Вплив дефектів наплавлення на втомну міцність титанового сплаву ВТ22 з відновленою поверхнею
| dc.contributor.advisor | Доній, Олександр Миколайович | |
| dc.contributor.author | Горпенко, Артем Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-20T12:18:11Z | |
| dc.date.available | 2025-06-20T12:18:11Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Horpenko A.O. Influence of Welding Defects on the Fatigue Strength of the VT22 Titanium Alloy with a Restored Surface – Qualification Scientific Work (Manuscript). Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Specialty 132 – Materials Science. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute," Kyiv – 2025. The dissertation is devoted to the experimental and theoretical study of the influence of physicotechnological parameters of restorative welding using VT22sv and SP15sv filler wires on the microstructure parameters, phase composition, and mechanical properties of the VT22 titanium alloy. The study examines VT22 alloy specimens that underwent a full technological processing cycle, including restorative welding with an applied external magnetic field to reduce defectiveness and improve structure, protection of the molten zone with argon to prevent oxidation, local heat treatment (LHT) to ensure microstructural homogeneity, and fatigue testing to evaluate resistance to cyclic loads. The conducted analysis established the relationship between welding parameters, heat treatment, and the microstructural and mechanical characteristics of the VT22 titanium alloy weld zones. The dissertation consists of five chapters, where the main results of the research are presented and substantiated. The introduction provides a general description of the study, substantiating the relevance of the topic and its connection with scientific programs. It describes the objectives and tasks of the study, as well as the research object and subject. The scientific novelty of the obtained results, their practical significance, and the author's personal contribution are disclosed. Information is provided on the approbation of the research results, published works, as well as the structure and overall volume of the dissertation. In the first chapter, a critical analysis of the main properties of titanium and its alloys is conducted, particularly their microstructure and phase composition, alloying and heat treatment technologies, and their impact on mechanical properties. The VT22 alloy and its characteristics are examined in detail, along with restorative welding methods. The effect of different filler wires, such as SP15sv and VT22sv, on the microstructure, residual stresses, and mechanical properties of titanium alloys is analyzed. The types of defects formed during welding and their impact on fatigue strength and cyclic loading behavior of titanium alloys are described. A classification of titanium alloys based on structure and phase composition is provided, along with the specifics of heat treatment for these materials. The prospects of using welding for the restoration of titanium alloy components, particularly VT22, are considered, as well as methods for reducing defect size in the weld zone to enhance durability. Based on the review, the objectives and research tasks are formulated, focusing on the study of the effectiveness of restorative welding technology, the influence of local heat treatment on structure, phase composition, and mechanical and fatigue properties of VT22 alloy. The second chapter describes the materials and research methods used in the study. The primary research material is the VT22 alloy, which underwent standard heat treatment under the following conditions: Stage 1: heating to 850°C, holding for 1 hour, furnace cooling to 750°C, holding for 2 hours, air cooling. Stage 2: heating to 620°C, holding for 4 hours, air cooling. The filler wires SP15sv and VT22sv were also analyzed, with their chemical composition, gas content, and mechanical properties presented. Two series of "blade"-type specimens were manufactured using restorative welding with filler wires in an argon environment with an applied external magnetic field. The welding parameters were optimized to minimize penetration depth and the heataffected zone (HAZ). After welding, local heat treatment was performed, consisting of rapid heating of the weld zone to 900°C, followed by air cooling, and subsequent aging at 600°C for 15 minutes, also followed by air cooling. This LHT regime contributed to reducing residual stresses, stabilizing the microstructure, and forming a biphase (α+β) structure. After welding with the two types of filler wires (SP15sv, VT22sv) and performing LHT, two series of blade-typespecimens were produced. A 6 mm diameter hole was made in the central zone of each