CREATING COMPOSITE MATERIALS BASED ON HIGH-NICKEL ALLOYS WITH THE USE OF A PLASMA ARC AT CURRENT REVERSE POLARITY

Iu. D Shchitsyn; Щицын Ю. Д; D. S Belinin; Белинин Д. С; S. D Neulybin; Неулыбин С. Д; S. A Terent’ev; Терентьев С. А; A. A Efimova; Ефимова А. А

doi:10.15593/2224-9877/2016.2.01

СОЗДАНИЕ СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГИ НА ТОКЕ ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ

Авторы: Щицын Ю.Д¹, Белинин Д.С¹, Неулыбин С.Д¹, Терентьев С.А¹, Ефимова А.А¹
Учреждения:
1. Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Выпуск: Том 18, № 2 (2016)
Страницы: 7-20
Раздел: СТАТЬИ
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3164
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2016.2.01
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Развитие современной промышленности направлено на снижение материалоемкости, по- вышение технологических свойств изделий. Изделия из дорогостоящих дефицитных металлов и сплавов целесообразно изготавливать комбинированными: основа состоит из наиболее деше- вых материалов, а на рабочие поверхности наплавляют сплавы со специальными свойствами. Такие биметаллические конструкции во много раз дешевле конструкций, изготавливаемых цели- ком из металла с требуемыми свойствами. В данной работе представлены результаты исследо- вания по получению слоистого композиционного материала. Основу композиционного материала составляет высоколегированная коррозионностойкая сталь 10Х18Н10Т и никелевый сплав 06Х15Н60М15. Перспективный метод изготовления таких конструкций - использование много- слойной наплавки. Применение высококонцентрированных источников нагрева позволяет упро- стить изготовление таких конструкций. Проведено исследование технологической возможности изготовления слоистых материалов плазменной дугой прямого действия обратной полярности. Плазменная дуга обратной полярности помогает достичь минимального проплавления или рас- творения основного металла, что позволяет получить биметалл с уникальными сочетаниями свойств. Представлены исследования структуры полученного слоистого композитного материала с использованием световой микроскопии. Показано, что применение плазменной дуги обратной полярности тока позволяет получать бездефектные слоистые материалы при наплавке сталей и сплавов разных классов. Структура наплавки мелкодисперсная, с равномерным переходом от слоя к слою однородного материала и четкой границей раздела разнородных материалов. Про- веденные механические испытания образцов-свидетелей показали, что материал обладает вы- сокими механическими свойствами. Удается сочетать такие показатели, как высокий предел прочности и сохранение высокого предела текучести, а относительное удлинение полученного слоистого материала составляет 22 %.

Ключевые слова

плазма, многослойная наплавка, обратная полярность, высоколегированные стали, высоконикелевый сплав, металлографические исследования, структура, механические испытания, микротвердость, предел прочности, предел текучести, относительное удлинение.

