Статьи
Установлено, что максимальный уровень характеристик прочности достигается при проведении полной термообработки (закалка+искусственное старение) после сварки. Термическая обработка сварных соединений, выполненных сваркой трением с перемешиванием, приводит к выравниванию структурной неоднородности и устранению разупрочнения по зоне термического влияния. Послесварочные режимы термообработки практически не оказывают влияния на защитные свойства неметаллических неорганических покрытий
Введение
По данным отечественных и зарубежных источников уровень прочности сварных соединений высокопрочных алюминийлитиевых сплавов, выполненных сваркой трением с перемешиванием (СТП), составляет 0,75–0,8 от прочности самого сплава. Получить равнопрочные с основным материалом соединения возможно путем применения термической обработки после сварки [1–17]. Поэтому целью данной работы являлось исследование влияния термической обработки на механические свойства и коррозионную стойкость сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469.
Сварные узлы из алюминиевых сплавов зачастую эксплуатируются в условиях, способствующих коррозионному поражению металла сварного соединения. Основными покрытиями для защиты от коррозии алюминиевых сплавов являются неметаллические неорганические химические и анодно-оксидные покрытия. Особенности химического состава и структуры новых алюминиевых сплавов и их сварных соединений требуют разработки технологии получения неметаллических неорганических покрытий, позволяющих обеспечить их применение для изделий, эксплуатирующихся в различных, в том числе и всеклиматических условиях. Легирование сплава литием и новыми легирующими компонентами приводит к изменению качества покрытий, формирующихся в электролитах, разработанных для алюминиевых сплавов. Поэтому в работе также исследовали защитные свойства покрытий, нанесенных на сварные соединения алюминийлитиевых сплавов. В научно-технической документации данные по защитным свойствам неметаллических неорганических покрытий на алюминийлитиевых сплавах и их сварных соединениях практически отсутствуют [18].
Методы исследования
Методы исследования и геометрические размеры образцов для определения механических характеристик (σв, α, KCU) сварных соединений соответствуют ГОСТ 6996–66 и ГОСТ 1497–84. Микротвердость определяли на твердомере EmcoTest DuraJet-10. Исследования микроструктуры проводили на инвертированном оптическом микроскопе Leica DM IRM с программно-аппаратным комплексом обработки изображения Image Expert Pro3x согласно ГОСТ 9.024–74.
Для нанесения защитных неорганических неметаллических покрытий образцы из алюминийлитиевых сплавов В-1461 и В-1469 предварительно обрабатывались в растворе HNO3. После предварительной обработки проведена подготовка поверхности перед нанесением неметаллических неорганических покрытий: образцы подвергали травлению в горячем (55°С) 5%-ном растворе NaOH и осветляли в 30%-ном растворе HNO3. Анодно-оксидные покрытия наносили в электролите, содержащем 200 г/л H2SO4, при плотности анодного тока 1 А/дм2 в течение 30 мин при температуре 20–21°С. Для сплава В-1461 напряжение на клеммах составляло 12–14 В; для сплава В-1469 напряжение на клеммах составляло 15–17 В. Электролит перемешивали механической мешалкой (60 об/мин). После проведения анодного оксидирования покрытие уплотняли в 5%-ном растворе K2Cr2O7 при температуре 95–98°С в течение 20 мин.
Химические оксидные покрытия наносили в растворе, содержащем комплекс ингибиторов коррозии различной концентрации. Образцы с нанесенными неметаллическими покрытиями и без них выставили на экспозицию в камеру солевого тумана: с покрытием Ан.Окс.хр – на ≥750 ч и с покрытием Хим.Окс – на ≥168 ч).
Результаты и обсуждение
Исследовано влияние вариантов термообработки на механические свойства (σв, α, KCU) и коррозионную стойкость сварных соединений высокопрочных алюминийлитиевых сплавов В-1461 и В-1469.
