Исследование влияния физико-химических воздействий на структуру и свойства шва при лазерной сварке металлов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Дроздов Владимир Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ШВА ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ

0.1.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

6 НОЯ 2014

005554553

Новосибирск - 2014

П /

Л- !

005554553

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении

науки Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича

Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

главный научный сотрудник лаборатории термомеханики и прочности новых материалов ИТПМ СО РАН А.Н. Черепанов

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

главный научный сотрудник лаборатории термомеханики и прочности новых материалов ИТПМ СО РАН В.Н.Попов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий лабораторией ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения СО РАН В.Г. Овчаренко

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник ФГБУН Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова СО РАН Б.И. Кидяров

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский

технологический университет МИСиС

Защита диссертации состоится «5» декабря 2014 г. «14:00» часов на заседании диссертационного совета Д 003. 035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института теоре- ^ тической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу ул. Институтская, 4/1, Новосибирск, 630090, http://itam.nsc.ru/ru/thesis/.

А йто Р г РАТ РАЮслан 1t.iQ.loi4

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук И.М. Засыпкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Прогрессивной тенденцией развития современного машиностроения является широкое использование лазерной сварки как эффективного метода повышения качества и снижения себестоимости выпускаемой продукции. Лазерная сварка позволяет значительно повысить коэффициент использования материалов, снизить трудозатраты на изготовление деталей машин и механизмов, то есть в конечном итоге снизить себестоимость выпускаемой продукции за счет широкого использования сварных узлов.

Однако, несмотря на имеющиеся успехи в использовании лазерного луча при обработке материалов, технические достижения в этой области как в России, так и за ее пределами остаются ограниченными. Это обусловлено наличием ряда принципиальных проблем. Одна из них - проблема получения бездефектного, структурно и химически однородного шва, обладающего высокими прочностью и пластичностью. Известно, что лазерная сварка характеризуется жесткими термическими циклами. В некоторых случаях это приводит к потере технологической прочности и пластичности сварного соединения либо к образованию в шве различного рода дефектов (пор и микротрещин).

Одним из путей улучшения структуры и свойств сварного шва является модифицирование его специально подготовленными наноразмерными порошками тугоплавких химических соединений (ТтЫ, Т1СЫ и др.). В процессе охлаждения активированные наночастицы становятся дополнительными центрами кристаллизации, что приводит к резкому уменьшению размера зерна и изменению его морфологии. В результате этого повышаются пластичность, конструктивная прочность соединения, уменьшается пористость.

Цель работы: теоретическое и экспериментальное исследование возможности улучшения структуры и повышения конструкционной прочности сварных соединений с помощью физико-химического воздействия на зону лазерной обработки металла (модифицирование нанопорошками тугоплавких соединений, применение поверхностно активных веществ, промежуточных композиционных вставок). Для достижения этой цели решаются следующие научные задачи:

1. Термодинамический анализ устойчивости к расплавлению в перегретом расплаве адсорбционного слоя, плакирующего тугоплавкую дисперсную частицу.

2. Исследование влияния размеров и капиллярных эффектов модифицирующих наночастиц на процессы гетерогенной нуклеации.

3. Построение модели и численный анализ влияния термокапиллярной конвекции на распределение наномодифицирующих частиц в жидкой ванне расплава, формирующейся под действием лазерного излучения.

4. Экспериментальное исследование влияния наномодифицирующих добавок на структуру и механические свойства лазерных соединений стали и титана.

5. Исследование влияния промежуточных вставок на свойства лазерного соединения нержавеющей стали с титаном.

Научная новизна

1. На основе термодинамического анализа равновесия системы «тугоплавкая частица - адсорбционный слой - расплав» получено условие для выбора металлического покрытия, позволяющего повысить термостойкость наноча-стиц в перегретом сплаве и их нуклеационную способность.

2. Получено аналитическое выражение для свободной энергии образования зародыша твердой фазы на тугоплавкой наночастице с учетом морфологии ее поверхности, размерных и капиллярных эффектов, которое может быть использовано при построении макроскопической модели кристаллизации сплава, содержащего модифицирующие добавки.

3. Экспериментально установлено, что вводя специально подготовленные наноразмерные тугоплавкие частицы в сварочную ванну жидкого металла, можно существенно улучшить кристаллическую структуру шва и механические свойства лазерных соединений из стали и сплавов на основе титана.

4. Впервые экспериментально показано, что применение промежуточной композиционной вставки, полученной с помощью взрыва, при лазерной сварке титана с нержавеющей сталью позволяет повысить прочность неразъемного соединения, сравнимую с прочностью свариваемого титана.

Достоверность результатов определяется корректностью поставленных задач, применением апробированных методик исследования, большим количеством экспериментальных данных и их согласованностью с теоретическими предпосылками.

Практическая значимость

1. Полученное условие термостойкости адсорбционного слоя, плакирующего наночастицу, может быть использовано на практике при выборе металла-протектора для создания наномодифицирующих композиций, обеспечивающих устойчивость наночастиц в расплаве и их нуклеационную способность.