Полный текст

Введение Основой современной техники являются металлы и металлические сплавы. Разнообразные требования к металлическим материалам возрастают по мере развития новых отраслей техники [1]. Прогрессивно развивающиеся отрасли промышленности - химическая, нефтяная, машиностроение, транспорт и др. - основываются на широком применении высокопрочных железных, никелевых и других сплавов [2]. Применение никеля в современной технике весьма разнообразно. Он используется в чистом виде как химически стойкий ферромагнитный материал в аппаратостроении, как катализатор и как материал для аккумуляторов [3]. Чистый никель применяется в значительных масштабах для защитных поверхностных покрытий: так называемое никелирование имеет большое значение для придания поверхности металлических материалов высокой химической стойкости [4]. Сварка никеля и его сплавов затруднена вследствие высокой чувствительности к примесям, поэтому необходима тщательная зачистка кромок и прилегающих к ним участков, так как на них образуется налет, содержащий примеси, при плавлении которых образуется легкоплавкая эвтектика, которая приводит к появлению кристаллизационных трещин [5]. Никель и его сплавы проявляют большую склонность к образованию пор вследствие хорошей растворимости в расплавленном металле азота, водорода, кислорода и резкого снижения растворимости при затвердевании металла [6]. Нержавеющая сталь используется в электроэнергетике, химической промышленности, машиностроении и многих других областях. Она имеет намного более высокую жаропрочность, чем другие стали [7]. При наплавке нержавеющих аустенитных сталей на малоуглеродистые и низколегированные стали возникает ряд трудностей, обусловленных значительным различием в их химическом и фазовом составах и теплофизических свойствах [8]. В то же время температуры плавления сталей рассматриваемых структурных классов отличаются незначительно, что приводит к обязательному проплавлению основного металла в процессе наплавки. В связи с этим при наплавке аустенитных нержавеющих сталей в наплавленном металле всегда будет находиться какая-то доля элементов основного металла, и зависеть она будет в первую очередь от способа, а также от режима наплавки, определяющих глубину проплавления основного металла, и длительности контактирования твердой и жидкой фаз [9, 10]. Многие изделия из дорогостоящих дефицитных металлов и сплавов изготовляют комбинированными: основа состоит из наиболее дешевых материалов (например, обычной малоуглеродистой стали), а на рабочие поверхности наплавляют сплавы со специальными свойствами [11]. Такие биметаллические конструкции, полученные наплавкой, во много раз дешевле конструкций, изготавливаемых целиком из металла с требуемыми свойствами [12]. При эксплуатации изделий в условиях агрессивных сред и высоких температур часто от изделия требуется сочетание таких свойств, как жаростойкость, жаропрочность, коррозиестойкость, кислотостойкость, поэтому применение двух и более высоколегированных сплавов может быть технологически необходимо для обеспечения работоспособности изделия [13]. Для изготовления ответственных биметаллических изделий следует применять такие способы наплавки, которые обеспечивают минимальное проплавление или растворение основного металла, т.е. способы наплавки, при которых источники теплоты позволяют регулировать нагрев и плавление присадочного и основного металла. Из новых, уже применяемых в промышленности способов наплавки наиболее полно удовлетворяют требованию получения биметаллических изделий с минимальной глубиной проплавления основного металла способы плазменной наплавки. Плазменная дуга как источник тепла находит всё более широкое применение в металлургии и обработке материалов, в том числе и для наплавки. Энергетические, тепловые и газодинамические параметры низкотемпературной плазмы сравнительно легко регулируются в широких пределах. Это позволяет получать наплавленные слои с заданными физико-химическими и механическими свойствами. Наряду с этим плазменные способы наплавки обеспечивают и высокую производительность процесса; не требуют сложного оборудования и специализированных источников питания [14]. Решить ряд проблем, связанных с уменьшением глубины проплавления и перемешивания наплавляемых материалов, позволяет плазменная наплавка на токе обратной полярности. Нестационарные катодные пятна, блуждающие по поверхности изделия, приводят к резкому нагреву и расплавлению металла в тонком поверхностном слое, повышению смачиваемости наплавляемого изделия, улучшению адгезии, меньшему тепловому воздействию на наплавляемую деталь [15]. Методика проведения работы и результаты исследований Целью данной работы является создание слоистого композиционного материала, полученного на основе хромоникелевых сплавов и высоколегированных сталей методом многослойной плазменной наплавки при работе плазмотрона на токе обратной полярности. Наплавка выполнялась в следующей последовательности: 1. Наплавка первого слоя проволокой 10Х18Н10Т d = 1,6 мм на материал подложки. В качестве подложки использовали пластину из низколегированной стали 09Г2С. Высота слоя 3,5-3,8 мм. Для получения необходимой высоты слоя наплавка производилась в три прохода. 