Диффузионная сварка биметаллических трубчатых элементов аустенитная сталь-титановый сплав с использованием ультрадисперсного порошка никеля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат наук Уваров Андрей Андреевич

• Уваров Андрей Андреевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Уваров Андрей Андреевич

и задач диссертационной работы

1.4. Применение промежуточных слоев при диффузионной сварке титановых сплавов со сталями

1.4.1. Подбор типа и материала промежуточного слоя при диффузионной сварке титанового сплава со сталью

1.4.2. Ультрадисперсные порошки (УДП) и их применение при диффузионной сварке разнородных материалов

Выводы по первой главе

Глава 2. Теоретическое и расчетно-экспериментальное определение параметров режима диффузионной сварки титанового сплава ПТ-3В с аустенитной сталью 08Х18Н10Т с применением промежуточного слоя из ультрадисперсного порошка никеля

2.1. Расчетно-экспериментальная исследовательская работа по диффузионной сварке аустенитной стали со сплавом титана через ультрадисперсный порошок никеля с целью определения оптимальных параметров режима диффузионной сварки

2.1.1. Схема и режимы сварки образцов для исследований

2.1.2 Проведение металлографических исследований образцов

2.1.3. Проведение рентгеноспектрального анализа образцов

2.1.4. Проведение механических испытаний образцов

2.2. Расчетное обоснование получения качественного диффузионного соединения по теории Э.С. Каракозова. Расчет оптимального времени

выдержки после сварки

Выводы по второй главе

Глава 3. Разработка технологии диффузионной сварки трубчатых биметаллических переходников аустенитная сталь 08Х18Н10Т - сплав титана ПТ-3В с применением промежуточного слоя из ультрадисперсного порошка

никеля

3.1. Разработка способа закладки промежуточного слоя из УДП никеля.

Сварка технологического переходника

3.2 Комплекс исследований и испытаний технологического переходника

3.3. Диффузионная сварка партии штатных переходников по внедренной

технологии

Выводы по третьей главе

Основные результаты и выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диффузионная сварка биметаллических трубчатых элементов аустенитная сталь-титановый сплав с использованием ультрадисперсного порошка никеля»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. С развитием промышленности в России все большее применение находят трубчатые биметаллические переходники сталь -титан, позволяющие решить ряд технических задач, связанных с более эффективным и экономным использованием материалов. Например, в трубопроводных системах, теплообменных аппаратах, системах управления и защиты и т. д.

Химическая активность титана при высоких температурах, характер его взаимодействия с железом, в том числе ограниченная взаимная растворимость в твёрдом состоянии, наличие легкоплавкой эвтектики и ряда интерметаллидов создают значительные технологические трудности при изготовлении биметаллических соединений титана со сталью традиционными методами сварки плавлением. Поэтому актуальна задача по разработке способов получения надежных соединений титана со сталью методами сварки в твердой фазе.

В настоящее время успешно применяют диффузионную сварку для изготовления биметаллических переходников титан-сталь, но у данной технологии есть ряд недостатков. Во-первых, временное сопротивление у получаемых соединений не превышает в среднем 250 МПа, что ограничивает их применение, в частности, в реакторах нового поколения. Во-вторых, брак из-за несплошностей (недопрессовок), выявляемый при металлографическом и ультразвуковом контроле готовых изделий, составляет до 10 % от партии.

Известно, что для повышения механических свойств диффузионных соединений при сварке стали с титаном применяются промежуточные слои: пластичные металлы (никель, медь, алюминий, тантал, ниобий и др.) в виде фольги, проволоки, порошков и пленок, наносимых на соединяемые поверхности гальваническим методом или вакуумным напылением. Инновационным решением видится применение в качестве промежуточного слоя ультрадисперсного порошка (УДП) никеля. Благодаря сверхвысокой химической активности

порошковых нанотел их применение позволяет снизить температуру диффузионной сварки на десятки и даже сотни градусов. При снижении температуры сварки разнородных материалов создаются благоприятные условия для ограничения образования интерметаллидных фаз в сварных соединениях. Как следствие, повышаются механические свойства соединений. Помимо вышесказанного, применение пластичных промежуточных слоев предупреждает появление несплошностей в сварных соединениях сложной конструкции. Литературные данные о применении УДП никеля при сварке титана со сталью не найдены.

Цель диссертационной работы состоит в разработке и практической реализации способа получения соединений в трубчатых переходниках аустенитная сталь - титановый сплав методом диффузионной сварки с применением промежуточного слоя из УДП никеля.

Для достижения поставленной цели в рамках настоящей работы необходимо решить следующие теоретические и практические задачи:

1. Выполнить аналитический литературный и патентный обзор.

2. Провести теоретическое исследование с последующей экспериментальной отработкой на образцах с проведением механических испытаний и металлографических исследований.

3. По данным, полученным в ходе экспериментальной работы, провести расчеты параметров, характеризующих условия получения качественной сварки давлением разнородных металлов с ограниченной взаимной растворимостью, а также расчет одного из параметров режима сварки - времени выдержки.

4. Разработать основы технологии диффузионной сварки биметаллических переходников с применением промежуточного слоя из УДП никеля с последующим практическим применением разработанной технологии.

Методы исследований: поставленные задачи решали путем проведения экспериментальных и теоретических исследований. В работе использовали теоретические положения по диффузионной сварке, опубликованные в литературе, производственный опыт АО «НИКИЭТ» по разработке технологии и

конструкции и изготовлению переходников сталь-титан и сталь-цирконий, а также результаты анализа публикаций по тематике работы. Экспериментальные исследования проводили на опытном производстве АО «НИКИЭТ». В ходе работы применяли методы определения временного сопротивления сварных соединений, методы современного металлографического и рентгеноспектрального анализа.

