СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ Российский патент 1998 года по МПК C22F1/10 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к локальной термической обработке сварных соединений из высокопрочных сплавов на никелевой основе, работающих в условиях вибрации, высоких температур и агрессивных сред.

Изделия, выполненные из этих сплавов и работающие в экстремальных условиях, представляют собой сложные конструкции со значительным количеством сварных швов. Структура этих швов неоднородна и представляет собой структуру литого металла. Кроме того, в процессе сварки в швах и околошовной зоне после сварки возникают напряжения, которые могут привести к появлению трещин. Наличие сварных соединений в изделиях требует их обязательной термической обработки. Последний шов в связи со сложностью конструкции изделия можно обработать только методом локального нагрева.

Известен способ снятия остаточных напряжений в сварных швах из высокопрочных сплавов посредством низкотемпературной термообработки с помощью специальных многопламенных горелок (журнал "Автоматическая сварка", 1972, N 2, с. 41 - 42). Однако при указанной технологии термообработки не удается изменить как структуру сварного шва, так и структуру околошовной зоны (зоны термического влияния). Зерно в этих местах имеет больший размер в сравнении с основным металлом.

Известен способ термической обработки сварных соединений из высокопрочных сплавов на никелевой основе, включающий предварительную термическую обработку за счет их нагрева до температуры 1160 - 1180^oC, выдержку в течение 2 ч и закалочное охлаждение, а также последующую термообработку, заключающуюся в закалке с температуры 1000 - 1050^oC, выдержке в течение 4 ч и стабилизирующем отжиге.

Известный способ позволяет получить сварное соединение с металлокристаллической структурой и значительно уменьшить ликвационную неоднородность металла шва, однако не позволяет изменить структуру литого сварного соединения и устранить структурную неоднородность в нем. Это обстоятельство может привести к возникновению трещин в сварном соединении и разрушению изделия в процессе эксплуатации.

Задача изобретения - создание технологии термической обработки сварных соединений из высокопрочных сплавов на никелевой основе, обеспечивающей получение структуры сварного шва и зоны термического влияния, однородной со структурой основного металла.

Задача решена за счет того, что предварительный нагрев осуществляют в вакууме путем локального воздействия на сварное соединение высокотемпературной импульсной плазмой с плотностью энергии струи 1•10⁵ - 1•10⁶ Вт/см² в течение 1•10^-5 - 1•10^-6 с, обеспечивающего расплавление литого сварного шва и его кристаллизацию с образованием структуры, однородной основному металлу, а последующую термическую обработку проводят путем нагрева сварного соединения до температуры (1050 - 1100) ± 10^oC с выдержкой при ней в течение 15 - 20 мин и охлаждения на воздухе.

Технический результат - устранение структурной неоднородности сварных соединений из высокопрочных сплавов на никелевой основе, предотвращающее возникновение в них трещин.

Способ, согласно изобретению, осуществляют следующим образом.

Автоматической аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом сваривают пластины со сварным швом посредине из высокопрочных сплавов на никелевой основе. Далее каждую пластину с обеих сторон в зоне сварного соединения подвергают воздействию высокотемпературной импульсной плазмой. Для этого пластину помещают в вакуумную камеру, в которой создают вакуум 1•10^-4 - 1•10^-5 мм рт. ст. , образуют газовую плазменную струю и направляют ее в зону сварного соединения. Плазма - ионизированное состояние газа. Ее создают с помощью устройства с накапливаемой в конденсаторной батарее электрической энергией высокой мощности. При разрядке батареи объем газа полностью ионизируется, образуя плотный плазменный поток, который устремляется к сварному соединению. Диаметр потока плазмы соответствует ширине сварного соединения. Время взаимодействия составляет 1•10^-5 - 1•10^-6 с, а плотность энергии струи - 1•10⁵ - 1•10⁶ Вт/см². Выбор оптимальных режимов плазменной обработки определяется требованием получения заданной структуры сварного соединения, глубиной его проплавления и свойствами сплава. За время воздействия плазмой происходит расплавление шва и околошовной зоны, а при охлаждении - кристаллизация с получением в структуре зерна, однородного основному металлу. Локальную плазменную обработку проводят за несколько импульсов (выстрелов), в сумме обеспечивающих полный переплав сварного соединения. Количество импульсов подбирают экспериментально.

После проведенной обработки плазмой пластины подвергают дальнейшей термообработке для снятия напряжений в сварном соединении. Для этого нагревают на воздухе 1•10^-2 мм рт.ст. до температуры ниже температуры начала собирательной рекристаллизации сплавов. Для высокопрочных сплавов на никелевой основе такая температура составляет (1050 - 1100)±10^oC, время выдержки при ней 15 - 20 мин. Охлаждение проводят на воздухе. Выбор указанных режимов является оптимальным для снятия напряжений в высокопрочных сплавах на никелевой основе.

Микроструктурный анализ сварных соединений обработанных пластин показал, что их поверхность приобрела характерный блеск с высокой отражательной способностью, а микроструктура шва и околошовной зоны имеет мелкое зерно порядка 6 - 9 баллов, однородное со структурой основного металла. Изменение структуры литого шва в кристаллическую происходит за счет протекания процесса расплавления материала шва при высокотемпературном нагреве и его кристаллизации при охлаждении. Варьирование размера зерна определяется предварительным подбором режимов плазменной обработки сварных соединений.

Пример 1. Сварная пластина размером 60 • 5 мм выполнена из сплава на никелевой основе (ЭП-202). Ширина сварного шва составляла 3 мм, глубина 5 мм. Пластину подвергали воздействию в вакуумной установке газовой импульсной плазмой. Величина вакуума 1•10^-4 мм рт.ст., рабочий газ - азот. Струю плазмы направляли на сварное соединение. Было осуществлено пять выстрелов (импульсов) с плотностью энергии в каждом 7•10⁵ Вт/см² и временем воздействия каждого выстрела 6•10^-5 с. Далее пластину после охлаждения подвергали дальнейшей термообработке при температуре 1050 ± 10^oC и выдержке 15 мин с последующим охлаждением на воздухе. Нагрев осуществляли в печи.

Микроструктурный анализ показал, что поверхность сварного соединения ровная и блестящая, а структура шва околошовной зоны имеет мелкозернистый характер с размером зерна 7 - 8 баллов и близка к структуре основного метала пластины. Искажений кристаллической решетки в сварном соединении не отмечено.

Пример 2. Сварная пластина размером 60 • 8 мм выполнена из сплава марки ЭП-202. Ширина сварного шва составляла 5 мм, глубина 5 мм. Пластину подвергали плазменной обработке в вакууме 1•10^-4 мм рт.ст. Рабочий газ - азот. Было осуществлено пять выстрелов (импульсов) с плотностью энергии в каждом 1•10^-6 Вт/см² и временем воздействия каждого выстрела 6•10^-5 с. Далее пластину нагревали в печи до температуры 1100 ± 10^oC, выдерживали при ней в течение 20 мин и охлаждали на воздухе.

Поверхность сварного шва была ровной и блестящей, а структура - кристаллической с размером зерна 6 - 7 баллов, однородной со структурой основного метала. Искажений кристаллической решетки в сварном соединении не обнаружено.

Пример 3. Термической обработке подвергали сварную пластину из сплава ЭП-202 размером 60 • 5 мм, шириной сварного шва 3 мм и его глубиной 5 мм. Пластину обрабатывали импульсной плазмой. Величина вакуума 1•10^-5 мм рт.ст., рабочий газ - водород. Было осуществлено пять выстрелов, причем с одной стороны с плотностью энергии 7•10⁵ Вт/см², с другой 6•10⁵ Вт/см². Время воздействия 6•10^-5 с. Далее пластину термообрабатывали по режиму, описанному в примере 1. Поверхность сварного шва была ровной и блестящей, а структура - кристаллической с размером зерна 7 - 8 баллов, однородной со структурой основного металла. Искажений кристаллической решетки в сварном соединении не обнаружено.

Изобретение может быть использовано в энергетическом машиностроении, в частности при термической обработке сварных соединений из высокопрочных сплавов на никелевой основе, работающих в условиях вибрации, высоких температур и агрессивных сред. Способ включает предварительный локальный нагрев сварных соединений в вакууме путем воздействия на сварное соединение высокотемпературной импульсной плазмой с плотностью энергии струи 1•10⁵-1•10⁶ Вт/см² в течение 1•10^-5-1•10^-6 с, обеспечивающего расплавление литого сварного шва и его кристаллизацию с образованием структуры, однородной основному металлу, и последующую термическую обработку, осуществляемую путем нагрева сварного соединения до температуры (1050-1100)+10°С с выдержкой при ней в течение 15-20 мин и охлаждениям на воздухе.

Способ термической обработки сварных соединений из высокопрочных сплавов на никелевой основе, включающий их предварительный нагрев и последующую термическую обработку, отличающийся тем, что предварительный нагрев осуществляют в вакууме путем локального воздействия на сварное соединение высокотемпературной импульсной плазмой с плотностью энергии струи 1 • 10⁵ - 1 • 10⁶ Вт/см² в течение 1 • 10^-5 - 1 • 10^-6 с, обеспечивающего расплавление литого сварного шва и его кристаллизацию с образованием структуры, однородной основному металлу, а последующую термическую обработку проводят путем нагрева сварного соединения до температуры (1050 - 1100) ± 10^oC с выдержкой при ней в течение 15 - 20 мин и охлаждения на воздухе.