RU2319589C2 - Способ диффузионной сварки тонкостенных слоистых конструкций из титановых сплавов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сварке, а именно к диффузионной сварке слоистых конструкций из титановых сплавов, преимущественно криволинейного профиля, и может быть использовано, например, при изготовлении теплообменников энергетических силовых установок. В процессе диффузионной сварки наружную поверхность свариваемых деталей азотируют с получением нитридного слоя не более 1 мкм, создавая при этом сварочное давление активной средой, состоящей из смеси 1 мас.% азота и 99 мас.% аргона. Это позволяет в процессе диффузионной сварки предотвратить образование хрупких нитридных слоев на наружной поверхности конструкции.

Description

Изобретение относится к сварке, а именно к диффузионной сварке слоистых конструкций из титановых сплавов, преимущественно криволинейного профиля, и может быть использовано, например, при изготовлении теплообменников энергетических силовых установок.

Известен способ диффузионной сварки слоистых конструкций, при котором сварочное давление создают активной средой в виде смеси 60% азота и 40% аргона, взаимодействующей с наружной поверхностью свариваемых деталей и упрочняющей ее путем азотирования с получением нитридного слоя (описание SU 679359, МКИ² В28К 19/00, 18.08.1979).

В известном способе реализуется комбинированная высокотемпературная обработка, при которой имеет место сочетание азотирования и диффузионного соединения деталей конструкции. При этом азот выполняет функцию не только активной газовой среды, упрочняющей металл, повышая сопротивление высокотемпературной деформации титана, но и среды, обеспечивающей создание давления на поверхности соединяемых деталей для их сближения.

Благодаря высокому содержанию в активной среде N₂ при температурах диффузионной сварки процесс взаимодействия титана с газообразным азотом сопровождается формированием на наружной поверхности свариваемых деталей не контролируемого по толщине азотированного слоя, внешняя часть которого представляет собой нитридный слой, характеризуемый высокой хрупкостью и склонностью к выкрашиванию. Наличие нитридного слоя приводит к зарождению усталостных трещин на наружной поверхности получаемых конструкций и снижает их циклическую прочность.

Восстановить пластичность и повысить долговечность титановых конструкций, содержащих на своей поверхности нитридные «охрупченные» слои, возможно путем длительного отжига в вакууме или инертной среде. Проведение восстановительного отжига усложняет технологический процесс изготовления конструкций, снижая производительность и повышая энергоемкость производства.

Задача изобретения - упрощение технологического процесса изготовления диффузионной сваркой слоистых сварных конструкций из титановых сплавов.

Технический результат от использования изобретения - предотвращение образования хрупких нитридных зон на наружной поверхности конструкции.

Технический результат достигается тем, что в способе диффузионной сварки тонкостенных слоистых конструкций из титановых сплавов, при котором наружную поверхность свариваемых деталей азотируют, создавая сварочное давление активной средой, состоящей из смеси азота с аргоном, азотирование осуществляют с получением нитридного слоя толщиной не более 1 мкм, используя при этом смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

азот - 1

аргон - остальное.

Нитридный слой толщиной не более 1 мкм представляет собой сплошную пленку нитрида титана, которая не только эффективно препятствует развитию деформации и прогибу на неподкрепленных участках соединяемых тонкостенных деталей при сварочном давлении, но улучшает ресурсные характеристики изготавливаемых конструкций.

Нитридный слой толщиной более 1 мкм содержит хрупкие нитридные зоны, устранение которых требует проведения дополнительной операции восстановительного отжига.

Создание сварочного давления смесью активной газовой среды с содержанием азота 1%, обеспечивает проведение процесса азотирования титановых сплавов в режиме диффузионной сварки при оптимальном парциальном давлении N₂, исключающем критическое газонасыщение азотом поверхностного слоя деталей, при котором металл становится хрупким.

Содержание азота в активной газовой смеси, меньшее 1%, не позволяет формировать сплошной нитридный слой на наружной поверхности свариваемых деталей, а большее приводит к формированию хрупких нитридных слоев.

Для осуществления способа перед сваркой проводят традиционные подготовительные операции, в т.ч. сборку, герметизацию и вакуумирование зоны соединения свариваемых деталей. Процесс диффузионного соединения ведут в активной среде, состоящей из смеси 1% азота и остальное аргона. Сварочные режимы выбирают из условия формирования на наружной поверхности свариваемых деталей нитридного слоя толщиной не более 1 мкм в виде сплошной пленки нитрида титана, при этом величину сварочного давления регулируют подачей газовой смеси, поддерживая в смеси выбранное соотношение азота и аргона 1:99 соответственно. Например, при изготовлении теплообменника из листового титанового сплава ОТ-4 путем совместной штамповки сварных заготовок, включающих внешнюю оболочку толщиной 0,8 мм и внутреннюю толщиной 3 мм с ребрами каналов для охлаждающей жидкости, полученных фрезерованием с шагом 5 мм при толщине ребра 1 мм, процесс диффузионной сварки ведут по режиму: нагрев до температуры сварки Т=940-950°С, сварочное давление создают активной газовой смесью, состоящей из 1 мас.% азота и 99 мас.% аргона при давлении до Р=0,4-0,5 МПа. Завершают процесс после изотермической выдержки, необходимой для образования сварного соединения. В течение 20-60 минут выдержки на наружной поверхности обшивок образуется более пластичная сплошная нитридная пленка толщиной 0,85-0,96 мкм.

Claims (1)

1. Способ диффузионной сварки тонкостенных слоистых конструкций из титановых сплавов, при котором наружную поверхность свариваемых деталей азотируют, создавая сварочное давление активной средой, состоящей из смеси азота с аргоном, отличающийся тем, что азотирование осуществляют с получением нитридного слоя не более 1 мкм, при этом используют смесь со следующим соотношением компонентов, мас.%:

   азот 1 аргон 99