Badania układów bimetalowych uzyskanych na drodze łączenia wybuchem

Pierwszym etapem badań doświadczalnych, w którym skupiono się na wytworzeniu struktur wielowarstwowych było spajanie wybuchem. Przeprowadzona została analiza struktury w skali makro – polegająca na charakterystyce warstwy połączenia materiałów - oraz mikro , ze szczególnym uwzględnieniem stopnia rozdrobnienia mikrostruktury na skutek zastosowania bardzo dużej prędkości odkształcenia. Wykonana została także analiza jakości połączenia, wykorzystując wyniki oceny umocnienia materiałów po łączeniu. Badano rozkłady mikrotwardości oraz oszacowano wartość tzw. parametru Regularnej Grubości Przetopień (RGP), określającej wpływ warunków procesu na jakość złącza. Parametr RGP stosowany jest przez producentów materiałów łączonych wybuchowo do oceny jakości połączenia na podstawie występowania ilości niepożądanych przetopień.

Analiza struktury w skali makro dotyczyła przede wszystkim strefy łączenia. Analizie poddano kształt, częstotliwość występowania i wielkości powstałych fal. Jako materiał bazowy zastosowana została stal z dodatkami mikrostopowymi na którą nakładany był nadstop niklu (Inconel). Kształt i ukierunkowanie charakterystycznych dla łączenia wybuchem fal wynikają z warunków procesowych jakie zostały zastosowane w trakcie procesu spajania wybuchowego. Makroskopowa charakterystyka złącza została przedstawiona na Rys. 4.1. Z analizy rozkładu fal wnioskować można, że połączenie nastąpiło na całej długości warstw materiału. Istotnym w wyglądzie warstwy połączenia jest również nierównomierność w kształcie, wielkości i częstotliwości obserwowanych fal.

Rys. 4.1 Charakterystyczne dla łączenia wybuchem połączenie faliste stali mikrostopowej ferrytycznej i nadstopu niklu Inconel 601.

97

Proces łączenia wybuchem wpływa w znaczący sposób na mikrostrukturę łączonych stali i stopów. W wyniku silnego odkształcenia oraz zastosowania bardzo dużej prędkości odkształcenia, jakie występują w trakcie spajania, następuje powstanie fali złącza oraz często towarzyszące temu rozdrobnienie ziarna. Ponadto analiza obszarów złącza stali mikrostopowej i stopu niklu wykazała, że powstała dyskretna warstwa przetopień. Obszary przejściowe widoczne są przy niektórych falach (Rys. 4.2 i Rys. 4.4), jednak nie mają one wpływu na jakość połączenia. Mikrostruktura stali mikrostopowej przy strefie złącza cechuje się drobnymi ziarnami, dodatkowo w dużym stopniu zniekształconymi i ukierunkowanymi zgodnie z przebiegiem fali wybuchu (Rys. 4.3). Inconel przy warstwie połączenia zachowuje się bardzo podobnie do stali X70, wykazując zniekształcenie ziaren i zorientowanie ich zgodnie z kierunkiem odkształcenia. W zagłębieniu fali widoczny jest zanik wyraźnej struktury ziarnistej, co może być wynikiem silnego odkształcenia i umocnienia materiału platerującego.

Rys. 4.2 Pojedyncza fala próbki wykonanej ze stali mikrostopowej X70 oraz nadstopu niklu. Przedstawiona struktura nadstopu niklu Inconel 601.

98

Rys. 4.3 Pojedyncza fala próbki bimetalu wykonanego ze stali mikrostopowej i Inconelu 601 przedstawiająca zmiany mikrostrukturalne po stronie stali.

Szczegółowa analiza warstwy połączenia wykazała wyraźne przetopienia skupione głównie w zagłębieniu jednej fali. Ilość przetopień jest nieznaczna z punktu widzenia całości połączenia, jednakże w przedstawionej fali jest to obszar znaczący. Należy przypuszczać, że powodem powstania przetopień w tym miejscu jest nagromadzenie się zanieczyszczeń oraz wady materiału, które na skutek ogromnej ilości energii oraz temperatury przetopiły się tworząc warstwę przetopień. Dodatkowo można zauważyć, że przetopienia zostały, pod wpływem dużego ciśnienia wepchnięte pomiędzy warstwy stali mikrostopowej. Widać, że warstwa pośrednia nie jest warstwą jednolitą, a w jej obszarze widoczne są zanieczyszczenia. Dodatkowo w warstwie przetopień wyraźnie widoczna jest struktura drobnoziarnista jako efekt bardzo dużej energii odkształcenia.

99

Rys. 4.4 Przedstawienie przetopień w pojedynczej fali próbki. Trawienie przy pomocy HNO3 pozwalające na przedstawienie zmian strukturalnych i efektów umocnienia w warstwie Inconelu.

Materiał po spajaniu wybuchem charakteryzuje się bardzo silnym umocnieniem odkształceniowym - jako efekt fali uderzeniowej oraz lokalnym, bardzo silnym rozdrobnieniem mikrostruktury. Zarówno w warstwie stali mikrostopowej, jak i w warstwie Inconelu zaobserwowano rozdrobnienie mikrostruktury, co spowodowało w znaczący sposób wzrost umocnienia od granic ziaren i od występującej podstruktury dyslokacyjnej. Analiza wykonana z wykorzystaniem techniki EBSD wykazuje również na silne rozdrobnienie w zagłębieniu fali (Rys. 4.5a) oraz wydłużenie ziaren w jej grzbiecie w kierunku rozchodzenia się fali uderzeniowej (Rys. 4.5b).