specimen, ensuring a surface roughness of Ra = 0.8 µm. Fatigue testing was conducted on a UIM-25 hydraulic machine until complete failure under cyclic loading conditions with a zero-cycle ratio (R = 0). The loading frequency was 3 Hz, with maximum applied loads of 90 kN (tension) and 60 kN (compression). In the third chapter, the influence of restorative welding parameters and local heat treatment (LHT) on the microstructure, mechanical properties, and fatigue resistance of the VT22 titanium alloy is analyzed. Particular attention is given to the analysis of the weld zone and heat-affected zone (HAZ), as well as their role in defect formation and fatigue crack initiation. It was established that combining welding with SP15sv filler wire in an argon environment and subsequent LHT promotes the formation of a uniform weld microstructure, stable HAZ, and minimizes defect quantity. Specimens that demonstrated the best fatigue performance exhibited a uniform phase distribution, smooth transition between zones, stable microhardness in HAZ (408–418 HV), and absence of significant surface defects, which could cause local stress concentrations. Specimens containing zones with distinct etching properties in the HAZ exhibited reduced microhardness (325–335 HV) and an increased β-phase content, leading to local stress concentrations and accelerated fatigue crack initiation. The presence of defects such as pores (up to 0.1 mm), deep scratches (up to 25 µm), and surface indentations contributed to fatigue fracture and reduced material durability. The fourth chapter examines the effect of welding parameters and LHT on microstructural homogeneity, microhardness, and fatigue strength of VT22 titanium alloy. It was found that microstructural inhomogeneities in the HAZ and pores in the nearsurface layer of the weld are key factors determining material durability. Pores 80–120 µm in diameter, located 100 µm from the hole surface, were identified as stress concentrators that contribute to fatigue crack initiation. This is due to local stress amplification at the pore boundaries, which accelerates crack nucleation and growth. The study of phase transformations in the weld confirmed that the presence of elongated β-grains and partial decomposition of martensitic α'-phase into α+β structure influences microhardness stability and mechanical properties. The optimal phase composition promotes uniform stress distribution, improving fatigue strength. The fifth chapter presents a comprehensive analysis of the impact of welding defects and LHT on the fatigue strength of VT22 titanium alloy. Special attention is given to the mechanisms of fatigue crack nucleation and propagation in the weld, HAZ, and fusion zone, as well as the key factors influencing material durability. Surface defects in the HAZ and holes of specimens with SP15sv welds caused local stress concentrations, leading to premature crack initiation. Pores in the VT22sv weld (80–120 µm, located ~100 µm from the hole surface) acted as stress concentrators and fatigue crack initiation sites. The presence of oxide inclusions in the fusion zone, resulting from insufficient gas shielding, further reduced material durability. A new method for detecting zones with distinct etching properties without chemical etching was developed—based on the analysis of optical surface interaction during grinding. It was found that such zones can be identified by changes in material reflectivity during mechanical processing, allowing for the timely detection of potential weak areas and correction of technological parameters of component restoration. The developed recommendations on LHT optimization and defect control in welds will enhance the operational durability of VT22 alloy components under cyclic loading, improving the efficiency of aviation component restoration. | |
| dc.format.extent | 165 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74357 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | дефекти зварювання | |
| dc.subject | локальна термічна обробка | |
| dc.subject | мікроструктура | |
| dc.subject | присадний дріт | |
| dc.subject | титанові сплави | |
| dc.subject | втомні характеристики | |
| dc.subject | відновлювальне наплавлення | |
| dc.subject | Welding defects | |
| dc.subject | local heat treatment | |
| dc.subject | microstructure | |
| dc.subject | filler wire | |
| dc.subject | titanium alloys | |
| dc.subject | fatigue characteristics | |
| dc.subject | restorative welding | |
| dc.subject.udc | 621.791.92:669.295 | |
| dc.title | Вплив дефектів наплавлення на втомну міцність титанового сплаву ВТ22 з відновленою поверхнею | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Horpenko_dys.pdf
- Розмір:
- 10.66 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: