В настоящее время авиационная промышленность остается одним из высокотехнологичных секторов экономики, потребляющих наукоемкую продукцию [1]. Для дальнейшего развития с целью сохранения паритета на международной арене необходимо определить перспективные и стратегически важные направления развития материалов и технологий их переработки. Технологии сварки являются жизненно важными для успешного достижения целей в рамках стратегических направлений [1]. Разработка технологий соединения современных и перспективных материалов с обеспечением высокого уровня прочности позволит существенно повысить тактико-технические характеристики перспективных образцов новой техники [1, 2]. Поэтому развитие технологий сварки является одним из приоритетных направлений развития материалов и технологий их переработки до 2030 года [1, 2]. Несмотря на то, что в обозримом будущем высокотехнологичные методы сварки, такие как электронно-лучевая, лазерная, гибридная, плазменная, трением с перемешиванием, линейная, займут приоритетные позиции для обеспечения высоких прочностных свойств соединений конструкционных материалов, являющихся, как правило, ограниченно свариваемыми в силу структурных и химических особенностей, методы аргоно-дуговой сварки еще длительное время будут широко использоваться [3, 4].

Сегодня использование этих методов при сварке сталей со специальными свойствами, в том числе с цементированным поверхностным слоем [5], дает возможность получать высокие механические свойства на уровне, близком к уровню основного материала [6]. В ВИАМ проводились работы по выбору оптимальной технологии аргоно-дуговой сварки полуфабриката из коррозионностойкой стали ВНС-63. Данные по проводимым исследованиям и полученным результатам приведены далее.

Материалы и методы исследований

Сталь ВНС-63 (15Х15Н3К3ВМ2ФБА) предназначена для высоконагруженных деталей различного назначения, подвергаемых поверхностному упрочнению посредством химико-термической обработки, работающих на воздухе в общеклиматических условиях при температурах от -55 до +500°С, а также в среде масел и топлива.

Высокопрочная коррозионностойкая сталь ВНС-63, обладающая высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и вязкостью, является перспективным материалом для сварных конструкций, работающих в общеклиматических условиях. Однако сварка плавлением может оказывать значительное влияние на ее структуру и свойства [7].

Одним из целесообразных и наиболее часто применяемых в промышленности способов сварки сталей толщиной до 20 мм является аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом с использованием присадочного материала [8]. В качестве присадочного материала для сварки стали ВНС-63 использовался основной материал в виде прутка квадратного сечения со стороной до 3 мм.

Образцы из стали ВНС-63 для исследований изготовляли из прессованного прутка Æ50 мм. Пруток резали на заготовки и ковали на сутунки толщиной 40 мм. После ковки сутунки подвергали чистовой обработке, прокатывали на толстые листы толщиной 16 и 18 мм и лист толщиной 3 мм, затем термообрабатывали под сварку по режиму: нормализация+отпуск.

Лист толщиной 3 мм после этого подвергали травлению и рубили на гильотинных ножницах на заготовки размером 50×50 мм (для исследования склонности к образованию горячих трещин) и на присадочный материал сечением 3×3 мм. Листы толщиной 16 и 18 мм резали на заготовки шириной 60 мм, длиной 150 мм. Далее механически обрабатывали кромки до U-образной поверхности по длинной стороне. После зачистки и обезжиривания заготовки сваривали ручной аргоно-дуговой сваркой при токе прямой полярности (с использованием источника Lincoln Electric Precision TIG 375) с присадочным материалом из стали ВНС-63 – для дальнейшего исследования механических свойств и микроструктуры. Сварные стыки подвергали рентгеновскому контролю, в результате которого были обнаружены типичные дефекты сварных швов допустимых размеров. Качество сварных соединений было признано удовлетворительным.

При испытании на стойкость к образованию горячих трещин использовали установку, изготовленную в МГТУ им. Н.Э. Баумана – ЛТП1-6, на которой растяжение образцов в процессе сварки производится в направлении перпендикулярном направлению сварки. Методика исследования является универсальной для испытаний различных сплавов, как с присадочным материалом, так и без него. В качестве критерия используется максимальная (критическая) скорость деформации v_кр, при которой в образце не образуется трещина.

Исследовались характеристики прочности при температурах +20, +300, -55°С и ударной вязкости при температурах +20 и -55°С.

Структурные исследования сварных соединений проводили методом металлографии с помощью оптического микроскопа Olympus GX51. Для выявления структуры образцы травили электролитически в 10%-ном растворе щавелевой кислоты.

