Свариваемость материалов

при малой их толщине оксидные пленки растрескиваются и отслаиваются от поверхности, открывая доступ кислорода к поверхности.

Молибден и вольфрам обладают стойкостью против окисления до тем­

рость окисления Сг в.З раза меньше скорости окисления Ni. По коррозион­ ной стойкости Сг близок к высоколегированным коррозионностойким ста­ лям. Он обладает большим сопротивлением воздействию окислительных сред. Хорошо противостоит Сг действию ртути; пары кальция и лития не оказы­

форной, серной, плавиковой кислот, растворов щелочей; многих жидкометал­

Цирконий устойчив в горячих концентрированных растворах и обладает исключительной стойкостью в обычной морской воде. По коррозионной стой­ кости в НС1 цирконий уступает только танталу. Плавиковая и концентри­ рованная фосфорная кислоты, а также «царская водка» растворяют цир­ коний*. Сопротивление Zr коррозии в щелочах выше, чем Та, Ti и стали 12Х18Н10Т [1].

31.1.3. Сплавы тугоплавких металлов

Из-за низкой прочности (см. табл. 31.2) чистые тугоплавкие металлы имеют ограниченное применение в качестве конструкционных материалов. Техниче­ ски чистые металлы (листы, полосы, прутки, проволоки) выпускаются по техническим условиям со строгой регламентацией химического состава.

Основным способом придания тугоплавким металлам жаростойкости и жаропрочности является * их легирование с образованием твердых раство­ ров внедрения и замещения, а также дислокационное упрочнение частицами

сплавы системы Zr—Nb (табд. 31.4). Эти сплавы наряду с высокой корро­

логических трубопроводов, оболочек ТВЭЛов и других деталей в ядерных энергетических установках на медленных нейтронах. По аналогии с титаном

калке и старении в циркониевых сплавах может выпадать ю-фаза, приво­ дящая к охрупчиванию [3].

Ванадий с большинством металлов образует широкие области твердых растворов, что позволяет получать высокопрочные и пластичные сплавы. Их подразделяют на низко- и высоколегированные. По сравнению с техниче-

• Сплавы США.

ским ванадием его сплавы значительно медленнее окисляются, так как обра­ зующиеся на легированном металле оксидные пленки обладают хорошими защитными свойствами. Сплавы системы V—Nb обладают повышенной кор­ розионной стойкостью и применяются в ядерной технике, химическом ма шиностроении и судостроении [2]. В СССР промышленно освоены сплавы системы V—Zr—С с дисперсионным упрочнением и сложнолегированные сплавы системы V—Zr—С—Y (ТУ 48-1303-093—74). Легирование ванадия цирко­ нием и углеродом благоприятно сказывается на его жаропрочности; воз­ растает сопротивление деформированию и длительному разрушению на базе

ется пределами: 0 2 0,015; N2 0,02; Н2 0,0001 % (по массе).

Легирующими добавками в Nb служат W, Mo, Zr, Ti и другие ме­ таллы. Наиболее эффективно упрочняется ниобий при высоких температурах цирконием. Молибден и вольфрам сообщают сплавам ниобия наилучшие жаропрочные свойства, но существенно снижают пластические свойства сплавов. Высокопрочные сплавы ниобия плохо обрабатываются и свариваются Поэтому в сварных конструкциях наибольшее распространение получили низко- и среднелегированные сплавы, обладающие удовлетворительной сва­

струкционных материалов ниобиевые сплавы перспективны в атомной энер­ гетике и химическом машиностроении, особенно для оборудования, предназ­ наченного для работ в агрессивных средах и жидкометаллических теплоно­ сителях [1].

