Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД
Рассмотрено влияние структурного состояния присадочных материалов на структуру и свойства швов сварных соединений жаропрочного титанового сплава ВТ8 применительно к ремонту деталей авиадвигателей. Установлено, что применение присадочных материалов с субмикрокристаллической структурой позволяет обесп...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101075 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД / А.В. Овчинников // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 21-25. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-101075 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1010752016-05-31T03:02:42Z Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД Овчинников, А.В. Научно-технический раздел Рассмотрено влияние структурного состояния присадочных материалов на структуру и свойства швов сварных соединений жаропрочного титанового сплава ВТ8 применительно к ремонту деталей авиадвигателей. Установлено, что применение присадочных материалов с субмикрокристаллической структурой позволяет обеспечить повышение уровня механических свойств соединений. Influence of structural condition of filler materials on the structure and properties of welds in welded joints of high-temperature titanium alloy VT8 is considered for the case of repair of aircraft engine parts. It is established that application of filler materials with a submicrocrystalline structure allows ensuring an increase of the level of the joint mechanical properties. 2012 Article Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД / А.В. Овчинников // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 21-25. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101075 669.295 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Овчинников, А.В. Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрено влияние структурного состояния присадочных материалов на структуру и свойства швов сварных соединений жаропрочного титанового сплава ВТ8 применительно к ремонту деталей авиадвигателей. Установлено, что применение присадочных материалов с субмикрокристаллической структурой позволяет обеспечить повышение уровня механических свойств соединений. |
| format |
Article |
| author |
Овчинников, А.В. |
| author_facet |
Овчинников, А.В. |
| author_sort |
Овчинников, А.В. |
| title |
Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД |
| title_short |
Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД |
| title_full |
Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД |
| title_fullStr |
Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД |
| title_full_unstemmed |
Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД |
| title_sort |
применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части гтд |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101075 |
| citation_txt |
Применение титановых сплавов с субмикрокристаллической структурой для восстановления деталей роторной части ГТД / А.В. Овчинников // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 21-25. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT ovčinnikovav primenenietitanovyhsplavovssubmikrokristalličeskojstrukturojdlâvosstanovleniâdetalejrotornojčastigtd |
| first_indexed |
2025-07-07T10:24:00Z |
| last_indexed |
2025-07-07T10:24:00Z |
| _version_ |
1836983350809591808 |
| fulltext |
УДК 669.295
ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
С СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ РОТОРНОЙ ЧАСТИ ГТД
А. В. ОВЧИННИКОВ, канд. техн. наук (Запорож. нац. техн. ун-т)
Рассмотрено влияние структурного состояния присадочных материалов на структуру и свойства швов сварных
соединений жаропрочного титанового сплава ВТ8 применительно к ремонту деталей авиадвигателей. Установлено,
что применение присадочных материалов с субмикрокристаллической структурой позволяет обеспечить повышение
уровня механических свойств соединений.
К л ю ч е в ы е с л о в а : аргонодуговая сварка, титановый
сплав ВТ8, присадочные материалы, ремонт авиадвигате-
лей, субмикрокристаллическая структура, металл шва, по-
ры, механические свойства
Применение сварки при производстве и ремонте
изделий из сложнолегированных титановых спла-
вов связано с целым рядом проблем. Наиболее
сложной является сварка двухфазных титановых
сплавов, используемых в газотурбинных двига-
телях, так как их применяют в различном струк-
турном состоянии, обеспечивающем необходи-
мый уровень механических и служебных свойств
материала [1]. Проблемы свариваемости связаны с
изменением структуры сварного шва и металла ЗТВ,
а также с образованием дефектов структуры свар-
ного шва (пористость, неметаллические включения,
химическая и структурная неоднородность). Одним
из основных дефектов является пористость сварного
шва, на долю которой приходится до 56 % общего
количества дефектов [2]. Свойства сварного шва
и появление в его структуре таких дефектов, как
поры, неметаллические включения, химическая и
структурная неоднородность непосредственно за-
висят от состава и качества присадочных матери-
алов. Особое значение вопросы, связанные с ка-
чеством присадочных материалов, приобрели в
последние годы, так как сложнолегированные жа-
ропрочные титановые сплавы применяют для тон-
костенных деталей (лопаток, моноколес и др.),
работающих на пределе запаса прочности мате-
риала. Поэтому наличие микродефектов в при-
садочных материалах может привести к полной
потере работоспособности восстанавливаемых де-
талей. В ряде работ описаны способы уменьшения
количества дефектов в присадочных материалах
[3, 4], однако предложенные решения относятся
к поверхностным дефектам и не решают проблем
объемного структурного состояния присадок.
