Повышение механических свойств изделий из сплава системы Ti-Al-V, получаемых методом аддитивной плазменной наплавки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Акулова Светлана Николаевна

• Акулова Светлана Николаевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Акулова Светлана Николаевна

Введение

Глава 1. Аддитивные технологии для получения изделий из титановых

сплавов

1.1 Аддитивные технологии. Классификация

1.2. Особенности процесса и виды наплавки металла

1.3. Способы плазменной наплавки металла проволокой

1.4. Применение аддитивных технологий при выращивании изделий

из титановых сплавов

Выводы по главе

Глава 2. Технология исследований: оборудование, материал, методики механических испытаний. Оценка зависимости качества

наплавленного материала от технологических параметров наплавки

2.1 Оборудование для аддитивной плазменной наплавки

2.2. Исследование характера формирования валиков при аддитивной плазменной наплавке с локальной защитой расплавленного металла

2.3. Исследование характера формирования валиков при аддитивной плазменной наплавке в технологической камере в атмосфере инертных

газов

2.4. Методики механических испытаний образцов сплава ВТ6св, полученных различными технологиями плазменной аддитивной наплавки

2.4.1. Методика проведения испытаний образцов на ударный изгиб

2.4.2. Методика проведения испытаний образцов на определение характеристик трещиностойкости при статическом нагружении

2.4.3. Методика проведения испытаний образцов на растяжение

Выводы по главе

Глава 3. Исследования структуры и свойств титанового сплава ВТ6св, полученного по технологии многослойной плазменной наплавки в технологической камере с контролируемой атмосферой

3.1. Исследование сформированной структуры и свойств титанового сплава ВТ6св, полученного плазменной наплавкой по режиму непрерывного цикла

3.2. Исследование сформированной структуры и свойств титанового сплава ВТ6св, полученного плазменной наплавкой по режиму с

послойным охлаждением до комнатной температуры

Выводы по главе

Глава 4. Выбор предпочтительного термического цикла при плазменной наплавке титанового сплава ВТ6св с применением

математического моделирования

Выводы по главе

Глава 5. Исследования макроструктуры, микроструктуры и механических свойств сплава, сформированного плазменной аддитивной наплавкой с контролем термического цикла

5.1. Анализ структуры и механических свойств исследуемого материала при наплавке с применением локальной защиты

5.2. Анализ структуры и механических свойств исследуемого материала при наплавке в технологической камере по однодуговой схеме процесса

5.3. Анализ структуры и механических свойств исследуемого материала при наплавке в технологической камере по двухдуговой схеме процесса

5.4. Результаты механических испытаний образцов сплава ВТ6св, полученных различными технологиями плазменной аддитивной

наплавки

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение. Акт внедрения результатов работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение механических свойств изделий из сплава системы Ti-Al-V, получаемых методом аддитивной плазменной наплавки»

Актуальность темы

В настоящее время решение актуальных вопросов экономии ресурсов при производстве уникальных изделий со сложной структурой является первоочередной задачей. Аддитивные технологии, используемые при производстве подобных изделий, позволяют решить проблему сокращения затрат посредством экономного использования дорогостоящих материалов и значительного сокращения производственного цикла. Послойная наплавка металлических материалов требует применения высококонцентрированных источников нагрева, таких как электронный и лазерный луч, электрические дуги. При этом использование наплавочного материала в виде проволоки сплошного сечения обеспечивает получение практически беспористых изделий.

В общем случае применение технологии плазменной наплавки позволяет повысить производительность при изготовлении изделий сложной конфигурации и габаритных размеров за счет снижения производственного цикла, а также обеспечить некоторые технологические преимущества: возможность регулирования тепловложения, возможность управления формированием состава, структуры и свойств получаемого материала.

Двухфазные титановые сплавы системы легирования ТьЛ1-У обладают особенной совокупностью свойств, и, несмотря на сравнительно высокую стоимость, широко используются в различных областях промышленности. Хорошо известны возможности плазменной наплавки в сварочных и ремонтных технологиях для этой группы материалов, однако в области аддитивных процессов они пока реализованы не в полной мере. Несомненное преимущество плазменной наплавки перед дуговой заключается в том, что она позволяет значительно снизить глубину переплавляемого слоя металла с 1 -3 мм при дуговых процессах до 0,01 мм при плазменных. Эта особенность крайне важна при аддитивном синтезировании изделия, когда перекристаллизация нижележащего слоя часто сопровождается нежелательными структурными превращениями,

снижающими свойства изделий. В настоящее время существует небольшое количество исследовательских работ по данному направлению, отсутствует полноценная информация о влиянии параметров аддитивной плазменной наплавки на формирующуюся структуру и свойства послойно получаемых материалов из рассматриваемых двухфазных титановых сплавов системы Ti-Al-V.

Титановые сплавы обладают рядом структурных особенностей, которые значительно влияют на формирование свойств в технологиях послойного выращивания изделий. Невысокие значения прочностных характеристик, снижение пластичности и ударной вязкости могут являться следствием неблагоприятной столбчатой структуры, крупнозернистости первичной Р-фазы, анизотропии структуры и свойств, остаточных напряжений. Кроме этого, ввиду изменения теплоотвода в процессе наплавки существует проблема обеспечения стабильности геометрических характеристик наплавляемых слоев.

Для получения качественного материала из сплава ВТ6св с высоким уровнем эксплуатационных характеристик при аддитивной плазменной наплавке необходимо исследовать и применять улучшенные способы наплавки наряду с комплексным управлением режимами наплавки, оказывающих влияние на формирование структуры и свойств материала.

Степень разработанности темы исследования

Достаточно подробно влияние технологических параметров дуговой наплавки на формирование структуры и свойств изделий из титанового сплава типа ВТ6 исследовали в своих научных работах Щицын Ю.Д., Трушников Д.Н. и др. Выявлено, что применение дуговых процессов, в том числе и их гибридных вариантов, позволяет измельчить первичные бета зерна, а также получить оптимальную структуру, влияющую на повышение механических свойств материала (Bintao Wua, Zengxi Pan и др.).

В работах ученых Nayir S., W.Xu и др. приведена информация о влиянии режимов источников энергии при наплавке на формирование структуры материала и механических свойств при лазерном выращивании изделий из титановых сплавов. Исследования Jianjun Lin, Zhuguo Li и др.

продемонстрировали получение механических свойств наплавленного материала, превышающих стандартные значения, а также возможность применения процесса аддитивной наплавки для производства и восстановления изделий из металлических материалов без дополнительной термообработки.

Известны работы ученых (Ермаков С.А., Соснин Н.А. и др.) по совершенствованию способов плазменных процессов, позволяющих улучшить свойства наплавляемых материалов. Имеются результаты использования технологий аддитивной плазменной наплавки при изготовлении изделий из хромоникелевых сплавов и сталей, которые отражены в работах ученых Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Результаты практического применения плазменных технологий при аддитивном производстве изделий можно рассмотреть на примере работ норвежской компании Norsk Titanium, производящей посредством Bd-печати изделия авиастроительного назначения. Однако в публикациях компании прослеживается недостаток информации о реальной работе технологии, о возможном влиянии на свойства получаемых изделий.

Существующие на данный момент отечественные и зарубежные научные работы в области аддитивных технологий посвящены, в основном, исследованиям технологий дуговой и лазерной наплавки. Анализ публикаций о технологиях плазменной наплавки, имеющихся на данный момент в литературе, не дает в полной мере представления о зависимости формирования структуры и свойств титановых сплавов от применяемых режимов рассматриваемой технологии.

Для получения качественного материала из сплава ВТ6св с высоким уровнем эксплуатационных характеристик при аддитивной плазменной наплавке необходимо исследовать условия формирования структуры и свойств материала. На формирование структуры и свойств материала оказывают существенное влияние режимы наплавки, термические циклы наплавки, выбранные технологии. Применение улучшенных способов наплавки наряду с комплексным управлением режимами наплавки будет способствовать получению качественного материала.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение механических свойств за счет увеличения дисперсности структуры двухфазного титанового сплава системы ТьЛ1-У при аддитивной плазменной наплавке материала ВТ6св посредством управления термическим циклом.

Задачи диссертационной работы:

1. Определение технологической схемы аддитивной плазменной наплавки, обеспечивающей формирование образца со стабильными геометрическими характеристиками.

2. Разработка метода обеспечения предпочтительного термического цикла аддитивной плазменной наплавки титановой проволоки ВТ6св по структурным и прочностным критериям с применением математического моделирования.

3. Анализ формирования дисперсности структуры (размера исходного Р-зерна, ширины пакета а-колоний и длины игл мартенситной а' - фазы) и механических свойств исследуемого материала при предпочтительном режиме наплавки.

Научная новизна

1. Разработан метод аддитивной плазменной наплавки титанового сплава ВТ6св, при котором реализуется термический цикл, обеспечивающий формирование однородной дисперсной структуры и прочности на уровне 840 МПа, за счет регулирования скорости охлаждения. Установлено, что температура предыдущего слоя при наплавке последующего должна составлять 250-300°С, при этом основным регулирующим параметром является длительность межслойного охлаждения, определенная на основе математического моделирования.

2. Установлены закономерности формирования однородной дисперсной структуры сплава ВТ6св, которые обеспечиваются предложенным термическим циклом наплавки и заключаются в снижении эффекта прорастания Р-зерен до двух слоев наплавки и уменьшении среднего размера игл а'-мартенсита до уровня 35-40 мкм.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработаны технологические рекомендации для процесса аддитивной плазменной наплавки титанового сплава системы Ti-Al-V, обеспечивающие требуемый уровень механических свойств изделий при использовании отечественной проволоки ВТ6св.

2. Установлено, что достижение высоких показателей стабильности геометрических размеров и бездефектности получаемого наплавленного материала обеспечивается плазменной наплавкой дугой с прямой полярностью тока в камере с защитной атмосферой при двухдуговой схеме процесса.

3. Результаты исследования диссертационной работы, заключающиеся в выборе предпочтительной технологической схемы процесса аддитивной плазменной наплавки титанового сплава системы Ti-Al-V, использовались в разработке рабочей конструкторской документации по оборудованию для трехмерной наплавки для компании ООО «РусАТ».

Методология и методы диссертационного исследования

В диссертационной работе исследовалась возможность использования метода плазменной аддитивной наплавки для изготовления изделий из титановых сплавов системы Ti-Al-V с использованием титановой проволоки ВТ6св (ГОСТ 27265-87). Значения показателей механических свойств, запланированные в работе и принятые как целевые, определены по механическим свойствам материалов, полученным по традиционным технологиям обработки давлением по ОСТ 1 90000-70 (Штамповки и поковки из титановых сплавов) и ГОСТ 27265-87 (Проволока сварочная из титана и титановых сплавов). Задачи, поставленные в работе, решались с помощью теоретических и экспериментальных исследований. Математическое моделирование осуществлялось с использованием программных пакетов MathCAD и ANSYS. Металлографические исследования проводились с использованием микроскопа Olympus GX-51, сканирующего электронного микроскопа JSM-6390. Испытания на микротвердость проводились по методу Виккерса на твердомере ПМТ-3. Сервогидравлический испытательный комплекс Instron 8801 был использован при проведении испытаний на растяжение и на

определение трещиностойкости при статическом нагружении в соответствии с требованиями стандартов. Проведение испытаний по определению ударной вязкости осуществлялось с применением маятникового копра INSTRON MPX450. При исследовании фазового состава образца использовался дифрактометр XRD-7000.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования влияния различных технологических схем плазменной аддитивной наплавки на характер формирования заготовок из титановой проволоки ВТ6св со стабильными геометрическими параметрами формируемого материала.

2. Выбор предпочтительного термического цикла аддитивной плазменной наплавки материала ВТ6св по структурным и прочностным характеристикам с применением математического моделирования.

3. Результаты анализа формирования структуры и механических свойств исследуемого титанового сплава ВТ6св при наплавке с использованием различных технологических режимов и схем процесса.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается применением современных средств и оборудования, необходимых для проведения исследований, опубликованием результатов исследований в научных изданиях.

Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы представлялись и обсуждались на всероссийской научно-практической конференции «Химия. Экология. Урбанистика» и на международных конференциях «Электрофизические методы обработки в современной промышленности» и «Сварка и контроль».

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 18 печатных работах. Среди всех работ 7 статей представлены в научных изданиях, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в том числе 4 статьи представлены в зарубежных изданиях (Scopus, Web of Science).

Личный вклад автора

Автором обрабатывались и анализировались результаты проведенных исследований, проводилась работа по выбору необходимого температурного цикла плазменной наплавки титанового сплава ВТ6св по структурным и прочностным характеристикам с применением математического моделирования.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 140 страниц, 64 рисунка, 17 таблиц. Список литературы содержит 154 наименования.

Поддержка работы

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда по гранту 21-19-00715 от 9.11.2020 г. "Управление микроструктурой, прочностью, остаточными напряжениями и искажениями геометрии при гибридном аддитивном производстве" (Соглашение № 21-19-00715 от 20.03 2021).

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Кривоносовой Екатерине Александровне, заведующему кафедрой «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ФГАОУ ВО ПНИПУ, доктору технических наук, профессору Щицыну Юрию Дмитриевичу и всему коллективу кафедры за внимание и помощь в выполнении диссертационной работы.

ГЛАВА 1. АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

1.1. Аддитивные технологии. Классификация

В различных сферах промышленности способы производства изделий подразделяются на субтрактивные, формирующие и аддитивные. Субтрактивные ^иЫгайо (лат.) - отнимать) технологии образования изделий основаны на принципе постепенного удаления материала для придания необходимой формы изделию (точение, фрезерование, электроэрозионная обработка изделий). Как правило, такие методы характеризуются большим количеством операций, в зависимости от сложности получаемого изделия, длительностью подготовки и осуществления производства, длительными и достаточно затратными переходами на новые модели или новую продукцию, повышенным уровнем отходов. Формирующие способы производства основаны на изменении формы будущего изделия посредством механического воздействия. К таким технологиям относятся ковка, штамповка, гибка. Формирующие способы получения изделий позволяют эффективно получать изделия несложной формы и успешно применяются в массовом производстве. Однако такие способы не применимы при необходимости получения изделий сложной конфигурации. Кроме этого, использование достаточно массивного и энергоемкого оборудования указывает на недостатки рассматриваемых формирующих способов получения заготовок и новых изделий. Стремительно развивающееся аддитивное производство (аdditio (лат.) -прибавлять) новых готовых изделий и полуфабрикатов дает возможность исключения недостатков рассмотренных выше способов. Одним из главных преимуществ аддитивных технологий является сокращение времени полного цикла производства изделия от нескольких дней до нескольких часов даже при производстве сложных крупногабаритных изделий. Использование технологий аддитивного производства позволяет добиваться снижения отходов материала. При выращивании изделий из титановых сплавов такая экономия материала будет

являться существенным преимуществом, поскольку титановые сплавы являются достаточно дорогостоящими материалами. Кроме этого, появляется возможность при восстановлении деталей использовать материал, отличный от материала восстанавливаемой детали. Аддитивные технологии предполагают не только решение задач формообразования изделия, но и решение вопросов контроля свойств материала при формировании новых слоев [1-5]. Контроль свойств материала при аддитивном формировании изделия возможен при исследовании структурообразования материала, влияющего на формирование механических свойств [6-9].

Аддитивные технологии применяются для изготовления новых изделий или восстановления изношенных деталей посредством послойного добавления материала по данным разработанной цифровой модели. Изделия получают послойно: изначально формируется слой наплавляемого материала с последующим отверждением в соответствии с исходной цифровой моделью, далее выполняется нанесение каждого следующего слоя.

В аддитивных технологиях в качестве исходных материалов для получения изделий могут быть применимыми материалы в жидком, сыпучем и твердом состоянии. Например, фотополимерная смола, воск, порошки и металлопорошковые системы, полимерные пленки, металлическая проволока [1012]. При реализации аддитивных технологий все стадии проекта от идеи до готовой продукции представляют собой единую технологическую цепочку. Суть аддитивных технологий может быть проиллюстрирована простым примером: цифровая модель ^ оборудование аддитивного производства ^ деталь.

Инновационные аддитивные производственные процессы

противопоставляются традиционным способам промышленного производства, поскольку имеют ряд существенных особенностей. Обычно производство изделий складывается из основных этапов производства, включающих разработку технологии, подготовку производства, подготовку технологической оснастки и специального и измерительного инструмента, механическую обработку, сборочные операции. В современном аддитивном производстве количество

основных этапов производства существенно сокращается. Основными этапами производственного процесса при применении аддитивных технологий являются такие этапы как построение цифровой модели, послойный синтез, сборка и получение готового изделия. Успешному развитию аддитивных технологий в мировом масштабе способствует ряд преимуществ. При производстве малых партий изделий с применением аддитивных технологий по сравнению с традиционными технологиями обработки может существенно сокращаться объем издержек производства. Например, снижение затрат на электроэнергию, сокращение размеров производственных площадей, за счет отсутствия ряда технологических операций, не свойственных аддитивным технологиям. Существенным преимуществом в современном конкурентном мире является возможность выполнения индивидуальных требований потребителей и других заинтересованных сторон, привлечение новых заказчиков за счет увеличение номенклатуры выпускаемых изделий и возможности формирования изделий со сложной формой. Применение аддитивных технологий позволяет беспрепятственно изменять форму получаемых деталей, быстро получать опытные образцы и при необходимости вносить коррективы в конфигурацию изделия в соответствии с требованиями конкретного заказчика [13-14]. При применении аддитивных технологий значительно сокращается время производства изделий, поскольку отсутствует необходимость в проектировании и изготовлении специальной инструментальной оснастки. Наряду со всеми перечисленными преимуществами существует и основное преимущество применения аддитивных технологий при производстве изделий в сравнении с традиционными технологиями обработки, называемыми вычитаемыми, основанными на получении готовых изделий посредством снятия слоя материала. Основное преимущество аддитивных технологий состоит в экономии материала при производстве изделий. Значительно увеличивается коэффициент использования материала, используется исключительно то количество материала, которое необходимо для получения определенного изделия. Исследования европейских компаний (Великобритания) показали, что использование

аддитивных технологий при производстве изделий позволяет экономить до 75% материала [15]. В любом современном производстве требуется применение материалов, технологии и оборудования, соответствующих международным стандартам в области охраны окружающей среды. Аддитивные технологии имеют значительный потенциал в снижении негативного влияния на окружающую среду, например, посредством оптимизации дизайна изделий и сокращения потерь материала [16].