2. Введение в модифицирующую композицию поверхностно-активного вещества (ПАВ) вместе с плакирующим материалом будет способствовать комплексному (модифицирующему и гомогенизирующему) воздействию на свойства сварного соединения.

3. Применение модифицирующих добавок в технологии лазерной сварки сплавов позволяет существенно улучшить структуру шва, повысить как временную, так и длительную прочность соединения, а также пластичность металла шва.

4. Использование промежуточных композиционных вставок, полученных сваркой взрывом, решает проблему лазерного соединения не свариваемых плавлением разнородных сплавов, таких как титан и нержавеющая сталь.

Личный вклад автора состоит в участии в обсуждении и постановке задачи исследований, выборе метода исследования, в проведении экспериментов, в обработке и анализе результатов, написании статей. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Результаты сов-

местных работ представлены в диссертации с согласия соавторов. Автор выражает всем соавторам благодарность.

Основные положения выносимые на защиту

1. Термодинамическое условие термоустойчивости в перегретом расплаве адсорбционного слоя, плакирующего дисперсную частицу.

2. Результаты теоретического исследования процессов зародышеобразо-вания кристаллической фазы на тугоплавкой наночастице с учетом морфологии ее поверхности, размерных и капиллярных эффектов.

3. Результаты численного моделирования термокапиллярной конвекции и кристаллизации наномодифицированного расплава, содержащего поверхностно-активные вещества и формирующегося под действием лазерного излучения.

4. Результаты исследования влияния наноразмерных модифицирующих добавок на структуру и свойства сварного шва при лазерной сварке титановых сплавов и стали.

5. Результаты экспериментального исследования лазерной сварки стали с титаном с применением промежуточной композиционной вставки.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на всесоюзных, российских и международных конференциях и семинарах:

IV Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск, 2011); III Международной научно-практической конференции и специализированной выставке «Современные керамические материалы. Свойства. Технологии. (КерамСиб-2011)» (Новосибирск, 2011); XII Научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011); XXIII Семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Томск, 2012); XVI Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Казань, 2012); International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale (Xi'an, China, 2012);

V Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоковэнергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск, 2013);

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, 3 из которых находятся в списке ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 80 наименований, содержит 80 страниц машинописного текста, в том числе 27 рисунков, 8 таблиц и 1 приложение.

Содержание работы

Во введении раскрывается актуальность выбранной темы, определены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна и описана структура диссертации.

В первой главе приведён анализ современного состояния проблемы лазерной сварки металлов и сплавов.

Известно, что лазерная сварка характеризуется жесткими термическими циклами. На повышенных скоростях она еще больше увеличивает скорость охлаждения металла, что в некоторых случаях приводит к потере технологической прочности и пластичности сварного соединения, либо к образованию в шве различного рода дефектов. Во многом нерешенной проблемой остается сварка с помощью лазерного луча разнородных материалов ответственного машиностроения (например, сплавов титана с нержавеющей сталью). Одним из технологических приемов повышения технологической прочности и пластичности шва является значительное увеличение дисперсности структуры и химической однородности сварного соединения. Решение этой задачи, в частности, может быть реализовано введением модифицирующих присадок в сварочную ванну, а при сварке разнородных трудно свариваемых материалов дополнительным применением специальных промежуточных вставок. Введение в расплав наноинокуляторов в виде активированных частиц нанопорошка тугоплавких химических соединений позволяет управлять процессами структуро- и фа-зообразования в сварочном шве, а именно вызывать измельчение зерен матрицы и избыточных фаз в результате искусственного увеличения числа центров кристаллизации и изменения структурочувствительных свойств жидкого металла, существенно изменять морфологию кристаллического зерна, карбидных и интерметаллидных фаз. Следовательно, можно направленно воздействовать на формирование механических и физико-химических свойства сварного соединения.

Традиционно рассматривают два вида зарождения твердой фазы: гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное зародышеобразованне. Этот вид нуклеации хорошо изучен и базируется на теории флуктуационного зародышеобразования. При этом свободная энергия, радиус критического зародыша и скорость зародышеобразования соответственно имеют вид

где а, к, р, Тк, АТ— поверхностное натяжение, теплота плавления, плотность, температура кристаллизации и переохлаждение расплава соответственно, к -константа Больцмана, В - величина независящая от переохлаждения.

Гетерогенное зародышеобразованне. В случае гетерогенной кристаллизации хорошо изучена модель для зародышей на плоской подложке. Свободная энергия зародыша, критический радиус и скорость зародышеобразования соответственно в этом случае имеют вид

ЛС8£,=ЛСеот[(2 + со50)(1-со502)]/4, ¿ = Вехр(АС^/кТ).

Нетрудно увидеть, что свободная энергия в этом случае меньше, чем при гомогенном зародышеобразовании, и в значительной мере зависит от краевого угла смачиваемости (в) подложки.

16 з

Проведённый анализ отечественной и зарубежной литературы позволил определить задачи, которые необходимо решить для достижения научной и практической цели работы.

Во второй главе представлены результаты теоретического исследования модели строения и устойчивость суспензии расплава с нанодисперсными тугоплавкими частицами. Проведён анализ физической модели строения суспензии, ядром которой является тугоплавкая наночастица, поверхность которой плакирована веществом, образованным продуктом взаимодействия металла-протектора с материалом частицы и элементами, адсорбированными из окружающего расплава. Приводится оценка диффузионной устойчивости наноча-стиц порошков карбидов для случая диффузии углерода из точечного источника. Графики, характеризующие время «жизни» плакированных различными металлами частиц, от температуры расплава представлены на рис. 1. Как следует из рисунка, при высоких температурах эта величина меньше 5 мин. Поскольку характерные времена процесса лазерной сварки (плавление - кристаллизация) составляет миллисекунды, за такой короткий промежуток времени частицы не успеют раствориться.

мин

1000 1200 1400 1600

Т,°С

Рис. 1. Время «жизни» плакированных наночастиц в зависимости от температуры расплава 1 - ТЮ+П (гр = 10~7); 2 - 3 - 'ПС+'П (гр = Ю-6);

4 - ТЮ+Бе; 5 - Т№-Мо; 6 - 'ПС+Мо.

Исследована устойчивость к расплавлению в перегретом расплаве наночастиц, плакированных металлом. Для улучшения смачиваемости в процессе подготовки модифицирующих композиций наночастицы подвергаются плакированию металлами с помощью центробежных мельниц, пресс-форм или химического адсорбирования в расплавах. При этом плакирующий (адсорбционный) слой обеспечивает не только хорошую смачиваемость частиц, но и устойчивость их к плавлению (растворению) в модифицируемом сплаве. Наиболее достоверной представляется модель двухфазной частицы (рис. 2) с ядром в виде

тугоплавкого неметаллического включения и адсорбированного кристаллического слоя, температура плавления которого определяется свойствами металла подложки и окружающего расплава. Свободная энергия такой системы ядро частицы - плакирующий слой -расплав описывается выражением

О = + п21ЛгУ2 + ст01 (А)50 +

где пх/лух - химический потенциал плакирующего слоя, его объём и число молей в нем, п2ц~У2 - то же самое для жидкой фазы, 50 — площадь поверхности частицы, <т01 (/г) , <т12 — поверхностные натяжения: частица - плакирующий слой, плакирующий слой - жидкость. Значение величины А считаем малым по сравнению с Я0 (1г«Я0). Выразив объемы фаз через их радиусы и полагая, что составы слоя и расплава одинаковы, из условия равновесия слоя с расплавом (дС/дк = 0) получим соотношение

Рис. 2. Схема частицы НПИ с поликластерной оболочкой. 1 - частица (ядро), 2 - кластерная оболочка, 3 -металлический расплав

да^И) а --- + z-

дк

я,

- о,

из которого следует, что значения равновесной температуры слоя Тс и величина А функционально связаны (да10/дк = 0) . Чтобы определить эту связь, рассмотрим бесконечно малое отклонение рассматриваемой системы от состояния равновесия:

дТ

да,

01

дк

(1)

Величина

дТ

с/Т = АБ, где/15' = к!Т - энтропия фазового перехода: ад-

сорбированная фаза - расплав; к - скрытая теплота этого перехода. Подставляя полученные соотношения в уравнение (1) и интегрируя его от Ас до И = оо, получим

Тс = Те ехр

дк

(2)

где Тс - температура плавления адсорбированного слоя толщиной кс; Ге — температура этого слоя при бесконечно большой его толщине, при котором значение поверхностного натяжения уже не зависит от его толщины.

Определение зависимости величины сг01от /г для металлических систем является методически и технически весьма сложной задачей. Воспользуемся

приближенной оценкой значения (д<тш (А) / Э/г)| , разложив величину ст0](/г)

^с

ряд Маклорена:

О < /г < йс.

(3)

Л=0

Поскольку величина /гс мала, то ограничимся здесь двумя членами разложения, а величину (Эсг01(й)/Эй)| ^ заменим конечно-разностным соотношением (сгш(Ая) — <х0| (0))//гс. Принимая во внимание, чтосг0| =&02, гдесх02 - поверхностная свободная энергия на единицу поверхности раздела тугоплавкая частица - расплав, запишем (3) в виде

с7о1(й) = £7о1(°) + /гС учетом последнего соотношения уравнение (2) примет вид

Ч ао\(К)~ °"о-

Тс = Те ехр

К

О температура плавления слоя будет

Отсюда следует, что при <х01 (/?.)-( выше температуры затвердевающего расплава. Так, принимая для частицы нитрида титана в расплаве никеля значения <т^=0,47 Н/м, <т02 = 1,4 Н/м,

\ = 0,5• 1СГ8м, аг/у, =2-109Н/м, Ге=1726 К, получим ТС=П46 К. При данных значениях получаем что увеличение температуры плавления такой пленки составляет примерно 20 °С.

Таким образом, устойчивость, а следовательно, и нуклеирующую способность модифицирующих порошков в перегретом сплаве можно значительно повысить с помощью плакирования их поверхности адсорбционными слоями, удовлетворяющих условию

Третья глава посвящена построению математической модели процессов нуклеации при гетерогенной кристаллизации с учётом размерных и капиллярных эффектов.

Рассматривается процесс зарождение твердой фазы на сферической наноразмерной частице, находящейся в переохлажденном сплаве. Считая, что образование зародыша наиболее вероятно в области поверхности частицы, характеризующейся наибольшей смачиваемостью, представим схему подложка - зародыш в _ , _

' ^ -> Рис- Схема зародыша кристалла

виде изображенном на рис. 3.

на сферической частице.

Выражения для поверхностных натяжений, согласно формулы Толмена, запишем в виде

сг|2 = <7,"(1-удс), (ти=сг~(\-Ь21В.3), <т23 = а2Ъ(\-Ь21 Кх),

где индексом оо вверху обозначены знчения поверхностных энергий для плоской подложки, Яс- радиус зародыша, Я,— радиус частицы, Ь,, Ъ2- величины порядка межатомного расстояния. На первом этапе рассматривается равновесие кластера на криволинейной поверхности.

Изменение свободной поверхностной энергии кластера определяется выражением

Д^=<т12

1-А.

Sc + (СГ23 — ег,3) Ss + 2ятст,,

где последний член обусловлен учётом сил, действующих на линии контакта трёх фаз; Sc, Ss - площадь поверхностей зародыша и подложки соответственно; а,— линейное натяжение. Из условия термодинамического равновесия определяем краевой угол для малых кластеров на сферической поверхности:

cos в = cos ва+ —----7--- (4)

0 Rc sin(> + <9) v 7

В случае плоской подложки (7?s—»со, ф—>0 ) это выражение примет вид

в0

, cos —

b, о ,+----

К* 1 + С08™ 2

Полученный результат отличается от известного в литературе тем, что область значений в0 = 0, в которой возможно обращение в в ноль, мала и зависит от отношения Ь\/Яс. Так, если Ь\1ЯС< 1/5, то $ е0 < 12,8, если Ь\/Я^< 1/10, то #0еО< 9,1, что может объясняться действием линейного натяжения. При этом учет влияния кривизны на поверхностную энергию (Ь Ф 0) приводит к уменьшению угла смачиваемости подложки.

На следующем этапе рассматривается зарождение твёрдой фазы на сферической подложке. Полная свободная энергия зародыша и ее дифференциал имеют вид

АС = Ав1-ГА/1, с!АО = с1АОБ-А/м1У.

Точка перевала через активационный барьер (седло на рельефе функции АС) определяется двумя уравнениями

дАв, А/и п аДС5 А/л . п ---— Я=0, -'- + — Я со%в = 0.

о^ 2 е дБ, 2 '

Их можно записать в следующем виде:

дАG, п dAG п dAG, -COS0+ __/=0,

as.

dS.

dS.

d(j,2 cos (<p + 6)

— °b--R--

12 R,

l-cos(<p + 6>)

A,

Первое из уравнений совпадает с условием минимума поверхностной энергии при постоянном объеме. Второе уравнение, определяющее критический зародыш, после преобразований получает вид

RC=Rо

1-

\

Rc{\-cos{e + <p))

и показывает, что учет влияния кривизны мениска на поверхностную энергию (й,^ 0) приводит к уменьшению радиуса критического зародыша, где Ra - радиус гомогенного зародыша.

Примем в первом приближении в = д0, тогда для величины cos б1 из (4) получим

Ъх sin- sin6>0 - rc(0o)-cos<p

cos t> = cost

\{<р + в0

а для критического радиуса

1- 1-

l-cos (в0-<р0)

В четвёртой главе исследуется влияние термоконвекции в жидкой ванне на характер распределения наночастиц в объеме расплава Известно, что одним из главных факторов, определяющих эффективность наномодифицирования, является термокапиллярная конвекция, способствующая гомогенному распределению модифицирующих добавок, предварительно нанесённых на поверхность металла и проникающих в ходе его проплавления в формирующуюся ванну расплава. С целью оценки влияния данного механизма и возможности его применения для управления структурой конвективных потоков в жидкоме-таллической ванне рассматривается следующую модель.

Импульсный лазерный луч с фокальным пятном радиуса г0 воздействует на металлическую подложку из низкоуглеродистой стали, содержащую в виде растворенной примеси серу, являющуюся поверхностно-активным веществом (ПАВ) (рис. 4). Импульс имеет продолжительность

I

OA"

5 2

плотность его интенсивности

описывается распределением Гаусса. Под воздействием лазерного луча металл разогревается и плавится. Фазовый переход

Рис. 4. Схема воздействия лазерного импульса на подложку 1 - луч лазера, 2 — металлическая подложка, 3 — модифицирующий материал на поверхности подложки, 4 — расплав, 5 - граница проплавленной зоны.

