Титан - химически активный элемент. При нагреве он взаимодействует с кислородом и азотом воздуха, парами воды, углекислым газом.
В результате взаимодействии с кислородом на поверхности титана первоначально формируется тонкий слой твердого раствора кислорода в α-титане. Выше предела растворимости в системе титан-кислород формируются субоксиды Ti6О, Ti3О, Ti2О, а затем оксиды ТiO, Ti2O3, ТiO2. По мере окисления изменяется окраска оксидной пленки. Золотисто-желтая окраска с металлическим блеском появляется при формировании на поверхности фазы переменного состава на основе ТiO. Содержание кислорода в указанной фазе может изменяться в пределах 20,5—29, 5%, При формировании Ti2O3 появляется темно-фиолетовая окраска; белая окраска свидетельствует о формировании ТiO2.
Образующаяся при обычных температурах темная оксидная пленка предохраняет титан от дальнейшего окисления. Однако при температурах свыше 450 °С пленка начинает растворяться в металле, и процесс окисления ускоряется. Особенно интенсивно идет окисление при температурах свыше 700 °С. Титан взаимодействует также с азотом. Это взаимодействие усиливается при нагреве титана свыше 500 °С. Поскольку скорость растворения кислорода в титане больше скорости растворения азота, то при нагреве титана в атмосфере воздуха основную роль во взаимодействии играет кислород.
Кислород и азот стабилизируют α-фазу, поэтому при повышенной концентрации указанных элементов в поверхностном слое формируется так называемый альфированный слой, характеризующийся повышенной твердостью.
Титан интенсивно взаимодействует с парами воды. При этом процесс окисления протекает более интенсивно по сравнению с окислением на воздухе. Это объясняют структурными особенностями оксидной пленки, формирующейся при взаимодействии титана с парами воды. В этом случае на поверхности титана образуется только высший оксид. ТiO2.
Титан обладает большим сродством к кислороду. Прочность низшего оксида ТiO при температурах выше 1500—2000 °С превышает химическую прочность таких оксидов, как ZrO2, А12O3, MgO, ВеО. Подобные свойства ТiO исключают возможность раскисления титана цирконием, алюминием, магнием, бериллием. Однако в некоторых случаях введение в металл шва циркония позволяет уменьшить вредное влияние кислорода. Поскольку кислород и азот ухудшают механические свойства титана и его сплавов, особенно пластические, то сварочную ванну, а также основной металл в зоне сварки, нагреваемые выше 400 °С, защищают от атмосферы воздуха.
В связи с высокой активностью титана и его сплавов при сварке титана для защиты от атмосферы воздуха можно использовать только пассивные по кислороду среды: инертные газы, фторидные флюсы. При использовании фторидных флюсов возможно развитие химических реакций на границе шлак-металл:
Ti + 2MeF2 = TiF4 + 2Ме.
Эта реакция не приводит к загрязнению металла сварочной ванны неметаллическими включениями, поскольку фториды нерастворимы в жидком металле, но может привести к переходу в сварочную ванну элементов из флюса. Это необходимо учитывать при разработке технологии сварки с использованием флюсов. Титан и его сплавы не склонны к образованию горячи трещин. Это обусловлено благоприятным сочетанием физико-механических свойств титана и его сплавов, а именно малой величиной литейной усадки в сочетании с повышенной прочностью и пластичностью в области высоких температур.
Поскольку титан и его сплавы не склонны к образованию горячих трещин при сварке, то при выборе состава металла шва основное внимание уделяется обеспечению необходимых эксплуатационных свойств. В большинстве случаев используют электродную проволоку, по составу аналогичную основному металлу. Однако необходимо иметь в виду, что в α + β-сплавах с повышением количества β-стабилизаторов (особенно β-эвтектоидных стабилизаторов) металл шва уступает основному по пластическим свойствам.
В подобных случаях путем подбора химического состава металла шва и термообработки сварного соединения изыскивают наиболее оптимальный вариант. Если термообработку после сварки не проводят, рационально использовать металл шва с пониженным содержанием β-стабилизаторов. Это позволяет за счет некоторого снижения прочностных свойств получить более пластичный металл шва.
Основной дефект металла шва при сварке титана и его сплавов — пористость. До настоящего времени отсутствует единое мнение относительно причин образования пор при сварке титана и его сплавов.
Одни исследователи считают, что образование пор связано с растворением в металле водорода, выделяющегося из металла при повышении температуры в связи с изменением растворимости (рис. 11.7, а). Пористость образуется, если сформировавшиеся в процессе нагрева газовые пузыри не успевают выделиться из сварочной ванны до момента кристаллизации. До настоящего времени нет единого мнения относительно характера изменения растворимости водорода в титане при переходе из жидкого состояния в твердое. Поэтому имеется также мнение, что образование пор из-за водорода связано с его выделением в процессе кристаллизации в связи с резким понижением растворимости в твердом титане по сравнению с жидким (рис. 11.7, б).
