FABRICATION AND WELDING OF ALUMINUM ALLOYS BY NANOPACKAGING ELECTRODES

Толық мәтін

Введение. При изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов используются разные способы и средства выполнения неразъемных соединений, включая и сварку [1; 2]. Физическая сущность изготовления металлоизде- лий с применением сварки заключается в получении неразъемного соединения в результате расплавления и совместной кристаллизации материалов сварочного электрода и соединяемых деталей. Недостатком тако- го способа сборки является тот факт, что при этом структура сварного шва оказывается более крупной, чем структура соединяемого металла, кстати, струк- тура которого в зоне влияния нагрева тоже укрупня- ется, а это приводит к снижению механических свойств изделия в зоне сварки. В качестве примера на рис. 1 приведена структура узла сварки изделия из листового алюминиево-магниевого сплава АМг5 [3] и из стали 10ХСНД [4], на которых видна значительно более крупная структура сварного шва, по сравнению со свариваемым материалом. k При этом следует отметить, что в многочисленных работах однозначно установлено, что металлоизделия с мелкокристаллической структурой обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с крупнокристаллической. Такая особенность металлов хорошо описывается классическим соотношением Холла-Петча (Hall-Petch dependence) [5; 6]: мое модифицирование [7], суть которого заключается во введении в жидкий металл веществ, либо служа- щих центрами кристаллизации, либо блокирующих рост формирующихся кристаллов путем ограничения подхода к ним однородного материала из окружаю- щей металлической жидкости. В ряде случаев оба процесса идут либо одновременно, либо в такой последовательности: зарождение центров кристал- лизации ® блокирование роста кристаллов. В этой связи следует дать пояснения относительно приведенной на рис. 1 структуры алюминиево- магниевого сплава АМг5, который относится к дефор- мируемым, листовая продукция из которого произво- дится путем прокатки слитков, отливаемых полуне- прерывным способом. При этом с целью измельчения структуры слитков при подготовке расплава к литью в него с помощью алюминиево-титановой лигатуры (промежуточные сплавы, состоящие из элементной основы сплава и модифицирующей добавки) вводят титан (в пределах 0,02-0,1 %), который образует в жидком металле мелкодисперсные интерметалличе- ские соединения TiAl3, служащие центрами кристал- лизации [7]. Кроме того, структура дополнительно значительно измельчается при прокатке слитка в лист в результате многократной деформации. И тем не менее, сварка приводит к укрупнению структуры, что и ска- зывается отрицательно на качестве сварного изделия. Hn (sT ) = H 0 (s0 ) + , Существует достаточно большое количество средств и способов модифицирования, в основном, где Hn - твердость материала; sT - предел текучести; H0 - твердость тела зерна; s0 - внутреннее напряже- ние, препятствующее распространению пластическо- го сдвига в теле зерна; k - коэффициент пропорцио- нальности; D - размер зерна. Из приведенной форму- лы видно, что с уменьшением размера зерна происхо- дит увеличение прочности материала. Модифицирование сплавов. В то же время из опы- та производства литых изделий известно, что с целью измельчения их структуры применяется так называекак указывалось выше, путем введения модифици- рующих добавок в жидкий металл лигатурами (сплав, состоящий из основы готовящегося сплава и модифи- цирующей добавки). Однако возможности таких средств модифицирования практически достигли сво- их пределов, и в последние годы находит применение новый способ модифицирования - путем введения в жидкий металл нанопорошков (НП) химических соединений, который защищен десятками патентов, начиная с 1981 г. [8] по настоящее время [9]. а б а а б а сплав АМг5 сталь 10ХСНД