Вплив дефектів наплавлення на втомну міцність титанового сплаву ВТ22 з відновленою поверхнею
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Горпенко А.О. Вплив дефектів наплавлення на втомну міцність титанового сплаву ВТ22 з відновленою поверхнею – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ – 2025. Дисертаційна робота присвячена експериментальному та теоретичному дослідженню впливу фізико-технологічних параметрів відновлювального наплавлення із застосуванням присадних дротів ВТ22св і СП15св на параметри мікроструктури, фазовий склад та механічні властивості титанового сплаву ВТ22. У роботі досліджено зразки сплаву ВТ22, що пройшли повний цикл технологічної обробки, включаючи відновлювальне наплавлення із застосуванням зовнішнього магнітного поля для зменшення дефектності і покращення структури, захист зони розплаву аргоном для запобігання окисленню, локальну термічну обробку для забезпечення однорідності мікроструктури, а також втомні випробування для оцінки стійкості до циклічних навантажень. Проведений аналіз дозволив визначити взаємозв’язок між параметрами наплавлення, термічною обробкою та мікроструктурними і механічними характеристиками зон наплавлення титанового сплаву ВТ22. Дисертаційна робота складається з п’яти розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати проведеного дослідження. У вступі дисертації подано загальну характеристику дослідження, зокрема, обґрунтовано актуальність теми і визначено зв’язок роботи з науковими програмами. Описано мету та завдання дослідження, а також визначено об’єкт і предмет роботи. Розкрито наукову новизну отриманих результатів, їх практичне значення, а також особистий внесок здобувача. Наведено інформацію щодо апробації результатів дослідження, опублікованих праць, а також структури та загального обсягу дисертаційної роботи. У першому розділі проведено критичний аналіз основних властивостей титану та його сплавів, зокрема їхньої мікроструктури та фазового складу, технологій легування і термічної обробки, а також впливу цих чинників на механічні властивості. Детально розглянуто сплав ВТ22, його особливості, а також методи відновлювального наплавлення. Проаналізовано вплив типу присадних дротів, таких як СП15св і ВТ22св, на мікроструктуру, залишкові напруження та механічні властивості титанових сплавів. Описано типи дефектів, які утворюються під час зварювання і наплавлення, та їхній вплив на втомну міцність і поведінку титанових сплавів за циклічних навантажень. Висвітлено класифікацію титанових сплавів за структурою та фазовим складом, а також особливості термічної обробки цих матеріалів. Розглянуто перспективи застосування наплавлення для відновлення деталей із титанових сплавів, зокрема, – сплаву ВТ22, та методи зменшення розмірів дефектів у зоні наплавлення для підвищення довговічності деталей. На основі проведеного огляду сформульовано мету та завдання дослідження, спрямовані на вивчення ефективності технології відновлювального наплавлення, впливу локальної термічної обробки на структуру, фазовий склад, а також механічні та втомні властивості сплаву ВТ22. У другому розділі описано матеріали та методи дослідження, використані для виконання роботи. Основний матеріал досліджень – сплав ВТ22, який підлягав стандартній термічній обробці за режимом: 1 етап - нагрівання до 850°С, витримка 1 год, охолодження з піччю до 750°C, витримка 2 год, охолодження на повітрі; 2 етап - нагрівання до 620°С, витримка 4 год, охолодження на повітрі, а також присадні дроти СП15св і ВТ22св. Для кожного матеріалу наведено дані щодо його хімічного складу, вмісту газів і механічних властивостей. Проведено відновлювальне наплавлення двох серій зразків типу «лопатка» із використанням присадних дротів у середовищі аргону із прикладанням зовнішнього магнітного поля. Режими наплавлення оптимізовано для мінімізації глибини проплавлення та зони термічного впливу. Після відновлювального наплавлення та локальної термічної обробки, яка полягала у швидкому нагріванні зони наплавлення до температури 900 °C, після чого проводилося охолодження на повітрі, додатково здійснювали старіння за температури 600 °C із витримкою протягом 15 хвилин, після чого також проводили охолодження на повітрі. Такий режим локальної термічної обробки сприяв зниженню залишкових напружень, стабілізації мікроструктури та формуванню двофазного стану (α+β). Після виконання наплавлення із застосуванням двох видів присадних дротів (СП15св, ВТ22св) та проведення локальної термічної обробки було виготовлено дві серії зразків типу «лопатка». У центральній зоні кожного зразка виконано отвір діаметром Ø6 мм із забезпеченням шорсткості поверхні на рівні Ra = 0,8 мкм. Втомні випробування зразків проводили на гідравлічній машині УИМ-25 до повного руйнування за умов циклічних навантажень із нульовим циклом (R = 0). Частота навантаження становила 3 Гц, а максимальні прикладені навантаження складали: Pmax розтяг ≈ 90 кН та Pmax стиск ≈ 60 кН. Під час аналізу результатів випробувань зразків двох серій було виявлено значну розбіжність у напрацюваннях до руйнування, незважаючи на однакові параметри наплавлення та локальної термічної обробки. Для з'ясування причин такої розбіжності було проведено детальні дослідження. Особливу увагу приділено аналізу мікроструктури зон наплавлення, зон термічного впливу, а також характеру і просторового розподілу дефектів, які могли впливати на розвиток тріщин і, відповідно, на кінцеву втомну міцність зразків. Для аналізу отриманих результатів зразки було розподіллено на дві групи відповідно до їх напрацювання до руйнування. До першої групи включено зразки з напрацюваннями менше 10 000 циклів, тоді як друга група охоплювала зразки з напрацюваннями понад 15 000 циклів. Після завершення випробувань зразки досліджували із використанням комплексу сучасних методів матеріалознавства. Макро- та мікрофрактографічний аналіз проведено з використанням оптичної (Stemi 580, SteREO DiscoveryV20) та растрової електронної мікроскопії (TESCAN Vega-3LM) мікроскопії для визначення механізмів руйнування матеріалу. Мікроструктуру досліджували на мікрошліфах у поперечному та поздовжньому напрямках по відношенню до напрямку наплавлення, що дозволило оцінити розподіл фазових компонентів і структурних особливостей у зоні наплавлення, зоні термічного впливу та основному металі. Хімічний склад аналізували методом рентгеноспектрального мікроаналізу (Oxford X-Max-50) у зоні наплавлення, в зоні термічного впливу та основному металі для оцінки розподілу легуючих елементів. Мікротвердість матеріалу визначали методом індентування за Віккерсом (QNESS 60A+ EVO) для виявлення локальних змін механічних властивостей у різних зонах. Шорсткість поверхні отворів оцінювали за допомогою приладу Surftest SJ400. Вимірювання проводили на глибину 1 мм від центру отвору, що дозволило визначити якість обробки поверхні У третьому розділі представлено результати дослідження впливу технологічних параметрів відновлювального наплавлення та локальної термічної обробки (ЛТО) на мікроструктуру, механічні властивості та втомну довговічність титанового сплаву ВТ22. Особливу увагу приділено аналізу зони наплавлення та зони термічного впливу (ЗТВ), а також їхньої ролі у формуванні дефектів та ініціації втомних тріщин. Встановлено, що поєднання наплавлення присадним дротом СП15св у середовищі аргону та подальша локальна термічна обробка сприяють формуванню рівномірної мікроструктури наплавленого шару, стабільної ЗТВ та мінімізації кількості дефектів. У зразках, які продемонстрували найкращі втомні характеристики, спостерігався рівномірний розподіл фаз, плавний перехід між зонами, стабільні значення мікротвердості в ЗТВ (408–418 HV) та відсутність значних поверхневих дефектів, що могли б спричиняти локальні концентрації напружень. Виявлено, що у зразках, які мали локальні неоднорідності в ЗТВ у вигляді зон із відмінною травимістю, спостерігалася знижена мікротвердість (325–335 HV) та підвищений вміст β-фази, що сприяло локальним концентраціям напружень і прискореному зародженню втомних тріщин. Наявність дефектів, таких як пори діаметром до 0,1 мм, глибокі риски (до 25 мкм) і забоїни на поверхні, сприяла розвитку втомного руйнування, що призводило до зниження довговічності матеріалу. Встановлено, що у деяких зразках, незважаючи на наявність зони з відмінною травимістю, спостерігалися відносно високі значення мікротвердості (340 HV), що свідчить про часткове перетворення β-фази на рівноважний α+β стан. Відсутність значних поверхневих дефектів у цих зразках дозволила зменшити концентрацію напружень, що позитивно вплинуло на їхню втомну міцність порівняно із зразками з вираженими структурними неоднорідностями. Отримані результати підтверджують ключову роль контролю параметрів локальної термічної обробки у формуванні однорідного фазового складу, усуненні зон із відмінною травимістю та запобіганні утворенню поверхневих дефектів. Це підтверджує необхідність оптимізації технологічних параметрів наплавлення та термічної обробки для забезпечення стабільних експлуатаційних характеристик відновлених деталей. У четвертому розділі розглянуто вплив параметрів відновлювального наплавлення присадним дротом ВТ22св та локальної термічної обробки на структурну однорідність, мікротвердість та втомну міцність титанового сплаву ВТ22. Встановлено, що мікроструктурні неоднорідності в зоні термічного впливу та пори у приповерхневому шарі наплавлення є ключовими факторами, що визначають довговічність матеріалу. Дослідження пористості показало, що пори діаметром 80–120 мкм, локалізовані на глибині 100 мкм від поверхні отвору, є концентраторами напружень та сприяють ініціації втомних тріщин. Це зумовлено локальним підвищенням напружень на границях пор, що прискорює процес зародження та розвитку тріщин у зоні наплавлення. Аналіз фазових перетворень у наплавленому шарі підтвердив, що присутність витягнутих β-зерен та частковий розпад мартенситної α'-фази на α+β структуру впливають на стабільність мікротвердості та механічні характеристики матеріалу. Оптимальне поєднання фазового складу сприяє рівномірному розподілу напружень, що підвищує втомну міцність. Виявлено, що варіації мікротвердості в зоні термічного впливу (330–368 HV) та наплавленому шарі (371 HV) значно впливають на довговічність матеріалу. Випробувальні зразки зі стабільною структурою та рівномірним фазовим складом демонстрували підвищену довговічність. Результати досліджень підкреслюють необхідність точного контролю параметрів наплавлення та ЛТО для забезпечення мінімальної пористості, рівномірного фазового складу та стабільної мікротвердості. Отримані висновки можуть бути використані для вдосконалення технологічних процесів відновлення деталей, що працюють в умовах високих циклічних навантажень. У п’ятому розділі проведено комплексний аналіз впливу дефектів наплавлення та локальної термічної обробки на втомну міцність титанового сплаву ВТ22 після відновлювального наплавлення присадними дротами СП15св та ВТ22св. Особливу увагу приділено визначенню механізмів зародження та розвитку втомних тріщин у зонах наплавлення, термічного впливу та сплавлення, а також встановленню ключових факторів, що визначають довговічність матеріалу. Поверхневі дефекти у зоні термічного впливу та отворах наплавлених зразків із СП15СВ спричиняли локальні концентрації напружень, які ініціювали зародження тріщин. Встановлено, що ділянки з відмінною травимістю характеризувалися зниженою мікротвердістю (323–335 HV), що сприяло прискореному розвитку тріщин. Водночас у структурах із вищою стабільністю мікротвердість досягала 419–428 HV, що зумовлювало розвиток тріщин за втомним механізмом. Пори у наплавленому шарі зразків із ВТ22св (80–120 мкм, розташовані на глибині ~100 мкм від поверхні отвору) слугували концентраторами напружень та осередками зародження втомних тріщин. Інші вироби зі сплаву ВТ22 мали значні оксидні включення у зоні сплавлення, що виникли через недостатній газовий захист, додатково знижувала довговічність матеріалу. Доведено, що відсутність зон із відмінною травимістю або їх мінімізація суттєво підвищує втомну міцність відновленого матеріалу. Найвищі показники довговічності продемонстрував метал зі стабільною фазовою структурою та рівномірною мікротвердістю, що дозволило уникнути локальних концентрацій напружень та відтермінувати ініціацію тріщин. Максимальні напрацювання до руйнування мали вироби з наплавленням СП15св та становили 24 796 циклів, а для ВТ22св – 28 388 циклів. Розроблено метод виявлення зон із відмінною травимістю без застосування хімічного травлення – шляхом аналізу оптичної взаємодії поверхні під час шліфування. Виявлено, що такі зони можуть бути ідентифіковані за змінами відбивної здатності матеріалу під час механічного оброблення, що дозволяє своєчасно виявляти потенційно слабкі ділянки та здійснювати корекцію технологічних параметрів відновлення деталей.
Опис
Ключові слова
дефекти зварювання, локальна термічна обробка, мікроструктура, присадний дріт, титанові сплави, втомні характеристики, відновлювальне наплавлення, Welding defects, local heat treatment, microstructure, filler wire, titanium alloys, fatigue characteristics, restorative welding
Бібліографічний опис
Горпенко, А. О. Вплив дефектів наплавлення на втомну міцність титанового сплаву ВТ22 з відновленою поверхнею : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Горпенко Артем Олександрович. – Київ, 2025. – 165 с.