происходит при температуре плавления материала подложки Тт. В образовавшейся и увеличивающейся со временем жидкой ванне развивается конвекция под действием капиллярных и термогравитационных сил. Хорошо смачиваемые наночастицы под действием конвективных потоков проникают в формирующуюся жидкометаллическую ванну. Для расплава используются условия прилипания на твердом фронте кристаллизации.

После завершения импульса за счет отвода тепла в неразогревшийся материал подложки и теплообмена с окружающей средой происходит остывание расплава и его объемно-последовательная кристаллизация. Предполагается, что все проникшие наночастицы являются центрами зарождения твердой фазы.

Движение и распределение наночастиц в расплаве оценивалось с помощью М-маркеров, начальное положение которых описывается координатами

0<г°<1, г>т=-гр, т = \,...,М (гр- радиус наночастицы). Маркеры

перемещаются в соответствии с локально осредненными скоростями в ближайшей окрестности каждого из них. После завершения лазерного импульса решение задачи продолжалось до момента полного затвердевания материала подложки. Конвективное перераспределение маркеров происходило только в расплаве, а в затвердевшей области фиксировались последние вычисленные координаты.

Распределение температурного поля в твердом и жидком материале подложки описывается уравнением теплопереноса в цилиндрической системе координат

где Рг, числа Прандтля и Стефана соответственно; — доля твердой фазы, растущей на готовых центрах кристаллизации с заданной объемной концентрацией N .

Допуская, что все наночастицы являются центрами кристаллизации, определим долю твердой фазы в двухфазной зоне расплава согласно формуле Колмагорова - Баландина = 1 — ехр|-П/Ургде

это объем растущего зародыша, возникшего в момент времени ? = £, N - число наночастиц в единице объема расплава, ^—эмпирическая константа.

Течение в расплаве определяется из решения уравнений Навье - Стокса в приближении Буссинеска в цилиндрической системе координат

81 к ' Рг Ы

Рг

(5)

и, + ('V • и) и = - Ур+У2и+кОг (е -1), V • и=0,

где и — вектор скорости в радиальном и вертикальном направлениях, р- давление, вг — число Грасгофа, к - единичный вектор вдоль координатной оси г.

Наличие в расплаве поверхностно-активных веществ учитывалось заданием зависимости поверхностного натяжения расплава как от температуры, так и от концентрации растворенного поверхностно-активного вещества по формуле

(7 = <т0 - ка (Т - Тш ) - ТЯГ, 1п(1 + КС,), К = Б, ехр[-УЯ° / (ЯГ)], где <т0 - поверхностное натяжение в чистом металле в точке плавления, ка = -дсг0 / дТ - для чистого металла, Я - универсальная газовая постоянная, Сх— концентрация примеси ПАВ на поверхности расплава, Я, - константа, соответствующая энтропии сегрегации, АН0 - стандартная теплота адсорбции, А3-избыток примеси в поверхностном слое на единицу площади.

На рис. 5 представлены результаты решения уравнений Навье - Стокса при различных концентрациях ПАВ (0 и 0,04%) и изменении теплового режима.

в

Рис. 5. Траектории маркеров в расплаве в отсутствие ПАВ (а) и при наличии ПАВ (б). /н = 4мс, яо=4-108Вт/м2; (в) = 5,5 мс, ?0=3,5-Ю8 Вт/м2.

Из расчетов было установлено, что при 0<С,<0,2 характер течений и распределение модифицирующих частиц существенно не менялись. С увеличением концентрации ПАВ меняются структура течения расплава и характер распределения частиц-маркеров в нем (рис. 5, б, в), способствуя гомогенному распределению модифицирующих частиц во всем объеме лунки. Можно сделать

вывод, что при одинаковых плотности мощности потока и продолжительности импульса изменение концентраций ПАВ в расплаве способствует формированию различных структур течений и, соответственно, различным распределениям модифицирующих частиц.

То, как изменяется температура и положение границы фазового перехода вдоль оси г в подложке при г = 0 по завершении действия импульса до момента затвердевания материала, показано, на рис. 6. После отключения источника энергии температурные градиенты в жидкости уменьшаются, интенсивность конвекции снижается, металл остывает и быстро затвердевает, чему способствует низкая начальная температура подложки. В расплаве протекает объемно-последовательная кристаллизация в направлении к поверхности подложки. Ширина двухфазной зоны может достигать 10 мкм.

-0,09

Рис. 6. Изменение температуры (а) и доли твердой фазы (б) в подложке при затвердевании расплава (мс): 1) 0, 2) 0,20, 3) 0,40, 4) 0,60, 5) 0,80, 6) 1,00, 7) 1,20, 8) 1,26.

0хТ;, К

1775-,

0,00

0,25 г ?0 мс

0,50

0,00 0,25 0,50

мс

а б

Рис. 7. Изменение температуры (а) и доли твердой фазы (б) в затвердевающем расплаве в точке максимального проплавления (1), на поверхности подложки (3) и в точке расположенной посередине между ними (2); Iо— время остывания металла до равновесной температуры кристаллизации в рассматриваемой точке.

Представленные на рис. 7 изменения температуры и доли твердой фазы в различных точках расплава на оси г при г = 0 от времени достижения равновесной температуры кристаллизации до момента затвердевания материала иллюстрируют кинетику кристаллизации.

Из результатов расчета следует, что времена метастабильного состояния, когда доля кристаллической фазы практически равна нулю, значительно отличаются при затвердевании металла в глубине жидкой лунка (0,008 мс) и на её

поверхности (0,35 мс). Переохлаждение, темп кристаллизации и время затвердевания меняются от точки максимального проплавления к свободной поверхности жидкого металла (см. рис. 7). Кинетика кристаллизации характеризуется наличием переохлаждения расплава при зарождении твердой фазы (рис. 7, а).

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния нанопорошковых добавок и промежуточных вставок на свойства сварного соединения.

Сварка титановых сплавов. Сварку образцов из сплава на основе титана проводили на непрерывном С02-лазере в атмосфере гелия. Скорость перемещения луча по обрабатываемой поверхности варьировалась в интервале 2-4 м/мин, мощность излучения - от 2 до 3,5 кВт. Специально подготовленные нанопорошковые композиции в виде клеевой суспензии наносились на предварительно обработанные поверхности пластин в количестве не более 0,1 % по массе проплавляемого металла в расчете на тугоплавкие соединения. Пластины имели толщину 3 мм. В качестве модифицирующих добавок использовались различные порошковые композиции с наночастицами ТШ, УзОз, "ПС, плакированные различными металлами.

Было установлено, что применение наномодификаторов (НМ) позволяет повысить скорость сварки при той же мощности луча за счет увеличения коэффициента поглощения интенсивности лазерного излучения в начальный момент проплавления металла. При этом улучшается качество соединения, значительно возрастают его механические характеристики.

Рис. 8. Образцы сварных соединений титана ВТ 1-0 после испытаний на разрыв по ГОСТ

1497-84.

Мощность излучения лазера \У= 2,1 кВт; 1 — скорость сварки У: 2 м/мин, 2 — скорость сварки

К= 1,8 м/мин.

Как видно из фотографий (рис. 8), разрыв образцов произошел не в области шва, а по основному металлу, что указывает на достаточно высокую прочность сварного соединения. Результаты механических испытаний представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты механических испытаний для ВТ 1-0

Номер Временное Предел Относительное Относительное

Образца сопротивление текучести удлинение сужение

ов, МПа <зт, МПа 8,%

1 481,7 427 24,5 58,3

2 472,7 422 25,4 54,44

Морфология и макроструктура сварного шва при использовании нанопо-рошков различного состава показана на рис. 9. Установлено, что применение НМ заметно меняет морфологию шва и измельчает макроструктуру затвердевшего металла в сварном шве.

а 6 в г

Рис. 9. Морфология и макроструктура сварного шва без НП (а) и с НП: (б) - TiN + Сг; (в) - с TiN + Y203; (г) - с TiC + Сг

При лазерной сварке пластин из сплава ВТ20 исследовались макрострук-турные и усталостные характеристики швов. На рис. 10 представлены фотографии шлифов, характеризующих морфологию и макроструктуру швов при обычной сварке и с применением НМ ТЖ+Сг. Согласно представленным образцам применение НМ ТлЫ+Сг влияет на морфологию шва и вызывает измельчение макроструктуры затвердевшего металла.

а бег

Рис. 10. Морфология (а, в) и структура (б, г) шва сплава титана ВТ20 толщиной 5 мм без применения НПИ {а, б) и с применением НПИ TiN + Cr(e, г).

Усталостные испытания образцов проводились на универсальном серво-гидравлическом испытательном комплексе «Instron 8810», оснащенном программным модулем сбора и обработки информации «Wavematrix». В табл. 2 представлены результаты испытаний опытных и контрольного (без НМ) образцов. Как следует из табличных данных, усталостная прочность сварных швов с добавлением НМ значительно (в 1,5-2 раза) превышает значение этой величины при сварке пластин без применения модификаторов. При этом разрушение модифицированных образцов происходило не по шву, а по основному металлу.

Таблица 2. Результаты усталостных испытаний для ВТ 20

№ образца Вид материала и режим сварки Время работы т до разрушения, мин

1 Сплав ВТ20 без сварного шва 220,5

2 Сплав ВТ20 без инокулятора 63,23

3 Сплав ВТ20 с добавкой Т1Ы+Сг 129,6

Сварка нержавеющей стали 12Х18Н10Т. К числу основных трудностей, возникающих при сварке аустенитных сталей, относится необходимость повышения стойкости металла шва и околошовной зоны против образования горячих трещин, которые обычно подразделяют на кристаллизационные и под-солидусные. Особую роль в улучшении качества сварного шва здесь могут сыграть добавки тугоплавких нанопорошков.

В качестве модифицирующих добавок, как и в случае с титановыми сплавами, использовались тугоплавкие соединения "ГШ, "ПСЫ, ¥20з, а в качестве плакирующих металлов — хром и железо. Исследования макро- и микроструктуры лазерных сварных швов на стали 12Х18Н10Т показали, что формирующиеся соединения характеризуются равномерным распределением химических элементов по всем зонам шва, а также весьма дисперсным дендритным строением.

1 2 Рис. 11. Образцы сварных соединений стали после испытаний на разрыв.

1 — модифицированные нанопорошками ТШ (0,02 %)+ У203 (0,02 %), 2 — без наномодификатора.

У опытных образцов разрыв произошел по основному металлу, а у контрольного - в области зоны термического влияния, что указывает на достаточно высокую прочность лазерного соединения. В табл. 3 приведены результаты механических испытаний, полученных при статическом растяжении плоских образцов стали, показанных на рис. 11, на машине ИР 5113-100.

Таблица 3. Механические характеристики сварных образцов

Номер образца ств, МПа от, МПа 5,%

1 593 259,7 60,0 59,02

2 510 261 56,0 53,5

Здесь приведены средние значения величин по трём испытаниям. Разброс значений составил не более 5 %. Как видно из табл. 3, увеличение прочности модифицированных образцов составил порядка 17 % практически при сохранении пластических свойств соединения.

Влияние добавок нанопорошков проявилось в измельчении дентритов материала сварных швов: при формировании сварного шва без добавления НМ на дендритах отмечаются оси первого и второго порядка, а при добавлении нанопорошков оси второго порядка практически отсутствуют (рис. 12), что указывает на модифицирующую роль нанодобавок.

а б

Рис. 12. Дендритное строение материала сварных швов без добавления нанопорошков (а)

и с нанопорошками (б).

Следует отметить значительное уменьшение доли междендритных пространств при добавлении нанопорошков. По сути, междендритные прослойки представляют собой узкие границы раздела между кристаллизирующимися дендритами (см. рис. 12, б). Таким образом, формируется однородный по химическому составу литой материал сварного соединения.

В п. 5.3 исследовалась возможность сварки разнородных материалов, востребованных в машиностроении, - титана с нержавеющей сталью.

Сварка разнородных металлов. Одной из основных задач при сварке титана со сталями является выбор таких сварочных материалов и методов сварки, при которых предотвращалось бы (или резко подавлялось) образование хрупких интерметаллических фаз РеТ1 и Ре2Тт Положительные результаты могут быть получены при использовании барьерных вставок из третьего металла. В связи с этим было принято решение отдельно подготовить методом взрыва композитную вставку. Этот метод осуществляется при нормальной температуре и не создает условий для образования хрупких фаз. В качестве барьера рассмотрен и исследован сваренный взрывом многослойный композит, состоящий из пластин титана (ВТ1-0) - 100x50x3 мм, тантала (ТВЧ) - 100х50х0,1 мм, меди (М1) - 100x50x1 мм, стали (12Х18Н10Т) - 100x50x3 мм. При использовании такой композитной вставки соединение титана со сталью сводится к лазерной сварке однородных металлов: титана с титаном и стали со сталью.

Сварку вышеперечисленных разнородных металлов в виде пластин осуществляли за один взрыв. Затем из четырехслойной заготовки отрезали полоску шириной равной толщине подлежащих лазерной сварке пластин, проводили необходимую зачистку и обработку поверхностей свариваемых деталей. Подготовленная таким образом вставка помещалась между свариваемыми пластинами титана и стали, и производилась сварка стальной пластины со стальной частью вставки, а титановой пластины с титановой частью вставки. В табл. 4 приведены осредненные значения механических испытаний четырех образцов с применением термообработки в вакуумной печи и без термообработки.

Таблица 4. Механические характеристики образцов

Предел временной прочности с„, МПа Предел текучести а„ МПа Относительное удлинение 5,%

Без термообработки

373,4 250,4 3.4

С термообработкой, 1 час при 300 °С в вакууме

417,42 213,26 5,25

Из представленных результатов видно, что применение термообработки приводит к заметному увеличению временной прочности и пластичности соединения. Необходимо отметить, что разрушение соединения происходило по медной пластине. Поскольку прочность исходной меди марки М1 составляет 220-240 МПа, то более высокое значение этой величины в полученном соединении можно объяснить деформационным упрочнением (наклепом) меди в процессе сварки взрывом, а также частично легированием компонентами тантала, которые перемешаны с медью.

Основные выводы

1. С помощью термодинамического анализа равновесия системы «тугоплавкая частица — адсорбционный слой - расплав» получено условие для выбора металлического покрытия, позволяющего повысить термостойкость наноча-стиц в перегретом сплаве и их нуклеационную способность.

2. Получено аналитическое выражение для свободной энергии образования зародыша твердой фазы на тугоплавкой наночастице с учетом морфологии ее поверхности, размерных и капиллярных эффектов, которое может быть использовано при построении макроскопической модели кристаллизации нано-модифицированного сплава.

3. На основе численного моделирования установлено, что с помощью ввода в сварочную ванну поверхностно-активных веществ определенной концентрации можно обеспечить гомогенное распределение модифицирующих на-ночастиц по всему объему жидкого металла, обеспечив тем самым условия для объемной кристаллизации расплава.

4. Экспериментально установлено, что, вводя специально подготовленные наноразмерные тугоплавкие частицы в сварочную ванну жидкого металла, можно существенно улучшить кристаллическую структуру шва и механические свойства лазерных соединений из стали и сплавов на основе титана.

5. Впервые экспериментально показано, что проведение лазерной сварки титана с нержавеющей сталью с использованием промежуточной композиционной вставки, полученной с помощью взрыва, позволяет повысить прочность неразъемного соединения до значения близкого к прочности титана.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Черепанов А.Н., Дроздов В.О. О температуре плакирующего слоя на тугоплавкой частице // Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия. 2014. №2. С. 24-26.

2. Попов В.Н., Черепанов А.Н., Дроздов В.О. Моделирование конвективного тепломассопереноса при лазерной обработке металла с использованием модифицирующих материалов. // Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия. 2013. № 12, С. 3-7.

3. Черепанов А.Н., Дроздов В.О., Манолов В.К., Полубояров В.А. Влияние нанопорошков тугоплавких соединений на свойства серого чугуна // Тяжелое машиностроение. 2012. № 8. С. 8-11.

4. Drozdov V.O., Cherepanov A.N. Melting Point of the Coating on a Refractory Nanoparticle // Steel in Translation. 2014. Vol. 44, № 2, P. 96-98.

5. Афонин Ю.В., Оришич A.M., Черепанов A.H., Дроздов В.О. Лазерная сварка стали и титана с применением нанопорошковых инокуляторов // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: Доклады IV Всероссийской конференции. Новосибирск: Параллель, 2011. С. 22-27.

6. Черепанов А.Н., Фомин, Дроздов В.О., Полубояров В.А. Влияние нанопорошковых модификаторов на свойства стали и чугуна // Современные керамические материалы. Свойства. Технологии. Применение (КерамСиб-2011): Труды III Международной научно-практической конференции и специализированной выставки. Новосибирск: Нонпарель, 2011. С. 134.

7. Дроздов В.О., Черепанов А.Н. К устойчивости слоя, плакирующего поверхность дисперсной частицы, в перегретом расплаве // Сборник статей XII научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Т. 2. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета,

2011. С. 332-333.

8. Афонин Ю.В., Дроздов В.О., Оришич А.И., Пугачёва Н.Б., Черепанов А.Н. Влияние нанопорошков на структуру и свойства шва титанового сплава при лазерной сварке // Сборник статей XII научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Т. 3, Ч. 2. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2011. С. 9-12.

9. Дроздов В.О., Черепанов А.Н., Попов В.Н. Термо- и гидродинамические процессы в жидкометаллической ванне, содержащей наночастицы, при импульсной лазерной обработке поверхности // XXIII семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям (с международным участием): сборник трудов. Томск: Издательство Томского политехнического университета,

2012. С. 120-122.

10. Cherepanov A.N., Orishich A.M., Mali V.l., Afonin Yu.V., Drozdov V.O. Laser welding of stainless steel and titanium with multiplayer insert obtained by explo-

sion // International Conference on the Methods of Aerophysical Research, August 19-25, 2012, Kasan, Russia: Abstracts. Pt. II / Ed. V.M. Fomin. Kasan, 2012. P. 63-64.

11. Drozdov V.O., Cherepanov A.N., Popov V.N. Dynamics of crystallization of the nanoinoculators-modified metal substrateat the pulse laser processing // International Conference on the Methods of Aerophysical Research, August 19-25, 2012, Kasan, Russia: Abstracts. Pt. I / Ed. V.M. Fomin. Kasan, 2012. P. 72.

12. Дроздов B.O., Маликов А.Г., Оришич A.M., Черепанов A.H. Экспериментальное исследование лазерной сварки металлов с применением нанопо-рошковых добавок // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: Доклады V Всероссийской конференции. Т. 1. Новосибирск: Параллель, 2013. С. 97101.

13.Черепанов А.Н., Оришич A.M., Мали В.И., Дроздов В.О. Свойства сварных соединений титана с нержавеющей сталью, полученных сваркой лазером с применением металлических вставок // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: Доклады V Всероссийской конференции. Т. 1. Новосибирск: Параллель, 2013. С. 272-274.

И.Дроздов В.О., Черепанов А.Н. Об устойчивости плакирующего поверхность дисперсной частицы металлического слоя в перегретом расплаве // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: Доклады V Всероссийской конференции. Т. 1. Новосибирск: Параллель, 2013. С. 102-105.

Ответственный за выпуск В.О. Дроздов

Подписано в печать > Формат бумаги 60*84/16, Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0, Тираж 100 экз., Заказ № 10

Отпечатано в типографии ООО «Параллель) 630090, Новосибирск, Институтская, 4/1