Технология сварки тугоплавких и химически активных металлов

Характеристика тугоплавких и химически активных металлов

В связи с развитием таких отраслей техники, как атомная энергетика, ракетостроение, химическое машиностроение, электроника и др., возникла необходимость использовать в качестве конструкционных материалов металлы, обладающие высокой жаропрочностью, коррозионной устойчивостью в ряде агрессивных сред и другими специальными свойствами. К числу таких металлов относятся молибден, тантал, ниобий, цирконий и гафний. Они отличаются тугоплавкостью и особой химической активностью в нагретом состоянии. Некоторые теплофизические характеристики данных металлов и железа приведены в табл. 19.

Таблица 19.

Теплофизические характеристики тугоплавких, активных металлов и железа

Такие металлы, как ванадий, вольфрам, хром, используют в качестве конструкционных материалов значительно реже и только в комбинированных сварных конструкциях.

Сварка рассматриваемых металлов затрудняется высокой температурой их плавления, склонностью к росту зерна при нагреве и большим сродством к кислороду, азоту и водороду, что приводит к образованию в шве пор и снижению его пластических свойств. Рассматривая особенности поведения отдельных металлов при сварке, необходимо отметить следующее.

Молибден, имеющий высокую температуру плавления, высокие значения механических свойств и модуля упругости, используют в виде листов небольшой толщины для отдельных элементов камер сгорания, турбокомпрессоров и т. п. В некоторых средах он имеет высокую коррозионную стойкость.

Молибден принадлежит к мономорфным металлам с характерной объемно-центрированной кристаллической решеткой. Он, как и вольфрам, относится к металлам, обладающим наихудшей свариваемостью среди других тугоплавких металлов. Это обусловлено повышенной склонностью к образованию кристаллизационных трещин в связи с образованием по границам зерен различных легкоплавких эвтсктик (например, Мо0₃ + Мо0₂ + Мо; Т_т = 780 °С), а также охрупчиванием металла шва и околошовной зоны из-за возможного попадания газов атмосферы либо других загрязняющих веществ. Кроме того, низкая свариваемость молибдена обусловлена ничтожной растворимостью примесей внедрения и наиболее высокой чувствительностью к ним.

Попадание примесей атмосферы и других загрязнений выше пределов растворимости приводит к образованию соединений металлов с примесями внедрения (оксидов, нитридов, карбидов и др.), располагающихся преимущественно по границам зерен и охруичивающих их.

Наиболее сильно охрупчиваст кислород, всего 0,0002% 0₂ приводит к тому, что металл становится хрупким даже при +200 °С. Примеси азота и углерода влияют в меньшей степени. Однако при наличии в металле углерода возможно образование пор (в связи с реакцией М0О3 + ЗС = Mo + ЗСО), которые располагаются по оси шва и линии сплавления. Поэтому наряду с тщательной очисткой основного металла и сварочных материалов предъявляются особенно жесткие требования к чистоте основного металла (0₂ < 0,0002%, N₂ < 0,0001%, С < 0,003%); в сварочную ванну вводят активные раскислители: 0,5… 1% Ti; до 0,1% Се; до 0,25% Zr, сварку ведут при минимальной погонной энергии.

Цирконий и гафний являются аналогами титана по химическим свойствам и свариваемости. Первый — обладает малым сечением захвата нейтронов, хорошей коррозионной стойкостью и прочностью. Поэтому сплавы на его основе используют как конструкционный материал для технологических трубопроводов и других деталей в ядерных энергетических установках на медленных нейтронах.

Гафний обладает исключительной коррозионной стойкостью в воде и паре, применяется для контролирующих стержней в водоохлаждаемых реакторах.

Фазовые превращения в цирконии и гафнии и диаграммы состояния с легирующими элементами сходны с превращениями для титана. Они имеют две аллотропические модификации.

Низкотемпературная «-модификация циркония, существующая до 862 °C, имеет гексагональную плотноупакованную решетку, а его высокотемпературная^{-модификация,} устойчивая от 862 °C до температуры плавления, — объемно-центрированную кубическую решетку.

У гафния температура полиморфного превращения равна 1760 °C. До этой температуры и при более высоких температурах он имеет те же модификации, что и цирконий.

По влиянию на полиморфизм циркония все легирующие элементы можно разбить на «-(Sn, HQи /?-(Fe, Cr, Мо, ЫЬ)-сгабилизаторы. По аналогии с титаном циркониевые сплавы можно разбить на «-, («+ /?) — и^{-сплавы.} В этих сплавах, как и в титановых, при бысгром охлаждении происходит мартенситное превращение с двумя фазами: гексагональная — «' и ромбическая — а» .

Примеси внедрения (0₂, Н₂, N₂, С) оказывают двойное влияние: с одной стороны, как и в титане, вызывают охрупчивание металла, с другой — резко снижают коррозионную стойкость металла и сварного соединения. При этом наиболее вредное влияние на коррозионную стойкость оказывают азот и углерод. Их содержание нс должно превышать соответственно 0,003 и 0,03%. Водород, как и в титане, вызывает охрупчивание вследствие гидридного превращения (ZrH?) при температурах 300… 1000 °C.

Наиболее сложной технической проблемой при сварке циркония и его сплавов является обеспечение на уровне основного металла коррозионной стойкости в таких средах, как вода, пар, влажный воздух при 300 °C и выше. Решается эта проблема путем выбора оптимальных скоростей охлаждения при сварке и последующего вакуумного отжига изделия при температуре 575 °C для выравнивания структуры. Образование смешанной двухфазной структуры («+ /?) может привести к образованию макрогальванопар и вызвать локальную коррозию сплава.

Ниобий и тантал — металлы, близкие по своим физическим свойствам, полиморфных превращений не имеют. Обладают особо высокой стойкостью при действии наиболее коррозионно-активных веществ (жидких металлов-теплоносителей) и используются в отдельных конструкциях реакторов. Тантал применяют также в медицине, в хирургии; изготовленные из него стержни, скобки и тому подобные детали могут долгое время находиться в тканях человеческого тела, не вызывая в нем значительных воспалений. В технике применяют также сплавы ниобия с небольшим количеством легирующих добавок (молибдена, вольфрама, циркония, ванадия, титана) и сплавы тантала с добавкой вольфрама, ванадия, ниобия (до 10%).

Ниобий и тантал активно поглощают из окружающей среды кислород, азот и водород. При этом подобно титану образуют оксиды, нитриды и гидриды; металл упрочняется, а его пластичность падает. Однако изменение механических свойств не приводит к резкому охрупчиванию, характерному для сварных соединений молибдена.

Активное поглощение газов происходит при нагреве металла до следующих температур: с 300 °C активно поглощается кислород, с 400 °C — азот, с 350 °C — водород.

При сварке ниобия и тантала в металле шва и зоне термического влияния возможен также рост зерна и охрупчивание металла, которое может быть усилено образованием по границам зерен карбидов (Ni₂C, Та₂С), если в металле есть примеси углерода.