Вольфрамового электрода

Близкий к теоретической прочность композита обеспечивается реакционной связью между алюминием и вольфрамовой проволокой без графитового слоя. В присутствии графитового слоя взаимодействие исключается, и поэтому прочность композита снижается до 35% от расчетной. И хотя графитовый слой на травленой проволоке препятствует образованию реакционной связи,

С тех пор как была выполнена эта работа, область применения композитных материалов существенно расширилась. Поэтому сейчас предлагается различать пять основных типов нестабильности поверхности раздела. Первый тип нестабильности имеет ту же причину, что и перестаривание дисперсионно-твердеющих сплавов. Основными механизмами нестабильности этого типа, идентичной физико-химической нестабильности по Паррату [30], являются растворение и осаждение. Второй тип нестабильности связан с растворением без последующего повторного выделения. В качестве примера такой системы ;может служить ниобий, упрочненный вольфрамовой проволокой. Третий тип нестабильности обусловлен непрерывно протекающей реакцией на поверхности раздела в композитах III класса. Нестабильность, аналогичная этой, но вызванная реакциями обмена, составляет четвертый тип. Нестабильности третьего и четвертого типа подобны химической нестабильности по Байлсу и др. [5]. Пятый тип является новым в классификации. Эта нестабильность, связанная с разрушением

В программе Британского института газовых турбин для получения композитов из никелевых сплавов, упрочненных вольфрамовой проволокой, была использована пропитка расплавленным металлом. Дин [9] сообщает, что проблему растворимости решает быстрая пропитка расплавом пучка проволоки с последующим

Другой подход к проблеме растворимости был использован Брентналлом и др. [7] при исследовании системы ниобий — вольфрам. Максимальное количество вольфрама, которое может быть введено в обычные ниобиевые сплавы, ограничено 20—30% из-за снижения ковкости сплава. Композитный материал из ниобиевой матрицы с вольфрамовой проволокой теряет стабильность вследствие растворения проволоки. Однако продукты растворения представляют собой высокопрочные сплавы системы Nb —• W, которые обычно являются нековкими. Образование этих сплавов компенсирует потерю прочности, вызванную растворением вольфрамовой проволоки. На рис. 4 показано влияние выдержки (до 100 ч) при 1477 К на прочность при растяжении Nb-сплава с 24 об.% проволоки (W с добавкой 3% Re). Имеются два фактора, снижающие прочность. Первый из них — это уменьшение сечения вольфрамовой проволоки из-за растворения, второй — возврат, приводящий к разупрочнению. Прочность проволоки уменьшается с 119 кГ/мм2 в исходном состоянии до 77 кГ/мм2 после выдержки 100 ч при 1477 К- В то же время прочность композита не изменяется. Предполагается, что постоянная величина прочности композита обеспечивается образованием высокопрочных Nb — W-спла-вов. На рис. 5 сопоставлены микроструктуры вблизи места разрушения при испытании на растяжение образцов в исходном состоянии и после 100-часовой выдержки при 1477 К. Матрица становится аменее пластичной после отжига из-за большого количества растворившегося в ней вольфрама.

В системах с ограниченной растворимостью образуются связи второго типа. Обратимся к композиту никель — вольфрам. Согласно Хансену и Андерко [14], никелевый сплав с 38% вольфрама находится в равновесии с твердым раствором на основе вольфрама, содержащим малые количества никеля (менее 0,3%). Такое равновесие предполагает равенство химических потенциалов. Этот принцип был использован Петрашеком и др. [33] при разработке сплава на Ni-основе для ком'позита никелевый сплав — вольфрам. Вначале был использован сплав Ni-20Cr-25W. Затем в него были добавлены титан и алюминий. Во второй серии сплавов содержание вольфрама -было понижено; он был частично заменен другими тугоплавкими металлами: ниобием, молибденом и танталом. Совместимость этих сплавов с вольфрамовой проволокой оказалась выше, чем у стандартных жаропрочных сплавов, но все же ниже, чем у сплавов, легированных только вольфрамом. Дальнейшее существенное улучшение, совместимости достигается добавками алюминия и титана, однако механизм влияния этих элементов на совместимость отличен от рассматриваемого здесь регулирования химических потенциалов. По заключению авторов, во избежание существенного уменьшения сечения вольфрамовой проволоки за счет диффузии следует использовать проволоку диаметром 0,38 мм. После выдержки при 1366 К в течение SO ч глубина проникновения составляла 26 мкм, что соответствует коэффициенту диффузии (2ч-5) -Ю-11 см2/с. Уменьшением сечения волокна за счет диффузии можно объяснить более крутой наклон кривых длительной прочности в координатах Ларсена—-Миллера для композита по сравнению с проволокой.

