Структура и свойства биметаллических материалов на основе титана, полученных по технологии вневакуумной электронно-лучевой наплавки и сварки взрывом

Материалы, подвергающиеся в процессе эксплуатации воздействию агрессивных сред, должны обладать высокими показателями коррозионной стойкости, прочности и надёжности. На сегодняшний день наиболее распространённым классом коррозионностойких материалов являются нержавеющие стали. В тех случаях, когда коррозионная стойкость нержавеющих сталей недостаточна для обеспечения долговременного функционирования деталей, как правило, используют титановые сплавы, известные благодаря превосходному сочетанию показателей коррозионной стойкости и механических свойств. В то же время в некоторых отраслях промышленности существуют задачи, требующие значительно большей коррозионной стойкости, чем у титана и его сплавов. Известно, например, что чистый титан не стоек к воздействию кипящей азотной кислоты и ряда других агрессивных сред. Значительно более высокой коррозионной стойкостью обладает тантал, который может заменять титан в наиболее ответственных узлах машин и механизмов, используемых в ядерной энергетике и химическом машиностроении. Однако применение тантала в чистом виде огI раничено в связи с его высокой стоимостью. Так, цена 1 кг тантала в настоящее время превышает 30 000 рублей. В связи с этим возникает потребность в разработке новых материалов и методов их получения, обеспечивающих как высокую коррозионную стойкость, близкую к коррозионной стойкости тантала, так и достаточно низкую цену, сопоставимую с ценой титановых сплавов.

Среди наиболее перспективных материалов, способных решить отмеченную проблему, особо выделяют сплавы системы титан-тантал. В ряде работ, выполненных отечественными и зарубежными исследователями, была показана высокая коррозионная стойкость этих сплавов, которая, начиная с определённых концентраций тантала, практически соответствует танталу технической чистоты. Тем не менее, сплавы системы титан-тантал, в особенности, а + (3 и (3-сплавы также отличаются достаточно высокой стоимостью в виду высокого содержания в них тантала.

В данной работе предлагается несколько подходов к проблеме изготовления коррозионно-стойких материалов. Один из них основан на вневакуумной электронно-лучевой наплавке порошков титана и тантала на пластины из титановых сплавов. Использование технологии наплавки позволяет существенно уменьшить общую массу тантала в объёме конструкции, обеспечивая, таким образом, снижение её стоимости. Метод вневакуумной электронно-лучевой наплавки является высокопроизводительным процессом, позволяющим обрабатывать изделия любых габаритов, а использование современных манипуляторов позволяет производить наплавку на изделия сложной формы. Высокая энергия релятивистских электронов позволяет быстро нагревать порошковую смесь титана и тантала до температур плавления. Формируемый при этом слой обладает достаточной толщиной (до 2 мм и более) и отвечает высоким требованиям по коррозионной стойкости. Для получения слоёв большей толщины возможно использование технологии многослойной наплавки.

Для эффективного применения предложенного метода в промышленности необходимо проведение большого объёма исследований, направленных на оптимизацию технологических режимов наплавки, поиск оптимальных концентраций тантала в материале наплавленных слоёв и исследование структуры, механических свойств и коррозионной стойкости получаемых материалов.

При проведении экспериментов по наплавке использовался промышленный ускоритель электронов ЭЛВ-6 производства Института ядерной физики имени Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН). Данный ускоритель позволяет выводить концентрированный пучок электронов с энергией 1,4 МэВ и мощностью 100 кВт в воздушную атмосферу. Оптимизация режимов и получение образцов проводилось совместно с сотрудниками ИЯФ СО РАН, в частности, с к.т.н. М. Г. Голковским.

Другая технология, позволяющая получать материалы с высокой коррозионной стоимостью, заключается в плакировании титана и его сплавов тонкими слоями тантала методом сварки взрывом. Эксперименты по сварке взрывом осуществлялись в Институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН. При реализации этого подхода поверхностный слой формируемого материала обладает высочайшей коррозионной стойкостью, при этом объёмная доля тантала в массе самой конструкции остаётся относительно не большой. Не смотря на то, что принципиальная возможность получения высококачественых соединений между титаном и танталом с использованием технологии сварки взрывом известна уже достаточно давно, данные о структуре и свойствах получаемых биметаллов в литературе практически отсутствуют.

Сплавы на основе титана известны многообразием возможных структур. Исследование структуры титановых сплавов представляет собой сложную методическую задачу, для решения которой в работе применялись современные высокоточные методы исследования, такие как рентгеновская дифракция, просвечивающая электронная микроскопия, дифракция обратно рассеянных электронов и другие.

При выполнении работы определялось большое количество механических свойств. Большое значение имеют твёрдость, прочность, усталостные и адгезионные свойства покрытия. Определение этих свойств в случае однородных материалов не имеет особых проблем. В то же время при работе с покрытиями определение некоторых характеристик является задачей, сложность которой в первую очередь связана с трудоёмкостью процессов пробоподготовки.

Основное назначение разрабатываемых материалов — работа в агрессивных средах — требует оценки их коррозионной стойкости. При выполнении диссертационной работы был проведён большой объём исследований, направленных на изучение поведения материала в ряде агрессивных сред.

Сочетание современных методик пробоподготовки и исследования структуры и свойств материалов, позволило обеспечить высокую эффективность предлагаемого подхода к получению материалов и изделий из них, обладающих высокой коррозионной стойкостью, достаточным уровнем прочностных свойств и показателей надёжности.

Диссертационная работа выполнена в рамках реализации проекта ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы» (государственный контракт № 16.513.11.3035).

Цель и задачи работы.

Цель диссертационной работы заключалась в повышении коррозионной стойкости и комплекса механических свойств технически чистого титана путём его поверхностного легирования танталом, а также плакирования тонкослойными пластинами тантала с использованием технологии сварки взрывом.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Металлографические и электронно-микроскопические исследования структуры материалов на основе титана, содержащих поверхностные слои, легированные танталом.

2. Изучение влияния содержания тантала на структуру и фазовый состав поверхностных слоев, наплавленных электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу.

3. Исследование коррозионной стойкости биметаллических материалов, полученных по технологии вневакуумного электронно-лучевого легирования титана танталом, а также сваркой взрывом пластин титана и тантала.

4. Исследование комплекса прочностных и триботехнических свойств материалов с защитными слоями, сформированными по технологии вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых титан-танталовых смесей.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований особенностей тонкого строения биметаллических материалов, сформированных по технологии электронно-лучевой наплавки титан-танталовой порошковой смеси на пластины технически чистого титана.

2. Результаты исследований качества сварных соединений, полученных по технологии сварки взрывом пластин титана и тантала.

3. Результаты коррозионных испытаний биметаллических материалов в кипящих растворах соляной и азотной кислот.

4. Результаты механических испытаний сварных соединений титан — тантал и поверхностно-легированных композиций, полученных методом электронно-лучевой наплавки тантала на титан.

5. Результаты математического моделирования процессов динамического взаимодействия пластин титана и тантала в процессе сварки взрывом.

Научная новизна.

1. Установлено, что резкое повышение коррозионной стойкости титана (более чем в 15 раз) в кипящем растворе азотной кислоты может быть достигнуто путём его экономного поверхностного легирования по технологии внева-куумной электронно-лучевой наплавки порошковой смеси «Т1-Та» и формирования сплава с содержанием ~ 4% (вес.) тантала.

2. Показано, что с повышением содержания тантала в поверхностно-легированном слое коррозионная стойкость сплавов на основе титана возрастает. При содержании в сплаве ~ 22% (вес.) тантала скорость его коррозии в кипящем 68%-ном растворе азотной кислоты в 190 раз меньше по сравнению со сплавом ВТ 1−0.

3. Десятипроцентный кипящий раствор соляной кислоты является для титана более агрессивной коррозионной средой по сравнению с азотной кислотой. Установлено, что содержание тантала оказывает неоднозначное влияние на скорость коррозии сплавов «Л-Та», сформированных по технологии вневаку-умной электронно-лучевой наплавки. До концентрации менее 17% (вес.) добавки тантала приводят к снижению коррозионной стойкости сплавов в кипящем растворе соляной кислоты. Показано, что коррозионное разрушение в сплавах с низким содержанием тантала наиболее интенсивно развивается по границам бывших зёрен [3-фазы. Для повышения коррозионной стойкости в кипящем растворе соляной кислоты содержание тантала в титане должно превышать 22% (вес.).

4. Установлено, что плакирование титана танталом по технологии сварки взрывом обеспечивает качественное соединение заготовок и представляет собой эффективный способ повышения коррозионной стойкости титана и его сплавов в кипящих растворах соляной кислоты. Из всех исследованных в работе материалов стойкость сваренной взрывом композиции «тантал — титан» в десятипроцентном кипящем растворе соляной кислоты уступает только чистому танталу.

5. Установлено, что увеличение доли тантала в поверхностно-легированных сплавах, полученных по технологии вневакуумной электроннолучевой наплавки танталсодержащей порошковой смеси, приводит к росту прочностных свойств, усталостной долговечности, снижению коэффициента терния. При этом снижаются показатели пластичности наплавленного материала и критический угол загиба, соответствующий разрушению легированного слоя.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Экспериментально установлено, что слоистые композиции на основе титана, полученные по технологии вневакуумного электронно-лучевого легирования танталом обладают уникальным сочетанием механических свойств и коррозионной стойкости в кипящем растворе азотной кислоты. Полученные материалы могут быть рекомендованы для изготовления элементов конструкций ответственного назначения, работающих в присутствии особо агрессивных сред. Применение разработанных материалов целесообразно в ядерной энергетике, химическом машиностроении и других высокотехнологичных отраслях промышленного производства.

2. На основании проведённых исследований разработаны рекомендации по выбору режимов вневакуумной электронно-лучевой наплавки титан-танталовых порошковых смесей, обеспечивающих формирование высококачественных защитных слоев повышенной толщины. Получен патент Российской Федерации на способ формирования антикоррозионного покрытия, основанный на наплавке порошка тантала на титановые изделия электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу.

3. Результаты проведённых исследований переданы в ООО «ЭкспертНеф-теГаз» для разработки технологических процессов формирования защитных покрытий элементов нефтегазового оборудования.

4. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов» и инженеров по специальности «Материаловедение в машиностроении» в качестве составной части курсов «Материаловедение», «Технология материалов и покрытий», «Технологические основы производства порошковых материалов и изделий».

Достоверность результатов.

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечивалась использованием современных высокоточных методов исследования структуры и механических свойств материалов, использованием методов статистической оценки погрешностей измерений, применением взаимодополняющих методик исследования структуры и свойств материалов, сопоставлением результатов физических измерений с данными, полученными в ходе численного моделирования.

Личный вклад автора состоял в формулировании задач, проведении экспериментальных исследований и расчётов, анализе и обобщении полученных данных, сопоставлении результатов исследований с имеющимися в литературе данными, формулировании выводов.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.» г. Новосибирск, 2010 г.- Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона.» г. Новосибирск, 2011 г.- Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов г. Томск, 2011 г.- 10 Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2012 гXLVIII Международной научной конферен-ции" Студент и научно-технический прогресс", г. Новосибирск, 2010 г.- XII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, г. Екатеринбург, 2011 г.- на научных семинарах кафедры «Материаловедение в машиностроении» Новосибирского государственного технического университета.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных научных работ, из них: 3 статьи в реферируемых научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 10 — в сборниках трудов Международных и Всероссийских научно-технических конференций, 1 статья в международном журнале, 1 патент Российской Федерации на изобретение.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения и приложения. Основной текст работы изложен на 204 страницах и включает 69 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 150 наименований.

6.4. Выводы.

1. Технология вневакуумной электронно-лучевой наплавки позволяет получать биметаллические материалы на основе титана с поверхностным слоем, легированным танталом, что обеспечивает повышение характеристик коррозионной стойкости, прочности и трещиностойкости.

2. Вневакуумная электронно-лучевая наплавка превосходит по производительности такие способы как лазерная и плазменная наплавка, и позволяет наносить защитные слои на крупногабаритные изделия различного назначения.

3. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов» и инженеров специальности «Материаловедение в машиностроении» в качестве составной части курсов «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов», «Технологические основы производства порошковых и композиционных материалов и изделий».

4. Научные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, экспонировались на ряде выставок и отмечены серебряной медалью международной промышленной выставки «Машиностроение.

Металлообработка. Сварка. Металлургия -2010 г." и золотой медалью международной промышленной выставки «Машиностроение.

Металлообработка. Сварка. Металлургия -2011 г.".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Вневакуумная электронно-лучевая наплавка порошковых титан-танталовых смесей обеспечивает формирование высококачественных поверхностных слоев, на границах раздела которых с титаном ВТ1−0 отсутствуют дефекты литого происхождения в виде пор и микротрещин. Прочность соединения наплавленных слоев с основным металлом превышает прочностные характеристики технически чистого титана. Легирование поверхностных слоев титана танталом способствует значительному росту прочностных характеристик материала. Показатели прочности таких слоев в 2,6 раза превышают прочность технически чистого титана и 1,8 раза прочность тантала.

2. При вневакуумной электронно-лучевой наплавке порошковых титан-танталовых смесей на пластины титана ВТ1−0 формируются защитные слои, микротвердость которых (HV 3000.3500 МПа) в 1,8.2,2 раза выше по сравнению с исходным титаном. Наиболее высокий уровень микротвердости (HV 4000.45 00 МПа), обусловленный кратковременным насыщением расплавленного титана кислородом и другими газами, содержащимися в воздушной атмосфере, достигается в поверхностном слое глубиной менее 60 мкм.

3. Формирование на поверхности титана поверхностных слоев, легированных танталом, является эффективным способом повышения триботехнических характеристик при работе в паре трения со сталью. Модифицирование поверхности титана танталом снижает коэффициент трения в 1,5 раза (с 0,14.0,18 до 0,10.0,11), уменьшает склонность пары фения к схватыванию со сталью и повышает показатели износостойкости по сравнению с титаном ВТ1−0.

4. Во всех исследованных сплавах «77 -Та» в диапазоне концентраций тантала от 3,9 до 22,4% зафиксировано присутствие ß—фазы титана в виде прослоек по границам пластин а-фазы. С увеличением концентрации тантала ее объемная доля возрастает, а размеры уменьшаются. Присутствие ß—фазы в сплавах с малой концентрацией тантала объясняется локальной химической неоднородностью, обусловленной дендритной ликвацией.

5. Вневакуумная электронно-лучевая наплавка порошка тантала представляет собой эффективный высокопроизводительный метод повышения коррозионной стойкости титана, который может быть использован для обработки крупногабаритных элементов конструкций ответственного назначения.

Введение

в титан 3,9% (вес.) тантала снижает скорость коррозии материала в 68%-ном кипящем растворе азотной кислоты в 15,8 раз. Скорость коррозии материала поверхностного слоя, содержащего 22,4% Та, в 190 раз меньше по сравнению с технически чистым титаном ВТ1−0.

6. Сварка взрывом позволяет надежно соединять пластины титана и тантала. Полученный композит характеризуется высоким качеством сварного шва. Прочностные свойства биметалла титан-тантал превосходят прочностные i свойства исходных материалов, что объясняется деформационным упрочнением, сопровождающим процесс сварки взрывом. Методом математического моделирования показано, что глубина зоны, подвергнутой интенсивной пластической деформации и нагреву, зависит от толщины метаемой пластины. С увеличением толщины метаемой пластины от 0,5 до 3 мм глубина этой зоны возрастает от 54 до 210 мкм. При этом максимальный уровень температуры, достигаемый в процессе сварки взрывом, изменяется не существенно.

7. Десятипроцентный кипящий раствор соляной кислоты оказывает на титан более агрессивное воздействие по сравнению с азотной кислотой.

Введение

в титан до 17% тантала по технологии вневакуумной электроннолучевой наплавки порошковой смеси приводит к снижению его коррозионной стойкости. С целью повышения коррозионной стойкости в кипящем растворе соляной кислоты содержание тантала в титане должно быть более 22%.

Введение

тантала в титан в малых количествах (~ 4% вес.) приводит к ускорению коррозионного разрушения материала по бывшим высокоугловым и субзеренным границам Р-фазы. При легировании титана танталом в количестве 10% и более границы зерен Р-фазы обогащаются танталом, что способствует к замедлению их коррозионного разрушения.

8. Плакирование титана танталом по технологии сварки взрывом обеспечивает качественное соединение заготовок и представляет собой эффективный способ повышения коррозионной стойкости титана и его сплавов в кипящих растворах соляной кислоты. Из всех исследованных в работе материалов стойкость сваренной взрывом композиции «тантал — титан» в десятипроцентном кипящем растворе соляной кислоты уступает только чистому танталу.

9. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов» и инженеров по специальности «Материаловедение в машиностроении» в качестве составной части курсов «Материаловедение», «Технология материалов и покрытий», «Технологические основы производства порошковых материалов и изделий».

10. Получен патент Российской Федерации на способ формирования антикоррозионного покрытия, основанный на наплавке порошка тантала на титановые изделия электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу.