О свариваемости сплавов циркония со сплавами ниобия

О возможности сварки циркония и ниобия свидетельствуют их близкие коэффициенты линейного расширения и отсутствие в соединениях хрупких интерметаллических фаз. Различие же теплофизических свойств вызывает необходимость ведения процесса с неравномерным распределением тепла между свариваемыми металлами, т. е. со смещением источника тепла на более тугоплавкий металл.

В табл. 33 приведены оптимальные режимы аргонодуговой сварки циркония с ниобием.

Электроннолучевую сварку в вакууме циркониевого сплава (Zr +22% Nb ) cNb электроннолучевой плавки (толщина 2 мм) производили при расфокусированном луче, ускоряющем напряжении 60 кВ, токе эмиссии 24 мА, скорости сварки 18 м/ч, смещении луча в сторону Nb на 1—1,5 мм.

Исследования показали, что, независимо от способа сварки плавлением, режимов и используемых ниобиевых сплавов (ВН 1 , ВН2 и др.), в сварных соединениях повышается хрупкость с течением времени.

На рис. 75 четко видно повышение хрупкости сварного соединения циркониевого сплава (Zr + 2,5% Nb ) с ниобием после аргонодуговой и электроннолучевой сварки. Через 4—5 ч после сварки прочность сварного соединения соответствует прочности основного металла (Zr ), пластичность характеризуется высокими стабильными значениями углов загиба. По мере увеличения времени после сварки наблюдается закономерное падение прочности и пластичности. Хрупкое разрушение происходит в зоне сплавления со стороны циркония.

Изучение микроструктуры и анализ микротвердости сварного соединения циркониевого сплава (Zr + 25% Nb ) с ниобием показало наличие узкой зоны с повышенной твердостью в месте разрушения сварного соединения на границе сплавления шва с цирконием. Твердость металла этой зоны достигает (1700—2000) • 10~7 Н/м 2 , хотя микротвердость металла шва равна всего 300—260 • 10~7 Н/м2. Наличие зоны высокой твердости и, как следствие, хрупкое разрушение соединения в этой области связаны со сложными структурными превращениями, которые образуются в процессе диффузии ниобия из шва на границе сплавления с цирконием через тонкий ламинарный слой, нагретый до температуры плавления. В этот ламинарный слой и прорастают столбчатые кристаллы, образующиеся на подложке циркониевого сплава. Исследования с использованием локального рецтгеноспектрального микроанализатора подтвердили приближенные расчеты по распределению ликвирующей примеси у границы раздела твердой и жидкой фаз. В расчетах исходная концентрация в твердой фазе принималась равной 2,5% Nb , а исходная концентрация в жидком металле—22% Nb .

В процессе исследования свариваемости циркония с ниобием и другими металлами было обнаружено весьма необычное очертание границы сплавления со стороны более тугоплавкого металла.

Схематическое изображение температурного поля и последовательность этапов образования различных очертаний сварочной ванны представлены на рис. 76.

Очертания границ сплавления в виде выступа, аналогичные приведенным на рис. 76, а—г , были также обнаружены при сварке ниобия с ванадием. Исследования показали, что при увеличении погонной энергии и оплавлении выступа в шве обнаруживаются частицы нерасплавленного тугоплавкого металла (рис. 76, е, ж). Тепловой источник необходимо смещать в сторону более тугоплавкого металла, а в случае сварки металла толщиной 3 мм 9 наряду со смещением дуги необходимо уменьшать ее длину (до ~ 0,3 мм) с целью проплавления кромки более тугоплавкого металла.

Последовательность этапов образования сварочной ванны можно представить следующим образом. В первоначальный момент воздействия теплового источника в сварном соединении могут образоваться сразу две ванны: расплавленный металл в более тугоплавком материале, непосредственно под источником, и ванна, состоящая из расплавленного более легкоплавкого металла (рис. 76, а), который по мере прогрева кромки тугоплавкого металла смачивает и растекается по ней, образуя единую ванну жидкого металла (рис. 76, б, в).

При наличии большого смещения источника в сторону тугоплавкого металла при достаточной величине погонной энергии возможно образование двух швов (рис. 76, д ) в сварном соединении, а в сечении шва — наличие неоплавленной части тугоплавкого металла (рис. 76, ё, ж).

В процессе образования соединения перегретый металл легко проникает между кромками и смачивает по мере прогрева нижнюю поверхность более тугоплавкого металла.

воначальный момент сварочная ванна, в основном, образована за счет более легкоплавкого металла, который свободно натекает на прогретую кромку более тугоплавкого металла, С этого момента начинается интенсивное растворение тугоплавкого металла. Скорость процесса определяется температурой, интенсивностью перемешивания жидкого металла, временем контактирования твердой и жидкой фаз, давлением дуги и т. д. В результате имеет место тот или иной характер очертания границы сплавления. Исследования показали, что по мере повышения скорости сварки при данной силе тока и скорости вершина выступа притупляется [28].

Характер очертания сварочной ванны позволяет предположить, что процесс расплавления более тугоплавкого металла происходит, в основном, за счет его растворения в жидком металле. Интенсивное перемешивание в ванне способствует процессу растворения и усредняет химический состав ванны. Такое усреднение химического состава характерно для соединения циркония с ниобием и циркония с титаном.

На рис. 77 приведены данные локального рентгеноспект-рального анализа (диаметр локального пятна 2—4 мкм, характеризующие развитие химической неоднородности в шве при сварке Zr с Ti , Zr с Nb и Ti с Nb . Видно, что в последнем случае имеет место значительный перепад концентраций ниобия в шве.

Таким образом, можно сделать вывод, что для сварки металлов с большим различием в температуре плавления, например циркония с ниобием, характерны области с расслоением химического состава в жидком металле.

Скорость растворения кромки тугоплавкого металла в нижней части ванны, зачищенной от непосредственного воздействия теплового источника, можно приближенно оценить по уравнению

где Н/2—перемещение границы твердого металла при растворении;

L/2v—время контактирования ; L — длина сварочной ванкы ;

v — скорость сварки.

Приближенные расчеты показывают, что скорость оплавления кромки тугоплавкого металла, определяемая, в основном процессами растворения, лежит в пределах 10-2—10-5 м/с , т. е. на три — пять порядков превышает подвижность атомов в жидкой фазе.