Зона термического влияния титановых сплавов

Титановые сплавы чувствительны к режимам термообработки. Эта особенность титановых сплавов проявляется и при сварке. При сварке плавлением титановых сплавов в зоне термического влияния можно выделить следующие характерные области:

• высокотемпературная область — область твердожидкого состояния, где металл нагревается выше температуры солидуса;
• область металла, нагревавшегося в процессе сварки выше температуры α + β ↔β-превращения;
• область неполного фазового превращения, нижняя температурная граница этой области - температура α ↔ α +β-превращения.

Формирование последующих областей зависит от состояния металла перед сваркой. Если сплав сваривается в состоянии после закалки и старения, то можно выделить четвертую область-область разупрочнения, в которой наблюдается коагуляция упрочняющей фазы.

Граница указанной области, с одной стороны, определяется температурой α ↔ α + β-превращения, с другой - температурой старения.
В зависимости от состава сплава в зоне термического влияния возможно формирование различных метастабильных фаз. В некоторых случаях образование в зоне термического влияния малопластичных фаз в сочетании с напряжениями, возникающими в результате проведения процесса сварки, приводит к образованию холодных трещин.

Чувствительность сплавов титана к термическому циклу сварки зависит от структурного класса сплава и состояния сплава перед сваркой.
α-сплавы титана обладают хорошей тепловой свариваемостью., Это обусловлено тем, что упрочнение указанных сплавов достигается легированием твердого раствора, и сплавы не упрочняются термообработкой.

α+ β-сплавы чувствительны к термообработке. При сварке в зоне термического влияния возможно изменение свойств металла в широких пределах, приводящее в некоторых случаях к образованию холодных трещин. Это накладывает определенные ограничения на технологию сварки. Поэтому в большинстве случаев для получения сварных соединений с удовлетворительными свойствами, как правило, после сварки проводят их термообработку. Поскольку чувствительность к термообработке α + β-сплавов зависит от фазового состава, то при небольшом количестве β-стабилизаторов, а также общей пониженной легированности сплавы характеризуются лучшей тепловой свариваемостью (например, сплав ВТ6С).

β-сплавы в большинстве случаев обладают ограниченной тепловой свариваемостью. Это вызвано, с одной стороны, склонностью β-сплавов к росту зерна при высоких температурах, с другой — развитием значительной химической неоднородности в зоне сварного соединения, что приводит к ухудшению свойств и, в частности, образованию холодных трещин.

При разработке режимов сварки оптимальные скорости охлаждения металла околошовной зоны выбирают (при наличии) по диаграммам термокинетического превращения сплавов (рис. 11.8, а). Наиболее рационально использовать диаграммы изменения механических свойств сплава в зависимости от скорости охлаждения (рис. 11.8,6). Использование подобных диаграмм позволяет выбирать оптимальный диапазон скорости охлаждения по комплексу механических характеристик. Как отмечалось, чувствительность сплавов титана к термическому циклу сварки определяется не только структурным классом, но и степенью легирования в пределах структурного класса. Поскольку основными показателями свариваемости, как правило, являются механические свойства сплава, то по характеру изменения свойств в зависимости от скорости охлаждения при сварке титановые сплавы подразделяют на три группы (рис. 11.9).

Рис. 11.8. Диаграмма термокинетического превращения (а) и изменение механических свойств (б) сплава ВТ14 в околошовной зоне в зависимости от скорости охлаждения wо в интервале температур 900—700 °С; τ' + τ" — длительность нагрева выше температуры превращения

Рис. 11.9. Изменение механических свойств сплавов титана в околошовной зоне в зависимости от скорости охлаждения при сварке: 1 - сплавы со структурой α-фазы или малым количеством ω- и β-фаз, низколегированные α+β сплавы; 2 — сплавы со структурой α' + β + ω при малом и среднем количестве β-фазы; 3 — сплавы со структурой β + α' + α при повышенном и высоком содержании β-фазы; ψ  — относительное сужение; φ — угол изгиба

К первой группе относятся α- и α + β-сплавы, характеризующиеся малым количеством β-фазы (псевдо-α-сплавы). Сварные соединения подобных сплавов не подвергаются упрочняющей термообработке. Для них оптимален средний диапазон скоростей охлаждения Ашопт, которые обеспечивают относительно высокие пластические свойства при достаточной прочности. Использование мягких режимов приводит к снижению прочности и пластичности из-за роста зерна; сварка на жестких режимах приводит к формированию структур закалки и снижению пластических свойств. Металл шва и околошовной зоны во всем диапазоне скоростей охлаждения имеет более низкие пластические свойства по сравнению с исходным. Степень снижения пластических свойств возрастает с увеличением степени легирования сплава, особенно алюминием.

Ко второй группе относятся среднелегированные α+β-сплавы ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТЗ-1 и др. При сварке указанных сплавов на средних режимах металл околошовной зоны имеет низкие пластические свойства. Это обусловлено неблагоприятным соотношением α'-, α"-, β- и ω-фаз. При малых скоростях охлаждения пластические свойства повышаются за счет увеличения количества α', α"-фаз и снижения количества β- и ω-фаз. При больших скоростях охлаждения, наоборот, возрастает количество β-фазы. При этом из-за торможения распада β-фазы в структуре сплава формируется  небольшое количество  ω-фазы.

Для сплавов данной группы в качестве промежуточной термообработки используют отжиг, обеспечивающий формирование равновесных структур. Поскольку термообработка титановых сплавов не приводит к измельчению крупного зерна, формирующегося в околошовной зоне в процессе сварки, то, как правило, после полной термообработки (закалки и старения) пластические свойства металла околошовной зоны не улучшаются. Сплавы второй группы сваривают либо на мягких, либо на жестких режимах.

К сплавам третьей группы относятся высоколегированные  α + β-сплавы с высоким содержанием β-фазы (ВТ22 и др.) и сплавы с метастабильной β-структурой (ВТ15 и др.). Для сплавов данной группы используют режимы, обеспечивающие средние или большие скорости охлаждения. В этом случае в структуре металла околошовной зоодаря чему металл имеет высокие пластические свойства. Малые скорости охлаждения приводят к формированию в структуре металла околошовной зоны α -, α"- и ω-фаз из-за распада β-фазы.

Поскольку в зоне термического влияния фазовый состав изменяется в широких пределах, то в некоторых  случаях
проведение старения после сварки может вызвать резкое снижение  пластических  свойств  металла.

Помимо рассмотренных трех групп, можно выделить еще одну группу высоколегированных сплавов титана с β-стабильной структурой.

В зоне термического влияния наблюдается диффузия водорода под воздействием неоднородного температурного поля и поля напряжений. Поскольку в общем виде воздействие температурного поля и поля напряжений на диффузию водорода может быть различным, то это должно способствовать формированию макрохимической неоднородности по водороду. В частности, будут формироваться области с повышенной концентрацией водорода. Указанное положение хорошо подтверждается экспериментально (рис. 11.10). Для предотвращения охрупчивания металла зоны термического влияния из-за сегрегации водорода в некоторых случаях после сварки рационально использовать вакуумный отжиг.