Рис. 11.7. Растворимость водорода в титане в зависимости от температуры: а — по В, И. Явойскому; б - по В. И. Лакомскому
Другие исследователи считают, что пористость обусловлена углеродосодержащими веществами (различные жиры), адсорбированными поверхностью металла. Образование пор в данном случае связывают с образованием газообразных продуктов в результате развития реакций между углеродосодержащими веществами и поверхностными оксидами. Например,
ТiO2 + С = ТiO + СО.
При этом предполагают, что образующийся газ частично замешивается в сварочную ванну, особенно при малом зазоре между свариваемыми кромками или их смыкании, и вызывает образование пор. На основании исследований, проведенных в МАТИ, установлено, что не углеродосодержащие вещества, а адсорбированная влага служит основной причиной образования пор. Пористость резко возрастает, если в процессе сварки в результате расширения свариваемого металла происходит смыкание свариваемых кромок.
Повышение пористости в данном случае связывают с образованием в зоне стыка замкнутых микро- и макрополостей — зародышей газовых пузырей в сварочной ванне. В основном рост газовых пузырей происходит в результате объединения (коалесценции) мелких пузырей, а также выделения или разложения влаги, адсорбированной поверхностными оксидами. Выделение и разложение влаги из гидратированной оксидной пленки протекает по схеме
ТiO2·3Н2O →ТiO2-2Н2O
+ Н2О→ТiO2·Н2О + 2Н2O и т. д.;
Ti + 2Н2O = ТiO2 + 2Н2.
Развитие последней реакции приводит к устойчивому существованию газового пузыря в сварочной ванне на стадии нагрева в связи с тем, что с повышением температуры растворимость водорода в титане понижается. Рост газового пузыря также возможен за счет выделения водорода, растворенного в металле. Однако этот процесс, по-видимому, имеет второстепенный характер.
Повышение роли внешних факторов в образовании пор при сварке титана обусловлено тем, что благодаря хорошей смачиваемости жидким титаном поверхностей различных примесей термодинамические условия гетерогенного образования зародышей пузырей, по-видимому, незначительно отличаются от гомогенных. В результате затрудняется образование зародышей пузырьков.
Этим и объясняется отсутствие пористости в швах, выполненных путем переплавки титанового листа, насыщенного водородом. При сварке подобного насыщенного водородом металла встык в шве образуются поры. Попадающие в сварочную ванну газы, содержащиеся в микро- и макрополостях в зоне стыка, служат готовыми зародышами, в которые выделяется растворенный водород. Застревание газовых пузырей в кристаллизующемся металле приводит к образованию пор.
С целью предупреждения пор при сварке титана и его сплавов используют различные способы, которые можно разделить на три группы:
- уменьшение количества адсорбированной влаги на свариваемых поверхностях и поверхности сварочной проволоки, а также создание условий для удаления влаги из зоны сварки до формирования сварочной ванны;
- использование режимов сварки, обеспечивающих наиболее полное удаление из сварочной ванны водорода;
- связывание и интенсификация выделения водорода из сварочной ванны использованием флюсов.
Снижение количества адсорбированной влаги достигается за счет повышения чистоты обработки, а также регламентации условий и сроков хранения подготовленных к сварке деталей. Другим направлением снижения пористости из-за адсорбированной влаги может быть предотвращение формирования замкнутых полостей в зоне стыка. Это достигается при сварке с зазором. Пористость металла шва, выполненного аргон одуговой сваркой вольфрамовым электродом, резко снижается при сборке соединения перед сваркой с заданным зазором (0,2—0,3 мм для листов толщиной 1 мм).
Поскольку газовые пузыри при сварке титана формируются на стадии нагрева, то использование режимов сварки, приводящих к увеличению времени существования сварочной ванны, способствует снижению вероятности образования пор. При этом необходимо учитывать возможность роста зерна металла в зоне термического влияния.
Наиболее эффективно предотвращение пор при сварке титана и его сплавов путем использования флюсов на основе галогенов. При аргонодуговой сварке флюсом покрывают торцовые поверхности свариваемых кромок тончайшим слоем. Флюсы наносят в виде пасты, замешанной на спирте, либо натиранием кромок спрессованным стержнем-карандашом. Действие флюса проявляется как в связывании водорода в соединения, нерастворимые в металле (HF или НС1), так и в интенсификации процесса дегазации сварочной ванны летучими галогенидами. По этой причине наилучшие результаты достигаются при введении в состав флюса AlF2 или АlСl2, которые обладают большой упругостью паров в области температур плавления титана и его сплавов.
