RU2612331C2

RU2612331C2 - Titan steel adapter production method

Info

Publication number: RU2612331C2
Application number: RU2015133145A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Денисов; Андрей Станиславович Кляцкин; Виктор Николаевич Бутрим; Александр Германович Береснев; Святослав Федорович Маринин; Денис Андреевич Медведев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит")
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2017-03-07
Also published as: RU2015133145A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: titanium-steel adapter is produced by diffusion welding under a hot isostatic pressing using intermediate copper foil inserts from the steel side and niobium foil inserts from the titanium side. The copper foil thickness to the niobium foil thickness ratio is 1.5-3.0. Copper and niobium foil is placed in a closed slot made in the steel blank with walls around the perimeter, then a part of the titanium blank is inserted into it. Hot isostatic pressing modes are selected on the condition of obtaining a diffusion-free layer in the copper interlayer with thickness of not less than 0.3 mm, and in the niobium interlayer - at least 0.15 mm. At simultaneous pressing of several blanks, the separating surfaces are pre-coated with antiadhesion coating.

EFFECT: method eliminates titanium interaction with iron and copper and provides for obtaining a titanium-steel combination with full integrity, stable mechanical properties due to maintaining intermediate inserts ductility, absence of brittle intermetallic and eutectic interlayers and carbide phases.

3 cl, 10 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области соединения сплавов из разнородных металлических материалов, не поддающихся сварке плавлением напрямую, а более конкретно - к сварным конструкциям, включающим детали из титановых сплавов и детали из нержавеющей стали, которые соединяются между собой через предварительно изготовленные методами сварки в твердом состоянии переходники титановый сплав - нержавеющая сталь. Причем титановая часть переходника сваривается с титановой деталью конструкции, а стальная - со стальной с помощью традиционных методов сварки плавлением.The invention relates to the field of joining alloys of dissimilar metallic materials that cannot be directly welded by fusion, and more particularly, to welded structures including parts from titanium alloys and stainless steel parts that are connected to each other through titanium adapters prefabricated in solid state welding methods alloy - stainless steel. Moreover, the titanium part of the adapter is welded to the titanium part of the structure, and the steel - to steel using traditional fusion welding methods.

Известен переходник для диффузионной сварки соединений телескопического типа из титанового сплава ОТ4 и стали 12Х18Н10Т с передачей сварочного усилия за счет предварительного натяга по конусным поверхностям и разницы в коэффициентах термического расширения. При этом втулка из титанового сплава располагается снаружи втулки из стали (Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под ред. Н.Ф. Казакова. - М.: Машиностроение, 1981 г., стр. 157). Однако в этом случае в зоне контакта титан-сталь при температуре более 1073К интенсивно растет прослойка интерметаллида TiFe, что вызывает охрупчивание сварного соединения. Эта конструкция переходника мало пригодна для сварки ответственных трубопроводов из титановых сплавов и нержавеющей стали, работающих в условиях вибрации и частых смен температур, так как прочность переходника обеспечивается только за счет прочности интерметаллидной прослойки, образовавшейся в результате диффузионной сварки.A known adapter for diffusion welding of joints of a telescopic type made of OT4 titanium alloy and 12X18H10T steel with transmission of welding force due to preload on conical surfaces and the difference in thermal expansion coefficients. In this case, a titanium alloy bushing is located outside the steel bushing (Diffusion welding of materials: Handbook / Ed. By N.F. Kazakov. - M.: Mechanical Engineering, 1981, p. 157). However, in this case, in the titanium-steel contact zone at a temperature of more than 1073 K, the TiFe intermetallic layer intensively grows, which causes embrittlement of the welded joint. This design of the adapter is not suitable for welding critical pipelines made of titanium alloys and stainless steel, operating in conditions of vibration and frequent temperature changes, since the strength of the adapter is ensured only due to the strength of the intermetallic layer formed as a result of diffusion welding.

Известен переходник титан-нержавеющая сталь, выполненный из втулки титанового сплава и втулки из нержавеющей стали, соединенных между собой диффузионной сваркой внахлестку с расположением втулки из нержавеющей стали снаружи втулки из титанового сплава и с образованием между ними диффузионной прослойки, отличающийся тем, что нахлесточное соединение выполнено по цилиндрическим поверхностям с механическим зацеплением между ними в виде чередующихся между собой кольцевых выступов и впадин резьбового профиля, при этом толщина диффузионной прослойки составляет не более 20 мкм. Место утолщения нахлесточного соединения может быть выполнено на наружной или внутренней стороне переходника [патент RU 2207236]. К недостаткам такого переходника можно отнести наличие все той же хрупкой, склонной к растрескиванию интерметаллидной прослойки, могущей вызвать негерметичность соединения, а также утяжеление самого переходника из-за наличия нахлестки. Кроме того, диффузионная прослойка между втулками из титанового сплава и нержавеющей стали, на которой основана прочность и работоспособность переходника титан-сталь, получаемая по известной технологии диффузионной сварки, как правило, имеет крайне неравномерную толщину как по площади соединения, так и по его длине; этот разброс в одном нахлесточном соединении может колебаться от практического отсутствия диффузионной прослойки на отдельных участках до толщин в несколько сотен микрон. Вследствие этого снижается надежность сварного соединения.A known titanium-stainless steel adapter made of a titanium alloy sleeve and a stainless steel sleeve interconnected by diffusion lap welding with the location of the stainless steel sleeve outside the titanium alloy sleeve and forming a diffusion layer between them, characterized in that the lap joint is made along cylindrical surfaces with mechanical engagement between them in the form of alternating annular protrusions and troughs of the threaded profile, while the thickness of the diffusion th interlayer is not more than 20 microns. The site of thickening of the lap joint can be performed on the outer or inner side of the adapter [patent RU 2207236]. The disadvantages of such an adapter include the presence of the same brittle, prone to cracking intermetallic layer, which can cause a leak in the connection, as well as the weight of the adapter itself due to the presence of overlap. In addition, the diffusion layer between the titanium alloy bushings and stainless steel, on which the strength and performance of the titanium-steel adapter, based on the known diffusion welding technology, is based, as a rule, has an extremely uneven thickness both along the joint area and along its length; this scatter in one lap joint can range from the practical absence of a diffusion layer in individual sections to thicknesses of several hundred microns. As a result, the reliability of the welded joint is reduced.

Известен переходник из титанового сплава марки ОТ4 и нержавеющей стали марки Х18Н9Т, полученный сваркой в твердом состоянии методом горячего совместного прессования заготовок из титана и нержавеющей стали. Заготовки будущего переходника помещали в стальной контейнер, потом его закрывали крышкой, вакуумировали и герметизировали с сохранением в контейнере вакуума; после этого его нагревали до температуры около 900°С и устанавливали в подогреваемую пресс-форму, через отверстие в которой гидравлическим прессом продавливали горячий контейнер (Стрижевская Л.Г. и др. Сварка разнородных металлов с использованием биметаллических переходников, "Сварочное производство", 1969 г., 8, стр. 18-19). Недостатком переходников, полученных этим методом, является большая вероятность появление микротечей в контейнере с заготовками из титанового сплава и нержавеющей стали в момент прессования, так как контейнер подвергается интенсивной деформации и растягивающим нагрузкам. При разрыве контейнера происходит падение вакуума, окисление соединяемых поверхностей, снижение качества и надежности диффузионного соединения или даже его отсутствие. При этом снижается герметичность, уровень и стабильность механических свойств сварных соединений. Кроме того, существенное изменение размеров заготовок в процессе прессования требует дополнительной механической обработки и обуславливает снижение выхода годного и коэффициента использования материала (КИМ).A known adapter from a titanium alloy of the OT4 brand and stainless steel of the X18H9T brand, obtained by solid-state welding by hot joint pressing of titanium and stainless steel blanks. The blanks of the future adapter were placed in a steel container, then it was closed with a lid, evacuated and sealed while maintaining a vacuum in the container; after that it was heated to a temperature of about 900 ° C and installed in a heated mold, through which a hot container was pressed with a hydraulic press (L. Strizhevskaya et al. Welding dissimilar metals using bimetallic adapters, Welding Production, 1969 8, p. 18-19). The disadvantage of the adapters obtained by this method is the high likelihood of micro-leaks in the container with blanks made of titanium alloy and stainless steel at the time of pressing, since the container is subjected to intense deformation and tensile loads. When the container ruptures, a vacuum drop occurs, the surfaces to be joined are oxidized, the quality and reliability of the diffusion compound are reduced or even absent. This reduces the tightness, level and stability of the mechanical properties of welded joints. In addition, a significant change in the size of the workpieces during the pressing process requires additional machining and causes a decrease in the yield and material utilization factor (CMM).

Известен переходник для диффузионной сварки титана со сталью, в которой для предотвращения интерметаллидных прослоек между ними используется применение различных промежуточных прослоек в виде фольги, помещаемой перед сваркой между свариваемыми поверхностями, причем со стороны стали прокладывается медная фольга, а со стороны титана - ванадиевая (ниобиевая, танталовая) фольга. [Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под ред. Н.Ф. Казакова. -М.: Машиностроение, 1981 г., стр. 157, 158]. К недостаткам этой конструкции, во-первых, можно отнести невозможность реализации сварочных усилий при традиционной диффузионной сварке (5-15 МПа), достаточных для пластической деформации тугоплавких фольг (ниобиевой, ванадиевой, танталовой) и при этом не вызывающих макродеформацию всего переходника. В результате не исключены дефекты типа непроваров, нестабильность и снижение прочностных свойств сварных соединений и их герметичности. Во-вторых, не исключена вероятность проявления «краевого эффекта», обусловленного образованием хрупкой фазы эвтектического типа в результате взаимодействия титана с выдавленной из стыка пластичной медной фольгой и, как следствие, также нестабильность и снижение прочностных свойств сварных соединений и их герметичности. В-третьих, не определены диапазоны толщин промежуточных фольг, гарантированно обеспечивающих отсутствие хрупких интерметаллидных и эвтектических прослоек. Кроме того, фольги перед укладкой необходимо подвергнуть совместной вакуумной прокатке, что усложняет и удорожает технологический процесс.A known adapter for diffusion welding of titanium with steel, in which to prevent intermetallic interlayers between them, various intermediate layers are used in the form of a foil placed before welding between the surfaces to be welded, with copper foil being laid on the steel side and vanadium (niobium, on the titanium side) tantalum) foil. [Diffusion welding of materials: Handbook / Ed. N.F. Kazakova. -M.: Engineering, 1981, p. 157, 158]. The disadvantages of this design, firstly, include the inability to realize welding forces in traditional diffusion welding (5-15 MPa), sufficient for plastic deformation of refractory foils (niobium, vanadium, tantalum) and without causing macrodeformation of the entire adapter. As a result, defects such as lack of fusion, instability and a decrease in the strength properties of welded joints and their tightness are not excluded. Secondly, it is possible that a “boundary effect” may occur due to the formation of a brittle eutectic-type phase as a result of the interaction of titanium with plastic copper foil extruded from the joint and, as a result, also instability and a decrease in the strength properties of welded joints and their tightness. Thirdly, the thickness ranges of the intermediate foils are not determined, which guarantee the absence of brittle intermetallic and eutectic layers. In addition, the foil must be subjected to joint vacuum rolling before laying, which complicates and increases the cost of the process.

Известен переходник для диффузионной сварки (патент RU 2239529) в виде кольцевых заготовок из разнородных металлов, установленных друг на друга и помещенных в камеру из пластичной стали с толщиной стенок 0,5-3 мм, из которой откачивают воздух, а потом ее герметизируют с помощью электронно-лучевой сварки. Затем в газостате производят всестороннее сдавливание камеры нейтральным газом (аргоном) с давлением не менее 200 атм (20 МПа), нагретым до температуры сварки, выдержку при температуре сварки и последующее охлаждение. Эту конструкцию, предназначенную для диффузионной сварки в условиях горячего изостатического прессования (ГИП), нельзя применить для соединения разнородных материалов, образующих интерметаллидные прослойки (например, титан-сталь). Предотвращение таких прослоек обеспечивается использованием промежуточных слоев, совместимых между собой и с основным металлом с точки зрения свариваемости. При этом необходимо строго регламентировать толщины промежуточных слоев и ширину диффузионных зон в них, что в указанном способе не предусмотрено. Также необходимо отметить, что давление 200 атм нехарактерно для ГИП и недостаточно для формирования надежного физического контакта при использовании тугоплавких промежуточных фольг.A known adapter for diffusion welding (patent RU 2239529) in the form of ring blanks of dissimilar metals, mounted on top of each other and placed in a chamber of plastic steel with a wall thickness of 0.5-3 mm, from which air is pumped out and then sealed with electron beam welding. Then, the chamber is subjected to all-round compression of the chamber with neutral gas (argon) with a pressure of at least 200 atm (20 MPa) heated to the welding temperature, holding at the welding temperature and subsequent cooling. This design, designed for diffusion welding under conditions of hot isostatic pressing (GUI), cannot be used to connect dissimilar materials forming intermetallic interlayers (for example, titanium-steel). The prevention of such interlayers is provided by the use of intermediate layers compatible with each other and with the base metal from the point of view of weldability. It is necessary to strictly regulate the thickness of the intermediate layers and the width of the diffusion zones in them, which is not provided for in this method. It should also be noted that a pressure of 200 atm is uncharacteristic for the ISU and is not enough to form reliable physical contact when using refractory intermediate foils.

Известен переходник для диффузионной сварки в условиях ГИП, представленный примерами в работе (Диффузионная сварка разнородных материалов в условиях горячего изостатического прессования. Елкин В.Н., Гордо В.П., Мелюков В.В. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2013. Том 15. №4). Исследовали соединения стали 09Х17Н9-Ш и титанового сплава ПТ3-В, полученные диффузионной сваркой в условиях ГИП по режиму: температура 922°С, время 135 мин, давление 151 МПа. Сварку осуществляли через промежуточные слои по двум вариантам: через нанесенное гальваническим способом на стальную деталь никелевое покрытие и через танталовую фольгу толщиной 0,1 мм. Перед ГИП свариваемые детали помещали в контейнер, который герметизировали в вакууме с помощью электронно-лучевой сварки. Недостатком варианта конструкции с никелевым покрытием, имеющим при гальваническом нанесении небольшую толщину (5-10 мкм), является снижение пластичности соединения и его стойкости к вибрационным нагрузкам из-за взаимодействия титана с никелем с образованием характерной упрочняющей γ'-фазы. Такой же недостаток имеет место и для второго варианта из-за образования карбидов тантала на границе сталь-тантал. Кроме того, неизвестен нижний предел давления при ГИП, гарантирующий абсолютный физический контакт при использовании тугоплавкой танталовой фольги, который обеспечивает герметичность и стабильность свойств соединения и может быть разным для разных фольг.A known adapter for diffusion welding in ISU conditions, represented by examples in (Diffusion welding of dissimilar materials under conditions of hot isostatic pressing. Elkin VN, Gordo VP, Melyukov VV Vestnik PNIPU. Mechanical Engineering, Materials Science. 2013. Volume 15. No. 4). We investigated the compounds of steel 09Kh17N9-Sh and the titanium alloy PT3-V obtained by diffusion welding under the conditions of ISU according to the following conditions: temperature 922 ° С, time 135 min, pressure 151 MPa. Welding was carried out through the intermediate layers in two ways: through a nickel coating plated on a steel part and through a 0.1 mm thick tantalum foil. Before the ISU, the parts to be welded were placed in a container, which was sealed in vacuum by electron beam welding. A disadvantage of the nickel-plated construction variant having a small thickness (5-10 μm) during galvanic deposition is a decrease in the ductility of the compound and its resistance to vibration loads due to the interaction of titanium with nickel with the formation of a characteristic hardening γ'-phase. The same drawback occurs for the second option due to the formation of tantalum carbides at the steel-tantalum boundary. In addition, the lower pressure limit for HIP is unknown, which guarantees absolute physical contact when using refractory tantalum foil, which ensures tightness and stability of the connection properties and can be different for different foils.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является переходник, состоящий из деталей титана и стали, получаемый диффузионной сваркой (патент RU 2520236) в условиях ГИП через две тонкие (20-50 мкм) вставки из ниобия или ванадия и меди, которые помещают между титановой и стальной деталью соответственно. Недостатком этой конструкции является слишком малая толщина вставок, что приводит к снижению пластичности соединения и его стойкости к вибрационным нагрузкам, а также к нестабильности прочностных свойств несмотря на их высокий уровень. Такое ухудшение механических свойств обусловлено характером диффузионных процессов между парами Ti-Nb, Nb-Cu, Cu-Fe в заданных условиях ГИП (температура 900-950°С, время 1-3 часа, давление 1000-1500 бар). Титан диффундирует в ниобий на глубину до 40 мкм (фиг. 1), а медь в ниобий - до 10 мкм (фиг. 2), образуя при этом и в том, и в другом случае твердые растворы по всему объему ниобиевой вставки толщиной 20-50 мкм, которые упрочняют ее и делают менее пластичной. Кроме того, при встречной диффузии титана и меди появляется опасность образования легкоплавкой эвтектики в результате их взаимодействия, если глубина их диффузии перекрывается, что и происходит при толщине ниобиевой вставки 20 мкм. Аналогичная картина наблюдается в медной фольге из-за диффузии железа в медь (фиг. 3а, фиг. 3б и фиг. 4) и ниобия в медь (до 10 мкм) (см. фиг. 2): образовавшиеся твердые растворы железа (хрома, никеля) в меди по всему объему медной вставки толщиной 20-50 мкм упрочняют ее и делают менее пластичной. На фиг. 3а, 6 представлена переходная область на границе сталь-медь и линия, по которой проводилась оценка ширины диффузионной зоны. На фиг. 4 представлена диаграмма распределения основных легирующих элементов поперек зоны диффузионного соединения медь-сталь, количественный состав которых приведен в таблице 1. Анализ фиг. 3, фиг. 4 и таблицы 1 показывает, что железо диффундирует в медь на расстояние до 100 мкм (точка 30), перекрывая всю толщину (20-50 мкм) медной фольги.The closest set of essential features to the invention is the adapter, consisting of parts of titanium and steel, obtained by diffusion welding (patent RU 2520236) in the ISU through two thin (20-50 microns) inserts of niobium or vanadium and copper, which are placed between titanium and steel part, respectively. The disadvantage of this design is the too small thickness of the inserts, which leads to a decrease in the ductility of the joint and its resistance to vibration loads, as well as to instability of the strength properties despite their high level. This deterioration in mechanical properties is due to the nature of the diffusion processes between Ti-Nb, Nb-Cu, Cu-Fe pairs under the specified ISU conditions (temperature 900–950 ° C, time 1-3 hours, pressure 1000–1500 bar). Titanium diffuses into niobium to a depth of 40 μm (Fig. 1), and copper into niobium - up to 10 μm (Fig. 2), forming both in this and in the other case, solid solutions throughout the volume of the niobium insert with a thickness of 20 50 microns, which strengthen it and make it less ductile. In addition, with the counter diffusion of titanium and copper, there is a danger of the formation of a low-melting eutectic as a result of their interaction, if the depth of their diffusion overlaps, which occurs when the thickness of the niobium insert is 20 μm. A similar pattern is observed in copper foil due to the diffusion of iron into copper (Fig. 3a, Fig. 3b and Fig. 4) and niobium into copper (up to 10 μm) (see Fig. 2): solid solutions of iron (chromium, nickel) in copper throughout the entire volume of a copper insert with a thickness of 20-50 microns reinforce it and make it less ductile. In FIG. 3a and 6 show the transition region at the steel – copper interface and the line along which the diffusion zone width was estimated. In FIG. 4 shows a distribution diagram of the main alloying elements across the zone of the diffusion joint copper-steel, the quantitative composition of which is given in table 1. Analysis of FIG. 3, FIG. 4 and Table 1 shows that iron diffuses into copper over a distance of up to 100 μm (point 30), overlapping the entire thickness (20-50 μm) of the copper foil.

Задача настоящего изобретения заключается в создании конструкции заготовки переходника титан-сталь, предназначенной для диффузионной сварки в условиях ГИП, исключающей взаимодействие титана с железом и медью, позволяющей получать плотные пластичные диффузионные соединения титан-сталь со стабильными прочностными свойствами.The objective of the present invention is to create a titanium-steel adapter preform design for diffusion welding under ISU conditions, excluding the interaction of titanium with iron and copper, which makes it possible to obtain dense plastic diffusion titanium-steel compounds with stable strength properties.

Техническим результатом является получение диффузионной сваркой в условиях ГИП соединения титан-сталь со 100%-ной герметичностью, стабильными механическими свойствами за счет сохранения пластичности промежуточных вставок, отсутствия хрупких интерметаллидных и эвтектических прослоек, а также карбидных фаз.The technical result is the production by diffusion welding under the conditions of ISU titanium-steel compounds with 100% tightness, stable mechanical properties due to the preservation of the plasticity of the intermediate inserts, the absence of brittle intermetallic and eutectic layers, as well as carbide phases.

Указанный технический результат достигается тем, что при изготовлении переходника титан-сталь диффузионной сваркой в условиях горячего изостатического прессования, включающего размещение промежуточной вставки в виде медной фольги со стороны, по меньшей мере, одной заготовки из стали и промежуточной выставки в виде ниобиевой фольги - со стороны, по меньшей мере, одной заготовки из титана, в соответствии с предложенным способом используют медную фольгу толщиной 0,4-0,6 мм и ниобиевую фольгу толщиной 0,2-0,4 мм, при этом медную фольгу и ниобиевую фольгу укладывают в глухой паз, выполненный в стальной заготовке, имеющий стенки по периметру, и вставляют в него часть титановой заготовки, а режимы горячего изостатического прессования выбирают из условия получения толщины бездиффузионного слоя в медной прослойке не менее 0,3 мм, а в ниобиевой прослойке - не менее 0,15 мм.The specified technical result is achieved by the fact that in the manufacture of the titanium-steel adapter by diffusion welding under conditions of hot isostatic pressing, including the placement of the intermediate insert in the form of copper foil from the side of at least one billet of steel and the intermediate exhibition in the form of niobium foil from the side of at least one preform of titanium, in accordance with the proposed method using copper foil with a thickness of 0.4-0.6 mm and niobium foil with a thickness of 0.2-0.4 mm, with copper foil and niobium the foil is placed in a blind groove made in a steel billet having perimeter walls, and a part of the titanium billet is inserted into it, and the hot isostatic pressing modes are selected from the condition for obtaining a diffusion-free layer thickness in the copper layer of at least 0.3 mm and in the niobium layer - not less than 0.15 mm.

Отношение толщины медной фольги к толщине ниобиевой фольги составляет 1,5-3.The ratio of the thickness of the copper foil to the thickness of the niobium foil is 1.5-3.

При одновременном прессовании несколько заготовок на разделяющие поверхности предварительно наносят антиадгезионное покрытие.While pressing several blanks on the dividing surfaces previously applied release coating.

Перед диффузионной сваркой переходника в виде заготовки из титанового сплава и нержавеющей стали между соединяемыми поверхностями этих заготовок укладываются промежуточные прослойки: со стороны стали - в виде медной фольги, а со стороны титана - ниобиевой фольги, препятствующие в таком сочетании образованию между титаном и сталью хрупких интерметаллидных слоев. После этого заготовки помещают в герметичную капсулу, которую вакуумируют, а затем осуществляют диффузионную сварку заготовок в условиях горячего изостатического прессования (ГИП) при всестороннем сжатии и сверхвысоком давлении (100-200 МПа), на порядок превышающем давление при традиционной диффузионной сварке (5-15 МПа), что обеспечивает создание абсолютного физического контакта между соединяемыми поверхностями и, как следствие, равномерность последующих диффузионных процессов. Сверхвысокое давление всестороннего сжатия создается в газостате при нагреве и расширении инертного газа, что обеспечивает одинаковое сварочное усилие в любой точке соединяемых заготовок, отсутствие макродеформаций и практические полное сохранение начальных размеров переходника при любых усилиях. Тем самым повышается надежность диффузионного соединения и стабильность его свойств, а КИМ близок к 1.Before diffusion welding of the adapter in the form of a titanium alloy and stainless steel billet, intermediate layers are laid between the joined surfaces of these billets: on the steel side, in the form of copper foil, and on the titanium side, niobium foil, which prevent the formation of brittle intermetallic compounds between titanium and steel layers. After that, the workpieces are placed in a sealed capsule, which is evacuated, and then diffusion welding of the workpieces is carried out under conditions of hot isostatic pressing (HIP) under comprehensive compression and ultrahigh pressure (100-200 MPa), an order of magnitude higher than the pressure in traditional diffusion welding (5-15 MPa), which ensures the creation of absolute physical contact between the connected surfaces and, as a consequence, the uniformity of subsequent diffusion processes. The ultrahigh pressure of comprehensive compression is created in the gas bath during heating and expansion of inert gas, which ensures the same welding force at any point of the connected workpieces, the absence of macrodeformations and the practical complete preservation of the initial dimensions of the adapter at any effort. This increases the reliability of the diffusion compound and the stability of its properties, and the CMM is close to 1.

Сущность изобретения поясняется схемой диффузионного соединения биметаллического переходника титан-сталь (фиг. 5).The invention is illustrated by the diffusion scheme of the bimetallic titanium-steel adapter (Fig. 5).

В заявленной конструкции заготовки переходника титан-сталь толщина ниобиевой фольги δ_Nbсоставляет 0,2-0,4 мм, а толщина медной фольги δ_Cu- 0,4-0,6 мм.In the claimed construction design of the titanium-steel adapter, the thickness of the niobium foil δ _Nb is 0.2-0.4 mm, and the thickness of the copper foil δ _Cu is 0.4-0.6 mm.

При реализации этого изобретения в зависимости от режимов ГИП (температура, время) ширина диффузионной зоны (ДЗ) пары титан-ниобий в ниобиевой прослойке t^' _Nb может достигать 0,04 мм (фиг. 1), а пары ниобий-медь t^ʺ _Nb- 0,01 мм (см. фиг. 2), при этом суммарная ширина этой зоны t_Nb=t^' _Nb+t^ʺ _Nb=0,05 мм. При толщине ниобиевой фольги δ_Nbтолщину слоя ниобия, где не наблюдаются диффузионные процессы, сохраняется пластичность и гарантированно исключается появление недопустимой легкоплавкой эвтектики в паре титан-медь, обозначим δ'_Nb. При заявленной толщине ниобиевой прослойки 0,2-0,4 мм толщина δ'_Nb будет равна соответственно 0,15-0,35 мм. Увеличение толщины ниобиевой фольги свыше 0,4 мм нецелесообразно из-за возможного снижения прочности переходника титан-сталь вследствие отсутствия «эффекта мягкой прослойки». Таким образом, минимальная толщина слоя ниобия, где не наблюдаются диффузионные процессы и сохраняется пластичность, δ'_Nb=δ_Nb-t_Nb, и составляет 0,15 мм.When implementing this invention, depending on the ISU modes (temperature, time), the width of the diffusion zone (DZ) of the titanium-niobium pair in the niobium layer t ^' _Nb can reach 0.04 mm (Fig. 1), and the niobium-copper pair t ^ʺ _Nb - 0.01 mm (see Fig. 2), while the total width of this zone is t _Nb = t ^' _Nb + t ^ʺ _Nb = 0.05 mm. With the thickness of the niobium foil δ _{Nb, the} thickness of the niobium layer, where diffusion processes are not observed, plasticity is preserved and the appearance of an unacceptable low-melting eutectic in a titanium-copper pair is guaranteed to be denoted by δ ' _Nb . When the declared thickness of the niobium layer is 0.2-0.4 mm, the thickness δ ' _Nb will be 0.15-0.35 mm, respectively. An increase in the thickness of the niobium foil over 0.4 mm is impractical due to a possible decrease in the strength of the titanium-steel adapter due to the absence of a “soft layer effect”. Thus, the minimum thickness of the niobium layer, where diffusion processes are not observed and plasticity is preserved, is δ ' _Nb = δ _Nb -t _Nb , and is 0.15 mm.

Ширина диффузионной зоны пары сталь-медь t^' _Cu в зависимости от режимов ГИП (температура, время) может достигать 0,1 мм (см. фиг. 4), причем максимально диффундирует в медь железо, а ширина пары ниобий-медь в медной прослойке t^ʺ _Cu=t^ʺ _Nb и может достигать 0,01 мм (суммарная ширина диффузионной зоны в меди t_Cu=t^' _Cu+t^ʺ _Cu=0,11 мм). При заявленной толщине медной фольги δ_Cu в диапазоне 0,4-0,6 мм толщина слоя меди δ'_Cu=δ_Cu-t_Cu, где не наблюдаются диффузионные процессы и сохраняется пластичность, составит соответственно 0,29-0,49 мм. При толщине медной фольги δ_Cu менее 0,4 мм возникает опасность нестабильности прочностных свойств из-за сближения упрочненных зон твердых растворов. Увеличение толщины медной фольги свыше 0,6 мм нецелесообразно из-за возможного снижения прочности соединения титан-сталь вследствие отсутствия «эффекта мягкой прослойки». Таким образом, минимальная толщина слоя меди, где не наблюдаются диффузионные процессы, сохраняется пластичность и обеспечивается стабильность прочностных свойств, δ'_Cu=δ_Cu t_Cu, и составляет 0,29 мм (~0,3 мм).The width of the diffusion zone of the steel-copper pair t ^' _Cu , depending on the ISU modes (temperature, time), can reach 0.1 mm (see Fig. 4), and iron diffuses to the maximum in copper, and the width of the niobium-copper pair in the copper layer t ^ʺ _Cu = t ^ʺ _Nb and can reach 0.01 mm (the total width of the diffusion zone in copper t _Cu = t ^' _Cu + t ^ʺ _Cu = 0.11 mm). With the stated thickness of the copper foil δ _Cu in the range of 0.4-0.6 mm, the thickness of the copper layer δ ' _Cu = δ _Cu -t _Cu , where diffusion processes are not observed and ductility is preserved, will be 0.29-0.49 mm, respectively. When the thickness of the copper foil δ _{Cu is} less than 0.4 mm, there is a danger of instability of strength properties due to the convergence of the hardened zones of solid solutions. An increase in the thickness of the copper foil over 0.6 mm is impractical due to a possible decrease in the strength of the titanium-steel joint due to the absence of a “soft layer effect”. Thus, the minimum thickness of the copper layer, where diffusion processes are not observed, plasticity is preserved and stability of strength properties is ensured, δ ' _Cu = δ _Cu t _Cu , and is 0.29 mm (~ 0.3 mm).

Кроме того, соотношение толщины медной фольги к ниобиевой в заявленном диапазоне необходимо выбирать в пределах 1,5-3, инициируя тем самым разрушение соединения по медной прослойке, что обуславливает предсказуемые и стабильные прочностные свойства соединения, а также его хорошую пластичность. В противном случае разрушение носит смешанный характер, а соединение имеет нестабильные прочностные свойства: как высокие, так и низкие.In addition, the ratio of the thickness of the copper foil to niobium in the claimed range must be chosen in the range of 1.5-3, thereby initiating the destruction of the compound along the copper interlayer, which leads to predictable and stable strength properties of the compound, as well as its good ductility. Otherwise, the destruction is mixed, and the connection has unstable strength properties: both high and low.

Во избежание появления эвтектики в паре титан-медь при температуре 870°С в результате возможного выдавливания меди в зазор между титановой заготовкой и стенкой капсулы в стальной заготовке выполняют глухой паз 1 со стенками по периметру и глубиной h_п, не менее толщины медной фольги, которую в этот паз укладывают (см. фиг. 5). Стенки паза препятствуют выдавливанию меди в зазор. Ширина стенок паза b_п произвольная и определяется допусками на механическую обработку до размеров конечной заготовки переходника. При глубине паза, равной толщине медной фольги, все заготовки стыкуются, как показано на фиг. 5. Если глубина паза больше толщины медной фольги, то в паз можно уложить также ниобиевую фольгу и вставить на небольшую технологически удобную глубину (до 3 мм) часть титановой заготовки, что увеличивает точность и облегчает сборку капсулы.In order to avoid the appearance of a eutectic in a titanium-copper pair at a temperature of 870 ° C as a result of a possible extrusion of copper into the gap between the titanium billet and the capsule wall in the steel billet, a blind groove 1 with walls along the perimeter and depth h _p not less than the thickness of the copper foil, which in this groove is laid (see Fig. 5). The walls of the groove prevent the extrusion of copper into the gap. The width of the walls of the groove b _p arbitrary and is determined by the tolerances for machining to the size of the final workpiece adapter. At a groove depth equal to the thickness of the copper foil, all the workpieces are joined, as shown in FIG. 5. If the groove depth is greater than the thickness of the copper foil, then the niobium foil can also be placed in the groove and a part of the titanium billet can be inserted into a small technologically convenient depth (up to 3 mm), which increases accuracy and facilitates the assembly of the capsule.

Кроме того, при реализации заявленного изобретения давление всестороннего сжатия Р_ГИП при горячем изостатическом прессовании (ГИП) составляет не ниже 100 МПа. Такое давление гарантированно устраняет все несплошности и создает надежный физический контакт между сопрягаемыми поверхностями, обеспечивая тем самым 100% плотность и герметичность соединения. Причем давление одинаково воздействует при ГИП на все заготовки переходников, находящиеся в капсуле, а количество капсул определяется только размерами рабочей камеры газостата, что существенно увеличивает производительность процесса изготовления переходников. Если в капсуле более двух заготовок переходников, то для их свободного разделения после ГИП на разделяющие поверхности перед сборкой в капсулу наносят антиадгезионное покрытие (например, нитридо-боридное, напыленное с помощью аэрозольного баллончика "B-stop"), исключающее диффузионную сварку между ними.In addition, when implementing the claimed invention, the pressure of the comprehensive compression R of the _ISU during hot isostatic pressing (ISU) is not lower than 100 MPa. This pressure is guaranteed to eliminate all discontinuities and creates reliable physical contact between the mating surfaces, thereby providing 100% density and tightness of the connection. Moreover, the pressure acts equally upon GUI on all adapter blanks located in the capsule, and the number of capsules is determined only by the dimensions of the working chamber of the gas thermostat, which significantly increases the productivity of the adapter manufacturing process. If there are more than two adapter blanks in the capsule, then for their free separation after the ISU, a release coating is applied to the separating surfaces before assembly into the capsule (for example, nitride-boride sprayed using a "B-stop" spray can), which excludes diffusion welding between them.

В качестве примеров были изготовлены заготовки переходника титан-сталь (ВТ6с+12Х18Н10Т) диаметром 45 мм и длиной 40 мм (фиг. 6) с разными толщинами прослоек в виде медной фольги марки M1 и ниобиевой фольги марки НбПл1 (таблица 2).As examples, we prepared blanks of a titanium-steel adapter (VT6c + 12X18H10T) with a diameter of 45 mm and a length of 40 mm (Fig. 6) with different thicknesses of interlayers in the form of copper foil of the M1 brand and niobium foil of the NbPl1 brand (table 2).

В стальной заготовке протачивали глухой паз 1 (фиг. 5) диаметром 43 мм разной глубины, равной толщине медной фольги (0,35-0,65 мм), и шириной стенки b_п=1 мм, в который эта фольга укладывалась. Для изготовления капсулы 2 была использована стальная труба с толщиной стенки 3 мм (фиг. 7). После укладки заготовок в капсулу 2 осуществляли ее вакуумную герметизацию заваркой заглушки 3 в откачивающей трубке с помощью электронно-лучевой сварки (ЭЛС). Затем выполняли диффузионную сварку в газостате методом ГИП по режиму: температура 930°С, время 2 ч, давление 80, 100 и 150 МПа. После ГИП из заготовок переходников изготавливали образцы для испытаний на растяжение и изгиб, а также на герметичность. Герметичность определяли с помощью гелиевого течеискателя. На металлографических шлифах рентгеноспектральным анализом была определена ширина диффузионной зоны и рассчитана ширина δ'_Nb и δ'_Cu, где диффузии не было (бездиффузионная зона), а также установлено отсутствие интерметаллидных и эвтектических прослоек (фиг. 8). Поверхностных дефектов на заготовках переходников обнаружено не было (см. фиг. 5).A blind groove 1 (Fig. 5) with a diameter of 43 mm of different depths equal to the thickness of the copper foil (0.35-0.65 mm) and a wall width b _p = 1 mm into which this foil was laid was punched in a steel billet. For the manufacture of capsule 2, a steel pipe with a wall thickness of 3 mm was used (Fig. 7). After laying the blanks in the capsule 2, it was vacuum-sealed by welding the plug 3 in the pumping tube using electron beam welding (ELS). Then, diffusion welding in the gas bath was performed by the ISU method according to the regime: temperature 930 ° С, time 2 hours, pressure 80, 100 and 150 MPa. After the GUI, samples were prepared from adapter blanks for tensile and bending tests, as well as for tightness. Tightness was determined using a helium leak detector. On metallographic thin sections, the width of the diffusion zone was determined by x-ray spectral analysis and the width δ ' _Nb and δ' _{Cu was} calculated, where there was no diffusion (diffusion-free zone), and the absence of intermetallic and eutectic layers was also found (Fig. 8). No surface defects were found on the adapter blanks (see Fig. 5).

Результаты испытаний и расчетов представлены в таблице 2.The test results and calculations are presented in table 2.

Кроме того, показана достаточная пластичность диффузионных соединений, полученных по заявленной конструкции: при испытаниях образцов на изгиб разрушение происходило по медной прослойке с одновременной деформацией основного металла (стали) (фиг. 9).In addition, sufficient ductility of the diffusion compounds obtained according to the claimed design is shown: when testing the samples for bending, fracture occurred along the copper layer with simultaneous deformation of the base metal (steel) (Fig. 9).

Для сравнения был изготовлен переходник ВТ6с+12Х18Н10Т, в котором медная фольга укладывалась на стальную заготовку без паза. После ГИП и снятия капсулы на поверхности полученной заготовки были обнаружены поверхностные дефекты как результат взаимодействия титана с медью и образования хрупкой эвтектики после выдавливания в процессе ГИП медной фольги в зазор между стенками капсулы и титановой заготовкой (фиг. 10).For comparison, the VT6c + 12X18H10T adapter was made in which copper foil was placed on a steel billet without a groove. After HIP and capsule removal, surface defects were discovered on the surface of the obtained preform as a result of titanium interaction with copper and the formation of a brittle eutectic after squeezing copper foil into the gap between the capsule walls and the titanium billet during the HIP (Fig. 10).

Заявленная конструкция заготовки переходника титан-сталь, предназначенная для диффузионной сварки в условиях ГИП, позволяет получать надежные сварные конструкции, имеющие детали из титана и стали, например титановые шар-баллоны с трубопроводами из стали.The claimed design of the titanium-steel adapter billet, designed for diffusion welding under GUI conditions, allows to obtain reliable welded structures having parts made of titanium and steel, for example, titanium ball-cylinders with steel pipelines.

Claims

1. A method of manufacturing a titanium-steel adapter by diffusion welding under conditions of hot isostatic pressing, comprising placing an intermediate insert in the form of a copper foil from the side of at least one billet of steel and an intermediate insert in the form of a niobium foil from the side of at least one titanium billet , characterized in that they use copper foil with a thickness of 0.4-0.6 mm and niobium foil with a thickness of 0.2-0.4 mm, while the copper foil and niobium foil are laid in a blind groove made in a steel billet, I have walls along the perimeter, and a part of the titanium billet is inserted into it, and the modes of hot isostatic pressing are selected from the condition of obtaining the thickness of the diffusion-free layer in the copper layer of at least 0.3 mm and in the niobium layer at least 0.15 mm.

2. The method according to p. 1, characterized in that the ratio of the thickness of the copper foil to the thickness of the niobium foil is 1.5-3.0.

3. The method according to p. 1, characterized in that while simultaneously pressing several blanks on the dividing surfaces pre-applied release coating.