СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2004 года по МПК B23K15/00 C21D9/50 

Изобретение относится к области электронно-лучевой обработки материалов и может найти применение при изготовлении изделий из титановых сплавов в аэрокосмическом, энергетическом и химическом машиностроении.

Известен способ электронно-лучевой обработки титановых сплавов, включающий электронно-лучевую сварку и высокотемпературную обработку в вакуумной печи (Гуревич С.М и др. Сварка высокопрочных титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1975, 150 с). При изготовлении заготовок по данному способу удается значительно повысить долговечность сварных соединений титановых сплавов.

Недостатком данного способа является значительная деформация готовых деталей и узлов в процессе высокотемпературной термической обработки, низкая усталостная прочность сварного соединения.

Наиболее близким по технической сущности является способ электронно-лучевой обработки титановых сплавов, включающий электронно-лучевую сварку и зональную обработку сварного шва сканирующим электронным лучом (Ильченко Г.А. и др. Электронно-лучевой отжиг сварных соединений // Материалы VIII Всесоюзной конференции по электронно-лучевой сварке. Москва, МЭИ, 1-3 февраля 1983 г. С. 54-58). Данным способом можно обеспечить деформацию деталей в допустимых пределах и повысить ударную вязкость.

Недостаток данного способа электронно-лучевой обработки - не удается обеспечить усталостную прочность сварного соединения, сопоставимую с основным металлом.

Задача предлагаемого изобретения - повышение качества сварного соединения за счет повышения усталостной прочности сварного соединения.

Задача решена за счет того, что в способе электронно-лучевой обработки титановых сплавов, включающем электронно-лучевую сварку и зональную термическую обработку электронным лучом, зону нагрева располагают на основном металле параллельно сварному шву, нагрев производят электронным лучом до температуры α→β превращений титанового сплава со скоростью нагрева не более 15°С/с, а нагрев ведут сканирующим электронным лучом по нескольким траекториям с разными частотами осцилляции.

Известно, что для повышения ударной вязкости сварных соединений титановых сплавов производят высокотемпературный объемный отжиг (Г.А. Ильченко и др. Термическая обработка подвижным электронным лучом сварных соединений разноименных титановых сплавов. // Материалы VIII Всесоюзной конференции по электронно-лучевой сварке. М., МЭИ, 1983, с. 59-65). Однако высокотемпературный объемный отжиг приводит к изменению геометрии маложестких деталей.

Известно, что для повышения ударной вязкости сварных соединений титановых сплавов используют метод зональной термической обработки сварных соединений сканирующим лучом. Необходимое распределение температурного поля создавали циклическим отклонением электронного луча вдоль и поперек оси шва (Г.А.Ильченко и др. Термическая обработка подвижным электронным лучом сварных соединений разноименных титановых сплавов // Материалы VIII Всесоюзной конференции по электронно-лучевой сварке. М., МЭИ, 1983, с. 59-65). Зональный отжиг сканирующим электронным лучом повышает усталостную прочность сварных соединений.

В предлагаемом техническом решении зональную термическую обработку производят сканирующим электронным лучом до температуры α→β превращений титанового сплава со скоростью нагрева не более 15°С/с. Сварной шов в зону термической обработки не попадает.

Способ реализуется следующим образом.

Подготовленные для сварки детали из титана или титановых сплавов закрепляют в специальном приспособлении и производят электронно-лучевую сварку. После охлаждения сваренных деталей сканирующим электронным лучом производят зональную высокотемпературную термическую обработку. Зону нагрева располагают на основном металле параллельно сварному шву. Нагрев ведут до температуры α→β превращений титанового сплава со скоростью нагрева не более 15°С/с. При более высокой скорости нагрева возрастает градиент температур в нагреваемой детали, что может привести к недопустимым деформациям детали. Кроме того, большая разница температур на нагреваемой поверхности и обратной стороне может привести к неполному отжигу на обратной стороне или к перегреву на поверхности.

Нагрев ведут сканирующим электронным лучом по нескольким траекториям с разными частотами осцилляции. Электронный луч сканировали вдоль зоны нагрева и одновременно по круговой траектории. Частота осцилляции по круговой траектории на порядок больше частоты колебаний вдоль зоны нагрева.

Зональная высокотемпературная термическая обработка приводит к выравниванию структуры, распаду метастабильной α’-фазы, релаксации напряжений, дегазации металла и перераспределению газов (водорода, азота и кислорода) в сварном соединении. Как правило, основной металл более насыщен газами, чем сварной шов. При нагреве сварного шва за счет диффузионных процессов, так как растворимость газов в металле при повышении температуры повышается, концентрация газов в металле шва повышается. Металл сварного шва является наиболее слабым участком сварного соединения. При расположении зоны нагрева на основном металле параллельно сварному шву диффузионные процессы идут в направлении от шва к основному металлу (к зоне нагрева с более высокой температурой). В связи с этим пластические свойства металла шва и сварного соединения в целом повышаются.

Пример конкретного выполнения.

Сваривали детали из сплава ВТ8М толщиной 5 мм. Свариваемые поверхности после механической обработки собирали в замок и закрепляли в специальном приспособлении. Зазор в стыке не превышал 0,2 мм. Сварку производили на установке ЭЛУ-9А с электронно-лучевой пушкой ЭП-60 на следующих режимах: ток луча - 25 мА, ускоряющее напряжение - 60 кВ, скорость сварки - 20 м/ч, расстояние от свариваемой поверхности до среза пушки - 100 мм. После сварки сканирующим электронным лучом провели зональную термическую обработку. Частота осцилляции по круговой траектории составляла 250 Гц, частота колебаний вдоль зоны нагрева (параллельно сварному шву) составляла 25 Гц. Диаметр осцилляции по круговой траектории равен 8 мм. Зону нагрева располагали на основном металле параллельно сварному шву на расстоянии 3 мм от границы сварного шва. Нагрев вели до температуры 820...850°С, причем скорость нагрева была равна 9°С/с.

По результатам усталостных испытаний предел выносливости сварного соединения составил σ_-1=28 кгс/мм² (предел выносливости основного металла σ_-1=30 кгс/мм²). Детали прошли рентгено- и ультразвуковой контроль.

Изобретение относится к области электронно-лучевой обработки материалов и может найти применение при изготовлении изделий из титановых сплавов в аэрокосмическом, энергетическом и химическом машиностроении. Подготовленные для сварки детали закрепляют в специальном приспособлении и производят электронно-лучевую сварку. После охлаждения сваренных деталей сканирующим электронным лучом по нескольким траекториям с разными частотами осцилляции производят зональную высокотемпературную термическую обработку. Зону нагрева располагают на основном металле параллельно сварному шву. Нагрев ведут до температуры α→β превращений титанового сплава со скоростью нагрева не более 15°С/с. Электронный луч сканировали вдоль зоны нагрева и одновременно по круговой траектории. Частота осцилляции по круговой траектории на порядок больше частоты колебаний вдоль зоны нагрева. Зональная высокотемпературная термическая обработка приводит к выравниванию структуры, распаду метастабильной α'-фазы, релаксации напряжений, дегазации металла и перераспределению газов (водорода, азота и кислорода) в сварном соединении.

Способ электронно-лучевой обработки титановых сплавов, включающий электронно-лучевую сварку и зональную термическую обработку электронным лучом, отличающийся тем, что зону нагрева располагают на основном металле параллельно сварному шву, нагрев производят электронным лучом до температуры α→β превращений титанового сплава со скоростью нагрева не более 15°С/с, причем нагрев ведут сканирующим электронным лучом по нескольким траекториям с разными частотами осцилляции.