Однако, рассмотрев множество преимуществ новых аддитивных технологий производства, следует отметить и существующие некоторые технические и экономические барьеры, в некоторой степени препятствующие распространению аддитивных технологий во все сферы производства. Существующее ограничение выбора материалов и их высокая стоимость, высокие капитальные вложения, ограниченная точность изготовления и качество поверхности деталей, существенное влияние технологий аддитивного производства на формирование свойств материала, обусловленные послойной природой аддитивных процессов являются некоторыми недостатками, сдерживающими повсеместное применение аддитивных технологий в различных сферах производства [17-19].

Развитие аддитивных технологий можно разделить на два направления по принципу формирования детали: 1) объединение материала, распределенного по поверхности (bed deposition); 2) прямое осаждение материала (direct deposition) [20-21]. Формирование детали по первому принципу происходит в результате объединения материала, определенным образом распределенного на рабочей поверхности платформы технологического оборудования. Второе направление формирования изделия прямым осаждением материала предполагает послойное получение изделия посредством подачи разогретого исходного материала из специального устройства на рабочую поверхность.

Технологии аддитивного производства активно применяются в мире в различных отраслях промышленности и сферах деятельности, например, станкостроение, автомобилестроение, медицина, стоматология, авиастроение, архитектура и строительство. Помимо приведенных выше классификаций,

аддитивные технологии также можно классифицировать по применяемым при формировании изделий материалам, по их виду, форме и агрегатному состоянию [20]. Ранее было указано, что при получении изделий посредством аддитивных технологий применяют твердые и жидкие материалы. Применяются такие виды материалов как металл, керамика, бумага, композит. Материалы применяются в виде гранул, листов, гелей, проволоки, фидстока (гранулированной смеси металлических и керамических порошков с полимерным связующим).

Применение тех или иных материалов обуславливается, прежде всего, требованиями к будущим изделиям и, конечно, преимуществами применения соответствующих материалов.

1.2. Особенности процесса и виды наплавки металла

Несмотря на то, что технология наплавки была изобретена более ста лет назад, широкое применение в промышленности технологии наплавки получили позднее. Изначально в процессе наплавки применялась газовая сварка. В дальнейшем, с развитием и распространением для применения новых источников тепла, стали использоваться и другие способы наплавки. Применение технологии наплавки в промышленности позволило существенно увеличить производительность и контролировать использование ресурсов [22-24]. Как и ранее, в настоящее время активно происходит освоение новых разработок по созданию исходных материалов для наплавки, обладающих высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками, и высокопроизводительного оборудования. По результатам анализа способов наплавки ученых Юргинского технологического института в настоящее время используется более 25 различных методов получения покрытий для придания рабочим поверхностям деталей требуемых эксплуатационных свойств [23].

В промышленности наплавка металла используется для решения трех задач: восстановления изношенных деталей машин, создания армирующих слоев металла на поверхности деталей и получения новых изделий с помощью

технологии 3D-печати. Наплавку можно отнести к одному из видов сварочных технологий, поскольку процесс наплавки сопровождается физическими и технологическими принципами, характерными традиционным способам сварки. Для восстановления деталей при проведении ремонтных работ, для нанесения защитных покрытий, повышающих эксплуатационные свойства деталей, для производства новых изделий применяют различные способы наплавки: электродуговую, плазменную, лазерную и др., отличающиеся способами плавления и составами среды сварки.

Технология наплавки позволяет не только обеспечить надежное сцепление между наплавленным металлом и подложкой, но и достичь желаемых физических и химических свойств наплавленного слоя. Первое достигается за счет тщательной подготовки основного материала и точного соблюдения технологических параметров, в то время как второе достигается за счет выбора подходящих сварочных материалов. Технология наплавки включает в себя систематическое нанесение исходных слоев наплавленного металла на исходную поверхность с целью последующего соединения их в сплошной слой определенной толщины. Толщина слоя будет зависеть от поставленной задачи и может варьироваться от долей миллиметра при нанесении защитных покрытий на изделия до нескольких миллиметров при восстановлении изношенных компонентов и изготовлении новых. В последнем случае крайне важно обеспечить достаточный припуск для возможности дальнейшей механической обработки детали до требуемых размеров. Процесс наплавки должен гарантировать как качество наносимого слоя, так и минимальное воздействие на металл основной детали, предотвращая любую деформацию. Кроме того, различные методы сварки отличаются друг от друга скоростью обработки и количеством сварочных материалов, необходимых на единицу наплавленного металла. Каждый метод по-своему уникален, со своим собственным балансом между качеством, производительностью и экономическими показателями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Акулова Светлана Николаевна, 2025 год

Источник питания 2

Источник питания 1

Рисунок 2.6 - Электрическая схема подключения

Процесс наплавки сопровождался одновременным горением двух дуг - дуги между электродом плазмотрона и проволокой и дуги между электродом плазмотрона и изделием [140].

Исследования проводились при изменении технологических параметров. Рассматривались два способа защиты наплавляемого металла: локальная защита и камера. Наплавка проводилась и изменением полярности дуги. Наплавка осуществлялась параллельными валиками с чередующимся направлением. Технологические параметры режима наплавки варьировались в следующих диапазонах: ток и напряжение дуги соответвенно I = 50...200 А и и = 20...30 В, скорость подачи проволоки 1.3 м/мин, скорость наплавки 10.30 м/час. Данные параметры представляют собой выборку из общего массива данных, полученного на стадии подготовки к исследованиям.

2.2. Исследование характера формирования валиков при аддитивной плазменной наплавке с локальной защитой расплавленного металла

Для выбора оптимальной технологии трехмерной печати и оптимальных режимов для проведения исследований была проведена предварительная наплавка валиков. Результаты наплавки оценивались методом визуально-измерительного контроля. Результаты наплавки валиков на прямой и обратной полярности тока представлены на рисунке 2.7. Для наплавки использовалась проволока ВТ6св, диаметром 1,6 мм.

Технологические параметры наплавки (ток (I), напряжение (и); скорость подачи материала (проволоки) (^п); скорость наплавки ^напл); расход плазмообразующего газа ^^жО; расход защитного газа ^защит); расход газа на поддув в зону защиты ^поддув)) и результаты визуально-измерительного контроля (высота (И) и ширина (В ) наплавленного валика) представлены в таблице 2.2. При плазменной наплавке в качестве защитного газа использовался аргон.

Рисунок 2.7 - Валики, полученные плазменной наплавкой на токе обратной

(1-4) и прямой полярности (5-10)

Визуально-измерительный контроль показал, что удовлетворительные геометрические характеристики валиков достигаются при наплавке валиков на токе прямой полярности. Как известно, применение обратной полярности тока способствует сниженному вводу тепла в изделие и повышенному нагреву проволоки, что, вероятно, может оказывать влияние на сплавление между слоями. По результатам предварительных исследований, установлено, что использование обратной полярности тока при плазменной наплавке не удовлетворяет требованиям по качеству формирования валиков (рисунок 2.7)..

Для качественного формирования многослойной плазменной наплавки необходимо обеспечить следующие свойства каждого валика:

- равномерность ширины и высоты по всей длине валика;

- близость формы краевых зон (зоны начала и зоны окончания валика) по геометрическим свойствам к форме основной зоны валика;

- максимальную прямолинейность траектории наплавки валика, либо максимальное совпадение с заданной стратегией заполнения;

- сплавление между валиками каждого слоя.

По итогам проведения визуально-измерительного контроля полученных плазменной наплавкой валиков определен предпочтительный режим наплавки, обеспечивающий минимальную волнистость боковой поверхности и максимальную стабильность высоты валика (таблица 2.2, №6).

На выбранном режиме №6 произведена наплавка стенки с прямоугольным сечением для изготовления образцов на растяжение и на ударный изгиб.

Наплавка производилась наложением 2-х параллельных валиков с взаимным перекрытием валиков на 50 % для обеспечения отсутствия дефектов в наплавленном металле. Проволока подавалась в головную часть ванны расплавленного металла. Наплавка производилась с отслеживанием термического цикла наплавки по температуре поверхности образца.

Внешний вид полученной стенки приведен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Внешний вид стенки, полученной на определенных режимах

(локальная защита материала)

Таблица 2.2 - Параметры наплавки сплава ВТ6св плазменной дугой с локальной защитой

№ п/п Полярность и-г т Vпп, м/мин Vнапл, м/час н и л/ 3 л с а X и ^ н" к В а СО О и к и" о С а 2 м Я 2 м РР Отклонение по высоте, % Отклонение по ширине, %

1 150 28 2,9 21 3 4 5 2,5 7 >10 >30

2 Обратная 150 28 2,9 25 3 4 5 2,8 10 >10 >30

3 150 28 2,9 27 3 4 5 3,2 10 >10 >30

4 150 28 2,4 27 3 4 5 3 8 >10 >30

5 197 17 2,7 18 3 8 5 2,4 8,6 1 1

6 197 17 3 18 3 8 5 2,55 8,45 1 1

7 5 197 17 2,7 18 3 8 5 2,4 8,6 1 1

8 К 197 17 2,4 24 3 8 5 1,8 7,3 1 2

9 197 17 2,4 12 3 8 5 2,8 9,9 1 5

10 197 17 2,4 18 3 8 5 2,15 8,9 1 3

2.3. Исследование характера формирования валиков при аддитивной плазменной наплавке в технологической камере в атмосфере инертных газов

В части получения заданных геометрических характеристик наплавляемых валиков из титанового сплава ВТ6св использование технологической камеры, заполняемой инертным газом, вместо локальной защиты зоны наплавки практически не влияет на форму наплавленных в плазменном процессе валиков. Поэтому для минимизации дублирования результатов для плазменной наплавки в

камере в атмосфере инертных газов применялись те же режимы, что и при использовании локальной защиты.

Для выбора предпочтительных режимов для плазменной наплавки образцов по двухдуговой схеме были наплавлены 6 валиков и произведен их визуально -измерительный контроль. Параметры режима наплавки представлены в таблице 2.3. Результаты измерений геометрических размеров валиков представлены в таблице 2.4. Внешний вид наплавленных валиков представлен на рисунке 2.9.

Таблица 2.3 - Параметры режима наплавки

№ вали ка 1ипЬ А иип1, В Iиm, А ииП2, В Упп, м/мин Унапл, м/час Qплаз, л/мин Qподдув, л/мин

1 40 26 100 20 1,7 18 3 10

2 40 26 120 20 1,7 18 3 10

3 40 26 110 20 1,7 18 3 10

4 40 26 130 20 1,7 18 3 10

5 60 26 130 20 2,1 18 3 10

6 60 26 100 20 2,1 18 3 10

Таблица 2.4 - Размеры наплавленных валиков

№ валика Средняя ширина, мм Средняя высота, мм Отклонение по ширине, % Отклонение по высоте, %

1 5,3 2,7 14 19

2 7 2,3 9 7

3 6,3 2,6 19 6

4 7,6 2,3 4 6

5 8,2 2,6 7 12

6 5,9 3,2 12 13

По результатам визуально-измерительного контроля предварительно наплавленных валиков был выбран режим наплавки (режим 4), обеспечивающий максимальную стабильность геометрии по высоте и ширине валиков. По параметрам выбранного режима выполнена многослойная наплавка по двухдуговой схеме процесса. Стратегия заполнения при осуществлении плазменной наплавки по двухдуговой схеме процесса представлена на рисунке 2.10.

1

2

3

4

5

6

Рисунок 2.9 - Внешний вид наплавленных валиков. Нумерация соответствует номеру валика в таблицах 2.3 и 2.4

В процессе осуществления наплавки с целью повышения стабильности процесса потребовалось увеличение тока источника питания 1. Кроме того, для получения гарантированного сплавления слоев с подложкой был увеличен ток источника питания 2 на первые два слоя. При осуществлении непрерывной многослойной наплавки по мере повышении общей температуры образца производилось снижение тока источника питания 2. Параметры режима наплавки указаны в таблице 2.5. Внешний вид полученного образца (стенки) представлен на рисунке 2.11.

1 слой и последующие нечетные

начало слоя

окончание слоя

2 слой и последующие четные

начало слоя

• 1 с,

< /

* я

ОК( нчание слоя 4- 230 -►

Рисунок 2.10 - Стратегия нанесения материала при осуществлении многослойной плазменной наплавки по двухдуговой схеме

Таблица 2.5 - Параметры режима многослойной плазменной наплавки в контролируемой атмосфере по двухдуговой схеме осуществления процесса

№ слоя 1ипЬ А ишь В Iиm, А Uиm, В Упп, м/мин ^наш м/час Qпл, л/мин поддув, л/мин

1 50 26 150 29 1,7 18 3 10

2 50 26 140 28,5 1,7 18 3 10

3 50 26 130 27,9 1,7 18 3 10

4 50 25 125 27,7 1,7 18 3 10

5 50 25 115 26,7 1,7 18 3 10

6 50 25 110 26,4 1,8 18 3 10

7 50 25 110 25,4 1,8 18 3 10

8 50 24 105 25,4 1,8 18 3 10

9 50 24 105 25,5 1,8 18 3 10

10 50 24 105 25,5 1,8 18 3 10

Рисунок 2.1 1 - Внешний вид стенки, полученной многослойной плазменной наплавкой в контролируемой атмосфере по двухдуговой схеме осуществления

процесса

В рамках исследований показана возможность стабильного ведения процесса плазменной наплавки по двухдуговой схеме. Использование двухдуговой схемы процесса многослойной наплавки позволяет снижать суммарное тепловложение за счет регулирования тепловложения в проволоку и в изделие. При однодуговой схеме процесса общая мощность источника тепла расходуется одновременно на плавление проволоки и сплавление валиков. При двухдуговом процессе появляется возможность раздельного регулирования тепловложения в проволоку и в изделие для обеспечения плавления проволоки и сплавления валиков. Снижение тепловложения по сравнению с однодуговой схемой может достигать 10% и более [140].

Уменьшение тепловложения в изделие при наплавке с применением двухдуговой схемы оценивалось путем сравнения режимов однодуговой и двухдуговой наплавки аналогичных слоев. Мощность источника при наплавке по двухдуговой схеме будет определяться суммарной мощностью от двух источников питания:

0 = + 02,

где = 11 ■ и1 - мощность источника 1, Вт; 11 - ток дуги источника 1, А; и1 -напряжение на дуге источника 1, В; = 12 ■ и2 - мощность источника 2, Вт; 12 -ток дуги источника 2, А; и2 -напряжение на дуге источника 2, В.

Благодаря снижению мощности теплового источника, становится возможным изменения условий нагрева и охлаждения, что напрямую влияет на формирование структуры и механических свойств наплавляемого материала.

Таким образом, для определения предпочтительной технологической схемы для трехмерной печати прямой наплавкой проволокой рассматривались технологические схемы, использующие в качестве источника тепловой энергии плазменную струю. Для защиты зоны наплавляемого металла от воздействия окружающей среды использовалась локальная защита области наплавки и технологическая камера с защитной атмосферой инертных газов.

Установлено, что использование обратной полярности тока при плазменной наплавке не удовлетворяет требованиям по качеству формирования валиков.

Геометрические характеристики наплавляемых валиков из титанового сплава ВТ6св идентичны при использовании технологической камеры с инертным газом, и при использовании локальной защиты зоны наплавки.

Показана возможность стабильного ведения процесса многослойной плазменной наплавки в контролируемой атмосфере по двухдуговой схеме. В сравнении с однодуговой схемой процесса плазменной наплавки применение двухдуговой схемы позволяет снизить суммарное тепловложение на 10% и более.

2.4. Методики механических испытаний образцов сплава ВТ6св, полученных различными технологиями плазменной аддитивной наплавки

Механические испытания образцов титанового сплава ВТ6св на растяжение, ударный изгиб и трещиностойкость проводились в соответствии с представленными ниже методиками. Оцениваемыми параметрами являлись основные механические свойства титанового сплава ВТ6св (предел временного сопротивления, условный предел текучести, коэффициент трещиностойкости, ударная вязкость).

2.4.1. Методика проведения испытаний образцов на ударный изгиб

Проведение испытаний на ударный изгиб осуществлялось в соответствии с ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах».

Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом копра. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работу удара), или ударную вязкость. Таким образом, под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Размерность ударной вязкости: Дж/см2.

Испытания на определение значения ударной вязкости по Шарпи проводились в соответствии с рекомендациями стандарта (ГОСТ 9454-78) с использованием маятникового копра INSTRON МРХ450 (рис. 2.12).

Рисунок 2.12 - Установка INSTRON МРХ450

При испытаниях на ударный изгиб, проводимых на маятниковом копре, образец располагают на опорах, а копер с закаленной стальной ударной поверхностью определенного радиуса отпускают с заданной высоты, что

вызывает разлом образца от резкой нагрузки. Для маятниковых копров работу разрушения определяют по разнице между углом начального подъема маятника и углом подъема маятника после разрушения.

Испытания проводились на стандартных образцах с концентратором вида и, выполненных в соответствии с ГОСТ 9454-78. Эскиз стандартных образцов представлен на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Эскиз образцов c концентратором вида U

Испытания образцов на ударный изгиб и последующая обработка результатов испытаний проведены по стандартным методикам ГОСТ 9454-78.

2.4.2. Методика проведения испытаний образцов на определение характеристик трещиностойкости при статическом нагружении

Для выполнения испытания на трещиностойкость применена сервогидравлическая испытательная система ^^юп 8801. На рисунке 2.14 представлена фотография этой испытательной машины.

На испытательной машине 8801 проводились эксперименты по

определению характеристик трещиностойкости на компактных образцах с предварительно нанесённой трещиной в соответствие со стандартом ГОСТ 25.506-85 «Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения)

при статическом нагружении». К таким характеристикам относятся критические

*

коэффициенты интенсивности напряжений К1С, К С , Кс, КдТ, которые определяются на основе зависимости «нагрузка-смещение» или «нагрузка-прогиб».

Рисунок 2.14 - Сервогидравлическая испытательная система Instron 8801

Для измерения нагрузки в процессе эксперимента в комплекте к машине Instron 8801 входит электронный датчик Dynacell. Для измерения перемещений на образце используется датчик раскрытия трещины COD фирмы Instron

Для определения характеристик трещиностойкости для случая внецентренного растяжения используется прямоугольный компактный образец с предварительно нанесённой трещиной. Схема компактного образца с предварительно пророщенной трещиной представлена на рисунке 2.15 (а), где t =25 мм, b=50 мм, b1=62,5 мм, H=60 мм, 2a=0.55b, d=12,5 мм, l0=22,5-27,5 мм, e<2.4мм, h=20мм.

