Влияние добавки ниобия при сварке
1. Ниобий служит легирующим элементом для улучшения характеристик сварки нержавеющей стали.
--Давайте узнаем об этом эффекте.
В некоторые аустенитные нержавеющие стали, такие как нержавеющая сталь 347, ниобий добавляется в качестве легирующего элемента для повышения устойчивости к межкристаллитной коррозии. Это особенно важно при сварке.
Ниобий образует карбид ниобия (NbC) при взаимодействии с углеродом, не позволяя углероду связывать хром и образовывать карбиды хрома (Cr23C6). Карбиды хрома склонны вызывать межкристаллитную коррозию, которая может серьезно нарушить целостность материала.
Образуя карбид ниобия, ниобий эффективно предотвращает этот процесс, тем самым повышая коррозионную стойкость сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ).
Таким образом, легированные ниобием нержавеющие стали идеально подходят для использования в высокопроизводительных средах, таких как теплообменники, сосуды под давлением и компоненты, подвергающиеся воздействию высоких температур и агрессивных химических условий.
--Такой эффект был подтвержден несколькими экспериментами.
Несколько исследований подтвердили благотворное влияние ниобия при сварке. Например, роль ниобия в зоне термического влияния (ЗТВ) была проанализирована с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) для изучения структуры зерна в сварных соединениях. Эти исследования показывают, что добавление ниобия приводит к измельчению зерен в ЗТВ, уменьшая протяженность крупнозернистой зоны термического влияния (КЗТВ). Более мелкие зерна в HAZ приводят к улучшению микроструктуры и вязкости, делая сварной материал более устойчивым к разрушению под нагрузкой.
Рис. 1 Сравнение сварного шва нержавеющей стали с разной добавкой ниобия (добавка ниобия в верхней части ниже, чем в другой).
Источник:
"Современное состояние газопроводов большой протяженности в Китае". Чэнцзя Шань - IGRC - Рио 2017
Кроме того, данные исследований, проведенных в рамках проектов, подобных московскому сотрудничеству CBMM, показывают, что стали с более высоким содержанием ниобия лучше переносят повышенное тепловыделение при сварке. Такая гибкость повышает способность материала выдерживать термические циклы сварки и обеспечивает надежность сварного соединения.
2. Технология сварки ниобиевых сплавов и разнородных металлов из нержавеющей стали
--Важность и проблемы сварки разнородных металлов
Ниобиевые сплавы и нержавеющая сталь часто свариваются вместе в тех отраслях промышленности, где требуются высокие эксплуатационные свойства обоих материалов. Сочетание исключительных высокотемпературных характеристик ниобия, его коррозионной стойкости и сверхпроводимости с прочностью и экономичностью нержавеющей стали делает такую сварку разнородных металлов особенно привлекательной. Однако сварка этих двух материалов сопряжена с рядом трудностей, обусловленных различиями в их физических, химических и металлургических свойствах.
- Различия в термических свойствах: Коэффициент теплового расширения ниобиевых сплавов (7,3×10-⁶/°C) значительно отличается от коэффициента теплового расширения нержавеющей стали (17,3×10-⁶/°C), что приводит к появлению остаточных напряжений.
- Металлургическая несовместимость: Существует риск образования хрупких интерметаллических соединений, таких как Fe₂Nb и Cr₂Nb.
- Чувствительность к окислению: Ниобий очень восприимчив к окислению при повышенных температурах, что требует строгих мер защиты.
- Контроль разбавления при сварке: Контроль состава в расплавленной ванне является сложной задачей.
--Сравнение и выбор методов сварки
-Традиционные методы сварки
При сварке ниобиевых сплавов с нержавеющей сталью выбор подходящего метода сварки имеет решающее значение. Ниже приведен список традиционных методов сварки.
|
Метод сварки |
Преимущества |
Ограничения |
Применимые сценарии |
|
GTAW (вольфрам в инертном газе) |
Простое оборудование, гибкая эксплуатация |
Высокое тепловыделение, значительные деформации |
Стыковые соединения тонких листов, простые конструкции |
|
EBW (электронно-лучевая сварка) |
Большое отношение глубины к ширине, малая зона контакта |
Требуется вакуумная среда, дорогое оборудование |
Высокоточные детали, аэрокосмическая промышленность |
|
LBW (лазерная лучевая сварка) |
Точный ввод тепла, высокая степень автоматизации |
Требуется высокая точность сборки |
Тонкие пластины, точные соединения |
-Дополнительные технологии сварки
Передовые технологии сварки, такие как сварка трением (FW), диффузионная сварка (DFW) и сварка взрывом (EXW), также могут быть использованы для решения уникальных задач при сварке сплавов ниобия с нержавеющей сталью.
- Сварка трением (FW)
- Соединение в твердом состоянии позволяет избежать дефектов сварки.
- Особенно подходит для соединения труб.
- Требуется строгий контроль параметров (скорость, давление, время).
- Диффузионная сварка (DFW)
- Использование промежуточных слоев (Ti, Cu, Ni) для улучшения сцепления.
- Требуется строгий контроль температуры (800-950°C) и давления.
- Прочность соединения может достигать 90% от прочности основного материала.
- Сварка взрывом (EXW)
- Подходит для пластинчатых композитов большой площади.
- Стык имеет волнистую форму, механически сцеплен.
- Требуется последующая термообработка для снятия остаточного напряжения.
--Ключевые точки контроля процесса
1. Выбор материала промежуточного слоя
Выбор промежуточных материалов играет ключевую роль в улучшении качества сварки и смягчении несоответствия материалов между ниобиевыми сплавами и нержавеющей сталью. Промежуточные слои, такие как чистый никель, композиты на основе меди и переходные слои ванадий/титан, помогают снять остаточные напряжения и предотвратить образование хрупких фаз.
Например, промежуточный слой из чистого никеля эффективно подавляет образование хрупких фаз Fe-Nb, а слои на основе меди снимают тепловые напряжения и обеспечивают хорошую электропроводность. Использование ванадиевых или титановых переходных слоев обеспечивает отличную совместимость с ниобием и нержавеющей сталью, но требует тщательного контроля температуры диффузии.
2. Контроль защитной атмосферы
Контроль сварочной среды крайне важен при сварке ниобиевых сплавов, которые очень чувствительны к окислению при повышенных температурах. Рекомендуется использовать инертные газы, такие как аргон или гелий с чистотой не менее 99,999 %. Содержание кислорода должно тщательно контролироваться и составлять менее 10ppm, а для обеспечения целостности сварного шва следует использовать системы двойной газовой защиты. При сварке в вакууме давление должно быть ниже 5×10-³Па для предотвращения окисления.
Заключение
Технология сварки ниобиевых сплавов и нержавеющей стали достигла значительного прогресса. Добавление ниобия в нержавеющую сталь значительно улучшает сварочные характеристики за счет повышения коррозионной стойкости, улучшения зерновой структуры и увеличения вязкости. Надеемся, что вы сможете лучше понять эффект от добавления ниобия в сварку. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, посетите Stanford Advanced Materials (SAM).
Ссылки:
[1] CHEN Guoqing, GAN Zhanhua, ZHANG Ge, LENG Xuesong (2023). Исследование прогресса технологии сварки ниобиевого сплава и разнородных металлов из нержавеющей стали. Aeronautical Manufacturing Technology. https://doi.org/http://www.amte.net.cn/CN/10.16080/j.issn1671-833x.2023.19.093
[2] Xingwen Zhou, Yuhua Chen, Yongde Huang, Yuqing Mao, Yangyang Yu, Effects of niobium addition on the microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of NiTiNb and Ti6Al4V alloys, Journal of Alloys and Compounds, Volume 735, 2018, Pages 2616-2624, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838817340896
