Композиционная проволока для наплавки сплавов на основе алюминидов титана

Композиционная проволока относится к наплавочным материалам, применяющимся в металлургическом, нефтехимическом, атомно-энергетическом и общем машиностроении и может быть использована для электрошлаковой и дуговой наплавки и сварки, сплавов на основе алюминидов титана Ti₃Al и TiAl. Композиционная проволока состоит из алюминиевой оболочки, представляющую собой трубку, внутри которой в контакте с оболочкой расположен цилиндрический сердечник из титана, диаметр d_Ti которого находится в пределах 1,53,5 мм. Наружный диаметр оболочки D_Al определяют из соотношения D_Al=kd_Ti [мм], где k - коэффициент, определяющий стехиометрическое соотношение между массами титанового сердечника и алюминиевой оболочки. Конструкция композиционной проволоки позволяет ее рулонировать с обеспечением плотного контакта алюминиевой оболочки и титанового сердечника, а также неизменной толщины стенки оболочки по периметру поперечного сечения и длине проволоки.

Композиционная проволока относится к наплавочным материалам, применяющимся в металлургическом, нефтехимическом, атомно-энергетическом и общем машиностроении и может быть использована для электрошлаковой и дуговой наплавки и сварки, а также электроннолучевой и лазерной сварки и наплавки, сплавов на основе алюминидов титана Ti ₃Al и TiAl.

Известна порошковая проволока для сварки (патент Европейского патентного ведомства 1277538, МПК B23K 35/02, опубл. 2003 г.) в которой оболочка может выполняться в виде цельнотянутой трубки из никелевого сплава внутри которой расположен наполнитель, содержащий порошковую смесь минералов рутила и глинозема, и расположенную коаксиально токопроводящую проволоку, не имеющую контакта с оболочкой.

Конструктивной особенностью данной порошковой проволоки для сварки является центральное расположение токопроводящего сердечника, что обеспечивает устойчивое горение дуги и повышенную проплавляющую способность, что недопустимо в процессах наплавки. В случае использования такой конструкции в процессах сварки и наплавки изделий из сплавов на основе алюминидов титана, оксиды, содержащиеся в минералах титана и алюминия, обусловят повышенное содержание кислорода в наплавленном металле, что существенно снизит его пластические свойства.

Известна композиционная проволока (см. патент 3169495, Япония, МПК B23K 35/02, опубл. 23.07.1991), состоящая из трубчатой оболочки выполненной из алюминия, внутри которой размещен цилиндрический алюминиевый сердечник и тонкие проволоки равного между собой диаметра из магния, циркония, титана и бора расположение концентрично сердечнику и находящиеся между ним и поверхностью трубчатой оболочки. Такая конструкция способствует повышению коэффициента заполнения композиционной поволоки, позволяет исключить сепарацию компонентов в ней и получить в наплавленном металле алюминиево-магниевый сплав. Также использование подобной конструкции позволяет рулонировать композиционную проволоку, за счет изготовления оболочки и сердечника из однородного, пластичного и хорошо деформирующегося материала.

Использование данной конструкции для получения в наплавленном виде сплавов на основе интерметаллидов TiAl и Ti₃Al требует изготовление компонентов проволоки из титана и алюминия, соотношение масс которых в композиционной проволоке должно находиться в требуемой (по диаграмме состояния Ti-Al) стехиометрии. Но введение титана и алюминия в рассматриваемой конструкции возможно только за счет проволок неизменного и равного между собой диаметра или сердечника, имеющего также неизменный диаметр, что не позволяет варьировать содержанием титана и алюминия для обеспечения их стехиометрического соотношения.

Известна композиционная порошковая проволока для наплавки сплава на основе алюминида никеля (патент РФ 2274536, МПК B23K 35/40, опубл. Бюл. 11, 2006 г.), состоящая из двух контактирующих между собой оболочек, никелевой наружной и алюминиевой внутренней, коаксиально которым введены проволочные компоненты из тантала, вольфрама, молибдена, а шихта содержит алюминий и никель. Такая конструкция обеспечивает уменьшение сепарации шихты при сохранении технологической надежности проволоки. Однако для наплавки сплавов на основе алюминидов титана подобная конструкция не рациональна, поскольку количество шихты регламентируется заданными толщинами оболочек, что не позволяет варьировать содержание алюминия и титана в шихте. Кроме того, в случае введения титана в виде металлического порошка, имеющего в сравнении с проволочным компонентом повышенную удельную поверхность, значительно увеличивается степень окисления титана атмосферным кислородом, что ухудшает его пластические свойства. В случае же введения алюминия и титана через проволочные компоненты их количество ограничивается коэффициентом заполнения порошковой проволоки.

Наиболее близким к предлагаемому объекту является конструкция плавящегося электрода для электродуговой сварки и наплавки в защитных газах (патент РФ 2082577, МПК B23K 35/02, опубл. Бюл. 1997 г.), имеющего композиционное строение - стальной стержень внутри которого в контакте с ним размещен сердечник из титана или циркония, диаметр которого составляет 0,070,5 диаметра стержня. Такое соотношение диаметров способствует в процессе сварки выравниванию скоростей плавления сердечника и стержня с образованием конической формы торца электрода, обусловливающей эффект струйного переноса металлических капель.

Подобная конструкция электрода может быть реализована и в виде композиционной проволоки, используемой в процессах наплавки и сварки в качестве присадочного материала. В этом случае стальной стержень электрода выполняет функцию трубчатой оболочки, внутри которой расположен титановый сердечник, имеющий с поверхностью оболочки хороший электрический контакт. Такая конструкция в сравнении с аналогами является наиболее технологичной в изготовлении, поскольку содержит меньшее количество конструктивных элементов.

Однако при известном соотношении диаметров сердечника и стержня, проектировать композиционную проволоку для наплавки сплава с заданным стехиометрическим соотношением масс титана и алюминия невозможно. Кроме того использование значительно отличающихся по прочностным и пластическим свойствам алюминия и титана требует обеспечения технологической надежности композиционной проволоки, заключающейся в хорошей ее пластичности для обеспечения качественного процесса рулонирования без образования несплошностей между сердечником и оболочкой.

Технический результат заключается в создании технологически надежной конструкции композиционной проволоки для электрошлаковой и дуговой наплавки и сварки жаропрочных сплавов и в гарантированном получении при плавлении проволоки наплавленного металла и металла сварного шва на основе алюминидов титана Ti₃Al и TiAl.

Технический результат достигается тем, что композиционная проволока для электрошлаковой и дуговой сварки и наплавки, содержит оболочку, внутри которой в контакте с ней установлен цилиндрический сердечник из титана, оболочка выполнена из алюминия, причем диаметр сердечника составляет 1,53,5 мм, а наружный диаметр оболочки определяют из соотношения D_Al=kd_Ti [мм], где D_Al - наружный диаметр оболочки; d_Ti - диаметр сердечника; k - коэффициент, определяющий стехиометрическое соотношение между массами титанового сердечника и алюминиевой оболочки и находящийся в диапазонах 1,141,26 и 1,411,59, для получения в наплавленном металле соответственно алюминидов титана Ti₃Al и TiAl.

Выполнение оболочки композиционной проволоки из обладающего повышенной пластичностью алюминия улучшает деформационную способность проволоки, что способствует повышенной технологичности ее волочения, заключающейся в снижении трудоемкости получения требуемого диаметра проволоки.

Диаметры d_Ti титановых сердечников выбирают в пределах 1,53,5 мм, что позволяет при выполнении соотношения D _Al=kd_Ti определить диаметр композиционного стержня в диапазоне 25 мм и получить технологически надежную композиционную проволоку. Условию, при котором d_Ti<1,5 мм, соответствует повышение вероятности обрывов проволоки при ее волочении из-за малой деформационной способности высокопрочного титанового сердечника, а также отслоению утоненной (толщина менее 0,1 мм) алюминиевой оболочки и ее дальнейшему разрушению. Увеличение диаметра титанового сердечника более 3,5 мм приводит к увеличению диаметра композиционной проволоки более 5 мм, что затрудняет ее рулонирование. Небольшие (в пределах действующих стандартов) 25 мм диаметры проволоки позволяют ее использовать как в дуговых, плазменных, лучевых, так и в процессах ЭШН и ЭШС с малогабаритной шлаковой ванной.

