Том 24 № 4 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Дюрягин А.А., Ардашев Д.В. Исследование взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб при фрезеровании материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом.... 6 Улаханов Н.С., Тихонов А.С., Мишигдоржийн У.Л., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования................................................................................................... 18 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Иванов А.Н. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью.... 33 Амиров А.И., Москвичев Е.Н., Иванов А.Н., Чумаевский А.В., Белобородов В.А. Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У.......................................................................................................... 53 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Ардашев Д.В., Жуков А.С. Исследование взаимосвязи режущей способности инструмента с параметрами акустического сигнала в процессе профильного шлифования.............................................................................. 64 Батаев Д. К-С., Гойтемиров Р.У., Батаева П.Д. Исследования износостойкости и антифрикционных свойств металлополимерных пар, работающих в имитаторе морской воды........................................................ 84 Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Фесенко Э.О. Использование синергетической концепции при определении программы ЧПУ при токарной обработке........................................................................................ 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Новиков В.Ф., Ковенский И.М., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Чаугарова Л.З. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С................................................................................................................................................................ 113 Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304........................ 127 Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Горулева Л.С. Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий.................................................................................. 138 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления......................... 151 Габец Д.А., Марков А.М., Гурьев М.А., Письменный Е.А., Насырова А.К. Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения.................................. 165 Иванов И.В., Юргин А.Б., Насенник И.Е., Купер К.Э. Оценка остаточных напряжений в кристаллических фазах высокоэнтропийных сплавов системы AlxCoCrFeNi.......................................................................... 181 Коростелева Е.Н., Николаев И.О., Коржова В.В. Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок............................... 192 Ерошенко А.Ю. Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Лугинин Н.А., Батаев В.А., Иванов И.В., Шаркеев Ю.П. Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr......................................................................................................... 206 Кутькин О.М., Батаев И.А., Довженко Г.Д., Батаева З.Б. Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований)...................................................................................................................................................................... 219 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 243 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 255 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 07.12.2022. Выход в свет 15.12.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 32,0. Уч.-изд. л. 59,52. Изд. № 239. Заказ 321. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 4 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 4 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Dyuryagin A.A., Ardashev D.V. A study of the relationship between cutting force and machined surface roughness with the feed per tooth when milling EuTroLoy 16604 material produced by the DMD method...................... 6 Ulakhanov N.S., Tikhonov A.G., Mishigdorzhiyn U.L., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The features of residual stresses investigation in the hardened surface layer of die steels after diffusion boroaluminizing............... 18 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Knyazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Ivanov A.N. Development of plasma cutting technique for C1220 copper, AA2024 aluminum alloy, and Ti-1,5Al-1,0Mn titanium alloy using a plasma torch with reverse polarity................ 33 Amirov A.I., Moskvichev E.N., Ivanov A.N., Chumaevskii A.V, Beloborodov V.A. Formation features of a welding joint of alloy Ti-5Al-3Mo-1V by the friction stir welding using heat-resistant tool from ZhS6 alloy....... 53 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Ardashev D.V., Zhukov A.S. Investigation of the relationship between the cutting ability of the tool and the acoustic signal parameters during profi le grinding..................................................................................................... 64 Bataev D. K-S., Goitemirov R. U., Bataeva P. D. Studies of wear resistance and antifriction properties of metalpolymer pairs operating in a sea water simulator........................................................................................................ 84 Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Fesenko E.O. Application of the synergistic concept in determining the CNC program for turning............................................................................................................................................ 98 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Novikov V.F., Kovenskij I.M., Muratov K.R., Venediktov A.N., Chaugarova L.Z. The effect of heat treatment on the formation of MnS compound in low-carbon structural steel 09Mn2Si................................ 113 Burkov А.А., Krutikova V.O. Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface...................... 127 Pugacheva N.B., NikolinYu.V., BykovaT.M., Goruleva L.S. Chemical composition, structure and microhardness of multilayer high-temperature coatings..................................................................................................................... 138 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Synthesis of a three-component aluminum-based alloy by selective laser melting............................................................... 151 Gabets D.A., MarkovA.M., Guryev M.A., Pismenny E.A., NasyrovaA.K. The effect of complex modifi cation on the structure and properties of gray cast iron for tribotechnical application..................................................... 165 Ivanov I.V., Yurgin A.B., Nasennik I.E. Kuper K.E. Residual stress estimation in crystalline phases of highentropy alloys of the AlxCoCrFeNi system........................................................................................................... 181 Korosteleva E.N., Nikolaev I.O., Korzhova V.V. Features of the structure formation of sintered powder materials using waste metal processing of steel workpieces................................................................................. 192 EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Luginin N.A., Bataev V.A., Ivanov I.V., Sharkeev Yu.P. Effect of deformation processing on microstructure and mechanical properties of Ti-42Nb-7Zr alloy............................................................................................................................................. 206 Kutkin O.M., Bataev I.A., Dovzhenko G.D., Bataeva Z.B. The study of characteristics of the structure of metallic alloys using synchrotron radiation computed laminography (Research Review)................................ 219 EDITORIALMATERIALS 243 FOUNDERS MATERIALS 255 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 53 ТЕХНОЛОГИЯ Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У Алихан Амиров а, *, Евгений Москвичев b, Алексей Иванов c, Андрей Чумаевский d, Владимир Белобородов e Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический 2/4, г. Томск, 634055, Россия а https://orcid.org/0000-0002-5143-8235, amirov@ispms.tsc.ru, b https://orcid.org/0000-0002-9139-0846, em_tsu@mail.ru, c https://orcid.org/0000-0001-8959-8499, ivan@ispms.tsc.ru, d https://orcid.org/0000-0002-1983-4385, tch7av@gmail.com, e https://orcid.org/0000-0003-4609-1617, vabel@ispms.tsc.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 53–63 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-53-63 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Титановые сплавы широко применяются в различных отраслях промышленности в связи с их свойствами: высокой удельной прочностью, термо- и коррозионной стойкостью, возможностью эксплуатации в агрессивных условиях ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.791.14 История статьи: Поступила: 15 сентября 2022 Рецензирование: 29 сентября 2022 Принята к печати: 03 ноября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Сварка трением с перемешиванием Титановый сплав ВТ14 Микроструктура Сварочный инструмент Износ инструмента Фрактография Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда No. 22-29-01621. Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Технологический процесс изготовления изделий из титановых сплавов зачастую осложняется низким качеством сварных соединений при операциях электродуговой или газопламенной сварки из-за больших остаточных напряжений и деформаций. Примером успешного разрешения указанной проблемы является разработка и внедрение таких высокотехнологичных процессов стыкового соединения металлов, как сварка трением с перемешиванием, которая не относится к методам соединения плавлением. Сварка трением с перемешиванием как передовая технология применяется для получения соединений «мягких» металлических материалов, например таких, как алюминий. Для «твердых» металлических материалов работа по сварке трением с перемешиванием была ограниченной из-за высоких требований к сварочному инструменту. Целью работы является исследование возможности применения инструмента, изготовленного из жаропрочного сплава ЖС6У на основе никеля при сварке трением с перемешиванием титанового сплава ВТ14. Результаты и обсуждение. На основании данных оптической и сканирующей электронной микроскопии показано, что структура сварного шва является типичной для такого вида сварки, градиентной, состоящей из зоны термического воздействия, зоны термомеханического воздействия и зоны перемешивания с фрагментированной структурой. При варьировании параметров сварки было показано, что на дефектность сварного шва в большей степени влияет осевая нагрузка на инструмент, что обусловлено существенным различием в термическом воздействии на материал. Методами металлографического анализа в зоне перемешивания неразъёмного соединения обнаружено растворение фрагментов материала сварочного инструмента. Фрактографический анализ поверхности изломов показывает, что разрыв в зоне шва был преимущественно вязким, что характерно для титановых сплавов, хотя в данном случае имелись перемычки хрупкости. Варьирование параметров сварки трением с перемешиванием позволило получить неразъемное соединение, составляющее порядка 90 % прочности от основного металла. Для цитирования: Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У / А.И. Амиров, Е.Н. Москвичев, А.Н. Иванов, А.В. Чумаевский, В.А. Белобородов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 53–63. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-53-63. ______ *Адрес для переписки Амиров Алихан Ильнурович, м.н.с. Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический 2/4, 634055, г. Томск, Россия Тел.: 8 (382) 228-68-63, e-mail: amirov@ispms.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 54 ТЕХНОЛОГИЯ и при знакопеременных нагрузках. Возможность создания сварных конструкций из титановых сплавов позволит существенно расширить технологические возможности производства изделий транспортного и аэрокосмического назначения, чем объясняется актуальность исследований в данном направлении. Однако широко применяемые методы сварки плавлением, такие как лазерная, электронно-лучевая сварка, сварка в защитных газах приводят к формированию пористости, растрескиванию, снижению коррозионной стойкости материала сварного соединения [1–3]. На сегодняшний день интенсивно ведутся исследования по сварке трением с перемешиванием (СТП) титановых сплавов, которая снижает факторы, формирующие дефекты сварного соединения и связанные с нагревом свариваемого материала до температуры плавления [4]. Ключевыми проблемами, возникающими в процессе СТП, являются оптимизация параметров сварки для получения бездефектных соединений с минимальной деградацией свойств, а также выбор инструментального материала, обеспечивающего минимизацию износа и высокую стойкость сварочного инструмента [5, 6]. Оптимизация параметров сварочного процесса титановых сплавов направлена на исследования влияния каждого из параметров, в основном скорости сварки и частоты вращения инструмента на прочностные свойства получаемых сварных соединений [7–9]. Кроме того, интенсивно исследуются процессы формирования структуры сварного соединения в результате термомеханического воздействия сварки [10–11]. Установлено, что в результате термомеханического воздействия сварки возникают синхронизированные процессы возврата и динамической рекристаллизации, приводящие к перераспределению α- и β-фаз, которое вносит значительный вклад в прочностные свойства получаемого неразъемного соединения [12–14]. При этом влиянию осевого усилия, определяющего степень деформации материала в условиях кручения под давлением, уделено гораздо меньше внимания. В качестве инструментальных материалов для сварки титановых сплавов используются сплавы на основе молибдена, вольфрама, тантала, ниобия, кобальта, различные виды карбидов [15]. Широко используются инструменты на основе вольфрамрениевых сплавов, поскольку такие сплавы характеризуются высокой температурой рабочего процесса [16, 17]. Неплохую стойкость при сварке титановых сплавов показывают инструменты из вольфрамлантановых и кобальтовых сплавов [18, 19]. Широко распространено использование инструментов из карбида вольфрама [20, 21]. Однако несмотря на их достоинства, себестоимость изготовления таких инструментов достаточно высока и сложна технологически. Кроме того, возможно загрязнение свариваемого материала частицами износа инструмента, что негативно сказывается на свойствах неразъемных соединений. Все это требует поиска новых инструментальных материалов для сварки титановых сплавов. В этом качестве перспективным представляется жаропрочный сплав на основе никеля ЖС6У, который зарекомендовал себя при сварке высокопластичных (ВТ1-0, ОТ4-1) и среднепрочных (ВТ6) титановых сплавов [22, 23]. Таким образом, целью настоящей работы является исследование влияния осевого усилия на инструменте в процессе сварки трением с перемешиванием с использованием инструмента из жаропрочного сплава ЖС6У на прочностные свойства высокопрочного титанового сплава ВТ14. Методика исследований Сварка трением с перемешиванием выполнялась на специализированном экспериментальном оборудовании в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН. В качестве заготовок использовали листовой прокат титанового сплава ВТ14 толщиной 2,5 мм с химическим составом, указанным в табл. 1. При сварке использовался инструмент, изготовленный из жаропрочного сплава на основе никеля ЖС6У, химический состав сплава указан в табл. 2. Для предотвращения интенсивного окисления титанового сплава в результате термомеханического воздействия инструмента сварку проводили в защитной атмосфере струи аргона, подаваемого под давлением через сопло в зону сварки. Для повышения стойкости инструмента в его внутреннюю полость производилась подача и отвод охлаждающей жидкости. Схема процесса сварки трением с перемешиванием представлена на рис. 1.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 55 TECHNOLOGY Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав сплава ВТ14, % масс. Chemical composition of Ti-5Al-3Mo-1V alloy, wt. % Fe Si N Ti Мо V Al O Прочие / Rest ≤ 0,25 ≤ 0,15 ≤ 0,05 86,85…92,8 2,5…3,8 0,9…1,9 3,5…6,3 ≤ 0,15 0,3…0,4 Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Химический состав сплава ЖС6У, % масс. Chemical composition of ZhS6U alloy, wt. % Fe Nb Ti Cr Co W Ni Al Mo Si Прочие / Rest ≤1 0,8…1,2 2…2,9 8…9,5 9…10,5 9,5…11 54,3…62,7 5,1…6 1,2…2,4 ≤ 0,4 ≤ 0,6 Рис. 1. Схема процесса сварки трением с перемешиванием Fig. 1. Schematics of friction stir welding process Сварка образцов выполнялась по режимам, приведенным в табл. 3. При переходе от режима к режиму изменяли осевые усилия на инструменте, при этом осевые усилия при внедрении инструмента в материал FPN и его перемещении в направлении сварки в материале FW отличались. Частота вращения инструмента ω и скорость сварки V при переходе от режима к режиму не изменялись. Длина получаемых сварных соединений для каждого режима составляла 100…180 мм. Перед сваркой экспериментальных образцов был выполнен предварительный проход инструментом в свариваемом материале на длине 25 мм с целью формирования слоя титанового сплава на рабочей поверхности сварочного инструмента. Параметры процесса при предварительном проходе: осевые усилия FPN/FW = 2300/2600 кг, частота вращения инструмента ω = 375 об/мин, скорость сварки V = 86 мм/мин. Все исследуемые образцы сварных соединений вырезались электроэрозионным способом
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 56 ТЕХНОЛОГИЯ Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Режимы сварки трением с перемешиванием сплава ВТ14 Modes of Ti-5Al-3Mo-1V alloy friction stir welding Номер п/п FPN, кг / FPN, kg FW, кг / FW, kg ω, об/мин / ω, rpm V, мм/мин / V, mm/min 1 2300 2600 375 86 2 2500 2800 375 86 3 2700 3000 375 86 в направлении, поперечном сварному соединению, таким образом, чтобы оно располагалось в средней части образца. Образцы для металлографических исследований были подвергнуты шлифовке, полировке и травлению. Металлографические исследования проводили на металлографическом микроскопе Альтами МЕТ-1С, конфокальном микроскопе Olympus LEXT OLS4000, а также на растровом электронном микроскопе Microtrac SEM с энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором «IXRF systems». Испытания образцов на статическое растяжение осуществляли на универсальной испытательной машине УТС 110М-100 со скоростью деформации 1 мм/мин. При вырезке образцов для испытаний сварные соединения были условно поделены по протяженности на 4 участка: 0…25 мм, 25…50 мм, 50…75 мм и 75…100 мм. Образцы для испытаний вырезались на каждом из указанных участков соединений. Результаты и их обсуждение На рис. 2 изображены макроструктуры сварных соединений в поперечном сечении, полученные методами металлографии. В структуре сварного соединения в результате травления явно выделяются три зоны материала: зона основного металла (BM), зона термического влияния (HAZ) и зона перемешивания (SZ). Зона термического влияния состоит из нерекристалли зованных и частично деформированных зерен. Рис. 2. Макроструктура СТП-соединений сплава ВТ14, полученных по режимам 1–3, в поперечном сечении Fig. 2. Macrostructure of FSW joints of Ti-4Al-3Mo-1V alloy, obtained by modes 1–3, in the transverse direction
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 57 TECHNOLOGY Рис. 3. Зона перемешивания (SZ) СТП-соединений сплава ВТ14, полученных по режимам 1–3 Fig. 3. Stirred zone (SZ) of FSW joints of Ti-4Al-3Mo-1V alloy, obtained by modes 1–3 Анализ микроструктуры зоны перемешивания сварных соединений показал, что материал этой зоны состоит из фрагментированных и рекристаллизованных зерен титанового сплава. Кроме того, следует отметить, что при прочих постоянных параметрах режима сварки повышение осевого усилия на инструменте приводит к снижению размера зерна в зоне перемешивания (рис. 3). Это является положительным эффектом, способствующим упрочнению зоны перемешивания сварного соединения согласно механизму Холла–Петча. Анализ микроструктуры сварных соединений также свидетельствует о наличии узкой зоны термомеханического воздействия (TMAZ), которая характеризуется наличием нерекристаллизованных зерен, сильно деформированных в направлении пластического течения металла (рис. 4). Следует отметить, что повышение осевого усилия на инструменте приводит к увеличению степени деформации структурных зерен в зоне TMAZ. Линия, обозначающая границу между структурными зонами и отчетливо различимая на рис. 2, пролегает между зонами TMAZ и HAZ сварного соединения. Резкий переход между двумя структурными состояниями материала связан с низкой теплопроводностью титанового сплава, которая обеспечивает его локальный разогрев непосредственно в зоне контакта со сварочным инструментом и препятствует его пластификации, достаточной для формирования протяженной зоны термомеханического воздействия. Различие между структурными состояниями в HAZ и TMAZ сварного соединения определяет резкое изменение прочностных характеристик его материала. Граница раздела характерных зон выступает в качестве фактора, определяющего прочность неразъемного соединения. Внешний вид образцов неразъемных соединений, испытанных на одноосное статическое растяжение, свидетельствует о том, что разрушение материала происходит по линии, соответствующей вышеуказанной границе раздела характерных зон (рис. 5). Рис. 4. Граница между структурными зонами СТП-соединений сплава ВТ14, полученных по режимам 1–3 Fig. 4. The boundary between structural zones of FSW joints of Ti-4Al-3Mo-1V alloy, obtained by modes 1–3
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 58 ТЕХНОЛОГИЯ Рис. 5. Образцы СТП-соединений сплава ВТ14, полученных по режимам 1–3, после испытаний на одноосное растяжение Fig. 5. Samples of FSW joints of Ti-4Al-3Mo-1V alloy, obtained by modes 1–3, after uniaxial tension tests Фрактографические исследования показали, что при разрушении образцов формируется поверхность, схожая по текстуре с волокнистым изломом, с образованием резких переходов (рис. 6). При этом на поверхности разрушения формируется микрорельеф, соответствующий вязкому разрушению, с образованием ямок. Между ямками присутствуют достаточно крупные и разветвленные перемычки пластичности. Отмечено формирование небольших зон вытягивания материала. Таким образом, разрушение произошло в месте, содержащем большое количество низкоразмерных и деформированных структурных элементов, что соответствует частично фрагментированным и сильнодеформированным зернам зоны TMAZ неразъемного соединения. По результатам испытаний образцов неразъемных соединений на одноосное статическое растяжение установлено, что величина предела прочности полученных сварных соединений снижается до 84…93 % от величины для исходного сплава ВТ14 (рис. 7). Согласно результатам испытаний повышение осевого усилия на инструменте при сварке трением с перемешиванием приводит к снижению предела прочности результирующего неразъемного соединения сплава ВТ14. Данный эффект связан с увеличением степени деформации материала, которая способствует повышению градиента прочностных характеристик. При упрочнении зоны перемешивания идет разупрочнение зоны термомеханического воздействия за счет деформационно-индуцированных процессов перераспределения вторичных фаз [12, 14]. Кроме того, с ростом протяженности сварного соединения отмечено падение величины предела прочности по его длине. Это может быть связано с условиями отвода тепла, которое аккумулируРис. 6. Характеристические изображения поверхностей разрушения СТП-соединений сплава ВТ14 Fig. 6. Fracture surface characteristic images of FSW joints of Ti-4Al-3Mo-1V alloy
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1