Свариваемость материалов

ному металлу состав (табл. 20.2). Для компенсации потерь упрочняющих элементов при выгорании их содержание может быть увеличено по сравнению со свариваемой сталью [1].

К достаточно распространенным способам дуговой сварки следует отнести ручную штучными электродами с покрытием и автоматическую под слоем флюса. Имеется ряд работ о воз­ можности получения качественных сварных соединений при ис­ пользовании самозащи.тной порошковой проволоки или сварке в углекислом газе [3, 4].

Весьма перспективно применение лазерной сварки, позво­ ляющей получить соединения с большей стойкостью против коррозионного растрескивания, чем при ЭЛС и АДС.

20.3.2. Способы сварки давлением

Контактная стыковая сварка сопротивлением весьма подходит для соединения мартенситно-стареющих сталей. Этот способ с успехом применяется, когда необходимо получить более или менее одинаковые сварные детали, и он очень удобен при про­ ведении предварительных опытов по нахождению оптимальных условий сварки.

Наиболее широко распространена контактная точечная сварка. Сравнительно мягкий и пластичный мартенсит предот­ вращает преждевременное разрушение по присущему этому типу соединений концентратору напряжений, что наблюдается при сварке обычной высокопрочной стали.

Для изготовления единичных деталей применяется диффузи­ онная сварка и сварка взрывом. Для определенных деталей перспективна сварка трением.

20.3.3. Меры предотвращения дефектов

Для предотвращения пористости при сварке все материалы и агрегаты должны быть скрупулезно чистыми. Детали, изготов­ ленные резанием с использованием СОЖ, необходимо обезжи­ рить, а затем промыть горячей водой для удаления натрийсо­ держащих веществ на свариваемых кромках, вызывающих пористость и интенсивное разбрызгивание. Для снижения кон­ центрации растворенных элементов и получения более глад­ кого сварного шва кромки листа должны быть по возможности скошены.

Особое внимание следует уделять закреплению и установке свариваемого изделия в приспособлении. При некачественной подгонке сварочных стыков, когда зазоры в корневой части со­ ставляют около 1,6 мм, предотвращение горячих трещин пред­ ставляет серьезную проблему. Особо подвержены растрескива­ нию при кристаллизации угловые швы, поскольку проплавление

ов-1700 МПа. В тех случаях, когда для обеспечения работоспо­ собности конструкции важна ударная вязкость, применяют сварку без последующей термообработки. При этом предел прочности соединений близок ов-Ю00 МПа при KCU = = 1 МДж/м2. При многослойной сварке применяют подогрев, предотвращающий охлаждение наплавленных слоев ниже тем­ ператур у—a -превращения с явлением подстаривания. В про­ тивном случае старение мартенсита нижних слоев сопровожда­ ется возрастанием прочности и твердости и снижением вязкости металла шва. При этом достигается комплекс механических свойств, промежуточный между свойствами закаленного и тер­ моупрочненного состояния. Для ряда мартенситно-стареющих сталей повышения надежности сварных соединений достигают отказом от проведения старения после сварки или применяют подстаривание при более низкой температуре (~350 °С) для ограничения уровня прочности металла шва и околошовной зоны.

20.3.5. Служебные свойства сварных соединений

Температура эксплуатации мартенситно-стареющих сталей не превосходит 400 °С в связи с явлениями старения и перестаривания. Высокая хладностойкость позволяет успешно эксплуати­ ровать сварные изделия до температур —70------100 °С, а из от­ дельных марок стали и при криогенных температурах. Важней­ шее свойство сварных изделий — высокая несущая способность при приложении статических нагрузок, в том числе и при нали­ чии концентраторов напряжений. Это не касается конструкций, работающих в условиях вибрационных нагрузок, где преиму­ ществ по сравнению с высокопрочными низколегированными сталями не наблюдалось. При о0,23*1400 МПа в ряде случаен отмечалось ускоренное развитие трещин в сварных соединениях. Другим перспективным направлением использования мартенсит­ но-стареющих сталей является износостойкая наплавка.

Глава 21. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СПЛАВЫ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ (Якушин Б. Ф.)

21.1. Состав, структура и назначение

Высоколегированные сплавы никеля обладают наряду с высокой жаро­ прочностью и окалиностойкостью значительной коррозионной стойкостью в газовых, соляных и жидкометаллических средах и могут эксплуатиро ваться до температур 1000—1100°С (табл. 21.1). Никелевые сплавы делят на две группы: гомогенные нетермоупрочняемые и гетерогенные термоупроч­ няемые дисперсионным твердением [1, 2].