Наружный диаметр оболочки определяют из соотношения D_Al=kd_Ti. Коэффициент k, определяющий стехиометрическое соотношение, по диаграмме состояния Ti-Al, между содержанием в композиционной проволоке титана и алюминия, выбран из условия гарантированного получения наплавленного металла на основе алюминидов титана Ti₃Al k=1,141,26 и TiAl k=1,411,59. Нахождение коэффициента k в заявленных интервалах обеспечивает выполнение стехиометрического соотношения между массами алюминиевой оболочки и титанового сердечника, а также в любом поперечном сечении проволоки.

Нижние значения указанных диапазонов соответствуют минимальному содержанию алюминия не менее 15 и 34 масс.%, соответственно, при котором наплавленный металл имеет структуру твердого раствора на основе ₂-Ti₃Al и -TiAl. Верхним значениям пределов коэффициента k соответствует максимальные содержания в наплавленном металле алюминия, которое составляет 25 и 48 масс.%, соответственно. Превышение верхнего предела легирования алюминием в случае k>1,59 ведет к образованию в наплавленном металле интерметаллических фаз TiAl₂ и TiAl₃, имеющих низкую температуру упорядочения кристаллической структуры, что снижает жаропрочность металла. При k>1,26 в структуре наплавленного металла образуются сразу два типа интерметаллидов: ₂ и , что не обеспечивает технический результат.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг.1 изображено поперечное сечение композиционной проволоки для наплавки и сварки сплава на основе Ti₃Al.

На фиг.2 изображено поперечное сечение композиционной проволоки для наплавки и сварки сплава на основе TiAl.

Композиционная проволока состоит из алюминиевой оболочки 1, представляющую собой трубку, внутри которой в контакте с оболочкой расположен цилиндрический сердечник 2 из титана. Нахождение диаметра сердечника d_Ti в пределах 1,53,5 мм обусловливает при выполнении соотношения D_Al =kd_Ti максимальный наружный диаметр композиционной проволоки до 5,5 мм, что позволяет ее рулонировать. Также небольшой диаметр проволоки обеспечивает лучшее манипулирование в случае ее подачи в сварочную дугу или в другой малогабаритный тепловой источник.

Композиционная проволока используется следующим образом.

В процессе электрошлаковой наплавки композиционная проволока подается в шлаковую ванну. При использовании композиционной проволоки конструкции на фиг.1 плавление тонкостенной оболочки 1 происходит с некоторым опережением, что обнажает стержень 2 в шлаке. Замедленное расплавление тугоплавкого титанового сердечника в шлаке приводит к переохлаждению расплава металлической ванны, способствуя мелкозернистому строению наплавленного металла, обладающего вследствие этого повышенными эксплуатационными и технологическими свойствами. Усреднение химического состава металлических капель происходит в ванне расплавленного металла. С учетом близких коэффициентов перехода (k_перAl=k _перTi=0,4) алюминия и титана в шлак стехиометрическое отношение их масс в наплавленном металле не нарушается. При использовании в процессе ЭШН конструкции (фиг.2) оболочка 1 композиционной проволоки оплавляется и покрывает поверхность титанового стержня 2. В момент образования расплава, содержащего алюминий и титан, капля отделяется.

В случае дуговой наплавки композиционную проволоку подают в периферийную область дуги, чтобы уменьшить скорость ее плавления. В качестве защитной среды используют гелий, аргон или их смеси. Плавление тонкостенной оболочки, происходит с некоторым опережением, что обнажает титановый стержень, в связи, с чем образование расплава происходит в сварочной ванне.