Для закрепления образцов в испытательной системе используется специальное приспособление, показанное на рисунке 2.15 (б).

а 6

Рисунок 2.15 - Схема компактного образца для испытания на трещиностойкость (а) и приспособление для крепления образцов (б): 1 - тяга машины; 2 - вилка; 3 -гайка фиксирующая; 4 - образец; 5 - палец; 6 - гайка; 7 - шайба; 8 - втулка

установочная

Испытания по определению характеристик трещиностойкости на компактных образцах с предварительно нанесённой трещиной и обработка результатов испытаний проведены в соответствии со стандартом ГОСТ 25.506-85 «Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении». Механические испытания для определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении проведены для двух образцов, отличающихся направлением вырезки из заготовки.

2.4.3. Методика проведения испытаний образцов на растяжение

Методика испытаний на растяжение разрабатывалась в соответствие с требованиями стандарта ГОСТ 1497-84. Эскиз образцов по ГОСТ, предназначенных для испытаний показан на рисунке 2.16, где 10=30 мм, 1=42 мм, 0=12 мм (захватные части образцов выполнены в виде резьбовых головок с резьбой М12).

[ Ш1 IV

Ь

V- 1 к

_. ._X______ ■

1 П

г ь >

%> ■ч 1

к

Рисунок 2.16 - Эскиз образцов для испытания с резьбовыми захватными

частями (тип IV)

Перед проведением испытаний производился замер образцов штангенциркулем. Образцы замерялись не менее, чем в трех местах по длине рабочей части. За начальную площадь поперечного сечения образца принимается наименьшее из полученных значений на основании проведенных измерений. Для определения относительного удлинения после разрыва на образцы маркером наносятся риски, между которыми проводится измерение для определения начальной расчетной длины 10.

После измерений образец устанавливается в захваты испытательной системы и на рабочую часть образца крепится экстензометр. Образец нагружается до разрушения его на две части, при этом происходит непрерывная запись на компьютер всех параметров испытания: усилие, перемещение, деформация и напряжение.

Обработка результатов осуществляется на основе записанных данных испытаний. Предел пропорциональности, модуль Юнга и условный предел

текучести определяются графически с использованием методик и рекомендаций, приведенных в стандарте ГОСТ 1497-84. Предел временного сопротивления определяется по наибольшему значению напряжений, зафиксированного в процессе испытания.

Длина образца, используемая в расчете относительного удлинения после разрыва, определялась посредством измерения штангенциркулем расстояния между предварительно нанесенными на образец рисками после соединения разрушенных частей образца по осевой линии. Величина относительного сужения после разрыва определялась по измерениям минимальных диаметров в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи штангенциркуля. Площадь поперечного сечения после разрыва образца определялась по средним арифметическим полученных значений.

Округление вычисленных значений механических характеристик проводилось в соответствии с таблицей в стандарте ГОСТ 1497-84.

Выводы по главе 2

Для выбора предпочтительной технологической схемы лабораторного стенда для послойного формирования заготовки по методу прямой наплавки с применением проволочного материала исследовались технологические схемы, использующие в качестве источника тепловой энергии плазменную струю. В качестве защитной атмосферы в лабораторных стендах использовалась локальная защита зоны наплавки и технологическая камера.

По результатам предварительных исследований, установлено, что при плазменной наплавке материала ВТ6св на обратной полярности тока валики формируются с неудовлетворительными требованиями по качеству поверхности и геометрическими характеристиками.

Найден предпочтительный режим трехмерной наплавки сплава ВТ6св, обеспечивающий минимальную волнистость боковой поверхности максимальную стабильность высоты валика, отсутствие пористости, несплавлений и трещин:

плазменная наплавка на прямой полярности тока в камере с защитной атмосферой, с погонной энергией теплового источника в пределах 180...200 Дж/м.

Возможность стабильного ведения процесса плазменной наплавки по двухдуговой схеме установлена в рамках исследований. Снижение тепловложения по сравнению с однодуговой схемой может достигать 10% и более.

Таким образом, показана возможность стабильного ведения процесса многослойной плазменной наплавки титанового сплава ВТ6св в контролируемой атмосфере по одно- и двухдуговой схемам.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6СВ, ПОЛУЧЕННОГО ПО ТЕХНОЛОГИИ МНОГОСЛОЙНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КАМЕРЕ С КОНТРОЛИРУЕМОЙ АТМОСФЕРОЙ

Для исследования формирования структуры наплавленных слоев титанового сплава ВТ6св было рассмотрено два варианта режимов плазменной наплавки, обеспечивающие различные термические циклы: режим 1 - наплавка в непрерывном цикле без остановки; режим 2 - наплавка с использованием послойного охлаждения до комнатной температуры.

3.1. Исследование сформированной структуры и свойств титанового сплава ВТ6св, полученного плазменной наплавкой по режиму непрерывного

цикла

Плазменная наплавка в защитной атмосфере инертных газов осуществлялась плазменной дугой прямого действия на токе прямой полярности. Наплавка материала осуществлялась по предварительно определенным оптимальным режимам в технологической камере, заполняемой аргоном. Охлаждение слоев при многослойной плазменной наплавке в режиме 1 не осуществлялось.

Внешний вид наплавленной стенки приведен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Вертикальная стенка, полученная в режиме непрерывной наплавки без охлаждения слоев

На рисунке 3.2 представлена макроструктура полученного металла (поперечное сечение). На макроструктуре хорошо прослеживается слоистое строение: видны границы термического влияния в виде узких темных горизонтальных полос. Микроструктура поперечного сечения демонстрирует крупные столбчатые первичные Р-зерна, которые эпитаксиально выросли от основания к верхней части образца (через 7-9 наплавочных слоев). Толщина этих зерен составляет от 1 до 3 мм и занимает преимущественно всю высоту образца.

Рисунок 3.2 - Макроструктура материала образца в поперечном сечении

На рисунке 3.3 приведены фотографии некоторых областей макроструктуры (х50) для выявления особенностей формирования микроструктуры наплавки.

Рисунок 3.3 - Области макроструктуры, х50

Микроструктура наплавленного металла является двухфазной с ориентацией а- и Р-фаз в виде характерного плетения. При этом четко выявляются границы исходной Р-фазы, зерно которой достаточно крупное (до нескольких мм).

В работе особое внимание при анализе микроструктуры формируемого материала уделялось областям микроструктуры на границах первичных Р-зерен, областям между слоями наплавки и областям внутри слоев наплавки. Для анализа структуры были выполнены фотографии микроструктуры при различных увеличениях *100, *200, *500. Области фотографировались согласно схеме участков, представленной на рисунке 3.4. Согласно рисунку 3.4 участок 1 характеризует область границ первичных Р-зерен, участок 2 - область между наплавленными слоями металла, участки 3 и 4 - микроструктура внутри слоя наплавленного металла. На рисунке 3.5 приведены фотографии участков мискроструктуры.

Рисунок 3.4 - Расположение участков при анализе микроструктуры наплавки в поперечном сечении

3 - внутренняя микроструктура слоя наплавленного металла

4 - внутренняя микроструктура слоя наплавленного металла

Рисунок 3.5 - Участки микроструктуры поперечного шлифа при увеличении *100, *200, *500

Микроструктура наплавленного металла, рассмотренная по характерным участка, состоит в основном из пластинчатых а-зерен (рис. 3.5 (1)), и игольчатых а, переплетенных с корзиночной структурой (рис. 3.5 (2-4)). В работах ученых сообщалось об аналогичном формировании микроструктуры при наплавке с использованием электронно-лучевой технологии [141] и лазерного аддитивного производства [142]. Хорошо известно, что наплавленный двухфазный титановый сплав в основном состоит из а', а и Р-фаз, и при высоких скоростях охлаждения образуется только а'-фаза. Микроструктуры и размер зерен в областях параллельных полос незначительно зависят от межпроходной температуры, возможно, из-за одинакового тепловыделения в одних и тех же местах внутри каждого слоя. Размеры исходных зерен Р-фазы в среднем от 0,5 до 2-3 мм, размеры внутризеренных пластинок корзинчатого плетения а- и Р-фаз - от 10 до 80 мкм. Наблюдаются также отдельные иглы (скорее всего остаточной а'- фазы) размером в среднем до 150 мкм (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Отдельные иглы остаточной а'- фазы

Измерения микротвердости материала осуществлялось в двух вертикальных направлениях от основания наплавки до верхних слоев в поперечном сечение На рисунке 3.7 показано изменение микротвердости, измеренной вдоль выбранных направлений. Статистические данные по результатам измерения микротвердости материала показаны в таблице 3.1.

Направление 1

Направление 2

Рисунок 3.7 - Изменения микротвердости материала в поперечном сечении

Таблица 3.1 - Статистические данные по микротвердости наплавленного образца

Значения микротвердости Направление 1 Направление 2 Общее

НУ 0,2 НУ 0,2 НУ 0,2

Средние 353,8 344,6 349,3

Минимальные 287,4 297,5 292,4

Максимальные 436,3 437,6 436,9

Среднеквадратичные отклонения 25,2 20,6 23,3

По результатам статистической обработки данных по измерениям микротвердости материала образца, полученного плазменной наплавкой в технологической камере с контролируемой атмосферой при непрерывной наплавке без послойного охлаждения определено среднее значение микротвердости материала 349 НУ 0,2. Разница результатов измерений микротвердости, определенных по первому и второму направлениям, не превышает среднеквадратичного отклонения, поэтому определение усредненного значения микротвердости для всего образца достаточно корректно.

На рисунках 3.8-3.11 представлены фотографии полученного наплавленного материала, показывающие сформированную структуру в продольных шлифах.

Макроструктура наплавленного материала показана на рисунке 3.8 (продольное сечение), на ней хорошо прослеживаются участки направленной кристаллизации преимущественно в центре образца - кристаллиты вытянуты в направлении перемещения источника тепла, при этом вблизи стенок образца этого не наблюдается (более равномерный теплоотвод, зерна равноосной формы).

Рисунок 3.8 - Макроструктура наплавленного образца в продольном

сечении

Анализ фотографий областей микроструктуры, представленных на рисунке 3.9 показал, что внутри первичных Р-зерен также, как и на поперечных шлифах, наблюдается полосчатость, связанная, скорее всего, с преимущественной ориентировкой перекристаллизованной микроструктуры.

Рисунок 3.9 - Области микроструктуры, х50 Для анализа особенностей формирования структуры материала были рассмотрены снимки фрагментов микроструктуры при увеличении х100, х200 и х500. Снимки фиксировались по участкам 1-4, показанным на рисунке 3.10. (области для снимков выделены желтым цветом).

Рисунок 3.10 - Расположение участков снимков для анализа микроструктуры в продольном сечении: 1 - область границ первичных Р-зерен; 2 - область между наплавленными слоями металла; 3 и 4 - микроструктура внутри

слоя наплавленного металла

Ниже на рисунке 3.11 приведены фотографии микроструктуры наплавок в продольном сечении по следующим выделенным участкам.

3 - микроструктура внутри слоя наплавленного металла

4 - микроструктура внутри слоя наплавленного металла

Рисунок 3.11 - Участки микроструктуры продольного шлифа при увеличении *100, *200 и *500

Как и в поперечном сечении наплавки, в продольном сечении размеры исходных зерен Р-фазы составляют в среднем до 3 мм. Прослеживается наличие длинных игл мартенситной а'-фазы.

Измерения микротвердости образца, вырезанного в продольном направлении, осуществлялось аналогично в двух вертикальных направлениях от основания наплавки до верхних слоев. На рисунке 3.12 показано изменение микротвердости, измеренной вдоль выбранных направлений. Статистические данные по результатам измерения микротвердости материала показаны в таблице 3.2.

Направление 1

Направление 2

Рисунок 3.12 - Изменение микротвердости материала на продольных

шлифах

Таблица 3.2 - Статистические данные по микротвердости наплавленного образца

Значения микротвердости Направление 1 Направление 2 Общее

НУ 0,2 НУ 0,2 НУ 0,2

Средние 351,6 363,7 357,9

Минимальные 308,2 308,4 308,,3

Максимальные 446,7 467,0 456,5

Среднеквадратичные отклонения 20,7 26,4 25

По результатам статистической обработки данных по измерениям микротвердости материала образца, наплавленного в технологической камере с защитной атмосферой при непрерывной наплавке без послойного охлаждения,

определено среднее значение микротвердости материала в продольном сечении, которое составляет 357 НУ 0,2.

В таблице 3.3 приведено сравнение микротвердости наплавленного металла ВТ6св в продольном и поперечном сечении наплавки. Очевидно, что разница не превышает среднеквадратичного отклонения, и, следовательно, микротвердость металла ВТ6св после аддитивной плазменной наплавки в камере с регулируемой атмосферой при прямой полярности (непрерывная наплавка без межслойного охлаждения) составляет 353 НУ0,2. В таблице 3.4 сгруппированы результаты испытания механических свойств полученного сплава.

Таблица 3.3 - Микротвердость наплавленного металла ВТ6св вне зависимости от сечения шлифа

Общее значение микротвердости

ИУ 0,2

Среднее 353,3

Минимальное 299,3

Максимальное 446,5

Среднеквадратичное отклонение 24,3

Таблица 3.4 - Механические свойства сплава, полученного при плазменной наплавке в камере с контролируемой атмосферой без послойного охлаждения

Номер образца ов, МПА 5, % V, % ^^ кДж/м2

1 670 5,8 18,4 630

2 680 6,2 19,5 590

3 650 5,9 14,6 530

Результаты механических испытаний наплавленного металла показали невысокие значения прочностных характеристик, однако ударная вязкость и пластичность находятся на достаточно высоком уровне.

3.2. Исследование сформированной структуры и свойств титанового сплава ВТ6св, полученного плазменной наплавкой по режиму с послойным

охлаждением до комнатной температуры

Для исследования структуры и свойств материала, сформированного аддитивной плазменной наплавкой по режиму с охлаждением каждого слоя до комнатной температуры получены образцы в виде стенок, показанных на рисунке 3.13.

Макроструктура образца поперечного сечения показана на рисунке 3.14. Анализ макроструктуры показал слоистое строение материала в нижней части наплавки. Границы слоев просматриваются как горизонтальные полосы. В верхней части образца характерные полосы зоны термического влияния не прослеживаются. Вероятно, это связано с тем, что верхняя область была полностью отожжена последним проходом источника тепла и не подвергалась дальнейшему воздействию термического цикла [143-144]. По представленной на рисунке 3.14 макроструктуре идентифицируется прорастание зерен через наплавочные слои (транскристаллизация), вызванное перегревом металла при наплавке. Несмотря на то, что эффект транскристаллизации несколько снижается (до 5 слоев) наблюдается рост первичных Р-зерен размером примерно 3.. .9 мм и, как следствие, формирование грубой структуры.

Рисунок 3.13 - Внешний вид стенок, наплавленных в режиме с послойным охлаждением наплавленного металла.

Рисунок 3.14 - Макроструктура наплавленного материала

Для анализа структуры были выполнены фотографии микроструктуры при разном увеличении (*100, *200, *500). Фотографирование производилось по участкам шлифа согласно рисунку 3.15: участок 1 - область границ первичных Р-зерен, участок 2 - область между наплавленными слоями металла, участки 3 и 4 -микроструктура внутри слоя наплавленного металла. На рисунке 3.16 приведены фотографии участков мискроструктуры.

Рисунок 3.15 - Расположение участков для анализа микроструктуры

1 - область границ первичных в-зерен

2 - область между наплавленными слоями металла

3 - микроструктура внутри слоя наплавленного металла

4 - микроструктура внутри слоя наплавленного металла

Рисунок 3.16 - Участки микроструктуры при увеличении х100, х200 и х500

В результате плазменной наплавки материала с охлаждением слоев до комнатной температуры формируется неоднородная структура материала. В процессе наплавки металла резкие градиенты температуры и многократные термические циклы способствуют изменениям микроструктуры. Исследуемый сплав ВТ6св имеет различную микроструктуру в зависимости от условий охлаждения при переходе в ^ а, а также при обратных превращениях при повторном нагреве.

Анализируя макроструктуру образца поперечного сечения стенки наплавленного материала можно наблюдать в нижней части образца определенную полосчатость (рис. 3.14). В верхней части снимка такой полосчатости не наблюдается. Появление выявленных полос вероятно связано с дополнительным температурным воздействием вследствие наложения последующих слоев. Отсутствие в верхней части образца данной полосчатости может свидетельствовать о том, что полосы возникают не при затвердевании слоев, а при дополнительным тепловом воздействии, вызванным последовательным подводом тепла при формировании новых слоев. Данный факт подтвержден работой [145]: горизонтальная полосатость возникает не в процессе затвердевания наплавленного материала, а позже в результате дополнительного отжига, вызванного последовательным подводом тепла к новым слоям.

Быстрое охлаждение приводит к образованию мартенситной структуры, прослеживается грубая пластинчатая структура, отмечается наличие длинной игольчатой фазы а' со средним размером до 200 мкм.

Измерения микротвердости образца осуществлялось аналогично в двух вертикальных направлениях от основания наплавки до верхних слоев. Анализ графического представления результатов микротвердости, измеренной вдоль выбранных направлений, существенного изменения микротвердости не выявил. Среднее значение микротвердости материала, определенное по статистической обработке результатов составляет 367 НУ 0,2.

Полученные механические свойства материала (таблица 3.5), наплавленного по режиму 2 характеризуются удовлетворительными значениями прочности металла, но невысокими пластичности.

Таблица 3.5 - Механические свойства сплава, сформированного плазменной наплавкой по режиму с охлаждением каждого слоя до комнатной температуры

Номер образца 1 2 3 4 5 6 7

ов, МПА 752 743 720 723 745 750 730

5, % 8,3 4,4 4,9 4,9 6,8 5,2 8,2

V, % 13,1 11,9 18,3 12,4 17,8 12,8 16,7

Выводы по главе 3

Анализ результатов исследования образцов рассматриваемого сплава ВТ6св, сформированных плазменной наплавкой в двух исследуемых режимах -по непрерывному циклу и с охлаждением слоев до комнатной температуры показали безусловное влияние термического цикла на формирование структуры и свойств материала наплавки. Продолжительное нахождение материала при повышенных температурах активизирует процессы диффузии, что позволяет

беспрепятственно прорастать первичным в-зернам, формируется крупнозернистая в-структура, которая затем наследуется при охлаждении. Крупнозернистая структура приводит к формированию пониженных механических характеристик.

При высокой скорости охлаждения происходит процесс образования закалочных структур, формируется крупноигольчатый а'-мартенсит, который потом не трансформируется при воздействии нагрева от последующих слоев. Реализуются неблагоприятные термические циклы, что приводит к ухудшению получаемых микро- и макроструктур, к снижению характеристик пластичности. Таким образом, рассмотренные режимы плазменной наплавки приводят к формированию грубой структуры с прорастанием в-зерен через 7-9 наплавочных слоев и образованию крупных игл а'-мартенсита со средним размером до 200 мкм.

Полученные результаты предварительных исследований структуры, механических характеристик и микротвердости наплавленного титанового сплава ВТ6св подтверждают необходимость управления термическим циклом наплавки ввиду значительного влияния скорости охлаждения материала при наплавке на формирование структуры.

ГЛАВА 4. ВЫБОР ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6св

С ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В главе 4 представлен выбор предпочтительного термического цикла аддитивной плазменной наплавки рассматриваемого титанового сплава по структурным и прочностным характеристикам с применением математического моделирования.

Определение и выбор предпочтительного термического цикла аддитивной плазменной наплавки был основан на теории тепловых процессов при сварке, сформулированной Н.Н. Рыкалиным. Также принимались во внимание закономерности свариваемости двухфазных титановых сплавов, в частности, чувствительность к термическим циклам сварки, и данные по структурным и прочностным критериям наплавленного металла [146, 147].

Влияние термических циклов сварки на изменение механических свойств двухфазных титановых сплавов хорошо изучено в работах Э.Л.Макарова [148], А.Г.Илларионова [46]. Свойства металла определяются получаемой структурой, формирование которой в свою очередь будет зависеть от скоростей охлаждения материала. Предпочтительные скорости охлаждения для каждого сплава определяются в зависимости от количества легирующих элементов в сплаве, от стабильности ß-фазы и кинетики ее распада. В рассматриваемой работе [46] рекомендуется уменьшать величину скорости охлаждения с увеличением степени легирования (a+ß)-сплава. Для рассматриваемого сплава системы Ti-Al-V скорость охлаждения, по мнению авторов [46, 146-149], не должна превышать 40°С/с.

Для поиска параметров предпочтительного термического цикла плазменной наплавки использовалась математическая модель распределения температур при сварке непрерывно-действующим подвижным нормально-круговым источником [150-151]. Многослойность и протяженность наплавки предполагает возможность

охлаждения за счет теплообмена с окружающей средой. В связи с этим расчеты производились по модели с общим предварительным подогревом, учитывающей теплообмен с окружающей средой. Математическая модель распределения температур Т при данных условиях и математическая модель для расчета скорости охлаждения W с учетом теплообмена с окружающей средой будут описываться выражениями:

ЛГ+Л(

Зср'^Г^

■ ь

- -г

■т ■ ф '

■гхг

л^- V-! - ;

я. =- 5

<=- гп-ь --ип

-Ь-1

С!

- -о-Ь-^р-Ь-ц

,(2)

где q - мощность дуги, Вт; V - скорость наплавки, м/с; t - текущее время после окончания действия источника, с; ^ - время действия фиктивного источника, обеспечивающего нормальное распределение мощности по диаметру пятна нагрева, с; с - удельная теплоемкость свариваемого материала Дж/(К*кг); а

2 3

- коэффициент температуропроводности, м/с; р- плотность материала кг/м ; т -время (переменная интегрирования), с; L - толщина слоя, м; То - температура общего подогрева, К; Ь - коэффициент температуроотдачи, 1/с; Ш - текущее время, изменяющееся от ^ до ^ с; для расчетов в качестве температур общего подогрева (температуры предыдущего слоя при наложении следующего) приняты значения температур в диапазоне 20...800°С; температура 20°С - расчетная температура слоя заготовки при осуществлении наплавки с охлаждением каждого слоя до комнатной температуры; температура 800°С принята как предположительная температура нагрева заготовки в процессе непрерывной наплавки при наложении последующего слоя.

На рисунке 4.1 приведена численная реализация зависимости температуры от времени, иллюстрирующие изменения температуры при плазменной наплавке с различными температурами предыдущих слоев при наложении последующих.

Рисунок 4.1 - Термические циклы наплавки сплава ВТ6св, Т,К - ^с: 20°С - температура заготовки при осуществлении наплавки с охлаждением каждого слоя до комнатной температуры; 100°С, 150°С, 300°С, 350°С, 500°С -температуры предыдущего слоя при наложении последующего; 800°С -температура заготовки в процессе непрерывной наплавки при наложении

последующего слоя

По представленным на рисунке 4.1 термическим циклам видно, что при непрерывном проведении процесса наплавки при расчетной температуре слоя подложки 800°С, которая используется для расчетов, с медленным постепенным охлаждением, нанесенный материал остается в интервале температур полиморфного превращения в течение достаточно длительного периода (приблизительно 60 с). Интервал температур полиморфного превращения для данного сплава - Тпп (900-700°С). В таких условиях происходит процесс высокотемпературной диффузии, образуется грубая структура материала. При наплавке с охлаждением слоев до комнатной температуры происходит быстрое охлаждении с высокой скоростью, соответствующее закалке материала, с

образованием крупных игл мартенситной фазы а' в пределах первичного Р-зерна. На рисунке 4.2 показан период времени пребывания наплавленного материала ВТ6св в интервале температур полиморфного превращения для разных вариантов расчетов термических циклов.

Время, с

О 200 400 600 800 1000

Температура, °С

Рисунок 4.2 - Время пребывания наплавленного материала ВТ6св в интервале температур полиморфного превращения (Тпп (900-700°С))

Зависимость скорости охлаждения от предположительной температуры предыдущих слоев при наложении следующих представлена на рисунке 4.3.

-'—-

1М мо Мб «а ад а» ;об «к

т,°с

Рисунок 4.3 - Зависимость скорости охлаждения W (°С/с) от температуры Т (°С) предыдущих слоев при наложении последующих при плазменной наплавке

титанового сплава ВТ6св

Объединяя и учитывая выводы и рекомендации работ [46,146-149] относительно диапазона скорости охлаждения для сплава системы ТьЛ1-У (не более 40°С/с) и полученную по математическим моделям (1) и (2) зависимость скорости охлаждения от предположительной температуры предыдущих слоев при наложении последующих (рисунок 4.3), можно зафиксировать, что предыдущий слой необходимо охлаждать до температуры из диапазона 250-300°С. Данный температурный интервал охлаждения предыдущего слоя будет обеспечивать рекомендуемый [46,146-149] для рассматриваемого сплава интервал скоростей охлаждения. Величины скоростей охлаждения при этом будут находится в пределах рекомендуемого [46,146-149] диапазона 30-40°С/с.

Представленные выводы согласуются с данными термокинетической диаграммы фазовых превращений в сплаве Ть6Л1-4У [146], приведенной на рисунке 4.4, с диаграммой изменения механических свойств в околошовной зоне в зависимости от скорости охлаждения в интервале 900-700°С [147], приведенной на рисунке 4.5., а также с результатами работы [147], в которой по данным ученого М.Х. Шоршорова определено, применительно к сварке, что для рассматриваемого сплава скорость охлаждения должна быть не более 40°С/с. Оптимальный термический цикл в вышеуказанной работе был определен с учетом получения высоких прочностных и пластических свойств материала.

мое

1300 п И+П

_ XL ' ____ _____ XI ______ ____ _

1200 1100 о

АЛ

R Л \

1000 Р i V ■ £¿4(1

900 800 М, L U •

V а* я

(Г а

700 Л \

600 \

А \

500 [этг Ж J30 г 330 зоо г$5

лоо L i

Time (, s

Рисунок 4.4 - Термокинетическая диаграмма фазовых превращений в сплаве

Ti-6Al-4V [146]

Рисунок 4.5 - Диаграмма изменения механических свойств сплава ВТ6 в околошовной зоне в зависимости от скорости охлаждения в интервале 900-700°С

[147]

Режимы охлаждения до предпочтительных температур определяются по графику зависимости времени охлаждения слоя до соответствующей температуры слоя (рисунок 4.6).

Анализ полученных данных и математических моделей позволяет определить термический цикл для процесса плазменной аддитивной наплавки сплава ВТ6св, который будет обеспечивать скорости охлаждения в рекомендуемом диапазоне и в интервале температур ниже температур полиморфного превращения (900-700°С); температура предыдущего слоя должна находиться в интервале 250-300°С.

Рисунок 4.6 - Зависимость времени охлаждения слоя t (с) до соответствующей температуры Т (°С) при плазменной наплавке титанового

сплава ВТ6св

Также для определения режимов охлаждения титанового сплава ВТ6св при ЭЭ-печати образцов методом плазменной наплавки проволочного материала была применена математическая модель процесса и выполнена ее численная реализация в конечно-элементном пакете ANSYS.

Для решения задачи применялась технология удаления и дальнейшего появления части материала, изначально отсутствующего в модели, а затем возникающего в процессе аддитивной наплавки [152,153]. Поскольку наращивание материала происходит поэтапно, на каждом этапе решается краевая задача теплопроводности, причем результат решения предыдущего этапа служит начальным условием для последующего.

На каждом последующем этапе решения математическая постановка краевой задачи нестационарной теплопроводности по определению полей температур Т(хД) в области V с границей S включает в себя уравнения теплопроводности (3), граничных (4) и начальных (5) условий [152]:

уравнение теплопроводности: дТ

р (х) с (х, Т)— = сНу (л (х, Т) grad (г)) + р (х) д(х, О х е ^

где р(х) - плотность материала; с(х,Т) - теплоемкость материала; ^(х,Т) -теплопроводность материала; q(x,t) - удельная мощность внешнего источника тепла.

граничные условия:

Л

г2

-Л( x,T) grad (T) • n = h(T) • (T - Tc (t)) + ¿*j0 (T )4 + J -f cos0dSk, x e Sk

Sk Г ,(4)

I-1

J cos ddSk

где выражения правой части h(T)^(T-Tc(t)), sa0(T)4 и S"r описывают

соответственно конвективный теплоперенос, излучение (закон Стефана-Больцмана) и облученность от дуги плазмы. начальные условия:

т (х> ки ) = Тк-1(х) х еУк (5)

где Т(хД0,к) - начальная температура для этапа к, Тк-1(х) - температура предыдущего этапа (к-1).

При численной реализация модели использован алгоритм, реализованный в конечно-элементном пакете ANSYS [153], заключающийся в добавлении или удалении элементов из модели по мере численной реализации модели. Технология активации и деактивации элементов позволяет добавлять и удалять элементы по мере реализации моделирования, в данном случае при моделировании процесса наплавления материала. Расчет разбивается на этапы, имитируя нанесения слоев. На первом этапе формируется конечно-элементная модель наплавляемого изделия, разделенная на отдельные слои. Далее элементы деактивируются, учитывая их отсутствие в начале процесса наплавки. На следующем этапе определенным ячейкам присваиваются значения теплофизических характеристик, и происходит непосредственно локальный расчет, имитирующий нанесения слоя.

Система уравнений (3) - (5) представляет собой математическую модель процесса формирования тепловых полей при плазменной аддитивной наплавке, а на рисунках 4.5, 4.6 показана ее численная реализация для одного из режимов со следующими параметрами: мощность 1.8 кВт; скорость движения плазмотрона - 7 мм/с; длина наплавляемой стенки - 240 мм; ширина наплавляемой стенки - 16 мм; в наплавляемом слое три валика; число слоев - 7; высота валика - 2.5 мм. Направления наплавки валиков в слое чередуются (первый валик - вперед, второй - назад, третий - вперед). На первом и последующих слоях проходы идентичны. Паузы для охлаждения предусмотрены после наплавки каждого слоя. Задача решалась для определения времени остывания между наплавкой слоев, обеспечивающих снижение максимальной температуры на момент начала наплавки последующего слоя не более заданной Т*=250°С. Первоначально требуется нанести поверхностный слой, который затем подвергается процессу охлаждения в течение 300 секунд. По предварительным расчетам, этого времени

достаточно для снижения максимальной температуры до уровня ниже 250°C. Затем определяется точное время остывания, соответствующее условию Tmax=T*. Данное время закладывается как исходное данное в расчет наплавки и охлаждения последующих слоев.

На рисунке 4.8 показана зависимость максимальной температуры от времени, на этапе остывания слоя 1 (время остывания 138 с) и слоя 7 (время остывания 212 с), на рисунке 4.7 - график зависимости требуемого времени охлаждения (с) от номера слоя для установленного режима наплавки.

Т, С но 200 150 100

о

Но мер слоя

Рисунок 4.7 - Конечно-элементный аналог и график зависимости требуемого времени охлаждения (с) от номера слоя

Рисунок 4.8 - Зависимость максимальной температуры (°С) от времени на этапе остывания слоя 1 (время остывания 138 с) и слоя 7 (время остывания 212с)

Выводы по главе 4

Анализ полученных данных и математических моделей позволяет определить термический цикл для процесса плазменной аддитивной наплавки сплава ВТ6св, обеспечивающий невысокие скорости охлаждения в диапазоне температур ниже температур полиморфного превращения титанового сплава данного типа (900-700°С), температура предыдущего слоя при этом должна находиться в интервале 250-300°С.

Таким образом, был определен предпочтительный термический цикл плазменной наплавки, обеспечивающий формирование дисперсной структуры и требуемый уровень механических свойств титанового сплава ВТ6св с использованием математического моделирования. При этом основным регулирующим параметром процесса является длительность межслойного охлаждения.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ,

МИКРОСТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВА, СФОРМИРОВАННОГО ПЛАЗМЕННОЙ АДДИТИВНОЙ НАПЛАВКОЙ С КОНТРОЛЕМ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА

В главе приведены результаты проведенных исследований следующих вариантов аддитивной плазменной наплавки с использованием титановой проволоки ВТ6св в качестве формирующего материала:

1) плазменная наплавка с использованием локальной защитой;

2) плазменная наплавка в технологической камере с контролируемой атмосферой по однодуговой схеме процесса;

3) плазменная наплавка в технологической камере с контролируемой атмосферой по двухдуговой схеме процесса.

5.1. Анализ структуры и механических свойств исследуемого материала при наплавке с применением локальной защиты

На рисунке 5.1 показана макроструктура наплавленного материала в поперечном сечении. Макроструктура образца в поперечном сечении металла, полученного по данной технологии, более однородная. Наблюдается транскристаллизация, выраженная прорастанием первичных Р-зерен.

На рисунке 5.2 приведены области снимков фрагментов макроструктуры для исследования формирования микроструктуры в поперечном сечении наплавки.

Рисунок 5.1 - Макроструктура поперечного сечения образца, полученного плазменной наплавкой по режиму определенного термического цикла и с

локальной защита материала

область 7

область 8

область 9

Рисунок 5.2 - Области макроструктуры, х50

Для подробного изучения особенностей формирования структуры материала были рассмотрены снимки фрагментов микроструктуры при увеличении х100, х200 и х500 (рисунок 5.3). Снимки фиксировались в областях 5, 7, 9, показанных на рисунке 5.2, для рассмотрения структуры в зонах границ между слоями наплавки и границ между исходными зернами Р, а также внутри слоя наплавленного материала.

Структура в пределах наплавленного слоя, область 9

Структура по границам слоев наплавки, область 5

»(V. ¿у

'ЛА' ^ Л . ¡Г^ТА ' / ' ч\ •¿¡ГА,' - Л 50 мкм

Структура на границах первичных зерен Р, область 7

Р-3*«м ¿г 0.« ум

50 мклГ"' |

-* 1 ■ 1

Рисунок 5.3 - Фрагменты микроструктуры различных участков наплавленного металла при увеличении х100, х200, и х500

Внутрезеренное строение металла, полученного по данной технологии, более дисперсное. Наблюдается распад а'-фазы, т.е. микроструктура представлена сочетанием а, а' и в фаз. В переходной зоне между слоями происходит частичная коагуляция а-фазы. Можно выделить два вида внутризеренного строения: с

преимущественной ориентировкой и более крупными пластинками а и а' фаз и с разноориентированным строением пластин меньшей дисперсности.

Микротвердость материала определялась на поперченном шлифе вдоль направления наплавки (снизу-вверх). На рисунке 5.4 показано графическое представление изменения микротвердости вдоль направления измерений.

6СО.О

•ч

Н, мм

Рисунок 5.4 - Изменение микротвердости наплавленного металла

Анализ графического представления и статистической обработки результатов измерения микротвердости (таблица 5.1) показал, что изменения результатов находятся в рамках среднеквадратичного отклонения. На основании анализа определено среднее значение микротвердости материала, составляющее 432 НУ 0,2.

Таблица 5.1 - Статистические данные измерения микротвердости

Значения Общее

микротвердости

НУ 0,2

Средние 432,3

Минимальные 364,0

Максимальные 603,1

Среднеквадратичные 29,2

отклонения

Таким образом, использование локальной защиты при наплавке рассматриваемого материала по режиму определенного предпочтительного термического цикла способствует обеспечению свойств прочности и

л

пластичности на уровне требуемых (ав 820-840 МПа, КСи 380..420 кДж/м ).

5.2. Анализ структуры и механических свойств исследуемого материала при наплавке в технологической камере по однодуговой схеме процесса

Внешний вид стенки, полученной по технологии плазменной наплавки в технологической камере с выбранным предпочтительным термическим циклом по однодуговой схеме, и макроструктура наплавленного материала показаны на рисунке 5.5. Макроструктура наплавленного материала (поперечное сечение) демонстрирует транскристаллитное строение, прослеживается прорастание зерен в (контуры зерен в выделены желтым цветом на рисунке 5.5, б) через наплавочные слои, но не более чем через 2 слоя наплавки (прорастание через слои наплавки показано на рисунке 5.5, б стрелками).

а б

Рисунок 5.5 - Фотографии стенки (а) и макроструктура наплавленного

титанового сплава ВТ6св с контурированием границ первичных Р-зерен (б), полученного технологией плазменной наплавки в контролируемой атмосфере

(поперечное сечение, х50)

На рисунке 5.6 показаны области (1-6), выбранные для получения снимков микроструктуры, с целью изучения формирования структуры наплавленного