Таким образом, при сварке ответственных де-
талей из жаропрочных титановых сплавов, приме-
няемых для роторных деталей газотурбинных дви-
гателей, необходимо, чтобы присадочные мате-
риалы обеспечивали стабильно высокое качество
сварного шва. В настоящей работе рассмотрены
вопросы влияния структурного состояния приса-
дочных материалов на структуру и свойства швов
сварных соединений жаропрочных титановых
сплавов.
Материалы и методика исследований. В ка-
честве объекта исследований выбраны сварные
соединения из двухфазного жаропрочного тита-
нового сплава ВТ8, который используется для мо-
ноколес (блисков) компрессора высокого давле-
ния (КВД) турбовентиляторного двигателя Д27.
Пластины из сплава ВТ8 толщиной 2 мм свари-
вали способом аргонодуговой сварки неплавя-
щимся вольфрамовым электродом диаметром
1,8 мм на режимах Iсв = 180 А, Uсв = 10 В. Ис-
пользовали источник питания ВД302, камеру
У6872-5306 с контролируемой атмосферой (арго-
ном), присадочные материалы стандартных сос-
тавов (проволоку из сплава ВТ2 и пруток из спла-
ва ВТ8). В качестве экспериментальных приса-
дочных материалов применяли прутки диаметром
2 мм того же состава, но с субмикрокристалли-
ческой (СМК) структурой. Заготовки для прутков
с СМК структурой получали при реализации ин-
тенсивной пластической деформации (ИПД) ме-
тодом винтовой экструзии с одновременным дейс-
твием нормальных и касательных напряжений при
температурах 400…800 °С [5, 6].
Химический состав исследовали с помощью
спектрального анализа по ГОСТ 1 9863.1-19863.13
и микроанализа на растровом электронном мик-
роскопе JSM-Т300 фирмы «JЕОL». Микрострук-
туру изучали на оптическом микроскопе «Neop-
hot-32» и просвечивающем электронном микрос-
копе JEM-100CXII при ускоряющем напряжении
100 кВ, а также на растровых электронных мик-
роскопах JSM-T300 и РЭМ-106И с энергодиспер-
сионным анализом по линии и в точке. Механи-
© А. В. Овчинников, 2012
2/2012 21
ческие свойства определяли на разрывной испы-
тательной машине фирмы «INSTRON». Статичес-
кую прочность и угол загиба ψ сварных соеди-
нений определяли согласно ГОСТ 6996–66 «Свар-
ные соединения. Методы определения механичес-
ких свойств» и ГОСТ 14019–2003 «Материалы
металлические. Метод испытания на изгиб», а ко-
личество пор — методами количественной ме-
таллографии [7]. При анализе поверхности раз-
рушения образцов по сварному шву фиксирова-
лось количество и размер пор на 1 мм2. Мик-
ротвердость исследовали на микротвердомере
ММ7Т фирмы «ВUEHLER» (по методике в со-
ответствии с ГОСТ 9450–76).
Результаты исследований и их анализ. Как
отмечалось выше, основными причинами порис-
тости сварного шва являются дефекты в структуре
присадочных материалов. На основании анализа
результатов исследований макро- и микрострук-
туры стандартных присадочных материалов ус-
тановлено наличие пор и несплошностей в про-
волоке из сплава ВТ2 (рис. 1, а). Данные дефекты
являлись технологическими, характерными для
деформированных сплавов.
Второй недостаток, касающийся химической
и структурной неоднородности в присадочных ма-
териалах, характерен для сложнолегированных
титановых сплавов (рис. 1, б). Исследования стан-
дартных присадочных материалов, применяемых
для сварки сплава ВТ8, показали, что в них на-
блюдалась химическая неоднородность (рис. 2).