Поскольку в волокнистых композитах поверхность раздела является границей физически, химически и механически не совместимых фаз, необходимо знать, какой вклад она вносит в прочность композита. Аналитические модели в предположении совершенной поверхности раздела позволяют просто рассчитать механические свойства. В действительности же может происходить (и часто происходит) потеря стабильности [58, гл. 3]. Поэтому в следующих разделах основное внимание будет уделено анализу свойств хорошо изученных волокнистых композитов. Наиболее детально изучена система алюминий—нержавеющая сталь; кроме того, будут рассмотрены системы, армированные волокнами бора и вольфрамовой проволокой. Там, где это возможно, применимость идеализированных моделей к реальным системам будет оцениваться с помощью микроструктурного анализа.

Естественно попытаться выяснить, есть ли другие механизмы влияния волокна на вязкость разрушения композита. Вязкость разрушения стеклопластиков много выше, чем следовало бы ожидать, исходя из суммы поверхностных энергий компонентов и энергии вытягивания. В этих материалах происходит заметное отслаивание (отрыв) волокна от матрицы, но и с учетом энергетических затрат на образование новых поверхностей при отслаивании ожидаемая энергия разрушения много меньше значений, полученных экспериментально. Аутвотер и Мэрфи [34] предположили, что в случае, когда основную роль играет отслаивание волокон, значительная часть энергии деформации может накапливаться в не связанных с матрицей частях волокон, находящихся, по существу, в таких же условиях, как и миниатюрные образцы при растяжении. Поведение таких композитов иллюстрирует рис. 12. Энергия деформации при растяжении образца длиной / составляет Vz <твев/, и, значит, (Gc)f = l/2 (ffBeB0 VB. Это соотношение было экспериментально подтверждено многими авторами [25, 31, 32, 34]. Те же соображения применимы и тогда, когда упругая деформация волокон не подчиняется линейному закону [31]. И в этом случае вязкость разрушения пропорциональна энергии, необходимой для разрушения волокон, отслоившихся от матрицы. Это было экспериментально проверено Олстером и Джонсом [31] на алюминиевых композитах, армированных вольфрамовой проволокой; разрушению проволоки предшествовало образование заметной шейки. Как показано на рис. 13, вязкость разрушения быстро возрастает

Купер и Келли [7], а также Тетельман [47]. считают, что уравнение (12) позволяет достоверно оценить вклад матрицы в вязкость разрушения меди, армированной вольфрамовой проволокой. Герберих [12] указал, однако, что, несмотря на возможность разумных количественных оценок, уравнение (12) некорректно, поскольку композит трехмерен, а волокна имеют не квадратное, а круглое сечение. По Олстеру и Джонсу [31], в алюминии, армированном от 0 до 6 об.% вольфрама, упрочнитель не оказывает существенного влияния на вязкость матрицы. Те же авторы предположили, что в композите бор — алюминий, содержащем 50 об.% упрочнителя, вязкость разрушения матрицы практически не зависит от борных волокон. Такое предположение может быть оправдано лишь в случае, если деформация матрицы у вершины трещины локализована на столь малом участке, что на нее не влияет присутствие волокон. Поэтому к каждому композиту в зависимости от его поведения необходим индивидуальный подход. Будет ли вязкость разрушения матрицы столь же низка, как и для массивного образца материала матрицы, или несколько выше — это, согласно Куперу и Келли [7], определяется влиянием волокон. Если поверхность раздела прочна, а коэффициент вариации прочности волокон велик, то, по Меткалфу и Кляйну [27], места разрушения волокон будут характеризоваться значительным пространственным разбросом; это может привести к увеличению деформации матрицы, а последнее, в свою очередь, — к росту вязкости разрушения.

ния стекла (5-10-6/°С) и отвержденного полимера (60-10-6/°С). В отвержденнои полимерной матрице шроисходит разрыв стекловолокна, если разница в их усадке превышает 0,05%. Даже такая пластичная матрица, как медь, разрушается, если армированный вольфрамовой проволокой медный композит подвергать циклическому воздействию температуры с перепадом 900 °С ,[18].

В [27] исследована проблема определения свойств матрицы и установлено соответствие между длительной прочностью при сдвиге меди, испытанной независимо (рис. 11, а), и меди, испытанной в образцах на вытаскивание (рис. 11, б). Образцы на вытаскивание были сделаны так: высверливали отверстие в вольфрамовой головке, соединяли с вольфрамовой проволокой диаметром в 0,010 дюйм и с медной OFHC втулкой и проводили запрессовку при соответствующих условиях. Такие образцы на вытаскивание сконструированы для того, чтобы попытаться воспроизвести условия, возникающие вокруг одного волокна в композите с правильным порядком чередования разрывных волокон. Изменением диаметра высверленного отверстия могут быть воспроизведены условия различного объемного содержания волокна. Результаты приведены на рис. 12. Можно видеть, что при 649 °С соответствие хорошее, но его не наблюдается при 816 °С. Последнее есть ясное указание на возможные ошибки, которые могут появиться, если использовать результаты, полученные лишь на одной серии экспериментальных устройств, для предсказания поведения материала при^других условиях.

В [18] при исследовании влияния армирования вольфрамовой проволокой на скорость ползучести сплава на никелевой основе (Инконел 600) осуществлены эксперименты на ползучесть при

При применении вольфрамового электрода в качестве защитных используют инертные газы или их смеси и постоянный или переменный ток. Лучшие результаты при сварке большинства металлов дает применение электродов не из чистого вольфрама, а торированных, итерированных или лантанированных. Добавка в вольфрам при изготовлении электродов 1,5—2% окислов иттрия и лантана повышает их стойкость и допускает применение повышенных на 15% сварочных токов. Перед сваркой рабочий конец электрода обычно затачивают на конус с углом 60° на длине двух-трех диаметров. Форма заточки электрода влияет па форму и размеры шва. С уменьшением угла заточки и диаметра притупления в некоторых пределах глубина проплавления возрастает.

В соответствии с различным напряжением дуги в разные полупериоды переменного тока различна и величина сварочного тока, т. е. в сварочной цепи появляется постоянная составляющая тока. В данном случае мы имеем дело с выпрямляющим (вентильным) эффектом рассматриваемого типа дуги, вызванным различием теп-лофизическиА' свойств электрода и изделия. Величина постоянной составляющей зависит от величины сварочного тока, скорости сварки, свариваемого металла и т. д. Ее наличие ухудшает качество сварных швов па алюминиевых сплавах и снижает стойкость вольфрамового электрода. Для уменьшения величины постоянной составляющей тока применяют различные способы (см. гл. IV).

Интересной разновидностью применения вольфрамового электрода является сварка погруженной дугой (рис. 40), при которой используют электрод повышенного диаметра и повышенный сварочный тон. Соединение собирают встык без разделки кромок, без зазора. При увеличении подачи защитного газа 1 через сопло

Для вольфрамового электрода необходимы инертные газы, постоянный ток прямой полярности и специальной конструкции сварочные пистолеты, с помощью которых поджимают верхний лист к нижнему, закрепляют электрод, подводят сварочный ток и защитный газ. Хорошее качество заклепок достигается при толщине верхнего листа до 2 мм. Во избежание загрязнения электрода дугу возбуждают с помощью осциллятора, который автоматически отключается.

Диаметр вольфрамового электрода, мм.......... 2—3

При неплавящемся электроде сварку выполняют на переменном токе или на постоянном токе прямой полярности. При сварке плавящимся электродом используют постоянный ток обратной полярности. Выбор диаметра вольфрамового электрода и присадки зависит от толщины свариваемого металла.

Диаметр вольфрамового электрода, мм . ......... 1,6-2 3-4 4-5 4-5 5-6 6

С точки зрения уменьшения расхода дефицитных и дорогих материалов и повышения производительности сварки важное значение имеет способ сварки титана по узкому зазору — щелевой разделке, выполняемый неплавящимся вольфрамовым или плавящимся электродом. В первом случае листы собирают с зазором а == 6ч-12 мм; диаметр вольфрамового электрода dw —- З-т-4 мм; диаметр присадочной проволоки 1,5—2 мм; сила сварочного тока 200—300 А; расход аргона 9—12 л/мин через горелку и 2—3 л/мин с обратной стороны. При полуавтоматической сварке используют проволоку диаметром 1,6—2 мм при том же расходе аргона, силе сварочного тока 360—420 А и напряжении 32-36 В.

3. Подобрать диаметр вольфрамового электрода по толщине свариваемого металла и по диаметру электрода подобрать силу сварочного тока (табл. 6). Установить расход А г = 5-г-7 л/мин.

2. Зажигание дуги производить касанием вольфрамового электрода о свариваемое изделие, причем только при наличии газовой защиты.

4. Вылет вольфрамового электрода должен быть равным 6—8 мм. Длина дуги должна поддерживаться постоянной в пределах 1—2 мм.