Диссертация (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом), страница 5

Соколов,Ю.Н. Дубцов, В.И. Лысак, С.С. Сычева [38] при реализации ручной дуговойнаплавки неплавящимся электродом в среде гелия с введением наноразмерныхмодификаторов заключается в использовании специально разработаннойпорошковой проволоки.

Проволока представляет собой алюминиевую (АД00)трубку, и трубку, изготовленную из никелевой ленты (НП-2), в полости которойрасполагаются сердечники из проволоки на основе титана (ВТ1-00) и алюминияи композиционные гранулы на основе никеля с наноразмерными частицами WC(Рис. 1.8.). Гранулы наносили на проволочный сердечник при помощи этилового29спирта. Количество вводимых в состав проволоки модификаторов составляло0,2% от массы присадки.Рис. 1.8.Способ ввода наноразмерных модификаторов через порошковуюпроволоку при наплавке неплавящимся электродом в гелииИсследования наплавленного металла, полученного с использованиемпредложенного метода, показали повышение сопротивления наплавленного слоядеформированию при повышенных температурах, за счет интенсификациивыделения в нем ультрадисперсных вторичных фаз γ’ВТ-Ni3Al.

Также отмечается,что введение наночастиц тугоплавкого WC способствует стабилизациидендритной структуры и укреплению межфазных границ сплава на основеалюминида титана.В другой работе Г.Н. Соколов, И.В. Лысак, А.С. Трошков, И.В. Зорин, С.С.Гаремыкина[28]предлагаютиспользованиепокрытыхсуспензиейизкомпозиционных гранул на основе никеля, содержащих наноразмерные частицыWC, стальных стержней (Св-06Х19Н9Т) в качестве присадочного материала приручной дуговой наплавке неплавящимся электродом в среде гелия (Рис. 1.9.)30Рис. 1.9.Способ ввода наноразмерных модификаторов через покрытые суспензиейприсадочные прутки при наплавке неплавящимся электродом в гелииВ этом случае структура наплавленного металла трансформируется изисходной аустенитной в аустенитно-карбидную, дисперсность которой, однаконе изменяется.1.4.4.

Частично механизированная дуговая сварка в защитном газеплавящимся электродомПрименением наноразмерных модификаторов при реализации частичномеханизированной сварки в активных газах занимались такие исследователи какКузнецов В.Д., Смирнов И.В., Шаповалов К.П.

[39]. Предложенный авторамиподход подразумевает использование прессовок, укладываемых в разделкуперед сваркой (Рис. 1.10.). Лигатуры в виде прессовок получены методамипорошковой металлургии на основе чистого железа и содержат наноразмерныепорошки оксидов Al2O3 и Al2O3-ZrO2-YO2. Доля нанооксидов достигала 0,5, 2,5и 4,5 % объемных долей от объема лигатур. Исследования проводились присварке образцов из стали 09Г2С, предварительно наплавленными проволокамиСв-10ХГН2СМФТЮимитирующимиобразцыизнизколегированной31высокопрочной стали типа А-514.

Сварку образцов с закладками проводили тойже проволокой в среде защитного газа 72% Ar + 28% CO2.Рис. 1.10.Применение лигатуры, содержащей наноразмерные модификаторы примеханизированной сварке в защитных газахРезультатомпримененияданногоподходасталоизмельчениемикроструктуры металла шва с формированием более округлой формыструктурных составляющих и увеличением твердости сварного шва. Наилучшийрезультат был обнаружен при введении 0,5% объемных долей наноразмерныхоксидов Al2O3 от объема лигатур.М.А. Кузнецова, Е.А.

Зернина, Д.Е. Колмогорова, Г.В. Шляховой, В.И.Данилова[40]предложилисвойвариантприменениянаноразмерныхмодификаторов, таких как Al2O3 и W в чистом виде при дуговой наплавкеплавящимся электродом в среде аргона. Ими предложено использоватьспециально разработанное устройство, предназначенное для получения смесиаргона с наноразмерным порошком оксида алюминия и вольфрама. Смесьформируется за счет инжектирования порошка защитным газом (Рис. 1.11.).32Исследования проводили при наплавке проволоками сплошного сечения (Св12Х18Н9Т) на пластины из стали 12Х18Н10Т в среде защитного газа смодификаторами.Рис. 1.11.Способ ввода наноразмерных модификаторов через защитный газ придуговой наплавке плавящимся электродом в среде аргонаИсследование показало, что применение наноразмерных порошковпозволяет управлять строением, морфологией и дисперсностью структурынаплавленного металла.

Отмечается, что применение наноразмерного Al2O3обеспечивает наиболее равновесную структуру по размеру дендрита. В случаеприменения W так же наблюдается слой полиэдрических зерен, однако еготолщина меньше чем при применении Al2O3.Другая группа исследователей В.Б. Литвененко-Арьков, Г.Н. Соколов, Ф.А.Кязымов, А.С. Трошков, В.И. Лысак, А.А. Антонов в работах [41–43][53]предлагают подход, заключающийся в использовании порошковой проволоки,содержащей наноразмерные частицы в качестве электродного сварочного33материала при частично механизированной дуговой наплавке плавящимисяпорошковыми проволоками в среде аргона (Рис. 1.12.).

Наплавку производилина образцы из стали ст3сп при помощи порошковой проволоки, заполненнойпорошком азотированного хрома, композиционными гранулами на основеникеля с наноразмерными (до 100 нм) частицами TiCN и шихтой.Рис. 1.12.Частично механизированная дуговая наплавка в среде аргона порошковойпроволокой, содержащей наноразмерные модификаторыВ результате исследований наплавленного металла выявлено, что введение0,2-0,5 масс.% наноразмерного порошка карбонитрида титана TiCN в шихтупорошковых проволок приводит к 2,0-2,5 кратному измельчению зернанаплавленного металла.

Также отмечается увеличение стойкости наплавленногометаллапластическомудеформированиюпривысоких(750-950⁰С)температурах. Увеличение количества TiCN более 0,6 масс.% от массы шихтыприводит к образованию крупных включений карбонитрида титана, чтонегативно сказывается на усталостной прочности сплава.341.4.5. Лазерная сваркаНаноразмерные модификаторы нашли свое применение при реализациилазерной сварки.

Группой исследователей, состоящей из А.Н. Черепанова, А.М.Оршича и В.П. Шапеева [44] был предложен способ сварки пластин из сплавовжелеза и сплавов титана при помощи CO2-лазера с предварительно нанесеннойна поверхность кромок пластин суспензии, содержащей наноразмерныемодификаторы. В данной работе предложено использование композиционныхгранул на основе мягких металлов типа Fe и Cr с введением наноразмерныхтугоплавких модификаторов таких как TiC0,5N0,5, Y2O3, TiN.Исследования по лазерной сварке пластин из стали 20 проводили припредварительном нанесении клеящей суспензии (Рис. 1.13.), содержащейнанодисперсный порошок системы TiC0,5N0,5+Fe в количестве 0,1% тугоплавкихчастиц от массы проплавляемого металла. Так же в качестве модификатора былиспробован комплекс Y2O3 и TiN.Рис. 1.13.Лазерная сварка по суспензии с наноразмерными модификаторами,нанесенной на свариваемые кромки35Исследования по сварке пластин из сплавов ВТ5 и ВТ20 проводили по тойже технологии с применением модификаторов системы TiN+Cr и Y2O3+Cr.Отмечено повышение однородности структуры и ее измельчение при сваркеобоихтиповматериалов.Относительноеудлинениеобразцовизнизкоуглеродистой стали увеличилось в 1,5 раза с применением модификатора.Усталостная прочность сварных соединений с применением наноразмерныхмодификаторов увеличилась в 1,5-2,0 раза при сварке титановых сплавов.

Так жеприменение модификаторов позволило авторам работы не только повлиять наструктуру и морфологию сварного соединения, но также оптимизироватьрежимы сварки, так как наносимая суспензия увеличила коэффициентпоглощения интенсивности лазерного излучения.1.4.6. Плазменно-порошковая наплавкаТакими исследователями, как А.Н. Смирнов, В.Л. Князьков, М.В. Радченко,К.В. Князьков, Э.В.

Козлов, Н.А. Конева, Н.А. Попова [45–50] был предложенспособ плазменно-порошковой наплавки (Рис. 1.14.) износостойкого слоясистемы Ni–Cr–B–Si–Fe/WC c добавлением наноразмерных частиц Al2O3.Присадочный порошок, представлял собой механическую смесь порошка ПС12НВК–01 при следующем количестве модификатора: 0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0%,2,5% Al2O3 от массы присадочного порошка.Исследования показали, что добавление модификатора способствуетобразованию карбидов W2C округлой формы, а также приводит к измельчениюструктуры наплавленного металла (Рис. 1.15.).Так же обнаружено что при количестве модификатора 1,0 масс.%износостойкость наплавленного металла увеличивается в 2,22 раза по сравнениюс образцами без модификатора.

Кроме того, уменьшается разброс значениймикротвёрдостиобразцовповсейтолщиненаплавленногоиспользовании модификатора. Также введение 1,0 масс.%слояпримодификаторапозволило повысить стойкость к ударным нагрузкам наплавленного слоя в 1,4раза. Следы Al2O3 после наплавки обнаружить не удалось.36Рис. 1.14.Плазменно-порошковая наплавка с введением наноразмерныхмодификаторов через присадочный порошокРис. 1.15.Изображения тонкой структуры образцов а) немодифицированных и б)модифицированных Al2O3[45]1.4.7. Электрошлаковая сварка и наплавкаВопросом применения наноразмерных модификаторов при реализацииэлектрошлаковой сварки занимались Е.Н.

Еремин, Ю.О. Филиппов, С.А.Бородихин, Р.И. Ильясов, А.С. Губина [23][51]. В данной работе предложеноприменение дополнительного трубчатого электрода на никелевой основе,внутренняяполостькоторогозаполняласьпорошкообразнымTiCNдисперсностью 0,01-0,1 мкм. Дополнительный электрод применялся вкомбинации с проволокой ЭП-533 и флюсом АНФ-21 при сварке образцов из37жаропрочного сплава ХН77ТЮР (Рис. 1.16.).Применение такого подхода позволило повысить свойства металла шва, чтосвязано со снижением уровня ликваций, совершенствованием γ’-фазы,улучшением морфологии и топографии карбидных фаз. Механическиеиспытания показывают рост всех показателей пластичности металла шва инекоторый рост пластичности металла околошовной зоны.Другие авторы, такие как А.А. Артемьев, Г.Н. Соколов, И.В., В.И.

Лысак[52,56] нашли похожее применение порошковым проволокам, содержащимнаноразмерные тугоплавкие частицы TiCN и микроразмерные частицы TiB2 приреализации процесса электрошлаковой наплавки. Порошковую проволоку,содержащую композиционные гранулы на основе никеля и наноразмерныемодификаторы, подавали в шлак АНФ-6 через полый электрод независимо отосновной проволоки, что позволило контролировать количество тепла,подаваемого в проволоку (Рис.

1.17.).Рис. 1.16.Электрошлаковая сварка с применением дополнительной порошковойпроволоки с содержанием наноразмерных модификаторов38Рис. 1.17.Схема электрошлаковой наплавки [52]Авторами работы показано, что введение в наполнитель порошковойпроволоки 0,6масс.%наноразмерных частиц TiCN приводит к изменениюморфологии и состава упрочняющих фаз, увеличению доли мелких включенийтугоплавкихсоединений,чтопозволяетувеличитьизносостойкостьнаплавленного металла более чем в 2 раза. Авторами отмечается, что в процессеэлектрошлаковой наплавки происходит растворение и коагуляция некоторогоколичества наноразмерных частиц с последующим образованием колонийукрупненных частиц (1-3мкм) неправильной формы.1.5.Выводы главы 1Анализ нормативной документации по строительству резервуаров дляхранения нефти показал, что к сварным соединениям, выполненным при помощисварки под флюсом, предъявляются высокие требования по стойкости металлашва к ударному изгибу при температуре «минус» 20°С.

При этом наиболеераспространенным материалом для строительства подобных объектов являются39низколегированные низкоуглеродистые стали с пределом текучести до 360 МПа.Так ударная вязкость металла шва резервуаров для хранения нефти должнасоставлять не менее 35 Дж/см2 при испытании образцов с острым надрезом(KCV) при температуре испытаний «минус» 20°С.Современные сварочные материалы, используемые при дуговой сварке подфлюсом, позволяют обеспечить ударную вязкость металла шва в диапазоне от 39до 150 Дж/см2. Однако следует отметить существенный разброс значенийударной вязкости, который может составлять от 36 до 117% от минимальногозначения. При этом наибольшие значения ударной вязкости были получены дляметалла шва, выполненного комбинацией проволока/флюс, обеспечивающеймодифицирование металла шва молибденом или его легирование никелем.Исходяизлитературногоанализа,приведённоговышенаиболееперспективным направлением по увеличению механических свойств сварныхсоединенийявляетсячастицами.Вмодифицированиекачестветугоплавкихнаноразмернымисоединений,тугоплавкимиприменяемыхпримодифицировании наибольшее распространение, имеют карбиды, оксиды инитриды различных металлов, а также их комбинации.