Жаропрочность тантала повышается при легировании его другими туго­ плавкими металлами, с большинством из которых он образует твердые растворы замещения. Вольфрам, молибден и гафний наиболее эффективно повышают температуру рекристаллизации тантала. При 1650 °С наибольшей прочностью обладают сплавы системы Та—W—Ш, а при 1930 °С — сплав Та—W (табл. 31.7). Введение в тантал более 13 % легирующих элементов приводит к ухудшению свариваемости. Введение в сплавы гафния способ­ ствует повышению сопротивления окислению. Однако для длительной ра­ боты при высоких температурах на воздухе сплавы тантала нуждаются в защитных покрытиях. В связи с высокой коррозионной стойкостью танталовые сплавы используют в химическом машиностроении для изготовления

к примесям; Zr, Hf, V и La очищают матрицу хрома от азота, образуя нитриды. Nb, Та, Ti и Zr хорошо связывают углерод, a Ti, Zr, V, Cl и La

бавки вводят в количествах, не превышающих их растворимость в твердом хроме. Добавки РЗМ измельчают структуру, повышают коррозионную стой­ кость и температуру рекристаллизации.

Конструкционные сплавы хрома разделяют на мало- и высоколегирован­ ные (табл. 31.8). Высоколегированные сплавы в основном малопластичны и плохо свариваются.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ХРОМОВЫХ СПЛАВОВ В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ И ДЛИТЕЛЬНЫ Х ИСПЫТАНИЯХ [2]

установок, газотурбинных двигателей, нагревательных печей и другие кон­ струкции, работающие в агрессивных средах.

Молибден легируют для повышения жаропрочности и снижения его хладноломкости. Образование твердых растворов замещения ограничено по­ вышением Тх при легировании. Поэтому большинство легирующих элемен­ тов вводят в молибден в малых количествах. Исключение составляют W и Re; первый увеличивает длительную прочность сплавов, так как повышает линии ликвидуса и солидуса, а рений уменьшает чувствительность к приме­ сям внедрения и хладноломкости.

Большая группа промышленных сплавов принадлежит к малолегиро­

сплавы плохо свариваются методами сварки плавлением. Потенциально же

нее время отечественной промышленностью освоен выпуск новых сваривае­ мых сплавов ТСМ7 ц ТСМ7С.

Высокие жаропрочность и коррозионная стойкость во многих агрессив­ ных средах обусловливают применение сплавов молибдена в авиастроении, ракетостроении, космической технике, ядерной энергетике, химическом ма­ шиностроении, металлургии и электронике. Из них изготавливают кристалли­ заторы, нагреватели, тигли, тепловые трубы, сварные муфели газостатов, электровакуумное и другое оборудование [5]. При использовании молибде­

таты дает покрытие на основе MoSi2, которое обеспечивает работоспособ­ ность изделий на воздухе при 1200°С в течение 2500 ч [5),

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ [2]

и др.) наиболее благоприятное влияние на вольфрам оказывает рений: на­ ряду с повышением жаропрочности он улучшает технологическую пластич­ ность и свариваемость, резко снижая Тх [при 26% (по массе) Гх= —200 °С]. Однако сплавы W— Re имеют относительно малую жаропрочность. Для повышения жаропрочности сплавы W—Re легируют дополнительно молибде­ ном. Из двойных сплавов наибольшее применение находят сплавы систем W—Mo, W—Nb, W—Та, которые могут дополнительно легироваться такими элементами, как Zr, Hf, В и С (табл. 31.10).

Вольфрамовые сплавы используются во многих отраслях промышлен­

зуют покрытия из MoSi2 и тугоплавких оксидов и интерметаллических соеди­ нений. Используются и гальванические покрытия из Ni и Сг.

31.2. Свариваемость тугоплавких металлов

Затруднения, возникающие при сварке этих материалов, опре­ деляются прежде всего: 1) высокой химической активностью по отношению к компонентам воздуха при высоких температурах; 2) резким охрупчиванием при насыщении примесями внедре­ ния; 3) склонностью к перегреву, вызывающему рекристалли­ зацию и рост зерна: 4) резким повышением предела текучести с понижением температуры и ростом величины исходного зерна.

