. Варианты, при которых на свариваемой поверхности одной из заготовок или на свариваемых поверхностях обеих заготовок механической обработкой или воздействием лазерного излучения создан определенный рельеф, могут быть отнесены к Р, Т, А, f, t-процессам, поскольку наличие рельефа помимо увеличения площади контакта и создания механического подкрепления обеспечивает интенсификацию (f) механической активации процесса соединения.