Рис. 1. Cтруктура узла сварки сплава АМг5 и стали 10ХСНД: а - основной материал; б - сварной шов Fig. 1. The node structure welding of AMg5 alloy and steel 10KHSND: a - main material; b - weld Нанопорошки химических соединений. Нанопо- рошки химических соединений представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования с размерами частиц, не превышающими 100 нм (1 нм = 10-9 м), которые обладают уникальны- ми физико-химическими свойствами и механически- ми характеристиками, существенно отличающимися от таковых для материалов того же химического со- става в массивном состоянии. Причина уникальности свойств НП заключается в том, что количество атомов в их поверхностном слое и в объеме оказывается со- измеримым [10]. Вследствие малых размеров и высо- кой реакционной способности НП и возникла идея их введения в металлические расплавы в качестве моди- фикаторов. Однако существующие способы введения в металлические расплавы порошкообразных добавок не могли быть приняты при использовании НП вслед- ствие их особых свойств по сравнению с более круп- ными порошками. Так, частицы НП легко «слипают- ся», их окисление начинается при сравнительно низ- ких температурах, и, что особенно важно, они выпол- няют роль центров кристаллизации - плохо смачи- ваются жидким металлом, что является основанием для начала формирования кристаллов. Кроме того, несмотря на высокую плотность (от 1380 кг/м3 - TaN до 2510 кг/м3 - В4С), НП легко образуют в воздухе пылевидную взвесь, при определенных условиях самовозгорающуюся и даже взрывоопасную. Все это делает практически невозможным прямое введение НП в расплавы, поэтому был разработан принци- пиально новый способ их введения, блокирующий перечисленные выше негативные явления. Изготовление наномодифицирующих прутков. С этой целью в тонкостенный алюминиевый контей- нер (Æ 165 мм, h = 235 мм, толщина стенки 2 мм) засыпали плакированные нанопорошком частицы алюминия или алюминиевых деформируемых сплавов либо в виде гранул размером 1,5…3,0 мм, получае- мых из сплавов Д1 или Д16 методом центробежной разливки, либо в виде крупки первичной марки АКП (ТУ 48-5-38-78) с размерами частиц в диапазоне 0,02-0,04 мм, получаемой из алюминия марки А5 методом распыления, либо «сечки» - частиц алюминия диаметром 2,0 мм, высотой 1,5-2,0 мм, получаемых нарезанием алюминиевой проволоки. Затем отверстие в контейнере закрывали алюминиевой крышкой, производили ее завальцовку, подвергали контейнер вращению в установке с эксцентричными осями. После чего его помещали в контейнер гидравлического пресса и с усилием прессования 100-120 тс со скоро- стью 3,5 см/с прессовали прутки диаметром от 5 до 9,5 мм, особенностью которых оказалось их волок- нистое внутреннее строение при тонкой оболочке (десятые доли мм) (рис. 2). Волокнистое строение прутка объясняется тем, что из-за нахождения частиц НП на поверхности частиц алюминия в процессе экструзии они деформирова- лись изолированно друг от друга, что подтверждается результатами микроскопического изучения поверхности как плакированных частиц алюминия, так и волокон. Оказалось, что волокна полностью покрыты прочно внедрившимися в их поверхность частицами НП. Это наблюдение свидетельствует, во-первых, о большом количестве частиц НП в прутках и, во-вторых, об их достаточно равномерном распределении в объеме, что, в-третьих, гарантирует получение равномерно измельченной структуры в объеме литой детали. В прутках Æ 9,5 мм насчитывалось от 1100 до 1200 волокон с площадью сечения в пределах 0,005-0,075 мм2. Расчет показал, что длина таких волокон в зависимо- сти от размера частиц алюминия находилась в интер- вале 400-3200 мм. От размеров прессуемых частиц алюминия, т. е. от площади их поверхности, зависит содержание НП в объеме прутка, и чем частицы меньше, тем суммарная площадь находящихся