Сварка стали с титановыми сплавами

Титан с железом образует систему ограниченной растворимости с эвтектоидным распадом β-фазы. Предел растворимости титана в железе снижается от 12 % при 1200 °С до 4 % при 300 °С. Растворимость железа в а-титане составляет 0,5 и 0,05—0,1 % соответственно при 615 и 20 °С. Титан и железо образуют химические соединения (TiFe, TiFe₂, Ti₂Fe) и эвтектики β-фаза + TiFe (1100 °С), TiFe + TiFe₂ (1280 °С), TiFe₂ + α-фаза (1298 °С), содержащие 32; 62,5 и 82,5 % железа соответственно. Поэтому при затвердевании расплава уже при содержании железа порядка 0,1 % будут образовываться интер-металлиды TiFe и TiFe₂, которые резко снижают пластические свойства материала.

Титан и железо имеют существенное различие в кристаллическом строении и физических свойствах.

Сварка взрывом осуществляется с промежуточными прокладками и без прокладок. В последнем случае может иметь место появление интерметаллидов TiFe и TiFe₂ в местах вкрапления литого металла и перемешивания. При отжиге таких соединений идет дальнейший рост интерметаллидной фазы, выделение карбидов титана. В зоне контакта может наблюдаться появление пор. В качестве прокладок используют ниобий, ванадий, никель, медь, серебро, железо и сплавы из тугоплавких материалов.

Диффузионной сваркой получают удовлетворительные механические характеристики, когда ширина слоя интерметаллидов не превышает 3—5 мкм, а в переходной зоне имеет место α-твердый раствор железа в титане. При испытаниях зона разрушения в переходе титан—железо (сталь). На прочность соединения влияет ширина зоны, обогащенной углеродом.

Механические характеристики стыковых соединений, выполненных диффузионной сваркой в вакууме, на материалах ВТ1-0 + 12Х18Н9Т и ОТ4 + 12Х18Н9Т (температура 750—840°С, время сварки 15 мин), оказываются ниже прочности основного материала. Применение прокладок из V и Cu при сварке ВТ6, ВТ5-1 со сталью 12Х18Н9Т позволило получить предел прочности вплоть до 530—570 МПа. В соединении не обнаруживается интерметаллидных фаз даже после длительного нагрева при высокой температуре (1000 °С в течение 10 ч). Слой Сu при сварке предотвращает образование карбидов ванадия, охрупчивающих соединения. В соединении V—Сu легкоплавкие соединения и интерметаллиды не образуются. Соединения, выполненные через комбинированные прокладки меди (толщина 0,01 мм) и ванадия (0,07 мм), дают предел прочности 489—503 МПа при 450 °С, удельная вязкость 350 кДж/м², угол загиба 50—60°.

Для получения стабильных результатов целесообразно в качестве прокладочного материала использовать тонкую многослойную ленту (V + Cu + Ni), полученную методом горячей прокатки в вакууме. С использованием такой ленты соединения ВТ5-1 и АТ3 с 12Х18Н10Т дают предел прочности при растяжении 500—590 МПа.

При сварке титана с низкоуглеродистыми сталями хорошие результаты дают прослойки из серебра.

Положительные результаты дает нагрев при диффузионной сварке в расплаве солей (70% ВаСl₂+30 % NaCl). При этом обеспечивается быстрый и равномерный нагрев, хорошая защита металла в процессе сварки и охлаждения.

Контактная и ультразвуковая сварка листовых заготовок производится с применением промежуточных прокладок. При контактной сварке не допускается подплавления поверхности титана и стали. Наилучшие результаты дает контактная сварка через прослойку ниобия, а ультразвуковая — через слой серебра.

Клинопрессовой сваркой в среде аргона титановых сплавов со сталью 12Х18Н9Т получают положительные результаты через прокладку Аl или через Сu. Нагрев при использовании алюминия 350 °С, при меди 850 °С. Толщина прослойки 0,1— 0,2 мм.

Из способов сварки плавлением наибольшее распространение получила электронно-лучевая и аргонодуговая сварка титана со сталью с применением вставок из ванадия и его сплавов.