31.2.1. Свариваемость циркониевых сплавов

Одной из основных задач при сварке циркониевых сплавов яв­ ляется предотвращение взаимодействия металла шва с актив­ ными газами. Поглощение кислорода и азота приводит к повы­ шению прочности и снижению пластичности сварных соединений (рис. 31.2). Наиболее вредное влияние на швы оказывают азот и водород, содержание которых в сварочной атмосфере не должно превышать 1 • 10-3 % (объемн.) каждого. Количество кислорода может быть значительно большим до 1 % (объемн.). Загрязнение атмосферы парами воды или ацетиленом вызывает

образование сильной пористости, в то время как азот и кисло­ род не оказывают влияния на порообразование. Сплавы типа циркалой мало чувствительны к структурным изменениям в процессе термического цикла сварки и не требуют последую­ щей термической обработки. Сплавы же с 1 % и 2,5 % Zr склонны к образованию закалочных структур. При сварке сплава Zr — 2,5 Nb в металле шва образуется а'-фаза с не­ большим количеством остаточной 0-фазы. Изменение скорости сварки от 0,28—0,56 см/с до 1,12 см/с приводит к изменению состояния а'-фазы: мартенсит скольжения превращается в мар­ тенсит двойникования. Образование этих фаз приводит к повы­ шению прочности с 510 до 760 МПа, снижению ударной вяз­ кости со 160 до 70 Дж/см2 и угла изгиба от 180 до 60—90°.

С целью повышения пластичности сплавов системы Zr—Nb рекомендуется производить последующую термическую обра­ ботку сварных соединений. Оптимальное сочетание прочности (540 МПа) и ударной вязкости (135 Дж/см2) на швах из сплава Zr — 2,5 Nb получается при двухчасовом старении при температуре 580 °С. В металле шва при этом сохраняется двой> никовый мартенсит с граничными выделениями мелкодисперс­

ной p-фазы ниобия. Одновременно снимаются остаточные на­ пряжения.

Наиболее сложной проблемой при сварке циркониевых спла­ вов является обеспечение коррозионной стойкости. На стой­ кость сварных соединений в агрессивных средах, кроме газовых примесей, влияет структурная и фазовая неоднородность [3]. Лучшей стойкостью обладают соединения, фазовый состав ко­ торых близок к равновесному состоянию сплава. Это достига­ ется за счет оптимальных скоростей охлаждения металла при сварке и термомеханической обработке.

Цирконий и сплавы на его основе хорошо свариваются раз­ личными способами сварки давлением. Наибольшее практиче­ ское применение нашла контактная стыковая сварка оплавле­ нием, применяемая в США и Канаде как основной способ сварки ТВЭЛов. При этом процесс длится не более 0,01 с;

врезультате практически нет ЗТВ и отсутствует газонасыщение. Высокое удельное сопротивление в сочетании с низкой теп­ лопроводностью облегчают процессы контактной сварки. Цирко­ ний хорошо сваривается точечной и шовной контактной сваркой при защите зоны сварки аргоном или при проведении процесса

вводе [1]. Как и для титановых сплавов, для соединения спла­ вов циркония весьма перспективна диффузионная сварка в ва­

кууме, обеспечивающая получение равнопрочных соединений (<тв = 580 МПа, 6= 20 %, ф= 20 %), обладающих высокой корро­ зионной стойкостью [9]. Хорошая свариваемость при этом спо­ собе обусловливается полной очисткой соединяемых поверхно­ стей за счет растворения оксидных пленок в матрице основного металла.

По аналогии с титаном следует предположить, что цирконие­ вые сплавы должны хорошо свариваться сваркой трением.

31.2.2. Свариваемость сплавов на основе ниобия, ванадия и тантала

По объему использования в сварных конструкциях первое ме­ сто из тугоплавких металлов VA группы занимает ниобий [1, 2]. Технически чистый ниобий и сплавы его с твердорастворным Упрочнением типа 5ВМЦ хорошо свариваются методами сварки Плавлением. С увеличением толщины свариваемых металлов их свариваемость ухудшается, так как происходит сильный рост зерна в шве и ЗТВ, способствующий охрупчиванию сварных со­ единений. При толщинах более 3 мм предпочтительнее приме­ нять электронно-лучевую сварку. Наиболее стабильны по свой­ ствам сварные соединения из рекристаллизованных металлов, Так как при бварке плавлением деформированного металла не Удается избежать разупрочнения в ЗТВ с характерной для нее крупнокристаллической структурой.