Сварка никеля и его сплавов

Современные жаропрочные сплавы на никелевой основе имеют очень сложный состав: в них входят до 7...9 основных легирующих элементов и большое количество примесей. Жаропрочность, жаростойкость и другие характеристики сплавов на никелевой основе связаны с оптимизацией их состава по соотношению легирующих элементов, входящих в матричный γ-твердый раствор и упрочняющие интерметаллидные, карбидные и боридные фазы, а также с уровнем содержания вредных легкоплавких примесей.

Так в сплавы, предназначенные для работы при сравнительно невысоких температурах (750...850 °С) длительное время, вводят повышенное количество хрома (до 16... 18 %), молибдена и вольфрама (до 10... 12 % суммарно), титана, ниобия и алюминия (8... 10 % суммарно). Это дает возможность получить большое количество упрочняющей γ'-фазы, высокую легированность и жаропрочность матрицы. Для высокотемпературной (975... 1050 °С) работы важно высокое положение температуры солидуса сплава. Поэтому в сплавах ограничивают содержание хрома (6... 10 %), молибдена (3...4 %) и титана, также дополнительно вводят кобальт и вольфрам которые несколько повышает температуру солидуса.

При работе в средах повышенной агрессивности (например, содержащих соли, соединения ванадия и др.) важнейшим элементом, обеспечивающим коррозионную стойкость, считается хром.

Никелевые жаропрочные сплавы являются сложными многокомпонентными и многофазными системами с аустенитной структурой (γ-фаза), в которых под действием высоких температур и напряжений непрерывно протекают фазовые и структурные превращения, т.е. эти сплавы являются с физико-химических позиций динамическими системами. К области аустенита примыкают различные интерметаллические соединения, которые часто называют топологически плотноупакованными фазами (т.п.у.-фазами):
σ-фазы, γ '-фазы, фазы Лавеса, μ-фазы и др. Выделение этих фаз из никелевого аустенита резко охрупчивает сплавы, снижает их жаропрочность и стабильность. γ '-фазы наоборот обеспечивают основное упрочнение сплавов с высоким содержанием никеля. Главными причинами высокого упрочнения сплавов при образовании γ'-фазы считаются когерентная деформация и наличие упорядочения частиц.

Применяемые никелевые сплавы подразделяют на деформируемые и литые. Принципы легирования и упрочнения этих сплавов одинаковы, но при создании деформируемых сплавов необходимо обеспечить сплавам достаточную технологическую пластичность при обработке давлением, в том числе при температурах 700...800 °С, а литые сплавы должны иметь удовлетворительные литейные свойства (жидкотекучесть, пористость). В связи с этим в литейных сплавах допускается более высокое содержание углерода, бора и требуется более строгий контроль по количеству легкоплавких примесей.

Литые сплавы, обладающие высоким сопротивлением ползучести, имеющие большую объемную долю γ'-фазы и добавки тугоплавких элементов, используют для наиболее высоконагруженных и высокотемпературных деталей турбин, например для лопаток. Для более крупных и сложных по геометрии деталей турбин, которые нельзя изготовить отливкой на нужный размер, а необходимо обрабатывать ковкой или прокаткой, например диски, используют деформируемые сплавы с меньшим содержанием γ'-фазы и меньшей прочностью. Деформируемые сплавы всегда используются при более низких температурах, чем литые.

Деформированные сплавы: ХН77ТЮР (С<0,07; Cr 19…22; Ti 2,4…2,8; Al 0,6…1,0; B<0,01); ХН62ВМКЮ (С<0,1; Cr 8,5…10; Al 4,2…4,9; Mo 9,0…11,5; W 4,3…6,0; Co 4…6; B<0,02); ХН60ВМТКЮ (С<0,12; Cr 9,0…12; Ti 1,4…2,0; Al 3,6…4,5; Mo 4,0…6,0; W 4,5…6,0; Co 12…16; B<0,02).

Литейные сплавы: ЖС3 (С 0,11…0,16; Cr 14,0…18; Ti 1,6…2,3; Al 1,6…2,2; Mo 3,0…4,0; W 4,5…6,5); ЖС6К (С 0,13…0,2; Cr 10,5…12,5; Ti 2,5…3,0; Al 5,0…6,0; Mo 3,5…4,5; W 4,5…5,5; Co 4…5); ВЖЛ12У (С 0,14…0,2; Cr 8,5…10,5; Ti 5,0…5,7; Al 4,2…4,7; Mo 2,7…3,4; W 1,0…1,8; Co 12…15; V 0,5…1,0; B<0,015).

Трудности сварки никеля и его сплавов обусловлены следующими факторами:

1. Большая склонность к образованию пор связана с резким изменением растворимости кислорода, азота и водорода при переходе металла из твердого в жидкое состояние. При попадании в сварочную ванну этих газов могут проходить реакции типа с образованием продуктов, нерастворимых в металле и способствующих в процессе кристаллизации металла образо­ванию пор в металле шва.

Азот, попадая в сварочную ванну, частично образует нестойкие нитриды типа Ni₃N и частично – газовую фазу, также способствующую образованию пор. По указанной причине технология сварки должна обеспечивать надежную защиту зоны сварки от атмосферного воздуха, хорошее раскисление сварочной ванны и хорошую дегазацию сварочной ванны. Эффективная мера предотвращения пористости – сварка короткой дугой (до 1,5 мм), что резко уменьшает подсос газов из атмосферы.

2. Высокая склонность металла к образованию кристаллизационных трещин связана с образованием по границам крупных зерен, имеющих транскристаллитное строение, легкоплавких эвтектик типа Ni₃S + Ni (Тпл = 645 °С), Ni₃P + Ni (Тпл = 880 °С). Для предотвращения возникновения таких трещин в основном металле и сварочных материалах ограничивают содержание вредных примесей и вводят элементы, связывающие серу в более тугоплавкие соединения: до 5% Мn и до 0,1% Mg.

Для ограничения роста зерна сварку ведут на ограниченной погонной энергии и вводят в небольшом количестве в металл шва модификаторы (титан, алюминий, молибден), измельчающие его структуру. При многопроходной сварке последующие швы необходимо накладывать после полного охлаждения предыдущих.

3. При сварке никеля и его сплавов металл в сварочной ванне менее жидкотекуч, чем при сварке стали, и проплавляется на меньшую глубину, поэтому необходимо несколько увеличивать угол разделки кромок.

При выборе способа и разработке технологии сварки основное внимание уделяют обеспечению необходимых эксплуатационных свойств соединений. Поэтому даже для одного и того же сплава технология может быть различной.

При дуговой сварке никеля и его сплавов нет необходимости всегда добиваться для шва того же химического состава, что и основной металл, так как для технического никеля, например, при совпадении химического состава в шве не удается избежать пор, трещин и других дефектов. Для предотвращения этих дефектов и получения необходимых свойств шва приходится прибегать к комплексному легированию.

Для соединения никеля в настоящее время применяют в основном дуговую сварку вольфрамовым и плавящимся электродом в среде защитных газов и механизированную сварку плавящимся электродом под флюсом.

Дуговую сварку вольфрамовым электродом выполняют на постоянном токе прямой полярности с использованием аргона и присадочной проволоки марки НМц2,5 (2,3-3,3% Мn). Дуговую сварку плавящимся электродом обычно применяют для металла толщиной свыше
4-5 мм с использованием тех же сварочных материалов.

Механизированную сварку под флюсом осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Флюсы должны быть безокислительными или бескислородными типа 48-ОФ-6, АНФ-5. В ряде случаев для никеля используют керамические флюсы, например марки ЖН-1 и проволоки из никеля марок Н-0, НП-1 и НП-2.

Для предупреждения роста зерна сварку стремятся вести швами небольшого сечения. Ввиду высокого электросопротивления проволоки вылет электрода устанавливают в 1,5-2 раза меньше, чем при сварке низколегированной стальной проволокой.