Термическую обработку заготовок из сплавов В-1461 и В-1469 проводили по режимам, обеспечивающим максимальный уровень прочности. После СТП, выполненной по оптимальному режиму, проводили старение и закалку с последующим старением по режимам, принятым для основного материала. Сварные соединения высокопрочных алюминийлитиевых сплавов В-1461 и В-1469, полученные СТП, имеют уровень прочности, пластичности и ударной вязкости на 15–20% выше, чем у соединений, выполненных аргоно-дуговой сваркой, поэтому вполне могут использоваться без дополнительной последующей термообработки (табл. 1).
Проведенное после сварки искусственное старение не повышает прочность сварных соединений сплава В-1469. Прочностные характеристики сварных соединений сплава В-1461 повышаются на 15–20%. Максимальный уровень прочности (σв.св/σв≥0,9) достигается при проведении полной термообработки сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469. Значения пластичности, измеренные по углу изгиба, и ударной вязкости имеют высокий уровень: α=90–95 град, KСU=200–300 кДж/м2.
Таблица 1
Механические свойства* сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469
|
Свойства |
Значения свойств сварных соединений, выполненных сваркой по технологическому варианту |
||
|
СТП |
СТП+старение |
СТП+закалка+старение |
|
|
Сплав В-1461 |
|||
|
σв, МПа |
375–400 390 |
440–455 450 |
494–495 495 |
|
σв.св/σв |
0,75 |
0,82 |
0,9 |
|
α, град |
65–70 67 |
69–77 73 |
91–95 93 |
|
KСUшов, кДж/м2 |
110–125 115 |
125–175 155 |
200–220 210 |
|
Сплав В-1469 |
|||
|
σв, МПа |
425–465 435 |
410–470 440 |
500–502 500 |
|
σв.св/ σв |
0,8 |
0,81 |
0,92 |
|
α, град |
85–95 90 |
84–90 87 |
94–96 95 |
|
KСUшов, кДж/м2 |
245–350 280 |
272–289 280 |
281–309 295 |
* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.
Замер микротвердости на шлифах сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469 показал, что особенностью формирования сварных соединений при СТП является снижение микротвердости в районе перехода от зоны термомеханического к зоне термического воздействия, где и происходит разрушение при механических испытаниях (рис. 1). Зона термического влияния при СТП составляет ~10 мм.
Рис. 1. Распределение микротвердости в поперечном сечении сварных соединений сплавов В-1469 (а) и В-1461 (б), выполненных сваркой трением с перемешиванием (●) и с последующей термической обработкой (○)
Применение термической обработки сварных соединений приводит к выравниванию структурной неоднородности сварных соединений и отсутствию разупрочнения в зоне термического влияния.
Исследовали влияние режимов термической обработки на микроструктуру сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469.
Ядро сварного шва имеет мелкозернистую равноосную структуру несколько вытянутую на периферии в направлении вращения инструмента (рис. 2). Размер зерна составляет 3–5 мкм для сплава В-1461 и 6–10 мкм для сплава В-1469. Применение последующей термообработки не приводит к изменению размера зерна сварного соединения сплава В-1469. Для сплава В-1461 размер зерна после старения и особенно после закалки и старения увеличивается в ~2 раза – до 10 мкм.
Структура переходной зоны, формирующаяся при СТП, значительно отличается на входе (сторона набегания) и на выходе инструмента (рис. 3). Со стороны набегания инструмента (см. рис. 3, б) пластическая деформация проходит в большей степени, чем со стороны выхода (см. рис. 3, а). Последующая термическая обработка сварных соединений сплава В-1461 приводит к незначительному росту зерна в слоях металла с различной протравливаемостью.
Рис. 2. Микроструктура (×200) сварного шва сплавов В-1461 (а) и В-1469 (б)
Рис. 3. Микроструктура (×50) переходной зоны сварных соединений сплава В-1461 со стороны выхода инструмента (а) и набегания инструмента (б)
Для исследования влияния вариантов термообработки на коррозионную стойкость сварных соединений, на изготовленные сварные образцы сплавов В-1461 и В-1469 наносили защитные антикоррозионные покрытия (анодно-оксидные и химически оксидные).
Проведены ускоренные коррозионные испытания в камере солевого тумана (КСТ) сварных соединений с защитными неметаллическими неорганическими покрытиями и без покрытий*.
