способ диффузионной сварки тонкостенных слоистых конструкций из титановых сплавов

Формула изобретения

Способ диффузионной сварки тонкостенных слоистых конструкций из титановых сплавов, при котором наружную поверхность свариваемых деталей азотируют, создавая сварочное давление активной средой, состоящей из смеси азота с аргоном, отличающийся тем, что азотирование осуществляют с получением нитридного слоя не более 1 мкм, при этом используют смесь со следующим соотношением компонентов, мас.%:

азот	1
аргон	99

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сварке, а именно к диффузионной сварке слоистых конструкций из титановых сплавов, преимущественно криволинейного профиля, и может быть использовано, например, при изготовлении теплообменников энергетических силовых установок.

Известен способ диффузионной сварки слоистых конструкций, при котором сварочное давление создают активной средой в виде смеси 60% азота и 40% аргона, взаимодействующей с наружной поверхностью свариваемых деталей и упрочняющей ее путем азотирования с получением нитридного слоя (описание SU 679359, МКИ² В28К 19/00, 18.08.1979).

В известном способе реализуется комбинированная высокотемпературная обработка, при которой имеет место сочетание азотирования и диффузионного соединения деталей конструкции. При этом азот выполняет функцию не только активной газовой среды, упрочняющей металл, повышая сопротивление высокотемпературной деформации титана, но и среды, обеспечивающей создание давления на поверхности соединяемых деталей для их сближения.

Благодаря высокому содержанию в активной среде N₂ при температурах диффузионной сварки процесс взаимодействия титана с газообразным азотом сопровождается формированием на наружной поверхности свариваемых деталей не контролируемого по толщине азотированного слоя, внешняя часть которого представляет собой нитридный слой, характеризуемый высокой хрупкостью и склонностью к выкрашиванию. Наличие нитридного слоя приводит к зарождению усталостных трещин на наружной поверхности получаемых конструкций и снижает их циклическую прочность.

Восстановить пластичность и повысить долговечность титановых конструкций, содержащих на своей поверхности нитридные «охрупченные» слои, возможно путем длительного отжига в вакууме или инертной среде. Проведение восстановительного отжига усложняет технологический процесс изготовления конструкций, снижая производительность и повышая энергоемкость производства.

Задача изобретения - упрощение технологического процесса изготовления диффузионной сваркой слоистых сварных конструкций из титановых сплавов.

Технический результат от использования изобретения - предотвращение образования хрупких нитридных зон на наружной поверхности конструкции.

Технический результат достигается тем, что в способе диффузионной сварки тонкостенных слоистых конструкций из титановых сплавов, при котором наружную поверхность свариваемых деталей азотируют, создавая сварочное давление активной средой, состоящей из смеси азота с аргоном, азотирование осуществляют с получением нитридного слоя толщиной не более 1 мкм, используя при этом смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

азот - 1

аргон - остальное.

Нитридный слой толщиной не более 1 мкм представляет собой сплошную пленку нитрида титана, которая не только эффективно препятствует развитию деформации и прогибу на неподкрепленных участках соединяемых тонкостенных деталей при сварочном давлении, но улучшает ресурсные характеристики изготавливаемых конструкций.

Нитридный слой толщиной более 1 мкм содержит хрупкие нитридные зоны, устранение которых требует проведения дополнительной операции восстановительного отжига.

Создание сварочного давления смесью активной газовой среды с содержанием азота 1%, обеспечивает проведение процесса азотирования титановых сплавов в режиме диффузионной сварки при оптимальном парциальном давлении N₂, исключающем критическое газонасыщение азотом поверхностного слоя деталей, при котором металл становится хрупким.

Содержание азота в активной газовой смеси, меньшее 1%, не позволяет формировать сплошной нитридный слой на наружной поверхности свариваемых деталей, а большее приводит к формированию хрупких нитридных слоев.

Для осуществления способа перед сваркой проводят традиционные подготовительные операции, в т.ч. сборку, герметизацию и вакуумирование зоны соединения свариваемых деталей. Процесс диффузионного соединения ведут в активной среде, состоящей из смеси 1% азота и остальное аргона. Сварочные режимы выбирают из условия формирования на наружной поверхности свариваемых деталей нитридного слоя толщиной не более 1 мкм в виде сплошной пленки нитрида титана, при этом величину сварочного давления регулируют подачей газовой смеси, поддерживая в смеси выбранное соотношение азота и аргона 1:99 соответственно. Например, при изготовлении теплообменника из листового титанового сплава ОТ-4 путем совместной штамповки сварных заготовок, включающих внешнюю оболочку толщиной 0,8 мм и внутреннюю толщиной 3 мм с ребрами каналов для охлаждающей жидкости, полученных фрезерованием с шагом 5 мм при толщине ребра 1 мм, процесс диффузионной сварки ведут по режиму: нагрев до температуры сварки Т=940-950°С, сварочное давление создают активной газовой смесью, состоящей из 1 мас.% азота и 99 мас.% аргона при давлении до Р=0,4-0,5 МПа. Завершают процесс после изотермической выдержки, необходимой для образования сварного соединения. В течение 20-60 минут выдержки на наружной поверхности обшивок образуется более пластичная сплошная нитридная пленка толщиной 0,85-0,96 мкм.