Достоверность и обоснованность результатов исследования, полученных выводов и рекомендаций подтверждается применением аттестованных приборов и методик, хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, положительными результатами производственных испытаний опытных образцов и изделий.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1) установлено, что при диффузионной сварке в соединениях аустенитной стали с титановым сплавом через промежуточный слой из УДП никеля с ростом температуры с 760 °С до 790 °С при выдержке 15 минут интерметаллидная прослойка вырастает с 18 мкм до 22 мкм, при температуре 815±5°С образуется жидкая эвтектика между титаном и никелем. Таким образом, определена максимальная температура сварки равная 815 ± 5 °С;

2) установлено, что величина диффузионной зоны во время выдержки при диффузионной сварке аустенитной стали с титановым сплавом через промежуточный слой из УДП никеля при температуре 790 °С растет в среднем со скоростью 6,5 мкм/мин. Это позволяет осуществить выбор необходимого времени выдержки для формирования оптимальной величины диффузионной зоны сварного соединения;

3) изучено строение и установлен фазовый состав микроструктуры диффузионной зоны соединений аустенитной стали с титановым сплавом, полученных диффузионной сваркой через промежуточный слой из УДП никеля: между слоем никеля и титановым сплавом наблюдается интерметаллидная прослойка Т12М, зона взаимодиффузии и слой (а+Р)-Т1 толщиной, образованный

вследствие диффузии никеля в титан. Наличие такого строения диффузионной зоны характерно для качественного и прочного сварного соединения;

4) проведен сравнительный анализ исходной технологии сварки и предлагаемого способа, который показал, что временное сопротивление диффузионных соединений аустенитной стали с титановым сплавом, полученных через УДП никеля, на 24 % выше, чем у диффузионных соединений, полученных без применения УДП. При этом установлено, что при температуре сварки 790 °С временное сопротивление диффузионных соединений не зависит от времени выдержки в пределах 20 минут.

Практическая значимость работы: разработаны и обоснованы оптимальные условия диффузионной сварки переходников аустенитная сталь -титановый сплав через промежуточный слой из УДП никеля, обладающих повышенными механическими свойствами. С использованием полученных результатов изготовлена партия переходников сталь-титан. Переходники были приняты Заказчиком и будут использованы при создании модели высокотемпературного реактора на быстрых нейтронах.

Результаты работы по диффузионной сварке с использованием УДП никеля будут использованы в АО «НИКИЭТ».

Личный вклад автора: автор выполнил литературный обзор по теме диссертации, провел анализ существующих актуальных технологических проблем в производстве переходников сталь-титан и предложил способ для их решения с помощью использования УДП никеля. Автором лично проведены все описанные в работе эксперименты по диффузионной сварке образцов и технологических переходников и определены оптимальные режимы диффузионной сварки и промежуточный слой для новой технологии. Диссертантом проведен анализ результатов металлографических, рентгеноспектральных исследований и механических испытаний соединений экспериментальных образцов и переходников. Автор принимал непосредственное участие в изготовлении по разработанной технологии переходников для модели высокотемпературного реактора на быстрых нейтронах. Автор провел расчетные и теоретические оценки

параметров, характеризующих получение качественного соединения диффузионной сваркой.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа микроструктуры и строения диффузионной зоны соединения, механических испытаний на временное сопротивление соединений аустенитной стали с титановым сплавом, полученных диффузионной сваркой с применением УДП никеля.

2. Результаты расчета параметров, характеризующих качество соединения, полученного диффузионной сваркой с применением УДП никеля: длительность взаимодействия, длительность схватывания контактных поверхностей по всей площади соединения, длительность релаксации напряжений в зоне контакта, длительность инкубационного периода.

3. Технологическую схему и результаты апробации метода сварки с использованием УДП никеля для конкретного изделия.

Апробация работы: основные положения и результаты работы представлены на научных мероприятиях:

- 14-й научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта» (Санкт-Петербург, 2012);

- международных научных чтениях им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов» (Москва. 2014);

- конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике», АО «НИКИЭТ» (Москва, 2014);

- конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике», АО «НИКИЭТ» (Москва, 2017).

По теме диссертации автором подготовлены 10 публикаций, включая 5 статей в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России. Получен патент ЯИ 2617807 «Способ диффузионной сварки трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь» от 22.01.2016 и подана заявка на второй патент.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 77 наименований.

Глава 1. Биметаллические трубчатые элементы сталь-титан. Основные технологические сложности и способы изготовления

1.1 . Свариваемость аустенитных сталей с титановыми сплавами 1.1.1. Область применения биметаллических переходных элементов сталь-титан и условия их эксплуатации

В промышленности в трубопроводных системах некоторых конструкций основные рабочие части изготавливают из титановых сплавов, а остальные из аустенитной стали. Для их соединения применяются промежуточные биметаллические элементы - переходники сталь-титан, которые при монтаже трубопроводов соединяют с одноименными материалами аргонно-дуговой сваркой [1-3]. Кроме того потребность в рассматриваемых изделиях существует в конструкциях высокотемпературного реактора на быстрых нейтронах [4] (Рисунок 1.1) и для международного проекта ИТЭР (Рисунок 1.2). Благодаря использованию переходников появилась возможность создавать трубные системы из разных материалов, что существенно снижает издержки и вес конструкции.

Рисунок 1.1.

Расположение переходных соединений сталь-титан в исполнительном механизме аварийной защиты (ИМ АЗ) высокотемпературного реактора на быстрых

нейтронах

Переходное соединение сталь-титан Сегит- тм/.'топ

б

Рисунок 1.2.

