Химические свойства титана.

При сварке титановых сплавов у сварных соединений наблюдается склонность к замедленному разрушению, причиной которого является повышенное содержание водорода в сварном соединении в сочетании с растягивающими напряжениями первого рода (остаточными сварочными и от внешней нагрузки). Влияние водорода на склонность к трещинообразованию возрастает при увеличении содержания других примесей (кислорода и азота) и вследствие общего снижения пластичности при образовании хрупких фаз в процессе охлаждения и старения. Отрицательное влияние водорода при трещинообразованни является результатом гидридного превращения и адсорбционного эффекта снижения прочности. Наибольшее влияние водород оказывает на а - сплавы в связи с ничтожной растворимостью в них водорода (<0,001%). Растворимость водорода в б -фазе значительно выше, поэтому сплавы, содержащие б - фазу, менее чувствительны к водородному охрупчиванию; вместе с тем повышенная растворимость водорода и б -фазе увеличивает опасность наводороживания. Склонность к растрескиванию увеличивается:

а) при повышенном содержании водорода в исходном материале;

б) при насыщении водородом в процессе сварки (из-за недостаточно тщательной подготовки сварочных материалов, свариваемых кромок и т.д.;

в) при насыщении водородом в процессе технологической обработки сварных соединений при эксплуатации.

Радикальными мерами по борьбе с трещинообразованием являются:

а) снижение газов в основном и присадочном материале: < 0,008% Н2; < 0,1 - 0,12% Oz, <0,04% N;

б) соблюдение правильной технологии сварки для предотвращения попадания паров воды и вредных газов в зону сварки (тщательная подготовка и зачистка сварочных материалов и свариваемого металла, надежная защита металла в зоне сварки и рациональный подбор режимов сварки); для уменьшения склонности к замедленному разрушению целесообразно а - и псевдо а-сплавы титана сваривать на жестких режимах; а + б - сплавы - на относительно мягких (скорость охлаждения 10-20°С/с);

в) снятие остаточных сварочных напряжений; г) предотвращение возможности наводороживания сварных соединений при эксплуатации путем выбора сплавов рациональной композиции для работы в средах, где возможно насыщение водородом.

Поры в сварных соединениях, которые чаще располагаются в виде цепочки по зоне сплавления, снижают статическую и динамическую прочность сварных соединений. Их образование может вызываться попаданием водорода вместе с адсорбированной влагой на присадочной проволоке, флюсе, кромках свариваемых изделий или из атмосферы при нарушении защиты. Перераспределение водорода в зоне сварки в результате термодиффузионных процессов при сварке также может привести к пористости. Растворимость водорода в титане уменьшается с повышением температуры. Поэтому в процессе сварки титана водород диффундирует от зон максимальных температур в менее нагретые области, от шва к основному металлу. Основными мерами борьбы с порами, вызванными водородом при качественном исходном материале, является тщательная подготовка сварочных материалов: прокалка флюса, применение защитного газа гарантированного качества, вакуумная дегазация и зачистка перед сваркой сварочной проволоки и свариваемых кромок (удаление альфированного слоя травлением и механической обработкой, снятие адсорбированного слоя перед сваркой щетками или шабером, обезжиривание), соблюдение защиты и технологии сварки. В сварном шве поры могут образоваться вследствие:

а) задержания пузырьков инертного газа кристаллизующимся металлом сварочной ванны при сварке титана в среде защитных газов;

б) «захлопывания» микрообъемов газовой фазы, локализованных на кромках стыка, при совместном деформировании кромок в процессе сварки;

в) химических реакций между поверхностными загрязнениями и влагой и т. д.

При сварке титана плавлением требуются концентрированные источники тепла. Однако в связи с более низким, чем у стали, коэффициентом теплопроводности (в 4 раза), более высоким электрическим сопротивлением (в 5 раз) и меньшей теплоемкостью для сварки плавлением титана тратится меньше энергии, чем при сварке углеродистых сталей. Вследствие низких коэффициентов теплопроводности, линейного расширения и модуля упругости остаточные напряжения в сварных соединениях титана меньше предела текучести и составляют для большинства титановых сплавов (0,6 - 0,8) а0,2 основного металла. Наиболее высокие остаточные напряжения возникают в сварных соединениях однофазных как а -, так и (3 - титановых сплавов или у слабо гетерогенизированных сплавов такого типа. Высокий коэффициент поверхностного натяжения титана (около 1500 эрг/см при температуре кристаллизации в вакууме и атмосфере гелия) в сочетании с малой вязкостью в расплавленном состоянии увеличивает опасность прожогов и вызывает необходимость более тщательной сборки деталей под сварку по сравнению с деталями из сталей.

Свариваемые детали разрезают механическим путем. В качестве предварительного метода разрезки с последующей механической обработкой кромок может быть использована также газовая и плазменная резка. Газовую резку титана производят на повышенной, по сравнению со сталью, скорости при одновременном снижении мощности подогревающего пламени из-за более интенсивного выделения тепла в зоне реза. Сварные соединения, выполненные непосредственно после газовой сварки, обладают низкой пластичностью и склонны к растрескиванию в условиях напряженного состояния. Удаление поверхностного слоя после газовой резки механическим путем на глубину 1 мм позволяет получить качественное сварное соединение.

Принципиально разделка кромок при сварке титановых сплавов не отличается от разделок, применяемых для сталей. В зависимости от толщины свариваемого металла сварку производят без разделки, с V-, II-, Х- разделками, а также применяют замковые соединения. Сварку деталей из титановых сплавов производят после того, как снимут газонасыщенный (альфированный) слой. Такой обработке должны быть подвергнуты детали, изготовленные методом пластической деформации (поковки, штамповки и т.д.), а также детали, прошедшие термическую обработку в печах без защитной атмосферы. Удаление альфированного слоя с применением травителей предусматривает:

а) предварительное рыхление альфированного слоя дробеструйной или пескоструйной обработкой;

б) травление в растворе, содержащем 40% НМО₃, 20% Н₂О или 50% НР и 50% НМО₃; увеличение времени травления выше оптимального (>25 с) приводит к взрыхлению, повышенной сорбции ингредиентов среды и увеличению порообразования при сварке;

в) последующую зачистку кромок на участке шириной 10-15 мм с каждой стороны металлическими щетками или шаберами для удаления тонкого слоя металла, насыщенного водородом при травлении. Механическое удаление альфированного слоя (зачистка шабером) непосредственно перед сваркой обеспечивает лучшие результаты.

Перед началом сборочно-сварочных работ необходимо очистить детали от загрязнений металлической щеткой и обезжирить органическим растворителем. В качестве органических растворителей можно использовать ацетон и бензин. Технология обезжиривания рекомендуется следующая: промывка свариваемых кромок и прилегающих к ним поверхностей на ширину не менее 20 мм (бязью, капроновыми или волосяными щетками) бензином марки Б-70 и последующая промывка этиловым спиртом-ректификатом или ацетоном; допускается промывка ацетоном.

При сборке конструкций из титана под сварку необходимо соблюдать следующие особенности:

а) в связи с жидкотекучестью и высоким коэффициентом поверхностного натяжения расплавленного титана необходимо более высокое качество сборки;

б) недопустимы правка и подгонка деталей с использованием местного нагрева газовым пламенем;

в) правка и подготовка деталей в холодном состоянии затруднена в связи со значительным пружинением титана;

г) необходима надежная защита шва при сварке плавлением от доступа воздуха с обратной стороны шва при выполнении прихваток.

В качестве присадочных материалов при сварке титана плавлением используют холоднотянутую проволоку и прутки, изготовленные из листового металла. Выбор сварочной проволоки определяется условиями сварки и эксплуатации конструкций. Состав проволоки должен быть близок к составу основного металла. Сварочную проволоку из титана и его сплавов изготовляют диаметром 0,8 - 7 мм. Проволоку подвергают вакуумному отжигу.

Цирконий.

Цирконий является аналогом титана по химическим свойствам и свариваемости. Цирконий обладает малым сечением захвата нейтронов (0,18 барн), хорошей коррозионной стойкостью и прочностью, поэтому сплавы на его основе используют как конструкционный материал для технологических трубопроводов, ТВЭЛов и других деталей в ядерных энергетических установках на медленных нейтронах. Наиболее сложной технологической проблемой при сварке циркониевых сплавов является обеспечение коррозионной стойкости сварных соединений в таких средах, как вода, пар, влажный воздух при 300°С и выше на уровне свойств основного металла. На коррозионную стойкость сварных соединений кроме загрязнений примесями внедрения влияет структурная и фазовая неоднородность отдельных зон сварных соединений. Лучшей стойкостью обладают соединения, фазовый состав которых близок к равновесному состоянию сплава. Это достигается за счет оптимальных скоростей охлаждения металла при сварке и термомеханической обработке, заключающейся в отжиге при температуре ниже фазового превращения (для сплава 2г + 2,5% Mb - 580°С; время выдержки 1 ч) при предварительной деформации металла сварного соединения.

Цирконий и его сплавы хорошо свариваются вольфрамовым электродом в инертном газе при прямой полярности постоянным током с применением технологии и техники, аналогичной технологии и технике сварки титана. Ввиду высокой активности и возможного понижения коррозионной стойкости при насыщении примесями внедрения сварку целесообразно проводить в защитных камерах с контролируемой атмосферой. Лучшие результаты обеспечивает сварка в вакууме. Используется в основном электронно-лучевая сварка как в стационарном, так и в импульсном режимах. В последнем случае обеспечиваются лучшие условия качественного формирования шва и регулирования структуры соединения.