Структура и свойства сварных соединений титана: влияние термического цикла сварки на изменения в околошовной зоне
Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературная α - фаза имеет ГЦК-решетку и существует до температур 882 ºС; высокотемпературная β - фаза имеет ОЦК-решетку. Температура аллотропических превращений в титане зависит от его чистоты, как и его физико-химические и механические свойства. Так, удельное электрическое сопротивление определяется присутствием в них О2, N2 и C, возрастая практически линейно при увеличении содержания этих элементов. Титан имеет сравнительно низкие коэффициенты теплопроводности, что очень важно при сварке, т.к. уменьшаются потери энергии и повышается концентрированность нагрева. Чистый титан обладает высокой коррозионной стойкостью.
Особенности кристаллизации и охлаждения сварных швов титановых сплавов способствуют возникновению метастабильных фаз, определяющих свойства сварного соединения. В результате структурных превращений в шве и ОШЗ образуется мартенсит – игольчатая структура превращенной β-фазы или α ׳-фазы, что снижает пластичность сварного соединения(рис.1.1).
а) б)
Рис. 1.1 – Структура α׳-фазы в шве технического титана (х400) и двухфазная (α+β)-структура (х9500).
Структурные изменения и свойства околошовной зоны титана
Вследствие особых теплофизических свойств Ti (высокая температура плавления, малая теплопроводность, большая теплоемкость и др.) области, нагретые при сварке плавлением до высоких температур, имеют значительно большие размеры, чем у стали и особенно у таких цветных металлов, как Al и Cu.
По сравнению со сваркой стали при сварке Ti величина скорости нагрева и охлаждения несколько меньше, а длительность пребывания выше температуры полиморфного превращения больше. При сварке Ti и его сплавов возможность изменения термического цикла и структуры, а следовательно, и свойств ОШЗ меньше, чем при сварке стали. Такие эффективные меры, как сопутствующий и предварительный подогревы, применяемые при сварке ста-лей с целью предупреждения образования закалочных структур, к титану неприменимы вследствие чрезмерного роста зерна и насыщения его вредными примесями.
Структурные превращения в ОШЗ Ti протекают при непрерывном изменении температуры, деформаций и напряжений вследствие неравномерного нагрева металла при сварке. В отличие от закаливающихся сталей при сварке Ti и его сплавов в ОШЗ растягивающие деформации и напряжения развиваются не только поперек шва, но и вдоль него, т.е. так же, как и в низкоуглеродистых и аустенитных сталях.
Отмеченные особенности термического цикла в условиях сварки вносят существенные изменения в кинетику распада метастабильных фаз, формирование конечных структур и свойств металла ОШЗ сплавов титана.
ОШЗ титана и его сплавов состоит из следующих характерных участков:
1. Зона сплавления (металл находится в твердожидком состоянии).
2. Участок перегрева (крупного зерна). Максимальные температуры нагрева основного металла изменяются от температур плавления до температур интенсивного роста β-зерен (около 1300ºС). Характерна крупнозернистая структура. Возможно выпадение интерметаллидов. Резкое снижение пластичности и сопротивляемости образованию трещин.
3. Участок полной перекристаллизации. Температуры нагрева основного металла в этом участке изменяются от температур интенсивного роста β - зерен до температур конца α→β превращения. В отличие от сталей в сплавах Ti очень трудно различить участки крупного зерна и полной перекристаллизации. Они постепенно переходят друг в друга. Образующиеся при охлаждении структуры аналогичны тем, которые возникают в участке крупного зерна.
4. Участок неполной перекристаллизации. Здесь основной металл нагревался до температур начала α→β превращение. При нагреве на этом участке происходит неполное α→β превращение и структурные изменения в металле по сравнению с другими участками ОШЗ оказывают менее отрицательное влияние на свойства сварных соединений.
5. Участок разупрочнения (рекристаллизации). Наблюдается при сварке нагартованных и термоупрочненных сплавов. В этом участке при нагреве происходит распад пересыщенных твердых растворов, коагуляция интерметаллидов или рекристаллизация. При сварке отожженных сплавов этот участок отсутствует.
Из рассмотренных участков наиболее опасен участок перегрева, где в процессе сварки формируются очень крупные зерна, вызывающие в нем снижение пластичности металла. Рост зерна в ОШЗ имеет свои особенности, суть которых заключается в том, что увеличение их среднего размера происходит с остановкой в некоторых температурных интервалах, величина которых определяется скоростью сварки.