в объ- еме контейнера частиц алюминия больше, и, следова- тельно, в прутке будет содержаться больше НП. Результаты взвешивания показали, что содержание НП в прутках находилось в пределах 1,5-2,7 мас. %. Полученные прутки служили носителем модификато- ра: при их введении в расплав алюминиевая матрица расплавлялась, и частицы НП оказывались в объеме жидкого металла, минуя контакт с атмосферой. Коли- чество любого из НП, вводимого в любые исследуе- мые сплавы, не превышало 0,05 %, а в отдельных слу- чаях - всего до тысячных долей процента. Расход прутка при этом составляет 20-25 кг на 1 т металла. . а б в г Рис. 2. Отпрессованные прутки: а - Æ 9,5 мм, L = 4,0 м (черная полоска в нижней части рисунка - линейка длиной 160 мм); б, в - фрагменты прутка со вспоротой оболочкой; г - извлеченные из прутка волокна Fig. 2. The pressed bars: a - Æ 9.5 mm, L = 4.0 m (black strip at the bottom - line of length 160 mm); b, с - fragments of the rod to rip the shell; d - extracted from the rod fiber Наномодифицирование сплавов. В качестве мо- дификаторов алюминиевых литейных и деформируе- мых сплавов, чугуна и стали опробовано более 20-ти химических соединений, включая AlN, Al2O3,, B4C, BN, Cr3C1,6N0,4, HfN, HfB2, LaB6, SiC, Si3N4, TaN, TixCyNz, TixCyNzOi, TiN, TiO2, VC, VxCyNz, V0,75N0,25, а также смеси (AlN + TiN), (BN + B4C), (SiC + B4C). Эти соединения относятся к промежуточным фазам, характерной особенностью которых является высокая степень устойчивости, неметаллический характер и вы- сокая температура плавления (в диапазоне 2273-3273 К). В результате введения НП В4С, SiC, TixCyNz, TaN, смеси (В4С + BN) в алюминиевые литейные сплавы АК7, АК12, АК9ч, АК7ч, АК7Ц9 и др., измельчается макро- и микроструктура, что приводит к увеличению sв отливок на 2,5-19,3 % и d - в 1,5-7,3 раза. В ре- зультате введения НП B4C в сплавы АК7ч и АМ5 при получении из них деталей жидкой штамповкой повышается удлинение d - соответственно на 50 и 19 % при сохранении уровня sв. При введении НП SiC, B4C, BN, LaB6, TaN, TixCyNz, TiCNO, TiN, TiO2, VxCyNz, смеси AlN + BN, смеси HfN + HfB2 в алюми- ниевые деформируемые сплавы при литье полунепре- рывным способом слитков Æ 190 мм из сплава Д16, Æ 300, 420 и 500 мм из сплава АМг6, Æ 480 мм из сплава Д1 происходит измельчение зерна в 1,7-20 раз, что приводит к повышению механических свойств отпрессованных из них профилей различного сечения: sв - на 2,5-8,8 %; s0,2 - на 2,0-16,1 %; d - на 11,8-31,0 % [11-14]. Наномодифицирование сварного шва. Исходя из идентичности механизмов кристаллизации литых деталей и сварного шва, было решено опробовать сварку описанными выше прутками, прессование которых производилось по той же технологии, но с дополнительным введением в прессуемую композицию флюса АН-А4 (57,0 % КСl; 28,0 % ВаF2; 7,5 % LiF; 7,5 % АlF3) [15]. Следует при этом отметить, что, если для изготов- ления подобных электродов, названных пучковыми, применялась достаточно сложная технология [16], которая заключалась в нарезании сварочной проволо- ки на мерные заготовки, вкладывании их в кондуктор, обжимании в нагретом состоянии до плотного приле- гания, вставлении их в муфту, которая вместе с прут- ками нагревается до сварочной температуры, после чего сваривается с прутками проковкой, далее изго- товленный пучковый электрод вынимается из кондук- тора и окунается в обмазку, которая является элемен- том, связующим отдельные прутки в электрод, то технология изготовления сварочных прутков, содер- жащих НП, оказывается значительно проще, и заклю- чается она практически в выполнении только двух операций: 1) в смешивании частиц алюминия с части- цами НП и с флюсом; 2) в прессовании этой компози- ции в сварочную проволоку (пруток). Следует отметить, что применение нанопорошко- вых материалов при сварке описано в нескольких ра- ботах. Так, в работе [17] представлены результаты использования НП серебра с размерами частиц 5 и 100 нм в качестве «вставного материала» (using silver nanoparticles as an insert material) при лазерной сварке листов из магниевого сплава. При этом на лис- ты предварительно наносили пасту, содержащую НП серебра, после чего их нагревали до 100 ºС в течение 60 с с целью испарения пасты. Затем листы наклады- вали друг на друга сторонами, плакированными маг- ниевыми наночастицами, и сканировали поверхность верхнего листа лазером, в результате чего частицы магниевого порошка расплавлялись, и при после- дующей кристаллизации магниевого расплава проис- ходило прочное скрепление листов. В другой работе [18] сварку разнородных метал- лов (Al-Ti, Ti-сталь) проводили с помощью непре- рывного СО2-лазерного излучения с применением модифицирующих инокуляторов в виде порошков нитрида титана TiN и оксида иттрия Y2O3 (размер частиц - до 20 мкм), частицы которых плакировали хромом. При этом так же, как и в предыдущей работе, предварительно приготовленная суспензия, содержа- щая эти порошки, наносилась на поверхность свари- ваемых пластин толщиной 1-2 мм. В результате при- менения этого способа структурные составляющие сварного шва измельчаются в 2-4 раза, а вместо игольчато-дендритной формируется дисперсная рав- ноосная структура, выравниваются механические характеристики, уменьшаются размер шва и зона тер- мического влияния, и, соответственно, повышаются механические свойства: временное сопротивление разрушению sв - в 1,23-1,35 раза, предел текучести s0,2 - в 1,8-2,0 раза и относительное удлинение d - в 2,0-4,9 раза. По-видимому, меньший эффект повы- шения механических свойств, чем в случае сварки электродом, содержащим нанопорошки (размер час- тиц - нанометры), связан со значительно большими размерами частиц (микроны) применяемых порошков. Существенным недостатком описанных способов сварки является необходимость использования пасты и суспензии в качестве «магазинов» хранения порош- ков с вытекающим из этого такого последствия, как сложность нанесения слоя именно такой толщины, которая обеспечит присутствие в сварочном шве требуемого количества порошка. Другой недостаток заключается в сложности закрепления пасты и сус- пензии на поверхностях, лежащих в трех измерениях. Эти недостатки отсутствуют при сварке электродами, содержащими НП. Настоящая работа была выполнена в производст- венных условиях при изготовлении объемной конст- рукции из листового деформируемого алюминиево- магниевого сплава АМг6 (5,8-6,8 % Mg; 0,5-0,8 % Mn; 0,02-0,1 % Ti; 0,0002-005 % Be; примеси - до 0,1 %; остальное - Al), близкого по составу к сплаву АМг5, в связи с тем, что при ее сварке с использованием присадочной проволоки, изготовленной из этого же сплава, не всегда обеспечивалась требуемая проч- ность сварного соединения. Как показало металло- графическое исследование, причиной этого оказался тот факт, что металл сварного шва отличался от ме- талла листа более крупными зернами a-твердого рас- твора и более крупными выделениями b-фазы (Al3Mg2) по их границам. В настоящей работе применяли электрод с волок- нистым строением диаметром 8 мм, содержащий по- рядка 2,0 % НП нитрида бора BN или гексаборида лантана LaB6, или карбонитрида титана TiCN и 2,0 % флюса АН-А4. Сварку производили с помощью авто- матической установки в среде аргона. Фрагменты сварки листов АМг6 приведен на рис. 3. Качество шва по требованиям приемочной доку- ментации оценивали по величине временного сопро- тивления разрушению sв при испытании вырезанных из сварной конструкции плоских образцов с размера- ми 15×50 мм. Результаты испытаний показали, что sв металла в области шва при сварке прутком, содержащим НП BN, составляет 333 МПа, НП LaB6 - 338 МПа и НП TiCN - 345 МПа. Эти значения оказались, соот- ветственно, выше