Микроанализ структурных составляющих по-
казал существенную разницу в содержании ос-
новных легирующих элементов в α- и β-фазах
для сплава со средним химическим составом, мас.
%: Ti — основа; 5,8 Al; 3,1 Mo; 0,3 Si; 0,5 Zr.
В α-фазе содержание α-стабилизирующего алю-
миния составляло около 5,24 %, при этом его ми-
нимальное содержание в β-фазе находилось в пре-
делах 2 % (табл. 1). Обратная закономерность
имела место в распределении β-стабилизирующих
элементов, что наиболее сильно выражено в со-
держании молибдена (более 10 раз).
Наличие химической неоднородности определя-
ло различие механических свойств фаз. Исследо-
вание микротвердости структурных составляющих
сплава ВТ8 позволило установить, что α-фаза в
среднем имела микротвердость 3932⋅106 МПа, а β-
фаза — 2215⋅106 МПа. Разница в микротвердости
между α- и β-фазами составила более 70 %. При
сварке и наплавке тонкостенных ответственных
изделий толщиной до 1 мм (лопатки, моноколеса
и др.) такая разница состава и свойств фаз в стан-
дартных присадках может привести к существен-
ному изменению свойств сварного шва.
Рис. 1. Макро- и микроструктура присадочных материалов: а — проволока из сплава ВТ2; б — пруток из сплава ВТ8; в —
пруток из сплава ВТ2 с СМК структурой
Т а б л и ц а 1. Содержание легирующих элементов в
структурных составляющих сплава ВТ8, мас. % (Ti —
основа)
Участок
анализа (фаза) Al Mo Zr Fe Si
001 (α-фаза) 5,24 0,51 — — 0,11
002 (β-фаза) 4,08 3,55 0,80 1,08 0,28
003 (β-фаза) 2,02 7,08 1,10 1,15 0,08
22 2/2012
Для устранения перечисленных дефектов
сформулирован новый подход к формированию
структуры присадочных материалов. Предложено
применить присадочные материалы с нано- или
СМК структурой. Это, согласно результатам ранее
проведенных исследований, позволит получить
равномерное распределение легирующих элемен-
тов в объеме присадочных материалов.
Прутки экспериментального материала полу-
чали по специально разработанной технологии,
в основе которой лежал метод винтовой экструзии
[5, 6]. Применение метода ИПД для сложноле-
гированных титановых сплавов обеспечило более
равномерное распределение легирующих элемен-
тов, что достаточно полно освещено в работах
[8, 9]. В результате легирующие элементы рас-
пределялись равномерно по объему сплавов, а хи-
мическая и структурная неоднородность в при-
садочных материалах с структурой СМК прак-
тически отсутствовала. В присадочных материа-
лах с структурой СМК отсутствовали поры, нес-
плошности и другие дефекты, отмеченные для
стандартных сплавов, что хорошо видно на макро-
и микрошлифах (см. рис. 1, в). Отсутствие ука-
занных дефектов, очевидно, являлось следствием
«залечивания» пор под действием высоких дав-
лений и повышенной температуры. Аналогичный
эффект используется при обработке литых тита-
новых деталей в газостате [10, 11].
Сравнительные исследования сварных соеди-
нений пластин из жаропрочного титанового спла-
ва ВТ8, полученных с применением стандартных
присадочных материалов и с структурой СМК,
показали, что во втором случае имело место по-
вышение уровня механических свойств сварных
соединений (табл. 2).
Как следует из анализа представленных дан-
ных, уровень механических свойств сварных со-
единений, полученных с применением СМК при-
садочных материалов, в сравнении со стандарт-
ными присадками повысился по показателям как
прочности, так и по пластичности. Применение
присадок с СМК структурой позволило повысить
стабильность свойств сварных соединений. Среднее
значение предела прочности для сварных соедине-
ний с применением присадок с СМК структурой,
полученных из титана ВТ2, составило 948 МПа, а
для стандартных присадок не превысило
890 МПа. Разница в показателе предела прочнос-
ти между соединениями, полученными с присад-
ками с СМК структурой и стандартными из сплава
ВТ8, составила 65 МПа.