Съемный вакуумный фидер (СВФ) системы ионно-циклотронный резонансного нагрева для проекта международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР): а - внешний вид СВФ; б - расположение переходных

соединений сталь-титан в СВФ

Конструкция переходника испытывает внутреннее давление порядка 5,2 МПа, большие осевые и вибрационные нагрузки. Переходник работает в газовой среде при температуре до 150±25 °С ив условиях резких перепадов температур. Следовательно, основные требования к биметаллическим переходникам: высокая конструкционная прочность, сопротивление осевым нагрузкам, высокая коррозионная стойкость. Требуется сохранение коррозионной стойкости и необходимых прочностных характеристик при повышенных температурах и сохранение целостности конструкции при резких перепадах температур.

С одной стороны, сложность изготовления изделия заключается в нахлесточном типе соединения деталей и необходимости сварки по всей

контактной площади. С другой стороны, аустенитная сталь и титановые сплавы обладают металлургической несовместимостью и двойной разницей в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР). Эти проблемы решаются в условиях узкоспециализированного производства с применением специального оборудования и методов сварки в твердой фазе [1].

1.1.2. Характеристика применяемых материалов

Сплав ПТ-3В относится к деформируемым а-Т титановым сплавам и обладает а - структурой. Легирующие добавки в сплаве - ванадий, алюминий и

-5

цирконий (Таблица 1). Плотность сплава 4,51 г/см , что указывает на его легкость как конструктивного материала. Сплав имеет температуру ликвидуса ^=1668±5 °С.

Титановые сплавы существуют в двух аллотропических модификациях: высокотемпературной в (с объемно-центрированной кристаллической (ОЦК) решеткой) и низкотемпературной а (с гранецентрированной плотноупакованной (ГПУ) решеткой и типичной игольчатой структурой) [1,5,6].

Таблица 1.

Химический состав ПТ-3В в массовых долях элементов по ГОСТ 19807-91, %

Примеси Основа Легирующие элементы

Прочие примеси Ев С О N Н Т1 А1 2т к

до 0,3 до 0,25 до 0,1 до 0,12 до 0,15 до 0,04 до 0,008 Основа 3,5 -5 до 0,3 1,2 -2,5

При температурах ниже 882 °С существует а-титан, при более высоких температурах вплоть до точки плавления существует в-титан. Периоды решетки а-титана следующие: а = 2,9504 А°, с = 4,683 А°, с/а = 1,587. При 900 °С периоды решетки в - титана следующие: а = 3,282 А° (получено экстраполяцией).

В связи с определенным характером действия на температуру полиморфного превращения титана различные легирующие элементы и примеси делятся на а - стабилизаторы, повышающие температуру полиморфного превращения, и в - стабилизаторы, снижающие ее.

Согласно классификации С.Г. Глазунова алюминий является а-стабилизирующим элементом, как и й,Ы,С. Ванадий, кремний и железо относятся к в - стабилизаторам. 2т - нейтральный упрочнитель, не оказывающий существенного влияния на темпертуру полиморфного превращения.

Алюминий существенно упрочняет а - твердый раствора титана без образования новых фазовых составляющих. Алюминий также эффективно упрочняет и в - твердый раствор. Принято считать, что каждый процент

Л

вводимого алюминия повышает предел прочности титана на 5 кгс/мм . Цирконий используется для повышения жаропрочности в сплавах. Цирконий также несколько повышает прокаливаемость титановых сплавов и модифицирует структуру, повышая физико-механические свойства сплавов. Ванадий умеренно упрочняет титан при незначительном снижении его пластичности.

Основные преимущества титанового сплава ПТ-3В перед другими конструкционными материалами состоят в высокой прочности и жаропрочности при умеренных температурах до 500 °С (Таблица 2). Важным свойством титанового сплава ПТ-3В является высокая коррозионная стойкость, сохраняющаяся при повышенных температурах. Как показали исследования ПТ-3В устойчив к большинству агрессивных сред, в том числе и к морской воде. Благодаря этому он нашел широкое применение в судостроении.

Сочетание легкого веса и высоких прочностных характеристик (достигнутых легированием ванадием и алюминием) позволяет судить о высоких удельных характеристиках прочности и пластичности сплава ПТ-3В. Предел прочности сплава ПТ-3В выше, чем аналогичный показатель легирующих сталей и намного выше, чем у алюминиевых сплавов.

Таблица 2.

Механические свойства сплава ПТ-3В по ГОСТ 19807-91

Т, Ов, О0,2, 5, Е, а,

°С МПа МПа % % ГПа 10-6 1/град

20 637 589 10 15 108 7,8

100 535 470 10,8 15,9 102 7,8

200 408 353 10,8 22,5 96 8,3

350 361 279 10 15,3 87 8,75

750 140 134 32 80 71 10,7

950 12 11 55 100 54 11,4

Как и все титановые сплавы, сплав ПТ-3В активно поглощает кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. Для титановых сплавов характерна повышенная диффузионная подвижность атомов водорода, поэтому влияние термического цикла сварки может вызывать образование концентрационных неоднородностей в различных участках околошовной зоны. Обязательным условием получения качественного соединения при сварке является надёжная защита от газов атмосферы. Дополнительное по сравнению с основным металлом насыщение швов кислородом, азотом и водородом недопустимо. Как и для титановых сплавов в целом, примеси внедрения — вызывают хрупкое разрушение сварных соединений, увеличивают их склонность к образованию холодных трещин, замедленному разрушению, пористости [6].

ПТ-3В обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Низкая теплопроводность сплава ПТ-3В вызывает перегрев металла околошовной зоны и увеличение размеров микрозерна при нагреве в в - области вблизи линии сплавления, а так же возникновению значительных остаточных напряжений, создающих возможность задержанного разрушения сварных соединений. Коэффициент термического

расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает и почти вдвое меньше чем у сталей.

Модуль упругости ПТ-3В невелик. С повышением температуры до 350 °С модуль упругости уменьшается почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости - существенный недостаток, так как в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

По сравнению со сталью марки 12Х18Н10Т более дешевый аналог - сталь марки 08Х18Н10Т легче обрабатывается давлением за счет меньшего содержания углерода (см. Таблицу 3). Это имеет важное значение при сварке в твердой фазе.

Таблица 3.

Химический состав стали марки 08Х18Н10Т в массовых долях элементов по

ГОСТ 5632-2014, %

Примеси Легирующие элементы

1 5 Р N1 С Мп Сг Си Т1 Рв

до 0,02 до 0,035 до 0,8 9 - 11 до 0,08 до 2 17 - 19 до 0,3 0,5 - 0,7 Основа

Сталь марки 08Х18Н10Т относится к высоколегированным хромоникелевым коррозионно-стойким сталям. Сталь 08Х18Н10Т является сталью аустенитного класса с содержанием 18 % Сг и 10 % N1. Аустенитные стали обладают коррозионной стойкостью во многих средах не только при комнатных температурах, но и при нагреве: в условиях атмосферной коррозии в промышленных городах, в кипящих растворах азотной, лимонной, фосфорной кислотах. В малоподвижной морской воде и во влажной почве эти стали коррозионно не стойки и подвержены точечной коррозии, которую устраняет дополнительное легирование молибденом. Легирование медью повышает

коррозионную стойкость в серной кислоте. Легирование титаном и ниобием устраняет склонность к межкристаллитной коррозии [7].

Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали (см. Рисунок 1.3). После отжига структура стали представляет смесь феррита и цементита, в которой количество последнего увеличивается пропорционально содержанию углерода.

а б

Рисунок 1.3.

Влияние углерода на механические (а) и физические (б)

свойства сталей

Феррит малопрочен и пластичен. Цементит же тверд и хрупок. В связи с этим по мере повышения концентрации углерода повышается прочность и твердость, снижаются пластичность и вязкость стали (Рисунок 1.3). Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре. После закалки прочность и твердость резко возрастают с увеличением содержания углерода. При низком отпуске эти свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе. С увеличением содержания углерода снижается технологическая пластичность — способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, что следует учитывать при сварке давлением.

Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.

При легировании хромом железо, а также сталь становятся пассивными, приобретая на воздухе и в окислительных средах положительное значение электрохимического потенциала. При переходе в пассивное состояние коррозионный ток резко снижается и анодное растворение железа и стали прекращается. Металл становится «благородным» подобно меди, серебру и золоту. При большом содержании хрома в сталях увеличивается перечень сред, в которых проявляются высокие коррозионные свойства.

Дополнительное легирование никелем позволяет при определенном количественном соотношении с хромом получать стали, которые после закалки приобретают однофазную аустенитную структуру. Такие хромоникелевые стали обладают более высокой коррозионной стойкостью, чем многофазные хромистые и хромоникелевые стали. Однофазные стали обладают меньшей электрохимической неоднородностью корродирующей поверхности, что способствует возникновению меньшего коррозионного тока, и проявляют несколько большую коррозионную стойкость в условиях, где пассивность не возникает.

Ванадий и титан — сильные карбидообразователи. Их добавляют в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Т) в стали, содержащие хром, марганец, никель, с целью измельчения зерна. Повышенное содержание этих элементов (также как молибдена и вольфрама) недопустимо, так как приводит к образованию специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды снижают прокаливаемость и, располагаясь по границам зёрен, способствуют хрупкому разрушению. Главным образом легирование титаном делает аустенитную сталь не склонной к межкристаллидной коррозии [6, 7].

Стали аустенитного класса с содержанием 18% Сг и 9-10% М в результате закалки приобретают аустенитную структуру и характеризуются высокой пластичностью, умеренной прочностью (см. Таблицу 4). Помимо всего прочего

сталь 08Х18Н10Т отличается высокой жаропрочностью. Жаростойкие стали способны сопротивляться окислению и окалинообразованию при температурах 1150 - 1250 °С.

Таблица 4.

Механические свойства стали марки 08Х18Н10Т по ГОСТ 5949-75_

Т, Ов, О0,2, 5, Е, а,

°С МПа МПа % % ГПа 10-6 1/град

20 573 273 58 68 205 16,3

100 460 245 45 77 200 16,6

200 400 209 35 75 190 17,0

350 334 192 29 64 175 17,6

750 200 129 21 40 163 18,7

950 66 64 40 85 146 20,0

Большим преимуществом хромоникелевых сталей аустенитного класса является хорошая технологичность в отношении обработки давлением и сварки, что определило возможность использования их как конструкционного материала. Плохие литейные свойства и обрабатываемость резанием ограничивают применение этих сталей в отливках и изготовление изделий резанием [4,11].

Сталь марки 08Х18Н10Т вследствие малого содержания углерода и дополнительного легирования титаном не склонны к межкристаллитной коррозии. Такие стали называются стабилизированными. Стали поставляют в закаленном состоянии. Их можно использовать при нагреве до 600 °С в агрессивной среде и сваривать.

1.1.3. Технологическая свариваемость аустенитной стали с титаном

Высокая химическая активность титана при высоких температурах, характер его взаимодействия с железом, в том числе ограниченная взаимная

растворимость в твердом состоянии, наличие легкоплавкой (1085 °С) эвтектики и нескольких интерметаллидов (Т1Ре2, Т1Бе, Т1М,Т12М и Т1Сг2) создают значительные технологические трудности при изготовлении биметаллических соединений титана со сталью способами сварки плавлением. Эти методы даже при наличии специального оборудования не дают достаточной возможности управлять величиной и строением диффузионной зоны, определяющими ее прочностные и пластические свойства [8, 9].

Согласно диаграмме равновесного состояния (Рисунок 1.4), растворимость железа в а-титане крайне мала и при 293 К составляет 0,05-0,1 %.

Рисунок 1.4. Диаграмма состояния Бе-Т [10]

При концентрации железа более 0,1 % в сплаве образуются интерметаллидные соединения Т1Бе и Т1Бе2. Появление интерметаллидов в сплаве ТьБе значительно повышает прочность, но резко снижает пластичность. Растворимость титана в а-железе достигает 6,9 % при температуре 1573 К и с понижением температуры резко уменьшается; при 293 К растворимость титана в а-железе менее 2 %. Максимальная растворимость железа в Р-титана при эвтектической температуре (1353 К) составляет 25 %. Поэтому непосредственная сварка плавлением титана со сталью приведет к образованию большого количества интерметаллидов, которые приводят к сильному охрупчиванию конструкции, образованию трещин и разрушению ее в процессе эксплуатации. При сварке с аустенитными хромоникелевыми сталями образуются соединения титана с хромом и с никелем, которые охрупчивают шов еще в большей степени, чем при сварке титана с углеродистыми сталями [9-12].

Следовательно, одна из основных задач при соединении титановых деталей со стальными - выбор методов и режимов сварки, при которых предотвращалось или резко подавлялось бы образование хрупких интерметаллических фаз Т1Бе и Т1Бе2.

Помимо металлургической несовместимости нержавеющей стали с титаном и его сплавами они еще почти в два раза различаются термическими коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), что создает в сварном соединении высокие остаточные термические напряжения при охлаждении после сварки, которые могут приводить к образованию в сварном соединении трещин или к полному разрушению сварного соединения. Это следует учитывать при подборе режима сварки и подборе технологической оснастки. Предпочтителен общий нагрев, так как при локальном нагреве возникают большие остаточные напряжения, особенно при такой разнице в ТКЛР.

Кроме того, согласно диаграмме состояния Бе-Т1 температура эвтектики равна 1085 °С [10]. Перегрев выше этой температуры влечет за собой образование жидкой эвтектики, что порой приводит к вытеканию жидкотекучей эвтектики из свариваемого соединения. Известно [2,8,9], что хрупкая эвтектика толще 25-30

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Уваров Андрей Андреевич, 2018 год

Список литературы

1. Соединение труб из разнородных материалов /С.Н. Киселев [и др.] М.: Машиностроение, 1981. 176 с., ил.

2. Обобщение результатов отработки технологии диффузионной сварки переходников сталь-титан: Отчет о научно-исследовательской работе / ОАО «НИКИЭТ». Инв. № 122-385-9163. 2011. 33 с.

3. Разработка конструкций переходников сталь-титан с внутренними диаметрами до 100 мм, технологии их изготовления диффузионной сваркой в вакууме и обоснования возможности получения переходников с внутренними диаметрами большего размера: Отчет / АО «НИКИЭТ». Инв. № 122-096-11255. 2015. 18 с.

4. Разработка конструкций переходников сталь-титан и технологии диффузионной сварки: Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе / АО «НИКИЭТ». Инв. № 007-3993. 2014. 33 с.

5. Сварные соединения титановых сплавов / В.Н Моисеев [и др.] М.: Металлургия, 1979. 248 с. с ил.

6. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

7. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 487 с.

8. Способ диффузионной сварки труб из разнородных материалов: патент РФ на изобретение № 2301732 / А.Н. Семенов, С.Н. Новожилов, заявл: 23.01.2006; опубл. 27.06.2007.

9. Исследование структуры биметаллического соединения титановый сплав -коррозионно-стойкая сталь / В.В. Рыбин [ и др.] Вопросы материаловедения, 2003. № 2(34). С. 13-25.

10. Лякишев Н.П.. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник. В 3-х т. / Под редакцией академика РАН Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. Т.1.992 с. ; Т.2. 1024 с.; Т.3. 448 с.

11. Шоршеров М.Х.. Металловедение сварки стали и сплавов титана. М.: Изд-во Наука, 1965. 337 с.

12. Технология изготовления биметаллических переходников аустенитная сталь

— сплав а-титана / А.А. Уваров [ и др.] Сварочное производство, 2014. №4. С. 34-36.

13. Теория сварочных процессов: учебник для вузов / В.М, Неровный [ и др.] М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 702 с.

14. Металлургия и технология сварки титана и его сплава / С. М. Гуревич [и др.] Киев: Наукова думка, 1986. 240 с.

15. Разработка технологии вакуумной диффузионной сварки соединения титан

- аустенитная сталь с применением промежуточных покрытий / А.А. Уваров [ и др.] Сварочное производство, 2012. №5. С. 43-46.

16. Усовершенствование технологии сварки в твердой фазе опытных образцов соединения «титан-аустенитная сталь» с применением промежуточных покрытий: Отчет о научно-исследовательской работе / ОАО «НИКИЭТ». Инв. № 122-097-9211. 2011. 39 с.

17. Отработка конструкции сварных соединений и режимов сварки молибденового сплава ТСМ-7С в однородном сочетании и в сочетании с никелевым сплавом ЧС-57 применительно к узлам РУГК и РУОО: Отчет о научно-исследовательской работе / ОАО «НИКИЭТ». Инв. № 007-0935. 2012. 31 с.

18. Оптимизация технологии электронно-лучевой сварки соединения ЧС-57 с ТСМ-7С на установке АЭЛТК-12-293: Отчет о научно-исследовательской работе / АО «НИКИЭТ». Инв. № 007-6697. 2015. 43 с.

19. О структурной и микрохимической неоднородности сварнопаяных соединений между тугоплавкими металлами (танталом, ванадием, ниобием)

и монельметаллом / Ю.И. Казеннов [и др.] Сварочное производство, М.: НИКИМТ, 1977. № 3. С. 104-109.

20. Фролов В.А. Специальные методы сварки и пайки. М.: Альфа-М, 2017. 224 с.

21. Елкин В.Н., Мелюков В.В., Гордо В.П. Диффузионная сварка разнородных металлов в условиях горячего изостатического прессования // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2013. №4. Том 15. С. 68-73.

22. Стрижевская Л.Г. [и др.]. Сварка разнородных металлов с использованием биметаллических переходников // Сварочное производство. 1969 г. № 8. С. 18-19.

23. Трубчатый переходник титан-сталь: патент РФ на изобретение № 2207236 / А.Н. Семенов, В.Н. Тюрин, Е.Ю. Ривкин, С.Н. Новожилов, Г.Н.Шевелев, заявл. 24.06.2002; опубл. 27.06.2003.

24. Клинопрессовая сварка алюминиево-стальных переходников / М.Х. Шоршоров [и др.] Л.: ЛДНТП, 1973. 24 с.

25. Способ изготовления биметаллических переходников: а.с 486836 СССР / А.М. Афанасьев, Ю.И. Березников, С.Н. Лоцманов, В.Н. Панков, И.В. Прибора, В.Д.Сапрыгин заявл. 12.06.1975 г.; опубл. 05.10.1975 г.

26. Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т. М.: Машиностроение. Под ред. Н. А. Ольшанского. 1978. Т.1. 504 с., ил.

27. Покляцкий А.Г., Ищенко А.Я., Подъельников С.В. Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм // Автоматическая сварка. 2008. №10. С. 27-30.

28. Эрикссон Л.Г., Ларссон Р. Ротационная сварка трением - научные исследования и новые области применения // Технология машиностроения. 2003 г. № 6. С. 81 - 84.

29. Волков С.С., Малолетков А.В., Коберник Н.В. Принципы автоматизированного управления процессом ультразвуковой сварки пластмасс // Сварка и диагностика. 2017. № 1. С. 50-54.

30. Волков С.С., Дерябин А.А., Холодов С.С. Контроль качества сварных соединений в процессе ультразвуковой сварки пласмасс // М.: Известия ВУЗов. Сер. «Машиностроение». 2017. №2. С.30-38.

31. Стыковая сварка трубных переходников сталь-титан / В.А. Сидякин [и др.] Сварочное производство, 2004 г. № 7. С.17-22.

32. Некоторые особенности стыковой сварки трубных переходников сталь-титан электрической дугой в инертной среде низкого давления / В.А. Сидякин [и др.] Вестник НПО Им. С.А. Лавочкина, 2011. №1. С.49-54

33. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1976 г. 312 с

34. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме. М.: Машиностроение, 1968. 332с.

35. Булков А.Б. Разработка процесса диффузионной сварки титановых трехслойных панелей с использованием заполнителя с комбинированной микроструктурой: автореферат дис. ... кандидата техн. наук. Москва. 2008. 16 с.

36. Пономарев Д.В. Исследование процессов термомеханического взаимодействия титановых и алюминиевых сплавов при диффузионной сварке: автореферат дис. ... кандидата техн. наук. Курск. 2008. 16 с.

37. Мастихин Е.Ю. Разработка и исследование технологии получения титан-алюминиевых композитов способом диффузионной сварки : автореферат дис. ... кандидата техн. наук. Курск. 2010. 16 с.

38. Балбеков Д.Н. Разработка технологии диффузионной сварки титанового выпускного окна ускорителя электронов: автореферат дис. ... кандидата технических наук. Москва. 2013. 17 с.

39. Фоменко О.Ю. Получение и исследование слоистых композиционных материалов на основе диффузионного соединения разнородных металлов и сплавов: автореферат дис. ... кандидата технических наук. Красноярск. 2012. 25 с.

40. Иноземцев А.В. Структура биметаллических соединений орторомбического алюминида титана с титановым сплавом: диффузионная сварка, сварка взрывом: автореферат дис. ... кандидата технических наук. Екатеринбург, 2009. 24 с.

41. Рунова Ю.Э. Термоводородная обработка пористого материала из диффузионно сваренных волокон титана: автореферат дис. ... кандидата технических наук. Москва. 2016. 22 с

42. Красулин Ю. Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе. М.: Наука, 1971. 119 с. с ил.

43. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия, 1976. 264 с.

44. Казаков Н.Ф. О процессе образования соединения материалов при диффузионной сварке // Сварочное производство, 1973 г. №9, 1973. С. 48-50.

45. Чалмерс Б. Физическое металловедение. М.: Металлургиздат, 1963. 435 с

46. Процессы взаимной диффузии в сплавах / И.Б. Боровский [и др.] М.: Наука, 1973. 360 с.

47. Теоретические основы сварки / В.В. Фролов М. [и др.] М.: Высшая школа, 1970. 592 с.

48. Уэрт. Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. Под ред. С.В. Табликова. М.: Мир, 1966. 567 с.

49. Самсонов Г.В., Бурыкина А.Л., Евтушенко О.В. Электронный механизм диффузионной сварки // Автоматическая сварка. 1966. №10. С. 30-34.

50. Сварка коррозионно-стойкой стали со сплавами титана / А.Н. Семенов [и др.] Сварочное производство, 2008. №2. С. 25-27.

51. Уваров А.А., Никитина Е.В. Разработка новой геометрии резьбы применительно к изготовлению биметаллических трубных переходников // НМТ-2010. Материалы Всероссийской научно-технической конференции в 8 томах. Москва. 2010 г. Т 1. С. 52-53.

52. Уваров А.А., Никитина Е.В. Разработка технологии дорновой диффузионной сварки с механическим подкреплением применительно к биметаллическим трубным переходникам // XXXVIII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ: Научные труды Международной молодежной конференции в 8 томах. Москва. 2012. Т.1. С. 323-325.

53. Исследование структуры сварных соединений корозионно-стойкой стали со сплавом титана / Н.С. Крестников [ и др.] Металловедение и термическая обработка металлов, 2009 г. №4. С. 42-45.

54. Применение промежуточных покрытий при диффузионной сварке титанового сплава с аустенитной сталью / А.А. Уваров [ и др.] Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика. : Материалы международной научно-практической конференции: в 2 ч. Санкт-Петербург. 2012. Ч.1. С. 200-204.

55. Исследование механических свойств сварных соединений коррозионностойкой стали со сплавами титана / М.Е. Родин [ и др.] Сварочное производство, 2008 г. №6. С. 3-9.

56. Исследование прочности диффузионных сварных соединений сталь—титан / М.Е. Родин [ и др.] Сварочное производство, 2012 г. №4. С. 30-33.

57. Люшинский А.В. Диффузионная сварка разнородных материалов. М.: Academia, 2006. 208 с.

58. Чарухина К.Е., Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме разнородных металлов. Л.: ЛДНТП, 1964. 24 с.

59. Структура сварного соединения титановый сплав-аустенитная сталь, полученного сваркой давлением с промежуточными покрытиями / А.Н. Семенов [ и др.] Металловедение и термическая обработка металлов, 2012. № 9. С. 51-55.

60. T. Enjyo, K. Ikeuchi, T. Iida, M. Kanai, Y. Arata. Diffusion welding of Ti-15%Mo-5%Zr alloy to mild steel (0,06%C) // Transitions of JWRI vol.5, №1, 1976. P. 67-75.

61. Не P., Zhang J. Н., Li X. Q. Diffusion bounding of titanium alloy to stainless steel wire mesh // Materials Science and Technology, 2001. N17. P. 1158-1162.

62. Шоршоров M.X., Алымов М.И. Ультрадисперсные и аморфные материалы в технологии порошковой металлургии // Материаловедение. 1997. №1. С. 5154.

63. Люшинский А.В. Современные технологии сварки: инженерно-физические основы .Долгопрудный, Московская обл. : Интеллект, 2013. 238, [1] с. : ил., табл.

64. Люшинский А. В. Двойные смеси ультрадисперсных порошков металлов: получение, прокатка, спекание. Ч. I. О термическом разложении двойных смесей формиатов металлов // Порошковая металлургия. 2008. N 5/6. С. 3-12.

65. Люшинский А. В. Двойные смеси ультрадисперсных порошков металлов. Ч. II. Особенности прокатки ультрадисперсных порошков в пористые ленты // Порошковая металлургия. 2008. N 7/8. С. 21-25

66. Люшинский А. В. Использование нанодисперсных порошков металлов при диффузионной сварке разнородных материалов // Автоматическая сварка. 2011. N 5. С. 39-42.

67. Уваров А.А., Никитина Е.В. Исследование прочностных свойств сварных соединений аустенитной стали с титановым сплавом, полученных диффузионной сваркой через пористые ленты ультрадисперсных порошков // Международные научные чтения им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов»: сборник материалов. Москва. 2014. С. 299-300.

68. Исследование свойств сварных соединений титана со сталью, полученных диффузионной сваркой через ультрадисперсный порошок никеля / А.А. Уваров [ и др.] Титан, 2015. №1. С.23-29.

69. Исследование свойств сварных соединений титана со сталью, полученных диффузионной сваркой через ультрадисперсный порошок никеля / А.А. Уваров [ и др.] Конф. молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике»: доклады. 2014. С. 303-307.

70. Уваров А.А., Никитина Е.В. Определение коэффициентов взаимной диффузии в системе титан-медь // Сборник Научных трудов МАТИ, 2013. 20 выпуск. С. 65-70

71. Исследования структуры сварных соединений сталь-титан, полученных диффузионной сваркой с применением ультрадисперсного порошка никеля / А.А. Уваров [ и др.] Металловедение и термическая обработка металлов, 2017. №8. С. 57-61.

72. Разработка технологии диффузионной сварки направляющих каналов водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) / А.Н. Семенов [ и др.] Сварочное производство, 2011. №5. С. 23-27.

73. Диффузионная сварка биметаллических переходников сталь-титан. СТО 3.117-2011. ОАО НИКИЭТ, Москва. 2011. 37 с.

74. Каракозов Э.С. Сапрыгин В.Д. Холодная сварка труб. М.: Металлургия, 1978 г. 176 с.

75. Ю.Л. Бобарикин, Н.В. Иноземцева, Н.И. Базилеева. Исследование активации поверхности металлического основания при его плакировании порошковыми покрытиями // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого, 2007. № 2 (29). С. 208-219.

76. Ю.Л. Бобарикин, Н.В. Иноземцева. Технологическое условие образования соединения между металлической основой и порошковым покрытием на стадии их совместной пластической деформации в технологиях плакирования // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого, 2006 г. № 3(26). С. 55-66.

77. В. Г. Шморгун, Ю. П. Трыков, А. И. Богданов. Оценка срока службы слоистого М/М^з покрытия // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч.ст. Волгоград, 2013. № 6(109) 156 с.

ОТЗЫВ

научного руководителя на диссертацию Уварова Андрея Андреевича «Диффузионная сварка биметаллических трубчатых элементов аустенитная сталь - титановый сплав с применением ультрадисперсного порошка никеля», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.10 - Сварка, родственные

процессы и технологии.

Уваров Андрей Андреевич, закончил «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» в 2010 году с присвоением квалификации инженера-металлурга по специальности «Технология сварочного производства», в 2011 г получил второе высшее образование по специальности маркетолог на кафедре «Маркетинг» в том же университете.

В АО «НИКИЭТ» начал работать с 2010 г. в должности техника отдела технологии сварки элементов активных зон, где проходил преддипломную практику, подготовил и защитил на отлично дипломную работу по теме «Исследование и разработка технологического процесса диффузионной сварки биметаллически трубных переходников». После завершения учебы в вузе был переведен на должность инженера вышеназванного отдела. С 15.07.2015 назначен на должность начальника группы технологических исследований.

Работа Уварова А.А. в АО «НИКИЭТ» связана с разработкой технологических процессов изготовления переходников сталь-титан и сталь-цирконий, применяемых в конструкциях элементов активных зон ядерных реакторов различного назначения, выполнением сварочных работ на установках отдела, металлографических и рентгеноспектральных исследованиях, механических испытаниях изготовляемых изделий. Уже в первые годы работы проявились способности Уварова А.А. как исследователя, направленные на глубокое понимание физических и технологических закономерностей сварки разнородных материалов, на применение современных методов анализа для оценки качества выполненных соединений.

С 2012 года Уваров А.А. принимает непосредственное участие в создании инновационных ядерных реакторов нового поколения. В частности, совместно со специалистами МГТУ имени Н.Э. Баумана принимал участие в НИОКР «Исследование фазовых превращений в стали ЭП823-Ш при сварке и термообработке сварных соединений реакторной установки БРЕСТ-ОД- 300», по итогом которой выпущены практические рекомендации по термообработке сварных соединений. В настоящее время Уваров А.А.

участвует в работах по технологии сварки переходников из молибденовых и никелевых сплавов для проектируемого газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах

В 2010-2013 гг. Уваров А.А. обучался аспирантуре «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по

специальности «Сварка, родственные процессы и технологии». Полученные в АО «НИКИЭТ» опыт и знания позволили сформулировать тему диссертационной работы «Диффузионная сварка биметаллических трубчатых элементов аустенитная сталь - титановый сплав с применением ультрадисперсного порошка никеля», которая была утверждена решением секции «Конструирование и технология изготовления элементов активных зон» Научно-технического совета АО «НИКИЭТ».

Целью диссертационной работы Уварова А.А. являлись разработка и практическое внедрение способа получения соединений в трубчатых переходниках «аустенитная сталь - титановый сплав» методом диффузионной сварки с применением промежуточного слоя из ультрадисперсного порошка никеля (УДП) никеля.

Эта цель была достигнута путем решения следующих задач: выполнение аналитического обзора литературных и патентных источников для определения направлений собственных исследований; проведение расчетно-теоретических исследований по определению оптимальных параметров сварки; выполнение программы сварки опытных партий образцов; проведение механических испытаний и металлографических исследований, разработка основ технологического режима сварки по новой методике.

Диссертационная работа Уварова А.А. обладает существенными элементами научной новизны, исследования по применению УДП никеля для диффузионной сварки данных разнородных сплавов были выполнены впервые, поэтому результаты работы являются новыми.

Достоверность результатов диссертации подтверждается применением аттестованных приборов и методик, хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, положительными результатами производственных испытаний опытных образцов.

Личный вклад Уварова А.А. в выполненную работу является определяющим и состоит в проведении литературного обзора по теме диссертации, в анализе существующих актуальных технологических проблем в производстве переходников сталь-титан, в предложении способа для их решения с помощью использования УДП никеля. Автором лично проведены все описанные в работе эксперименты по диффузионной сварке, определены оптимальные режимы диффузионной сварки для новой технологии, выполнен анализ результатов исследований и механических испытаний экспериментальных образцов. Автор также принимал непосредственное участие в изготовлении по разработанной технологии переходников для модели высокотемпературного реактора на быстрых нейтронах.

Хорошая образовательная база, опыт практической работы по сварке разнородных элементов, творческий подход к решению поставленных задач позволили Уварову А.А. подготовить к защите диссертационную работу. В процессе работы над диссертацией Уваров А.А. продемонстрировал умение ставить и решать сложные научно-технические задачи, сочетая расчётно-аналитические исследования с экспериментальной работой. Полученные им результаты представляют несомненную практическую ценность и уже были использованы при создании опытных образцов новых реакторных установок.

Основная часть полученных результатов прошла апробацию в семи докладах на научно-технических конференциях и в трех статьях в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК Минобрнауки России.

За время работы в институте Уваров А.А. проявил себя вдумчивым, ответственным, творческим и инициативным сотрудником. Диссертант участвовал в конкурсе «На лучшую конструкторскую и научно-исследовательскую работу молодых ученых, инженеров и конструкторов АО «НИКИЭТ» 2011 г. и занял первое место. В 2016 году принял участие в молодежном отраслевом конкурсе Госкорпорации «Росатом», и был назван в числе победителей.

По моему мнению, Уваров А.А. является сформировавшимся научным работником, способным самостоятельно вести исследования по технологиям сварки разнородных металлических сплавов. Его диссертация удовлетворяет критериям п. 9 Положения о присуждении учёных степеней, а её автор Уваров А.А. заслуживает присуждения учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии.

Научный руководитель, доктор технических наук, главный конструктор АО «НИКИЭТ»

Подпись д.т.н. Черепнина Ю.С. заверяю.

Ю.С.Черепнин

А.В. Джалавян

Контакты:

Черепнин Юрий Семенович, доктор технических наук

101000, Москва, Малая Красносельская ул., д. 2/8. АО «НИКИЭТ»