Химическая неоднородность металла шва

Примечание. С_о – концентрация (%) элемента в осях дендридов;

С_м – концентрация (%)элементов в межосных объемах.

Основное следствие ликвации – неоднородность химического состава, приводящего к образованию в шве менее эффективных интерметаллидных фаз по сравнению с фазами в основном металле. Так, в результате преимущественной ликвации титана в зонах ликвации при старении будет выделяться фаза NiTi, обладающая меньшей жаропрочностью, чем g'–фаза.

Все это приводит к образованию транскристаллитности швов, в центре которых на больших скоростях сварки формируется "зона слабины" – стык двух фронтов кристаллизации с явно выраженной зональной ликвацией. При малых скоростях сварки в центре шва образуются осевые кристаллиты, на гранях которых возникают две зоны срастания боковых и осевых кристаллов, также характеризуемые пониженными свойствами.

В ЗТВ происходят следующие изменения структуры:

– укрупнение зерна в гомогенных сплавах;

– растворение упрочняющих фаз в гетерогенных сплавах в нагреваемой выше 900 °С зоне, фиксируемое по изменению твердости;

– оплавление фаз в перестаренных сплавах;

– перестаривание (при сварке состаренных сплавов), приводящее к укрупнению упрочняющих фаз.

Развитие указанных негативных явлений зависит от длительности высокотемпературного нагрева, исходного состояния сплава и химического состава, определяющего стабильность фаз при нагреве.

При сварке гомогенных никелевых сплавов (типа Х20Н45, ХН69ВТ, ХН78Т) возможно образование кристаллизационных и подсолидусных ГТ в металле шва.

При сварке гетерогенных сплавов возможно появление ГТ и в ЗТВ, где велика протяженность ТИХ из-за наличия легкоплавких ликватов и мала пластичность из-за крупнозернистой структуры.

Металлургические способы предотвращения ГТ:

· повышение чистоты сплавов по примесям (табл. 30);

· ограничение полноты рекристаллизации при прокатке сплавов, позволяющее инициировать рекристаллизацию при сварке и соответственно снижать сегрегацию в условиях ускоренной миграции границ зерен в ЗТВ при сварке;

· сварка в аустенизированном или перестаренном состоянии (значение V_кр, несмотря на неизменность химического состава шва, при сварке в аустенизированном состоянии повышается в 1,5..2 раза).

Таблица 30

Влияние способа выплавки на сопротивляемость ГТ

при сварке сплава Х20Н45М4В3БГ

Технологические способы предотвращения трещин:

· снижение до минимума погонной энергии сварки (сварка неплавящимся электродом, ЭЛС, лазер, импульсная дуга);

· ограничение скорости сварки;

· измельчение первичной структуры швов (УЗК, электромагнитное перемешивание и т.п.);

· применение теплопроводящей оснастки и охлаждающих сред (подача паровоздушной смеси на сварочную ванну).

Сопротивляемость образованию ГТ наиболее употребляемых проволок приведена в табл. 31.

Таблица 31

Сопротивляемость металла шва образованию ГТ

и его длительная прочность s_Д при 800 °С

Трещины при послесварочной обработке возникают на этапе медленного нагрева в интервале дисперсионного твердения. Сплавы с (Ti+Al) > 4 % весьма склонны к трещинообразованию при термообработке сварных соединений. Сравнительная оценка склонности к таким разрушениям при термообработке представлена на рис. 47.

Рис. 47. Склонность никелевых сплавов к образованию трещин при термической обработке сварных соединений

Снижению склонности к трещинообразованию способствуют: · все способы рафинирования сплавов; · измельчение зерна в ЗТВ; · снижение сегрегации по границам зёрен; · уменьшение времени высокотемпературного нагрева при сварке; · повышение скорости нагрева при термообработке до 80 °С/мин и выше.

В сплавах, легированных Nb вместо Ti, также удается избежать образования трещин. Замена Ti позволяет на первом этапе ослабить интенсивность старения, что снижает сварочные напряжения, а на втором – повысить жаропрочность старения.

Такие сплавы, как ХН62МБ8Ю (ЭП-709) с упрочняющей g'–фазой Ni (Al, Nb) не склонны к образованию трещин в процессе термообработки при сохранении жаропрочности до 800 °С.

В условиях циклического высокотемпературного нагружения наблюдается высокотемпературное охрупчивание, при котором происходит снижение s_в и пластичности основного металла и сварных соединений.

Это обусловлено:

– преобразованием первичных карбидов МеС во вторичные Ме₆С и Ме₂₃С₆, имеющих пластинчатую форму и выпадающих на границах;

– образованием оксидов Ме₂О, способствующих диффузионному окислению сплавов по межзеренным границам;

– изменением морфологии g'–фазы в результате высокотемпературной деформации при сварке;

– разнозернистостью металла в ЗТВ;

– межзеренным проскальзыванием в ЗТВ в процессе сварки, приводящим к зарождению трещин возле включений и ступенек, образовавшихся при выходе дислокаций на границах.

Чем короче длительность высокотемпературного нагрева при сварке и меньше разница в сопротивлении деформированию металла шва, ЗТВ и основного металла, тем слабее развиваются указанные необратимые изменения, выше эксплуатационные свойства и свариваемость сплавов.

Под воздействием агрессивных сред охрупчивание металла вызывается сульфидной и межкристаллитной коррозией.

Сульфидная коррозия связана образованием легкоплавких сульфидов никеля NiS (Т_пл = 810 °С) при наличии в газовом потоке сернистых соединений.

Сульфиды имеют больший объём, что вызывает разрыхление металла и проникновение сульфидов по границам зерен, особенно сильное в восстановительных средах, где нет плотных защитных пленок. Чем крупнее зерно в ЗТВ, чем больше напряжение и длительность высокотемпературного нагрева при сварке, тем ниже стойкость сварного соединения против газовой коррозии по отноше­нию к основному металлу.

МКК вызывается распадом твердого раствора в интервале 550...750 °С и выпадением карбидов в результате диффузии С и Сг на границах зерен. Снижению склонности швов к МКК способствует легирование ниобием исходя из соотношения Nb/C > 20 при работе соединений ниже 550 °С и Nb/C > 40 при более высоких температурах эксплуатации.

Радиационное охрупчивание происходит под воздействием нейтронов и a–частиц. При этом наиболее сильно снижается длительная прочность у дисперсионно-твердеющих сплавов, содержащих Со, N, В и др. Меньшее влияние радиация оказывает на гомогенные сплавы, не склонные к дисперсионному твердению. Их свойства восстанавливаются после отжига при Т = 0,5Т_пл.

Свариваемость облученного материала (при ремонте) понижена в связи с повышенным порообразованием, образованием ГТ в ЗТВ.

Выбор сварочных материалов и технологии должен быть направлен на снижение гетерогенности швов и концентрации высокотемпературных деформаций, влияющих на появление ГТ и длительную прочность сварных соединений.