Рис. 2. Энергодисперсионные спектры в структурных составляющих присадочного материала из сплава ВТ8
Т а б л и ц а 2. Механические свойства сварных соедине-
ний пластин из титанового сплава ВТ8, полученных с
использованием различных присадочных материалов
Присадка Место разрушения σв,
МПа
σ0,2,
МПа δ, % ψ, град
ВТ2 Сварной шов 888,0 476,7 5,9 61,5
ВТ2 (СМК) » » 948,3 520,0 6,5 72,0
ВТ8 ЗТВ, сварной шов 1083,2 656,3 4,7 23,0
ВТ8 (СМК) ЗТВ 1148,3 705,7 5,4 31,3
2/2012 23
Аналогичная тенденция установлена и для по-
казателей пластичности. Для сварных швов, по-
лученных с помощью присадок с СМК структу-
рой, среднее значение угла загиба на 14,58 % для
присадки из ВТ2 и 26,4 % для присадки из ВТ8
больше, чем для швов, полученных с присадками
со стандартной структурой.
Важным аспектом является повышение ста-
бильности свойств опытных соединений. Так,
максимальный разброс свойств установлен у со-
единений, полученных с применением стандарт-
ных присадок. По показателям прочности разброс
свойств составлял: по σв около 15, по σт около
19 %. При этом образец разрушился по сварному
шву, а следовательно, причиной разрушения яв-
лялись дефекты структуры. Для сварных соеди-
нений, полученных присадками с СМК структу-
рой, разброс свойств по прочности не превышал
3, а по углу загиба — 12 %. Для стандартных
присадок разница по углу загиба сварных сое-
динений составила около 33 %. Установленная
закономерность характерна и для относительного
удлинения. В целом сварные соединения, полу-
ченные с применением присадок с СМК струк-
турой, имели более высокие показатели механи-
ческих свойств: предел прочности на 6,32 и
5,66 %, предел текучести на 8,14 и 7 %, отно-
сительное удлинение на 8 и 15 %, угол загиба
на 14,5 и 26,4 % для нелегированных и легиро-
ванных присадок соответственно.
Более высокие и стабильные свойства
сварных соединений, полученных с приме-
нением присадок с СМК структурой, можно
объяснить тем, что в структуре сварных со-
единений значительно меньшее количество
дефектов. Это подтвердили результаты ис-
следований дефектов сварного шва. В ка-
честве дефектов рассматривали поры на по-
верхности разрушения сварного шва с раз-
мером более 20 мкм. Результаты исследо-
ваний приведены на рис. 3.
Как следует из анализа представленных
данных, в сварных соединениях, получен-
ных присадками с СМК структурой, ко-
личество пор в 4…5 раз меньше, чем для
соединений, полученных по стандартной
технологии. Уменьшение количества де-
фектов в сварном шве опытных соединений
привело к повышению вязкости разруше-
ния металла шва, что следует из характера
поверхности разрушений сварных соедине-
ний (рис. 4).
На поверхности разрушения сварного
соединения, полученного по стандартной
технологии, установлены поры размером
от 20 до 80 мкм. Характер разрушения об-
разцов позволяет сделать вывод о причас-
тности обнаруженных пор к образованию
первичных трещин и последующего их развития.
В соединениях, полученных с применением спла-
вов с СМК структурой, поры практически отсут-
ствовали, что, по-видимому, и обеспечило более
высокий уровень механических свойств этих со-
единений в сравнении со стандартными.
Заключение. Применение присадочных матери-
алов с СМК структурой взамен стандартных при-
садок позволяет:
устранить поры и несплошности в структуре
присадочных материалов в результате «залечива-
ния» последних под действием объемной дефор-
Рис. 4. Характерный вид поверхности разрушения и микроструктура
металла шва сварных соединений сплава ВТ8 с применением стандар-
тных (а) и опытных (СМК) (б) присадочных материалов из сплава ВТ2
Рис. 3. Количество пор на поверхности разрушения металла
сварного шва в соединениях сплава ВТ8, полученных с при-
менением стандартных и опытных (СМК) присадочных мате-
риалов
24 2/2012
мации при повышенной температуре по принци-
пу, аналогичному газостатической обработки;
снизить химическую и структурную неодно-
родность, характерную для присадок из двухфаз-
ных титановых сплавов;
увеличить энергоемкость разрушения сварных
соединений жаропрочных титановых сплавов за
счет снижения количества дефектов в структуре
сварного шва;
повысить значения механических свойств
сварных соединений из сплава ВТ8 в сравнении
с соединениями, полученными с применением
стан- дартных присадок.
1. Колачев Б. А., Мальков А. В. Физические основы разру-
шения титана. — М.: Металлургия, 1983. — 160 с.
2. Муравьев В. И. Проблемы порообразования в сварных
швах титановых сплавов // Металловедение и терм. об-
работка мет. — 2005. — № 7. — С. 30–37.
3. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов /
Под ред. С. М. Гуревича. — Киев: Наук. думка, 1979. —
299 с.
4. Пат. 2201320 Россия, МПК B23K9/16. Способ аргоноду-
говой сварки / Б. И. Долотов, В. И. Меркулов. — Опубл.
27.03.2003.
5. Винтовая экструзия — процесс накопления деформации
/ Я. Е. Бейгельзимер, В. Н. Варюхин, Д. В. Орлов, С. Г.
Сынков. — Донецк: ТЕАН, 2003. — 87 с.
6. Пат. 46999 Украина. Способ упрочнения материала и
устройство для его осуществления / С. Г. Сынков, В. Н.
Варюхин, В. Г. Сынков и др.; заявитель и патентообла-
датель ДонФТИ НАН Украины. — Заявл. 12.04.2001;
Опубл. 15.05.2001.
7. МР 149-36–81. Количественный металлографический
анализ двухфазных титановых сплавов. — Введ. 20.01.81.
8. Применение винтовой экструзии для получения субмик-
рокристаллической структуры и гомогенизации титано-
вого сплава ВТ3-1 / Д. В. Павленко, А. В. Овчинников,
А. Я. Качан и др. // Вестн. двигателестроения. — 2007.
— № 2. — С. 185–188.
9. Оценка эффективности применения интенсивной плас-
тической деформации для получения нанокристалличес-
кой структуры в титановом сплаве ВТ3-1 / А. В. Овчин-
ников, Д. В. Павленко, А. Я. Качан, В. Г. Шевченко //
Нові матеріали і технології в металургії та машинобуду-
ванні. — 2007. — №1. — С. 27–31.
10. Падалко А. Г. Практика горячего изостатического прес-
сования неорганических материалов. — М.: ИКЦ, 2007.
— 267 с.
11. Гарибов Г. Ф. Развитие высокотемпературной газостати-
ческой обработки титановых сплавов // Технология лег-
ких сплавов. — 2006. — № 1/2. — С. 120–130.
Influence of structural condition of filler materials on the structure and properties of welds in welded joints of high-temperature
titanium alloy VT8 is considered for the case of repair of aircraft engine parts. It is established that application of filler
materials with a submicrocrystalline structure allows ensuring an increase of the level of the joint mechanical properties.
Поступила в редакцию 16.09.2011
14-я МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
«ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ, НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
И РЕМОНТА: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА»
17–20 апреля 2012 Санкт-Петербург
«Бизнес-отель «Карелия»
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
и научно-производственная фирма «ПЛАЗМАЦЕНТР» при поддержке Северо-Западного
федерального округа Российской Федерации и Комитета экономического развития,
промышленной политики и торговли Санкт-Петербурга приглашают
сотрудников высшей школы, научных работников и аспирантов
принять участие в конференции, посвященной:
• конструкционным, технологическим и эксплуатационным методам повышения долговечности
надежности изделий;
• технологиям наплавки, напыления, сварки, осаждения, модификации;
• технологиям ремонта — диагностике, дефектации, мойке, очистке, восстановлению размеров,
обработке покрытий, окраске, консервации.
Основные технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта
будут рассмотрены на секциях:
• упрочнение и модификация поверхности
• восстановление заданной геометрии
• механическая обработка нанесенных покрытий
• диагностика, дефектация, мойка и очистка
• окраска и консервация
Контакты: +7(812) 444 93 37, +7(921) 973 46 74,
факс: +7(812) 444 93 36, E-mail: info@plasmacentre.ru
2/2012 25
|