При производстве летательных аппаратов для соединения труб и различной арматуры из стали с элементами из титановых сплавов используют трубные биметаллические переходники. Обычно их изготовляют механической обработкой из свар­ных биметаллических заготовок.

Получение работоспособных сварных соеди­нений титана и его сплавов с различными сталями является сложной задачей. Основная трудность заключается в том, что титан образует с компо­нентами стали — железом, никелем, хромом — хрупкие интерметаллиды, а с углеродом — карби­ды. Ввиду этого при сварке между титаном и ста­лью помещают прослойки из других металлов, не образующих хрупких фаз при взаимодействии в области высоких температур. Например, сварные соединения стали с титаном получают методом прокатки или сваркой взрывом с использованием прослойки из двух металлов — меди — со сторо­ны стали и ниобия — со стороны титана.

Пары металлов железо — медь, медь — нио­бий и ниобий — титан не образуют химических соединений и имеют широкую область твердых растворов, что обеспечивает получение свар­ных соединений без хрупких интерметаллидных прослоек. Однако эта технология имеет сущест­венные недостатки. Во-первых, формирование соединений происходит в твердой фазе, а в на­стоящее время нет надежных методов контроля качества таких соединений. Поэтому существует опасность образования в соединениях непровара потери их герметичности. Во-вторых, данная технология отличается большой металлоемкостью и трудоемкостью операций, так как трубные переходники изготовляют из листовых биметаллических заготовок.

Указанных недостатков лишена технология изготовления трубных переходников из стали и титана, основанная на использовании стыковой сварки с нагревом торцов деталей электрической дугой в инертной среде низкого давления. При этом сварку трубных заготовок из аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т и титаново­го сплава ВТ6С с внутренним диаметром 5—19 мм осуществляют через кольцевые проставки из бронзы Бр.Х и ниобиевого сплава 5ВМц.

При разработке принципиальной схемы фор­мирования соединений стали с титаном стыковой сваркой дугой низкого давления была поставлена задача обеспечения равнопрочности соединения с трубой из стали и хорошей работоспособности соединений при ударных нагрузках. Сварку выполняли в вакуумной камере 8 (рис. 1). Свариваемые трубные заготовки 1 и 2 устанавли­вали в неподвижном 3 и подвижном 4 зажимах сварочного устройства с зазором между торцами. Оси свариваемых заготовок расположены верти­кально, что практически исключает влияние силы тяжести на формирование слоя жидкого металла на их торцах. Камеру вакуумировали до остаточного давления воздуха порядка 1 Па и наполняли аргоном до давления 800—1000 Па.

Процесс сварки состоит их двух технологиче­ских этапов: нагрева торцов деталей и их осадки. Для нагрева используют электрическую дугу пере­менного тока, горящую в зазоре между деталями и равномерно распределенную по всей их торцо­вой поверхности.

Нагрев включает две стадии: импульсный на­грев и кратковременное оплавление. Импульсный нагрев производится кратковременными импуль­сами сварочной дуги, что улучшает равномер­ность нагрева поверхности торцов свариваемых деталей. После оплавления торцов производится осадка, при которой торцы быстро сближаются на величину зазора и дополнительно на величину осадки, необходимую для выдавливания жидкого металла и деформации высокотемпературной зо­ны соединения.

Кроме нагрева торцов деталей электрическая дуга выполняет также другую важную функцию — катодную очистку торцовых поверхностей свари­ваемых деталей от оксидных плен и других загряз­нений.

Для нагрева торца детали 2, требующей боль­шего тепловложения, кроме основной дуги 6 с то­ком І, используется дополнительная дуга 7 с то­ком І₂, которая горит между торцом этой детали и дополнительным кольцевым электродом 5.

Сварку трубного переходника сталь 12Х18Н10Т — титановый сплав ВТ6С осуществ­ляли в три этапа (рис. 2). На первом — производили сварку трубной заготовки из стали 12Х18Н10Т с за­готовкой из бронзы Бр.Х.

При этом на стадии на­грева заготовка из бронзы нагревается до образо­вания на ее торцовой поверхности сплошного тон­кого слоя жидкого металла, а заготовка из стали нагревается таким образом, чтобы ее торцовая поверхность надежно смачивалась жидкой брон­зой. При осадке формирование межатомных свя­зей происходит в контакте твердой и жидкой фаз, т. е. по схеме сварки-пайки. В условиях эффектив­ной катодной очистки торцовых поверхностей от оксидных плен и без существенного их окисления благодаря сварке в инертной среде низкого дав­ления формирование соединений по схеме свар­ки-пайки практически исключает образование не­провара в соединениях.

На втором этапе сваривали трубную заготовку из титанового сплава ВТ6С с заготовкой из нио­биевого сплава 5ВМЦ. При этом сварное соедине­ние ВТ6С + 5ВМЦ также формируется по схеме сварки-пайки. На стадии нагрева торец трубной за­готовки из сплава ВТ6С оплавляется, а торцовая поверхность заготовки из сплава 5ВМЦ нагревает­ся до температуры смачивания ее жидким титаном.

На третьем этапе полученные заготовки 12X18Н10Т + Бр.Х и ВТ6С + 5ВМЦ сваривали ме­жду собой торцами из бронзы Бр.Х и ниобиевого сплава 5ВМЦ. Сварное соединение Бр.Х + 5ВМЦ также формируется по схеме сварки-пайки: на стадии нагрева торец из бронзы Бр.Х оплавляет­ся, а торец из сплава 5ВМЦ нагревается до тем­пературы смачивания его жидкой бронзой. При сварке трубного переходника из стали и титана в качестве заготовок из бронзы Бр.Х и сплава 5ВМЦ использовали кольцевые проставки определен­ной толщины. При небольшом числе изготовляе­мых переходников вместо кольцевых проставок целесообразно использовать трубные заготовки из бронзы Бр.Х и сплава 5ВМЦ, а после сварки производить механическую обработку соединений для получения заданной толщины проставок.

При изготовлении трубных переходников из стали и титана с наружным диаметром менее 10 мм сваривали заготовки из прутков и подверга­ли их механической обработке.

Геометрические размеры биметаллического переходника определяли из условия равнопроч­ности сварного соединения с трубой из стали 12Х18Н10Т при статическом растяжении. Для вы­полнения этого условия стенка переходника в зо­не кольцевых проставок должна иметь утолще­ние. Например, равнопрочность сварного соеди­нения переходника из титана и стали с трубой из стали 12Х18Н10Т диаметром 22 мм и толщиной стенки 1,5 мм обеспечивается при толщине стенки переходника в зоне кольцевых проставок из бронзы Бр.Х и ниобиевого сплава 5ВМЦ не менее 2,5 мм.

На рис. 3, а приведена конструкция биметал­лического переходника из стали 12Х18Н10Т и сплава ВТ6С с кольцевыми проставками из брон­зы Бр.Х и ниобиевого сплава 5ВМЦ с внутренним диаметром d_y = 19 мм, а на рис. 3, б— внешний вид готового переходника.

Начальная толщина кольцевых проставок из бронзы и ниобиевого сплава равна 4 мм. При меньшей толщине усложняется закрепление про­ставок в зажиме сварочного устройства и возмож­на нестабильность их нагрева при сварке. Ширина бронзовой проставки в результате ее оплавления и осадки при сварке со сталью и ниобием умень­шается до 2—2,5 мм в готовом соединении.

В ходе исследований изучали микроструктуру различных зон сварного соединения, измеряли их микротвердость и определяли распределение ос­новных компонентов на микрорентгеноспектральном анализаторе.

На рис. 4 приведена микроструктура исходных материалов: нормализованной стали 12Х18Н10Т (поз. а); бронзы Бр.Х (зерна имеют внутреннее строение эвтектического типа) (поз. б); ниобиево­го сплава 5ВМЦ (полиэдрическая структура, зер­на несколько вытянуты в направлении обработки) (поз. в); сплава ВТ6С (характерная двухфазная структура) (поз. г).

Типичная микроструктура соединения 12Х18Н10Т + Бр.Х приведена на рис. 5, а. Видна ^ЯРКО выраженная граница раздела сталь — брон­за без каких-либо промежуточных структур, что находится в соответствии с диаграммой состоя­ния не только основных компонентов (железа и меди), но и других (хрома и никеля). На участках локального оплавления поверхности стали под катодными пятнами дуги наблюдаются микротре­щины глубиной до 100 мкм (рис. 5, б). Характерной особенностью наблюдаемых микротрещин, имею­щих межкристаллитный характер, является за­полненность их бронзой, что свидетельствует об образовании их во время контакта стали с распла­вом бронзы. По-видимому, адсорбционный меха­низм образования микротрещин проявляется в сочетании с действием растягивающих напряже­ний, образующихся в поверхностном слое стали при соприкосновении его с жидкой бронзой (эффект Ребиндера). Необходимо отметить, что об­разование в стыке соединения сталь — бронза со стороны стали микротрещин глубиной порядка 100 мкм, заполненных бронзой, не следует рас­сматривать как дефекты микроструктуры, так как они не приводят к снижению механических свойств соединений и их герметичности.

Микроструктура соединения Бр.Х + 5ВМЦ при­ведена на рис. 5, в. Зона контакта бронзы со спла­вом ниобия отличается повышенной травимостью. В правой части рисунка видна утолщенная граница зерен в ниобии, заполненная бронзой. Это явление можно трактовать как своеобразное проникновение припоя в основной металл, встре­чающееся при пайке. Глубина проникновения со­ставляет 100—150 мкм.

На рис. 5, г приведен участок подплавления ниобиевого сплава под катодными пятнами дуги. Особенностью данного участка является кристал­лизация расплавленного ниобия до контакта с бронзой, о чем можно судить по характеру кри­сталлизации от частично оплавленных зерен ос­новного металла.

Типичные структуры соединения 5ВМЦ + ВТ6С приведены на рис. 5: узкая переходная зона, в ос­новном представляющая область диспергирова­ния твердого ниобия под действием жидкого тита­на (поз. д), и участок с более широкой переходной зоной и часто встречающейся волнообразной гра­ницей раздела (поз. е). Однако в остальном струк­тура переходной зоны аналогична приведенной на рис. 5, д.

Распределение элементов в переходных зо­нах сварного соединения сталь — титан, получен­ное на микрорентгеноспектральном анализаторе, приведено на рис. 6. В связи с отсутствием в со­ответствующих системах промежуточных фаз (интерметаллидов) различие в характере распределе­ния элементов объясняется различием их раство­римости как в твердом, так и жидком состояниях.

На рис. 6, а приведено распределение железа и меди е соединении стали и бронзы. Характер кривых говорит о проникновении бронзы в сталь по границам зерен. Аналогичная картина взаимо­действия наблюдается в соединении Бр.Х + 5ВМЦ (см. рис. 6, б). Принципиально иной характер взаи­модействия имеет место при сварке титанового и ниобиевого сплавов (см. рис. 6, е), что связано с неограниченной взаимной растворимостью тита­на и ниобия.

Результаты измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н приведены на рис. 7. Измерения проводили поперек стыка со­единений сталь — бронза, бронза — ниобий и ниобий — титан. Из-за наличия ступеньки на шли­фах точно измерить твердость на расстоянии бли­же 50 мкм от границы раздела невозможно. Наи­больший скачок твердости при переходе через гра­ницураздела наблюдается в паре 5ВМЦ + ВТ6С. Можно отметить также большой разброс твердо­сти титанового сплава вблизи границы раздела с ниобием. Каких-либо прослоек, значительно отли­чающихся по твердости, не обнаружено.

Механические свойства сварных соединений исследовали для определения свойств наиболее слабого участка соединения и механических свойств биметаллического переходника 12X18Н10Т + Бр.Х + + 5ВМЦ + ВТ6С, выполненного в соответствии с разработанной конструкцией и технологией сварки. Сварные соединения образцов сечением 4×4 мм, длиной 60 мм, вырезанных вдоль обра­зующей из сварной трубной заготовки диаметром 27 мм с толщиной стенки 4 мм, испытывали на ста­тическое растяжение и ударный изгиб. При стати­ческом растяжении образцов сварных соедине­ний разрушение происходит в средней части проставки из бронзы с образованием шейки. Предел прочности соединений составляет 300 МПа, что соответствует уровню прочности бронзы Бр.Х. При ударном изгибе разрушение образцов свар­ных соединений происходит также по Бр.Х вбли­зи стыка Бр.Х — 5ВМЦ. Характер разрушения вязкий.

Результаты механических испытаний биме­таллических переходников показали равнопрочность сварного соединения труб из стали. При статическом растяжении биметаллический пере­ходник разрушается по стальной трубе. При испы­тании переходника на прочность внутренним дав­лением разрушение происходит по образующей стальной трубы (рис. 8).

При испытаниях на герметичность воздуш­но-гелиевой смесью трубных переходников из стали и титана, полученных стыковой сваркой, ус­тановили, что герметичность соединений не ниже 10^-8м³-Па/с.

Следует подчеркнуть, что при стыковой сварке дугой низкого давления труб из стали с титаном через проставки из бронзы и ниобия возможен надеж­ный контроль качества формирования соединения. Сварные соединения формируются по схеме сварки-пайки. Поэтому необходимым и достаточ­ным условием исключения непровара в соедине­ниях является оплавление торца из бронзы и ти­тана, смачивание и растекание расплавленного металла по торцу стали и ниобия. Отсутствие этих характерных признаков качественного формиро­вания соединений легко выявляется внешним ос­мотром. Контроль фактической величины осадки торцов позволяет определить толщину выдавли­ваемого из стыка при осадке слоя расплавленного металла на торцах, а контроль усилия осадки — исключить возможность появления соединений с дефектами, характерными для литой структуры.

Таким образом, уже разработана технология сварки трубного переходника из стали 12Х18Н10Т с титановым сплавом ВТ6С через проставки из бронзы Бр.Х и ниобиевого сплава 5ВМЦ. Сварное соединение формируется в три этапа: сварка трубы из стали с кольцом из бронзы; сварка трубы из титана с коль­цом из ниобия; сварка заготовок 12X18Н10Т + Бр.Х и ВТ6С + 5ВМЦ торцами из Бр.Х и 5ВМЦ. Все три соединения формируются по схеме сварки-пайки, при которой на стадии нагрева оплавляется торец лишь одной, более легкоплавкой детали, а на ста­дии осадки расплавленный металл смачивает торец детали из более тугоплавкого металла и вы­давливается из стыка.

Высокий уровень взаимодействия свари­ваемых металлов практически исключает возмож­ность образования непровара. В соединениях от­сутствуют какие-либо прослойки, практически нет литой структуры.

Биметаллические переходники из стали 12Х18Н10Т с титановым сплавом ВТ6С, выполнен­ные через две проставки — из бронзы Бр.Х и нио­биевого сплава 5ВМЦ отличаются хорошей рабо­тоспособностью при статических и динамических нагрузках, герметичность на ниже 10 м -Па/с.

Формирование соединений по схеме свар­ки-пайки и выдавливание расплавленного метал­ла из стыка при осадке обеспечивают возможность контроля качества соединений по параметрам про­цесса сварки. При этом также существенно воз­растает информативность визуального контроля сварных соединений.