2. Наплавка второго слоя проволокой 06Х15Н60М15 d = 1,6 мм на слой из высоколегированной стали 10Х18Н10Т. Высота наплавленного слоя за три прохода составила 2,7-3,2 мм. На рис. 1 представлен слоистый материал после механической обработки. Режим наплавки представлен в табл. 1. Рис. 1. Вид полученного слоистого материала Таблица 1 Режимы наплавки Слой Qз, л/мин Qп, л/мин Iд, А dп.с, мм hс-и, мм vп.п, м/мин vнап, м/ч 10Х18Н10Т 6 3 180 4 5 1,8 7 06Х15Н60М15 6 3 180 4 5 1,8 7 Структурные исследования наплавленного материала (09Г2С + + 10Х18Н10Т + 06Х15Н60М15), зон сплавления между слоями с применением световой микроскопии представлены на рис. 2, 3. 1 2 3 Рис. 2. Панорамный вид полученного материала (Х10): 1 - 2-й слой шва наплавки; 2 - 1-й слой шва наплавки; 3 - материал подложки а б в Рис. 3. Микроструктура слоистого материала: а - слой 06Х15Н60М15; б - переходная зона 10Х18Н10Т + 06Х15Н60М15; в - структура 10Х18Н10Т над линией сплавления с подложкой В ходе исследования было установлено: - на образцах оба слоя наплавки плотные, без трещин, пор, рыхлот, несплавлений и окисных плён; - в первом слое наплавки структура дендритного характера, оси дендритов первого и второго порядков тонкие, в междендритном пространстве имеются множественные выделения мелкодисперсных частиц, характерные для никелевых сплавов второй γ'-фазы в виде строчек (см. рис. 3); - на границе первого и второго слоев наплавки трещин, несплавлений, пор и других дефектов сварки нет. На границе сплавления между слоями наблюдается прослойка шириной 50-80 мкм однородного твердого раствора (см. рис. 3). Во втором слое наплавки (высота 2,7-3,2 мм) структура дендритного характера, с образованием первичных границ зерен, выделения частиц второй γ'-фазы равномерно распределены в междендритном пространстве, у границы сплавления выделения частиц второй фазы группируются в строчки (см. рис. 3). Результаты замеров микротвердости приведены в табл. 2 и на рис. 4, ниже представлены механические свойства. Результаты замера микротвердости показали равномерное уменьшение твердости по глубине исследуемого материала от поверхности никелевого сплава к материалу подложки. При проведении механических испытаний слой подложки был удален. Таблица 2 Микротвердость Номер образца Результаты замеров микротвердости Нµ50, кгс/мм2 2-й слой шва наплавки 1-й слой шва наплавки Зона термовлияния Основной материал 1 224-261 193-208 151-162 150-155 0 50 100 150 200 250 300 -0,4 0,6 1,6 2,6 3,6 4,6 5,6 6,6 7,6 8,6 Расстояние, мм 06Х15Н60М15 10Х18Н10Т 09Г2С Рис. 4. Распределение микротвердости по сечению полученного материала Механические свойства слоистого материала: KCU, Дж/см2 σв, МПа σ0,2, МПа δ, % 60,06 540,4 395,8 22,2 Значения предела прочности полученного материала соответствуют среднему значению предела прочности входящих в его состав материалов (рис. 5). 0 100 200 300 400 500 600 700 800 10Х18Н10Т 06Х18Н60М15 Полученный материал Рис. 5. Предел прочности При высоком показателе предела прочности сохраняется высокое значение предела текучести (рис. 6). На рис. 7 приведена съемка поверхности разлома. Рис. 6. Предел текучести Рис. 7. Поверхность после разрыва образца Понижение значения ударной вязкости относительно высоконикелевого сплава, возможно, объясняется плоскостью разрушения и направлением удара (рис. 8). На рис. 9 представлена поверхность разлома после испытаний на ударную вязкость. Рис. 8. Ударная вязкость Рис. 9. Поверхность разлома после испытания на KCU Заключение На основании проделанной работы можно сформулировать следующие выводы: 1. Проведены исследования по созданию слоистого материала, выполненного многослойной плазменной наплавкой током обратной полярности. 2. Микроструктурные исследования показали, что оба слоя наплавки плотные, внутренние дефекты отсутствуют. 3. Установлено, что структура полученного слоистого материала мелкодисперсная, с равномерными выделениями характерной второй γ'-фазы. 4. Показано, что полученный слоистый материал обладает высоким пределом прочности (540 МПа), при этом сохраняется высокий предел текучести (395 МПа) с относительным удлинением 22,2 %.

Об авторах