Пример 1

Исходным компонентом для изготовления сердечника композиционной проволоки (фиг.1) являлась проволока из титана марки ВТ1-00 ГОСТ 19807 диаметром 2 мм. Для определения наружного диаметра проволоки D_Al коэффициент k, выбирали из диапазона 1,411,59 при котором соотношение масс титанового сердечника и алюминиевой оболочки находятся в стехиометрии, обеспечивающей по диаграмме состояния Ti-Al сплав на основе TiAl. При k=1,50 диаметр композиционной проволоки должен быть равен 3,0 мм. С целью размещения титанового сердечника использовали алюминиевую трубку с внутренним диаметром 2,1 мм и толщиной стенки 0,5 мм из алюминия марки АД00 ГОСТ 4784. Для обеспечения контакта внутренней поверхности алюминиевой трубки с титановым сердечником их совместно обжимали в фильере с рабочим диаметром 3,0 мм с образованием в поперечном сечении проволоки сплошного сечения.

Также использовали трубку из алюминия марки АД00 ГОСТ 4784 изготовленную по требованиям ГОСТ 18475. Для получения композиционной проволоки диаметром 3 мм ближайший по ГОСТ 18475 диаметр трубки равен 6 мм. Использовали трубку диаметром 6 мм с толщиной стенки 0,75 мм. Предварительно трубку обжимали в фильерах путем трехкратного волочения с обеспечением внутреннего диаметра трубки достаточного для размещения в ней титанового сердечника и толщины стенки равной 0,5 мм. После чего осуществляли совместное обжатие алюминиевой трубки и титанового сердечника в фильере с рабочим диаметром 3,0 мм.

Полученные композиционные проволоки в состоянии после рулонирования обеспечивали плотный контакт алюминиевой оболочки и титанового сердечника, а также имели неизменную толщину стенки оболочки по периметру поперечного сечения и длине проволоки.

Промышленное изготовление композиционной проволоки возможно на существующем технологическом оборудовании для изготовления порошковых проволок с незначительной его переналадкой.

Электрошлаковую наплавку в токоподводящем кристаллизаторе с использованием низкокислородного флюса АНФ-6 вели на постоянном токе прямой полярности силой 180-200 А и напряжением на шлаковой ванне 21-23 В. Поверхность шлаковой ванны защищали от атмосферы аргоном. После образования шлаковой ванны в нее погружали композиционную проволоку со скоростью 57 мм/с. В процессе плавления композиционной проволоки наблюдали опережение плавления тонкостенной алюминиевой оболочки относительно тугоплавкого титанового стержня. Наплавленный металл имел однофазную структуру алюминида титана ₂-Ti₃Al.

Пример 2

Выполняли дуговую наплавку неплавящимся вольфрамовым электродом на постоянном токе обратной полярности силой 150 А при напряжении на дуге 30 В. Использовали аналогичную примеру 1 композиционную проволоку диаметром 3 мм. Проволоку подавали в периферийную область дуги, чтобы уменьшить скорость ее плавления. В качестве защитной среды использовали гелий, расход которого составлял 5 л/мин. В процессе плавления композиционной проволоки конструкции наблюдали небольшое в сравнении с ЭШН ускорение расплавления оболочки в периферийной зоне дуги при удовлетворительном формировании наплавленного металла и минимальном (0,51%) проплавлении стальной подложки.

Использование предлагаемой конструкции композиционной проволоки в процессах наплавки и сварки: электрошлаковой, дуговой в аргоне, гелии и их смесях, в сравнении с известными моделями присадочных материалов дает технический результат:

- позволяет получить при расплавлении проволоки жаропрочные сплавы на основе алюминидов титана Ti₃Al и TiAl;

- обеспечивает технологически надежную и универсальную конструкцию для использования в процессах дуговой и электрошлаковой наплавки и сварки.

Композиционная проволока для электрошлаковой и дуговой наплавки, содержащая трубчатую оболочку, внутри которой в контакте с ней установлен цилиндрический сердечник из титана, отличающаяся тем, что диаметр сердечника составляет 1,53,5 мм, а оболочка выполнена из алюминия, причем наружный диаметр оболочки определяют из соотношения D_Al=kd _Ti [мм],

где D_Al - наружный диаметр оболочки;

d_Ti - диаметр сердечника;

k - коэффициент, определяющий стехиометрическое соотношение между массами титанового сердечника и алюминиевой оболочки, при этом k=1,141,26 для получения в наплавленном металле алюминида титана Ti₃Al; k=1,411,59 для получения в наплавленном металле алюминида титана TiAl.