Установлено, что сварные образцы из алюминийлитиевых сплавов В-1461 и В-1469 с анодно-оксидными и химически оксидными покрытиями, сформированными по стандартной технологии, выдержали испытания в КСТ без появления коррозионных поражений по шву и зоне термического влияния.
Послесварочные режимы термообработки практически не оказывают влияния на защитные свойства неметаллических неорганических покрытий.
Следует отметить, что коррозионная стойкость выше для образцов с меньшей шероховатостью поверхности сварного шва для обоих сплавов (Rz≤40 мкм) – рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид сварных образцов с различной шероховатостью поверхности с анодно-оксидными покрытиями после испытаний в КСТ
Прочностные испытания сварных образцов с защитными покрытиями и без покрытий после выдержки в КСТ (табл. 2) показали, что потери прочности соединений без покрытий составляют от 7 до 19% в зависимости от варианта термообработки после сварки.
–––––––––––––––––––
* Исследования коррозионной стойкости проведены М.А. Фоминой.
Таблица 2
Прочность сварных соединений после испытаний в КСТ
|
Вид термообработки после сварки |
Тип защитного покрытия |
Продолжительность экспозиции, сут |
σв, МПа |
Потери σв, % |
|
Сплав В-1461 |
||||
|
Без термообработки |
Без покрытия |
7 |
368 |
5 |
|
Химическое оксидирование |
7 |
385 |
1 |
|
|
Без покрытия |
30 |
359 |
8 |
|
|
Анодное оксидирование |
30 |
388 |
0 |
|
|
Старение |
Без покрытия |
7 |
440 |
2 |
|
Химическое оксидирование |
7 |
435 |
3 |
|
|
Без покрытия |
30 |
425 |
5 |
|
|
Анодное оксидирование |
30 |
445 |
1 |
|
|
Закалка+старение |
Без покрытия |
7 |
465 |
6 |
|
Химическое оксидирование |
7 |
490 |
1 |
|
|
Без покрытия |
30 |
451 |
9 |
|
|
Анодное оксидирование |
30 |
481 |
3 |
|
|
Сплав В-1469 |
||||
|
Без термообработки |
Без покрытия |
7 |
438 |
0 |
|
Химическое оксидирование |
7 |
430 |
2 |
|
|
Без покрытия |
30 |
423 |
3 |
|
|
Анодное оксидирование |
30 |
427 |
2 |
|
|
Старение |
Без покрытия |
7 |
440 |
0 |
|
Химическое оксидирование |
7 |
440 |
0 |
|
|
Без покрытия |
30 |
426 |
3 |
|
|
Анодное оксидирование |
30 |
425 |
3 |
|
|
Закалка+старение |
Без покрытия |
7 |
480 |
4 |
|
Химическое оксидирование |
7 |
490 |
2 |
|
|
Без покрытия |
30 |
426 |
15 |
|
|
Анодное оксидирование |
30 |
495 |
1 |
|
Для образцов с анодно-оксидными и химически оксидными покрытиями потери прочности составляют от 0 до 4% в зависимости от варианта термообработки после СТП.
Заключения
1. Максимальный уровень характеристик прочности (σв.св/σв≥0,9) достигается при проведении полной термообработки (закалка+искусственное старение) после сварки. Термическая обработка сварных соединений приводит к выравниванию структурной неоднородности и устранению разупрочнения в зоне термического влияния.
2. По результатам ускоренных испытаний сварных соединений на коррозионную стойкость в КСТ установлено, что сварные образцы сплавов В-1461 и В-1469 с покрытиями выдержали испытания без появления коррозионных поражений по шву и зоне термического влияния.
3. Послесварочные режимы термообработки практически не оказывают влияния на защитные свойства неметаллических неорганических покрытий.
2. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2–14.
3. Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России //Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
4. Панин В.Е., Каблов Е.Н., Почивалов Ю.И., Панин С.В., Колобнев Н.И. Влияние наноструктурирования поверхностного слоя алюминий-литиевого сплава 1424 на механизмы деформации, технологические характеристики и усталостную долговечность. Повышение пластичности и технологических характеристик //Физическая мезомеханика. 2012. Т. 15. №6. С. 107–111.
5. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167–182.
6. Фридляндер И.Н., Чуистов К.В., Березина А.Л., Колобнев Н.И., Коваль Ю.Н. Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства. К.: Наукова думка. 1992.
7. Fridlyander I.N., Sister V.G., Grushko O.E., Berstenev V.V., Sheveleva L.M., Ivanova L.A. Aluminum alloys: promising materials in the automotive industry //Metal Science and Heat Treatment. 2002. Т. 44. №9–10. P. 365–370.
8. Клочкова Ю.Ю., Грушко О.Е., Ланцова Л.П., Бурляева И.П., Овсянников Б.В. Освоение в промышленном производстве полуфабрикатов из перспективного алюминийлитиевого сплава В-1469 //Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 8–12.
9. Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Клочкова Ю.Ю., Романенко В.Ю. Промышленное освоение высокопрочного сплава В-1469 системы Al–Cu–Li–Mg //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст. 01 (viam-works.ru).
10. Саморуков М.Л. Аналитический подход к математическому моделированию температурной составляющей ротационной сварки трением //Труды ВИАМ. 2013. №9. Ст. 03 (viam-works.ru).
11. Лукин В.И., Оспенникова О.Г., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д. Сварка алюминиевых сплавов в авиакосмической промышленности //Сварка и диагностика. 2013. №2. С. 47–52.
12. Лукин В.И., Иода Е.Н., Базескин А.В. и др. Повышение надежности сварных соединений из высокопрочного алюминиево-литиевого сплава В-1461 //Сварочное производство. 2010. №11. С. 14–17.
13. Petrovic M., Veljic D., Rakin M., Radovic N., Sedmak A., Bajic N. Friction-stir welding of high-strength aluminium alloys and a numerical simulation of plunge stage //Materials in technology. 2012. V. 46. №3. P. 215–221.
14. Силис М.И., Елисеев А.А., Силис В.Э. и др. Особенности структуры сварных соединений алюминиевых сплавов, полученных фрикционной сваркой //МиТОМ. 2009. №4. С. 34–39.
15. Лукин В.И., Иода Е.Н., Базескин А.В. и др. Особенности формирования сварного соединения при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава В-1469 //Сварочное производство. 2012. №6. С. 30–36.
16. Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Развитие алюминийлитиевых сплавов и многоступенчатых режимов термической обработки //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 183–195.
17. Оглодков М.С., Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И. и др. Влияние термомеханической обработки на свойства и структуру сплава системы Al–Cu–Mg–Li–Zn //Авиационные материалы и технологии. 2010. №4. С. 7–11.
18. Жиликов В.П., Каримова С.А., Лешко С.С., Чесноков Д.В. Исследование динамики коррозии алюминиевых сплавов при испытании в камере солевого тумана (КСТ) //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 18–22.
2. Kablov E.N. Aviakosmicheskoe materialovedenie [Aerospace materials science] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2008. №3. S. 2–14.
3. Kablov E.N. Sovremennye materialy – osnova innovacionnoj modernizacii Rossii [Modern materials – basis of innovative modernization of Russia] //Metally Evrazii. 2012. №3. S. 10–15.
4. Panin V.E., Kablov E.N., Pochivalov Ju.I., Panin S.V., Kolobnev N.I. Vlijanie nanostrukturirovanija poverhnostnogo sloja aljuminij-litievogo splava 1424 na mehanizmy deformacii, tehnologicheskie harakteristiki i ustalostnuju dolgovechnost'. Povyshenie plastichnosti i tehnologicheskih harakteristik [Influence of nanostructuring surface layer aluminum-lithium alloy 1424 on deformation mechanisms, technical characteristics and fatigue life. Increase of plasticity and technical characteristics] //Fizicheskaja mezomehanika. 2012. T. 15. №6. S. 107–111.
5. Antipov V.V., Senatorova O.G., Tkachenko E.A., Vahromov R.O. Aljuminievye deformiruemye splavy [Aluminum deformable alloys] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 167–182.
6. Fridljander I.N., Chuistov K.V., Berezina A.L., Kolobnev N.I., Koval' Ju.N. Aljuminij-litievye splavy. Struktura i svojstva [Aluminum-lithium alloys. Structure and properties]. K.: Naukova dumka. 1992.
