Применение сварки для изготовления кольцевых заготовок из жаропрочных никелевых сплавов

Кольцевые детали, изготавливаемые из труд-носвариваемых жаропрочных дисперсионно-твер-деющих никелевых сплавов типа ХН77ТЮР, в настоящее время производятся в раскатном варианте. Применение таких технологических процессов является вынужденным решением, к которому прибегают из-за низкого качества сварных соединений. Поэтому изыскание технологии изготовления таких колец в сварном варианте является весьма актуальной задачей.

В этом отношении применение электрошла-кового способа сварки, обладающего большими металлургическими и технологическими возможностями, является перспективным. Однако широко зарекомендовавшие себя способы электрошлако-вой сварки пластинчатым, проволочным и пластинчато-проволочным электродами не обеспечивают необходимого качества сварных соединений из жаропрочных никелевых сплавов.

Основными трудностями сварки этих сплавов являются их низкие механические свойства металла шва и жаропрочность. Предпочитается применение металлургических путей увеличения сопротивляемости гетерофазных сплавов образованию кристаллизационных трещин при сварке и повышения механических свойств и жаропрочности металла шва [1]. К ним относят подавление столб- чатого характера кристаллизации и измельчение кристаллической структуры путем легирования элементами-модификаторами, а также элементами, способствующими образованию высокотемпературных вторых фаз при кристаллизации.

В связи с вышеизложенным для повышения качества сварных соединений из сплава ХН77ТЮР использовали электрошлаковую сварку «расщепленным» комбинированным электродом, осуществляемую одновременным вводом в шлаковую ванну неплавящегося и плавящегося электродов, а также устройства сигнализации оплавления корня шва и вывода усадочной раковины [2, 3]. Сварку осуществляли под флюсом АНФ-21 на установке, созданной на базе унифицированных узлов элек-трошлаковых аппаратов и источника ТШС-3000. Предварительные эксперименты проводились на образцах с толщиной 22 мм.

Результаты механических испытаний показали, что свойства металла шва, полученного только с применением проволоки ЭП-533, не удовлетворяют требованиям технических условий по всем показателям. Низка также и длительная прочность швов, которая составляет 60–70 % от требуемой.

В связи с этим для повышения свойств металла шва было применено модифицирование его ультрадисперсным порошком карбонитрида тита-

Сварка, родственные процессы и технологии

на (0,04 %) с помощью нетоковедущей порошковой проволоки на никелевой основе [4].

Результаты испытаний показали (см. таблицу), что механические свойства модифицированного металла шва значительно повысились и превышают требования технических условий, в том числе длительная прочность превышает требуемую более чем в 2 раза.

Исследования макроструктуры показали, что разрушение всех образцов носит межзеренный характер. Макроструктура немодифицированного шва характеризуется развитой транскристаллизацией от зоны сплавления к оси. В средней части шва наблюдается область встречи двух кристаллизующихся фронтов. Столбчатые кристаллы имеют радиально-осевое направление с небольшим углом наклона. Такое расположение границ зерен представляет собой наиболее уязвимые места.

При изучении мест разрушения образцов из немодифицированного металла шва после длительных жаропрочных испытаний установлено, что оно всегда происходит в зоне направленной кристаллизации.

В макроструктуре модифицированного шва имеют место зерна, границы которых в основном приблизительно одинаково удалены от центра. Размер зерна при этом уменьшается до 1,0–2,0 мм. Дефектов металла шва на всех шлифах не обнаружено. Разрушение образцов во время длительных жаропрочных испытаний происходит в зоне равноосных зерен.

Микроструктура немодифицированного металла шва характеризуется наличием большого количества строчечных карбидов, иногда игольчатой формы, боридных эвтектических фаз на границах и значительным количеством мелких неметаллических включений вблизи границ (рис. 1, а).

Боридные эвтектики, имея относительно низкую температуру плавления, способствуют появлению кристаллизационных трещин при сварке.

Изучение микроструктуры металла модифицированного шва показало, что карбиды в этом случае скоагулированны, они имеют компактную округлую форму, расположены большей частью на границах зерен, что, по-видимому, и упрочняет их, обусловливая повышенную жаропрочность такого металла (рис. 1, б). Количество неметаллических включений в этом случае незначительно.

Изучение γ′-фазы показало, что образующиеся при распаде твердого раствора выделения упрочняющей фазы уже в литом состоянии являются достаточно мелкими и равномерно распределёнными для модифицированного металла шва, кристаллизующегося при относительно высоких скоростях (рис. 2, а).

В структуре немодифицированного шва наблюдаются обширные выделения вторичных фаз, занимающих значительную часть γ-матрицы,

Результаты испытаний сплава

Объект	σ в, МПа	σ т, МПа	δ , %	ψ , %	KCU, Дж/м2	750 τ 350 , ч
Немодифицир. шов	830–856 843	676–689 684	9,2–9,8 9,6	12,3–13,1 12,8	0,22–0,29 0,26	31–42 36
Модифицир. шов	982–1012 996	756–769 762	19,2–19,7 19,4	20,2–21,4 20,7	0,78–0,85 0,81	92–98 94
Требования ТУ	≥ 950	≥ 650	≥ 12	≥ 14	≥ 0,3	≥ 50

а)

б)

Рис. 1. Микроструктура металла шва: а - без модифицирования ( х 240); б - с модифицированием ( х 520)

Еремин Е.Н., Филиппов Ю.О., Бородихин С.А., Ильясов Р.И., Губина А.С.

Применение сварки для изготовления кольцевых заготовок из жаропрочных никелевых сплавов

Рис. 2. Строение у'-фазы в швах ( х 8000): а - с модифицированием; б - без модифицирования

вследствие чего количество γ′-фазы существенно меньше (рис. 2, б).

Таким образом, проведенные исследования показали, что повышение механических свойств металла шва и его жаропрочности связано с улучшением морфологии и топографии карбидных фаз и совершенствованием γ′-фазы.

Полученные результаты позволяют перевести технологию изготовления колец из никелевых жаропрочных сплавов из раскатного варианта на сварной, что дает значительный экономический эффект.