на 4,1, 5,6 и 7,8 %, чем имеют образцы из сплава АМг6 (320 МПа), сваренные по стандартной технологии электродом из этого же сплава (см. таблицу). Изучение микроструктуры сварного шва показало, что в его объеме какие-либо дефекты отсутствуют. При этом зерно в свариваемом листе вытянуто вдоль прокатки, а его размеры лежат в интервале ~ 0,3-0,4 мм. Зерно в сварном шве - мелкое, равноосное, его разме- ры составляют ~ 0,01-0,03 мм, что в среднем меньше, чем в основном металле в 17,5 раза. Интерметаллид- ные фазы оказались в раздробленном состоянии. Можно полагать, что повышение sв связано не только с измельчением структуры шва и с измельчением интерметаллидов, но и с дисперсионным упрочнением a-твердого раствора сплава тонкодисперсными час- тицами НП. Микротвердость основного металла и сварного шва одного уровня - 76,4-78,7 HV (среднее - 77,55 HV, или 73,5 НВ), т. е. при сварке разупрочне- ние не происходит. Очевидно, аналогичный эффект имеет место в ре- зультате введения в сварочную ванну диоксида титана TiO2 с помощью металлохимической присадки МХП (рубленая сварочная проволока Æ 2 мм, смешанная с двуокисью титана TiO2), что приводит к формирова- нию такой структуры металла сварного шва, которая обеспечивает высокие показатели прочности, пла- стичности и вязкости [19]. Сварка электродом, содержащим НП карбонитри- да титана TiCN, была успешно применена для заварки трещины в ступице массивного винта станции газо- очистки цеха технологических котлов целлюлозно- бумажного комбината. Заварку производили в среде аргона. Было установлено, что в металле шва и в око- лошовной зоне трещины отсутствовали, тогда как при наплавке принятой по технологии алюминиевой про- волокой этот дефект зачастую присутствует. В следующей серии работ было установлено, что в результате предварительной механоактивации ком- позиции, состоящей из частиц алюминия и НП, и по- следующего ее прессования содержание НП (на при- мере НП TiN) в прутке увеличивается до 7,7 мас. %, что в еще большей степени позволяет повысить ско- рость сварки при одновременном уменьшении расхо- да электродной проволоки. Заключение. В результате выполненной в произ- водственных условиях работы была установлена возможность измельчения структуры сварного шва и повышения механических свойств сварного изделия типа оболочки, сваренной из листов деформируемого алюминиево-магниевого сплава АМг6 с применением в качестве модификаторов нанопорошков химических соединений нитрида бора BN, гексаборида лантана LaB6 и карбонитрида титана TiCN. а б Рис. 3. Фрагменты сварки электродом, содер- жащим нанопорошок карбонитрида титана TiCN, листовой конструкции из листов сплава АМг6 толщиной: а - 5,0 мм; б - 8,0 мм Fig. 3. Fragments of the sheet structures welding of sheets of alloy AMg6 thickness: a - 5.0 mm; b - 8.0 mm electrode containing nanopowder of titanium carbonitride TiCN Влияние вида электродов на временное сопротивление разрушению металла в области сварного шва при сварке листового сплава АМг6 Временное сопротивление разрушению sв (МПа) металла в области сварного шва при сварке электродом Из сплава АМг6 без нанопорошка Содержащим нанопорошок BN LaB6 TiCN Величина Величина/прирост, % Величина/прирост, % Величина/прирост, % 320 333/4,1 338/5,6 345/7,8

Авторлар туралы

G. Krushenko

Institute of Computational Modelling SB RAS; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation; 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

O. Platonov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: o.platonov@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

S. Reshetnikova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

G. Kiselev

Strategic rocket forces

Vlasikha, Moscow region, 119160, Russian Federation

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар