Урало-Сибирская научно-практическая конференция

Микроструктура биметаллических соединений титановый сплав – нержавеющая сталь,  титановый сплав – орторомбический алюминид титана (диффузионная сварка)

В.В. Рыбин, В.А. Семенов, Б.А. Гринберг,  Л.Е. Карькина, А.А.Попов

Институт физики металлов УрО РАН
620219, Екатеринбург, ул. С.Ковалевской, 18;
 E-mail:  lida@espb.ru 

В работе изучены особенности структуры и фазового состава двух сварных соединений: титановый сплав - нержавеющая сталь и титановый сплав – орторомбический алюминид, полученных термодиффузионной сваркой давлением в вакууме. При исследовании переходной зоны особое внимание было обращено на ее многослойную структуру и на выяснение роли отдельных слоев в обеспечении качества сварного соединения. В качестве исходного материала для исследования были выбраны заготовки из титанового сплава (сплав ПТЗВ состава Ti-4,5Al-2V), стали 08Х18Н10Т и орторомбического алюминида титана (сплав ВТИ-1 состава Ti-17Al-21Nb-2Zr-2Mo). Диффузионную сварку проводили при температуре 960 ±10°С в течение 5 мин. в вакууме 0,133 Па. Испытания показали, что прочность биметаллического соединения титановый сплав – сталь на отрыв составила 250-280 МПа. Для анализа фаз, микроструктуры, распределения легирующих элементов в зоне соединения использовали методы оптической металлографии, микро-дюрометрии, трансмиссионной электронной микроскопии, микрорентгено-спектрального анализа  и рентгенографии. В исходном состоянии титановый сплав с низким содержанием Al и V состоит преимущественно из a-фазы с небольшим количеством b-фазы (ОЦК) и имеет пластинчатое строение. Структура орторомбического алюминида титана в исходном состоянии имеет два типа областей с различной морфологией: одновременно наблюдаются глобулярные области, а между ними области с пластинчатой структурой. Электронно-микроскопическое изучение показывает, что глобулярные области имеют сложную внутреннюю структуру, характерную для различных стадий распада a₂-фазы (Ti₃Al, обогащенный Nb) и выделения О-фазы, близкой по составу к Ti2AlNb. 

В результате исследования биметаллического соединения титановый сплав – сталь выявлено многослойное строение диффузионной зоны. В титановой области наблюдается непрерывный переход от исходной фазы a-Ti (вдали от КП) к b-Ti (вблизи КП). Благодаря наличию промежуточных слоев с меняющимся соотношением между объемными долями указанных фаз, осуществляется взаимная подстройка ГПУ и ОЦК решеток. По другую сторону от КП наблюдается непрерывный переход от -Fe (вдали от КП) к a-Fe (вблизи КП) через несколько промежуточных слоев. Известно, что сопряжение аустенита и феррита является достаточно хорошим. Однако не таким оказалось сопряжение аустенита и a-Fe, обогащенного титаном. Вследствие плохого сопряжения, между ними возникают два дополнительных слоя. Один образован некоторыми неравновесными фазами, другой–наклепанным аустенитом. 

Изучение структуры биметаллического соединения титановый сплав – орторомбический алюминид после сварки показало, что при приближении к КП со стороны титанового сплава пластинчатая форма сплава в целом сохраняется, однако наблюдаются существенные структурные изменения в обеих компонентах. Внутри a-пластин появляются мелкие пластинчатые выделения нескольких ориентировок a₂ фазы. Колонии с сохранившейся пластинчатой структурой граничат с b- фазой, которая образовалась в процессе диффузионной сварки. Во второй компоненте биметаллического соединения в процессе сварки происходит фазовое превращение. Рентгеновский дифрактометрический анализ показывает, что основной фазой является ОЦК b- фаза со следами a₂- и О- фаз. При приближении к контактной поверхности объемная доля пластинчатых выделений возрастает. Вблизи КП шириной  <2 мкм сосуществуют a₂+O+b фазы. Из сопоставления структурных исследований, полученных концентрационных профилей входящих в составы сплавов компонент и фазовых диаграмм изучены процессы диффузии элементов, играющих роль стабилизаторов при формировании фаз. Посредством всего набора исследованных промежуточных слоев осуществляется переход между исходными фазами биметаллических соединений: ГПУ (титановый сплав) и ГЦК (нержавеющая сталь), ГПУ (титановый сплав) – орторомбический алюминид. Существенно, что при подходе с обеих сторон к КП возникают ОЦК–фазы, а именно b-Ti и a-Fe в биметаллическом соединении титановый сплав – нержавеющая сталь и b-Ti с обеих сторон в соединении титановый сплав – орторомбический алюминид. Именно взаимная подстройка ОЦК решеток вблизи контактной поверхности, происходящая в процессе диффузионной сварки, является фактором, чрезвычайно благоприятным для хорошего качества соединения.