7. Fridlyander I.N., Sister V.G., Grushko O.E., Berstenev V.V., Sheveleva L.M., Ivanova L.A. Aluminum alloys: promising materials in the automotive industry //Metal Science and Heat Treatment. 2002. Т. 44. №9–10. P. 365–370.
8. Klochkova Ju.Ju., Grushko O.E., Lancova L.P., Burljaeva I.P., Ovsjannikov B.V. Osvoenie v promyshlennom proizvodstve polufabrikatov iz perspektivnogo aljuminijlitievogo splava V-1469 [Development in industrial production of semi-finished products from perspective alyuminiylitiyevy alloy V-1469] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №1. S. 8–12.
9. Klochkov G.G., Grushko O.E., Klochkova Ju.Ju., Romanenko V.Ju. Promyshlennoe osvoenie vysokoprochnogo splava V-1469 sistemy Al–Cu–Li–Mg [Industrial development of V-1469 high-strength alloy of Al–Cu–Li–Mg system] //Trudy VIAM. 2014. №7. St. 01 (viam-works.ru).
10. Samorukov M.L. Analiticheskij podhod k matematicheskomu modelirovaniju temperaturnoj sostavljajushhej rotacionnoj svarki treniem [Analytical approach to mathematical modeling of temperature component of rotational friction bonding] //Trudy VIAM. 2013. №9. St. 03 (viam-works.ru).
11. Lukin V.I., Ospennikova O.G., Ioda E.N., Panteleev M.D. Svarka aljuminievyh splavov v aviakosmicheskoj promyshlennosti [Welding of aluminum alloys in the aerospace industry] //Svarka i diagnostika. 2013. №2. S. 47–52.
12. Lukin V.I., Ioda E.N., Bazeskin A.V. i dr. Povyshenie nadezhnosti svarnyh soedinenij iz vysokoprochnogo aljuminievo-litievogo splava V-1461 [Increase of reliability of welded connections from high-strength aluminum-lithium alloy V-1461] //Svarochnoe proizvodstvo. 2010. №11. S. 14–17.
13. Petrovic M., Veljic D., Rakin M., Radovic N., Sedmak A., Bajic N. Friction-stir welding of high-strength aluminium alloys and a numerical simulation of plunge stage //Materials in technology. 2012. V. 46. №3. P. 215–221.
14. Silis M.I., Eliseev A.A., Silis V.Je. i dr. Osobennosti struktury svarnyh soedinenij aljuminievyh splavov, poluchennyh frikcionnoj svarkoj [Features of structure of welded compounds of the aluminum alloys received by frictional welding] //MiTOM. 2009. №4. S. 34–39.
15. Lukin V.I., Ioda E.N., Bazeskin A.V. i dr. Osobennosti formirovanija svarnogo soedinenija pri svarke treniem s peremeshivaniem aljuminievogo splava V-1469 [Features of forming of welded connection at friction bonding with V-1469 aluminum alloy hashing] //Svarochnoe proizvodstvo. 2012. №6. S. 30–36.
16. Antipov V.V., Kolobnev N.I., Hohlatova L.B. Razvitie aljuminijlitievyh splavov i mnogostupenchatyh rezhimov termicheskoj obrabotki [Development of alyuminiylitiyevy alloys and multistage modes of thermal processing] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 183–195.
17. Oglodkov M.S., Hohlatova L.B., Kolobnev N.I. i dr. Vlijanie termomehanicheskoj obrabotki na svojstva i strukturu splava sistemy Al–Cu–Mg–Li–Zn [Influence of thermomechanical processing on properties and Al–Cu–Mg–Li–Zn system alloy structure] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2010. №4. S. 7–11.
18. Zhilikov V.P., Karimova S.A., Leshko S.S., Chesnokov D.V. Issledovanie dinamiki korrozii aljuminievyh splavov pri ispytanii v kamere solevogo tumana (KST) [Research of dynamics of corrosion of aluminum alloys when testing in the salt spray chamber (KST)] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №4. S. 18–22.