Термоупрочняемые гетерогенные сплавы никеля могут иметь несколько исходных состояний. В закаленном состоянии сплавы имеют наименьшую жаропрочность, но наибольшую пластичность (в том числе штампуемость и другие технологические свойства). В дисперсно-упрочненном (состарен­ ном) состоянии пластичность минимальна, а жаропрочность максимальна и зависит от объема, химического состава и морфологии, упрочняющих фаз.

Главная роль в обеспечении жаропрочности никелевых сплавов принад­

как никель и алюминий могут замещаться другими элементами. Положитель­ ное влияние на механические свойства у'-фазы состоит в том, что, выделяясь в объемах зерен при температурах 600—950 °С в виде большого числа коге­ рентных мелкодисперсных частиц, она создает эффективные барьеры для движения дислокаций. В то же время у'-фаза значительно пластичнее кар­ бидов, а прочность ее возрастает с увеличением температуры.

Наряду с основными фазами возможно образование ряда побочных некогерентных фаз, которые, выделяясь по границам зерен вследствие сегре­

вследствие коагуляции упрочняющих фаз.

21.2. Свариваемость никелевых сплавов

21.2.1. Структура, свойства металла шва и зоны термического влияния

Первичная структура металла шва высоколегированных нике­ левых сплавов формируется путем зарождения на подложке — оплавленных зернах основного металла — укрупненных столб­ чатых кристаллитов, конкурентный рост которых приводит к выклиниванию других, неблагоприятно ориентированных кристаллитов и прекращению их роста. Эта особенность одно­ фазной кристаллизации приводит к резкому укрупнению кри­ сталлитов в швах и является первым фактором понижения сва­ риваемости. Второй фактор — высокий уровень легирования рас­ плава; он обусловливает в литом металле на периферии шва ячеисто-дендритный и дендритный (в центре) тип субструк­ туры со значительно выраженной ликвационной неоднород­ ностью (табл. 21.2) [31.

Основное следствие ликвации — неоднородность химического состава, приводящая к образованию в шве менее эффективных интерметаллидных фаз по сравнению с фазами в основном металле. Так, в результате преимущественной ликвации титана в зонах ликвации будет при старении выделяться фаза NiaTi, обладающая меньшей жаропрочностью и тугоплавкостью, чем у'-фаза [4]. Третий фактор — транскристаллитность швов, в цен-

21.2.2.1. Трещины при сварке. При сварке гомогенных никеле­ вых сплавов (типа Х20Н45, ХН69ВТ, ХН78Т) возможно обра­ зование кристаллизационных и подсолидусных горячих трещин в металле шва.

При сварке гетерогенных сплавов наряду с возникновением горячих трещин в шве более вероятно их появление в ЗТВ, где велика протяженность ТИХ из-за наличия легкоплавких ликватов (В и т. д.) и мала пластичность из-за крупнозернистой структуры.

Металлургические способы предотвращения горячих тре­ щин:

повышение чистоты сплавов по примесям (переплав, гра­ нульная металлургия) (табл. 21.3);

ограничение полноты рекристаллизации при прокатке спла­ вов, позволяющее инициировать рекристаллизацию при сварке и соответственно снизить сегрегацию в условиях ускоренной миграции границ зерен в ЗТВ при сварке;

сварка в аустенитизированном или перестаренном состо­ янии. Значение окр, несмотря на неизменность химического со­ става шва, при сварке в аустенитизированном состоянии повы­ шается в 1,5—2 раза.

Технологические способы предотвращения трещин:

снижение до минимума погонной энергии (сварка неплавящимся электродом, ЭЛС, лазер, импульсная дуга);

ограничение скорости сварки; применение электромагнитных полей и других внешних

ТАБЛИЦА 21.4

СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ МЕТАЛЛА ШВА ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН И ЕГО ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ ПРИ 800 °С

ние закалки и старения. На этапе медленного нагрева в интер­ вале дисперсионного твердения возникают трещины.

Сплавы с 2(Ti + A l ) ^ 4 % весьма склонны к трещинам при термообработке сварных соединений. Сравнительная оценка

способы рафинирования сплавов, измельчения зерна в ЗТВ, сни­ жение сегрегаций по их границам, сведение к минимуму вре­

21.2.3.1. Высокотемпературное. В процессе длительной высо­ котемпературной эксплуатации происходит снижение предела длительной прочности и пластичности основного металла и свар­ ных соединений. Однако интенсивность их снижения выше для металла шва и ЗТВ, особенно в условиях циклического высо­ котемпературного нагружения по следующим причинам:

изменение морфологии у'-фазы в результате высокотемпе­ ратурной деформации при сварке, приводящее к пластинчатой форме выделений ц-фазы с ромбической решеткой, некогерент­ ной матрице;

преобразование первичных карбидов МеС во вторичные Ме6С и Ме2 зС6, имеющие пластинчатую форму и выпадающие на границах;

образование оксидов Ме20, способствующих диффузион­ ному окислению сплавов по межзеренным границам [6];

разнозернистость металла в ЗТВ; межзеренное проскальзывание в ЗТВ в процессе сварки,

приводящее к зарождению трещин у включений и ступенек, образовавшихся при выходе дислокаций на границах.

Чем короче длительность высокотемпературного нагрева при сварке и меньше разница в сопротивлении деформированию металла шва, ЗТВ и основного металла, тем слабее развива­ ются указанные необратимые изменения, выше эксплуатацион­ ные свойства и свариваемость сплавов.

21.2.3.2. Под воздействием агрессивных сред охрупчивание металла вызывается преимущественно сульфидной и межкристаллитной коррозией. Сульфидная коррозия связана с образо­ ванием легкоплавких сульфидов никеля NiS (Гил = 810 °С) при наличии в газовом потоке сернистых соединений. Сульфиды имеют больший объем, что вызывает разрыхление металла и проникновение сульфидов по границам зерен, особенно сильное в восстановительных средах, где нет плотных окисных защит­ ных пленок. Чем крупнее зерно в ЗТВ, чем больше напряже­ ния и длительность высокотемпературного нагрева при сварке, тем ниже стойкость сварных соединений против газовой корро­ зии по отношению к основному металлу.

Межкристаллитная коррозия вызывается распадом твердого раствора при сварочном нагреве в интервале 550—750 °С и вы падением карбидов в результате диффузии С и Сг на грани­ цах зерен. В условиях контакта с электропроводной средой образуется многофазная система анод—катод, что приводит к растворению наиболее электроотрицательной фазы, распола­ гающейся вдоль границ зерен. Подавлению склонности швов к межкристаллитной коррозии способствует легирование нио­ бием, исходя из соотношения Nb/C^20 при работе соединений

ниже 550 °С и N b/C ^40 при более высоких температурах дли­ тельной эксплуатации, ограничение содержания С не более 0,03—0,06 % и аустенитизация сварных соединений.

21.2.3.3. Радиационное. Под воздействием нейтронов, а-ча- стиц в кристаллической решетке металлов образуются гелиево­ водородная фаза, а также вакансии, .так как атомы твердого тела выбиваются из своих регулярных положений и переходят в междоузлия, что снижает пластичность. Высокотемператур­ ные свойства под действием облучения изменяются по различ­ ным законам в зависимости от химического состава сплавов и его структуры. Наиболее сильно снижаются длительная проч­ ность у дисперсионно-твердеющих сплавов (особенно для свар­ ных швов), содержащих Со, N, В и др. Значительно меньшее влияние оказывает нейтронный поток на гомогенные сплавы, не склонные к дисперсионному твердению. Их свойства восста­ навливаются после отжига при 0,5ГПл К.

Свариваемость облученного материала (что важно при раз­ работке ремонтной технологии ядерного оборудования) также понижена в связи с повышенной склонностью к порообразова­ нию, а также к образованию горячих трещин в ЗТВ по меха­ низму гелиевой хрупкости. Выбор сварочных материалов и тех­ нологии должен быть направлен на снижение гетерогенности швов и концентрации высокотемпературных деформаций, влия­ ющих не только на появление горячих трещин, но и на дли­ тельную прочность сварных соединений.

21.3. Технология сварки и свойства соединений

21.3.1. Выбор сварочных материалов

При выборе сварочных материалов необходимо предотвратить горячие трещины в шве и ЗТВ, трещины при термообработке, а также обеспечить равную жаропрочность сварных соедине­ ний и основного металла. При сварке гомогенных сплавов при­ меняют присадочные проволоки, близкие по химическому со­ ставу к основному. Отличия состоят в увеличении доли элемен­ тов, повышающих энергию активации процессов диффузии (Мо, W, Мп), и в уменьшении упрочняющих добавок (Ti, А1) [7].

Типовые составы присадочных материалов приведены в табл. 21.5.

При сварке гетерогенных сплавов с большим содержанием Ti и А1 применяют присадочные проволоки, в которых часть титана заменена ниобием.