Тугоплавкие и химически активные металлы

Рассмотрим только те тугоплавкие и химически активные металлы, ко-торые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов: цир-коний, гафний, ниобий, тантал, молибден. Такие материалы, как ванадий, воль-фрам, хром, используют в качестве конструкционных значительно реже и то-лько в комбинированных сварных соединениях.

Сварка рассматриваемых материалов затрудняется высокой температурой их плавления, большим сродством с газами: кислородом, азотом и водородом, что приводит к образованию в шве пор и снижению его пластических свойств, склонностью к росту зерна при нагреве. С точки зрения особенностей поведе-ния отдельных металлов при сварке необходимо отметить следующее.

Цирконий имеет две аллотропические модификации: -фазу с гексаго-нальной плотноупакованной решеткой существующую до температуры превра-щения 865 °С, и -фазу с кубической, объемноцентрированной решеткой, су-ществующую выше 865 °С.

В связи с тем, что металл обладает полиморфностью, в зоне термического влияния и в шве происходит закалка с образованием ( -фазы. Образование сме-шанной двухфазной структуры может привести к образованию акрогальвано-пар и вызвать локальную коррозию сплава. Для устранения такой опасности сварное изделие подвергают вакуумному отжигу при температуре 575 °С для выравнивания структуры.

При повышении температуры свыше 800 °С цирконий энергично взаимо-действует с азотом, образуя нитриды (ZrN), а при температурах 300... 1000 °С он интенсивно поглощает водород, образуя гидриды (ZrH₂).

Находят применение сплавы циркония с оловом, железом, никелем и хро-мом, имеющие прочность 440... 540 МПа и высокую коррозионную стойкость.

Гафний - полиморфный металл с температурой превращения 1760 °С. До этой температуры гафний имеет гексагональную плотноупакованную решетку -фазы, при более высоких температурах - объемно-центрированную решетку -фазы. При нагревании гафний взаимодействует с атмосферой воздуха, обра-зуя двуокись НfO₂ и нитриды.

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-теп-лоносителей) и используются в отдельных конструкциях реакторов. Тантал применяют также в медицине, в хирургии; изготовленные из него стержни, ско-бки и тому подобные детали могут долгое время находиться в тканях челове-ческого тела, не вызывая в нем значительных воспалений. В технике применя-ют также сплавы ниобия с небольшим количеством легирующих добавок (мо-либдена, вольфрама, циркония, ванадия, титана) и сплавы тантала с добавкой вольфрама, ванадия, ниобия (до 10%).

При нагревании эти металлы энергично поглощают газы атмосферы: при температуре свыше 300 °С -кислород, свыше 350 °С - водород, свыше 400 °С - азот. В результате в металле образуются оксиды, нитриды, гидриды, металл упрочняется, а его пластичность резко падает (рис. 12.10). При сварке этих металлов в металле шва и зоны термического влияния возможны также рост зерна и охрупчивание металла, которое может быть усилено образованием по границам зерен карбидов (Nb₂C, Ta₂C), если в металле есть примеси углерода.

Рис. 12.10. Влияние содержания кислорода на свойства ниобия и тантала

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

Трудности сварки его связаны с повышенной склонностью к образованию кристаллизационных трещин в связи с образованием различных легкоплавких эвтектик (МоО₃ + МоО₂ + Мо; Т_пл = 780 °С), а также охрупчиванием металла шва и околошовной зоны из-за возможного попадания газов атмосферы либо других загрязняющих веществ. Чувствительность молибдена к загрязнениям различного рода видна на рис. 12.11, на котором показано изменение критичес-кой температуры перехода в хрупкое состояние в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода. Наиболее резко влияет кислород; всего 0,001 % О₂ повышает Т_кр1 до 200 °С.

Воздействие термического цикла сварки приводит к росту зерна в около-шовной зоне, при этом происходит утолщение межзеренных прослоек, обога-щение их примесями и резкое охрупчивание основного металла в этой зоне. При наличии в металле углерода возможно образование пор (в связи с реакцией МоО₃ + ЗС = Мо + ЗСО), которые располагаются по оси шва и линии сплавле-ния.

Поэтому наряду с тщательной очисткой основного металла и сварочных материалов предъявляются особенно жесткие требования к чистоте основного металла (О₂ < 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.

Рис. 12.11. Влияние на температуру перехода литого молибдена

в хрупкое состояние: 1 - кислорода; 2 - азота; 3 - углерода

По свариваемости рассматриваемые материалы можно разделить на две группы. Металлы первой группы (цирконий, гафний, ниобий и тантал) при соб-людении технологических условий сварки обладают хорошей свариваемостью. Сварка металлов второй группы (молибден, вольфрам) вызывает большие труд-ности ввиду их высокой чувствительности к примесям, охрупчивающим ме-талл. Подогрев молибдена до температуры 200... 315 °С и снятие остаточных напряжений после сварки (при нагреве до 980 °С) снижает вероятность образо-вания холодных трещин.

Основные пути получения сварных соединений с удовлетворительными свойствами: уменьшение содержания вредных примесей в основном и приса-дочном металле; снижение временных (температурных) и остаточных напряже-ний в сварных соединениях; предупреждение загрязнения металла шва и около-шовной зоны при сварке, особенно газами атмосферы.

Поэтому сварка рассматриваемых металлов выполняется в основном электронным лучом в вакууме или в камерах с контролируемой атмосферой. В последнем случае используют аргон и гелий высокой чистоты, которые допол-нительно осушают от газов, пропуская их через селикагель, алюмогель и наг-ретую до 900... 1000 °С титановую стружку. Сварку выполняют вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности.

Для уменьшения загрязнения металла шва сварку, как правило, выпол-няют без присадочного металла. В некоторых случаях сварку выполняют и на воздухе, но применяют горелки с дополнительными насадками для подачи за-щитного газа и с поддувом с обратной стороны (см. рис. 12.7, 12.8). Прочност-ные и пластические свойства сварных соединений находятся на уровне 80...95% свойств основного металла.

При электронно-лучевой сварке в камерах с вакуумом 10-⁴ рт. ст. содер-жится в сотни раз меньше примесей, чем в наиболее чистом аргоне высшего сорта. При этом способе сварки появляется возможность очистить свариваемый металл от газов нагревом кромок расфокусированным электронным лучом. При дегазации наиболее успешно удаляется водород, в меньшей мере кислород и азот и только из поверхностных слоев.

Дуговой сваркой циркониевые сплавы наиболее успешно сваривают в ка-мерах с контролируемой средой, заполняемых гелием, после предварительной откачки воздуха до 0,03 мм рт. ст. Материал присадочной проволоки соответс-твует составу сплава: циркалой-2 или циркалой-3 (табл. 12.21).

12.21. Ориентировочные режимы сварки сплавов циркония в камере, заполненной гелием

Сведения о режимах сварки ниобия и тантала малых толщин вольфрамо-вым электродом на постоянном токе прямой полярности с использованием струйной защиты с дополнительной подачей газа через насадки и с обратной стороны шва приведены в табл. 12.22.