100

a) b)

c) d)

Rys. 4.5 Wyniki analizy EBSD ukierunkowanej na ocenę stopnia rozdrobnienia mikrostruktury w zagłębieniu fali -a); oraz wierzchołku fali -b); oraz na zmiany mikrostrukturalne w zagłębieniu -c); i wierzchołku fali -d) bimetalu na bazie stali mikrostopowej ferrytycznej i nadstopu niklu Inconel 601.

Przeprowadzona analiza mikrostrukturalna obszarów połączenia bimetalu pozwoliła na ocenę tego niejednorodnego układu tj.: stali mikrostopowej o strukturze sieci krystalicznej A2 i nadstopu niklu o strukturze A1 (Rys. 4.5c i d). Dalsza analiza wyników przeprowadzonych badań wykazała, że w warstwie połączenia, przy grzbiecie fali warunki odkształcenia spowodowały powstanie warstwy przetopień, której analiza strukturalna przedstawiona została na Rys. 4.5d. Głównym czynnikiem decydującym o powstaniu omawianej warstwy międzymetalicznej jest bardzo silne odkształcenie występujące w procesie spajania wybuchem oraz prędkość wydmuchiwanego powietrza nagrzewająca powierzchnię spajanych materiałów. Przetopiona warstwa charakteryzuje się w przeważającym stopniu strukturą A2 z widocznymi efektami nadtopienia struktury

101

A1. Warstwa przetopień występująca przy połączeniu stali mikrostopowej z Inconelem jako niepożądany efekt procesu spajania, charakteryzuje się niższymi własnościami mechanicznymi przez co może obniżać globalne własności całego układu bimetalowego i w konsekwencji zbudowanego na tej bazie materiału wielowarstwowego.

W technikach łączenia wybuchowego, w celu określenia jakości złącza na etapie doboru parametrów zgrzewania – opracowywania technologii dla nowych kombinacji materiałowych, wykorzystywany jest współczynnik RGP (Równoważna Grubość Przetopień). Wielkość tego współczynnika pozwala wstępnie ocenić prawidłowość dobranych parametrów. Im jego wartość jest mniejsza, tym złącze można uznać za lepiej wykonane. To stwierdzenie jest oczywiście prawdziwe wyłącznie dla złączy, które spełniają podstawowe kryteria kwalifikujące je do wykonanych poprawnie tj. ciągłość połączenia, wytrzymałość na ścinanie czy odrywanie, pozytywny wynik prób gięcia.

Współczynnik RGP jest równy stosunkowi zsumowanych powierzchni przetopień na odcinku pomiarowym (kilka fal, o ile występują) do całkowitej długości połączenia na tym odcinku. W niniejszym badaniu wykorzystano cyfrową analizę obrazu, dzięki czemu zostały określone powierzchnie przetopień oraz długości połączenia. W analizowanym połączeniu stali mikrostopowej i Inconelu, powierzchnia przetopień wyniosła 10889,96 μm2 a długość złącza 3498,02 μm. Wyznaczona wartość współczynnika RGP wynosi:

𝑅𝐺𝑃 =_10889,96^3498,02 = 3,11 μm (48)

Ocena stopnia umocnienia badanych materiałów składowych oraz bimetalu została oparta na analizie zmian mikrotwardości na przekroju poprzecznym. Badaniom

102

Rys. 4.7 Pomiary twardości w strefie złącza bimetalu ze stali mikrostopowej ferrytycznej oraz Inconelu 601.

twardości poddane zostały próbki wycięte z obu łączonych materiałów oraz ze strefy połączenia. Ponadto, dla uzyskania pełnej charakterystyki wytworzonego bimetalu wykonano również badania twardości niewielkiej warstwy przetopienia występującej w jednej z fal. Zastosowane w badaniach materiały przed procesem łączenia charakteryzowały się niższymi twardościami od umocnionych w układzie bimetalowym: Stal mikrostopowa X70: 300 HK; Inconel 601: 350 HK.

Rys. 4.7 przedstawiono wyniki pomiarów twardości badanego bimetalu. Badania przeprowadzone zostały dla dwóch fal następujących po sobie w złączu. Na wykresie wyraźnie widać, że wartości twardości wzrastają w miarę zbliżania się do strefy połączenia, co jest wynikiem przede wszystkim umocnienia materiału na skutek odkształcenia. Różnice w twardości sięgają 200 HK w przypadku stali mikrostopowej oraz ok. 60 HK dla Inconel 601.

103

Rys. 4.8 Pomiary twardości w strefie złącza próbki z występującymi przetopieniami powstałymi w wyniku spajania wybuchem [139].

Na Rys. 4.8 przedstawiono wyniki badania twardości, wykonane na jednej fali wzdłuż powstałego przetopienia na jej górnej części (a-e) oraz w dolnej części fali (f). Przeprowadzona analiza umocnienia stopu niklu pozwala na stwierdzenie, że wbrew oczekiwaniom materiał o strukturze sieci krystalicznej ściennie centrowanej A1 jest znacznie bardziej podatny na umocnienie w wyniku obciążeń dynamicznych niż w przypadku sieci krystalicznej A2. Ponadto w wyniku spajania wybuchem powstała warstwa przetopień o niskiej twardości w porównaniu do umocnionej warstwy połączenia. Średnia twardość przetopienia wynosi 330 HK (a–c, f), podczas gdy średnie twardości materiału znajdującego się przy połączeniu są dwukrotnie wyższe. Badania twardości dokonane przy strefie złącza, w którym nie znajdują się przetopienia (e) pokazały, że materiał umacnia się przede wszystkim w efekcie bardzo silnego odkształcenia plastycznego w warunkach obciążenia dynamicznego.

104

4.2 Badania materiałów ultradrobnoziarnistych wytworzonych na drodze silnej