Испытания на МнЦУ проводили на машине МВИ611М в условиях чистого изгиба с вращением при частоте 50 Гц и коэффициенте асимметрии цикла R=-1.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследовали механические свойства (s_в, KCU) сварных соединений после упрочняющей термической обработки: нормализация+отпуск+закалка+отпуск. Испытания сварных соединений из стали ВНС-63 на растяжение при температурах +20, +300, -55°С (табл. 1) показали, что значения прочности после сварки составляют: σ_в.св^20°=1505 МПа, σ_в.св^300°=1225 МПа, σ_в.св^-55°=1595 МПа.

Испытания образцов по сварному шву на ударный изгиб при температурах +20 и -55°С показали более низкие значения ударной вязкости по сравнению с основным материалом: KСU^+20°=320 кДж/м², KСU^-55°=137 кДж/м². Разрушение хрупкое, по механизму отрыва с отсутствием участков среза (см. табл. 1).

Таблица 1

Механические свойства* сварных соединений стали ВНС-63

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Испытания на многоцикловую усталость (МнЦУ) проводились на гладких корсетных образцах, изготовленных из сварных соединений стали ВНС-63 после термообработки (нормализация+отпуск+закалка+отпуск) и цементации при температурах +20 и +300°С, на базе 2·10⁷ циклов. Сварной шов совпадал с минимальным сечением образца d=7,5 мм [9–13].

По результатам испытания определены средние значения пределов выносливости сварных образцов (табл. 2).

Таблица 2

Пределы многоцикловой усталости сварных образцов из стали ВНС-63

Проведенные исследования структуры сварных соединений показали, что микроструктура сварного шва без термической обработки отличается неоднородностью. В сварном шве зерно значительно мельче, чем в околошовной зоне, где размеры зерен достигают 0,2–0,25 мм (рис. 1). Термическая обработка существенно выравнивает структуру, но границы крупных зерен в зоне термического влияния сохраняются (рис. 2).

Длительный нагрев при цементации приводит к некоторому росту зерна в сердцевине сварного шва и выявляет границы крупных зерен в зоне термического влияния (рис. 3) [14]. Цементованный слой в сварном шве мелкозернистый, с большим количеством карбидов, характерным для высокохромистых сталей. До глубины 0,6–0,7 мм распределение карбидов относительно равномерное, затем карбиды залегают преимущественно по границам зерен и около них. На глубине 1,1–1,3 мм – мелкодисперсная переходная зона (рис. 4).

В зоне термического влияния наблюдается фрагментация крупных зерен исходного размера (рис. 5). Такая структура склонна к трещинообразованию (рис. 6). В связи с этим целесообразно защищать от цементации зону сварного шва гальваническим никелем или медью толщиной от 30 до 60 мкм [15].

Исследования образцов из стали ВНС-63 толщиной 3 мм на стойкость к образованию горячих трещин проводили на установке ЛТП1-6 на выбранном режиме. Исследование показало удовлетворительный уровень критической скорости деформации в процессе сварки – v_кр=5,2 мм/мин.

 Рисунок 1. Микроструктура сварного шва стали ВНС-63 без термической обработки

Рисунок 2. Микроструктура сварных образцов стали ВНС-63 после термической обработки (нормализация + отпуск+закалка + отпуск)

Рисунок 3. Микроструктура сердцевины после цементации и термической обработки сварных образцов стали ВНС-63 (нормализация + отпуск+цементация+отпуск)

Рисунок 4. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63

Рисунок 5. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63: а – сварной шов; б – зона термического влияния

 Рисунок 6. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63 с трещиной

Выводы

1. Проведенные исследования партии сварных образцов после механических испытаний показали, что аргоно-дуговая сварка стали ВНС-63 с присадкой основного материала позволяет получить сварные соединения с прочностью 0,9–0,99 от прочности основного материала.

2. Исследования структуры сварных соединений из стали ВНС-63 показали, что микроструктура сварного шва отличается неоднородностью, в сварном шве зерно гораздо мельче, чем в околошовной зоне, термическая обработка существенно выравнивает структуру, но границы крупных зерен в зоне термического влияния сохраняются.

3. Для предотвращения трещинообразования в результате роста зерна (в процессе цементации) целесообразно защищать зону сварного шва гальваническим никелем или медью толщиной от 30 до 60 мкм.