Порівняння особливостей металургійної взаємодії при застосуванні різних способів дугового і плазмового наплавлення сталевого дроту на титан

This paper reports a study into the regularities of interphase interaction, features in the formation of intermetallic phases (IMPs), and defects when surfacing steel on titanium in four ways: P-MAG, CMT, plasma surfacing by an indirect arc with conductive wire, and PAW. A general tendency has been established in the IMP occurrence when surfacing steel on titanium by all the considered methods. It was determined that the plasma surfacing technique involving an indirect arc with conductive wire is less critical as regards the IMP formation. That makes it possible to obtain an intermetallic layer of the minimum thickness (25...54 μm) in combination with the best quality in the formation of surfaced metal beads. Further minimization of the size of this layer is complicated by a critical decrease in the heat input into the metal, which gives rise to the capability of the surfaced metal to be collected in separate droplets. The formation of TiFe2, TiFe, and the α-Fe phase enriched with titanium in different percentage compositions has been observed in the transition zone of steel surfacing on titanium under different techniques and modes of surfacing. The study has shown the possibility of formation, in addition to the phases of TiFe2 and TiFe, the Ti2Fe phase at low heat input. The technique of plasma surfacing by an indirect arc with conductive wire minimizes the thermal effect on the base metal. When it is used at the border of the transition of the layer of steel surfaced on titanium, the phase composition and structure of the layers in some cases approach the composition and structure of the transition zone of the original bimetallic sheet "titanium-steel" manufactured by rolling. A layer up to 5 μm thick is formed from the β phase with an iron concentration of 44.65 % by weight and an intermetallic layer up to 0.2...0.4 μm thick, close in composition to the TiFe phase. The next step in minimizing the IMP formation might involve the introduction of a barrier layer between titanium and steel.Исследовались закономерности межфазного взаимодействия, особенности образования интерметаллидных фаз (ИМФ) и дефектов при наплавке стали на титан четырьмя способами: Р-MAG, СМТ, плазменная наплавка косвенной дугой с токопроводящей проволокой и PAW. Установлена общая тенденция появления ИМФ при наплавке стали на титан всеми рассмотренными методами. Определено, что способ плазменной наплавки косвенной дугой с токопроводящей проволокой менее критичен к образованию ИМФ. Он позволяет получать интерметаллидный слой минимальной толщины (25...54 мкм) в сочетании с наилучшим качеством формирования валиков наплавленного металла. Дальнейшая минимизация размера этого слоя усложняется критическим снижением тепловложения в металл, которое приводит к способности наплавляемого металла собираться в отдельные капли. В переходной зоне наплавки стали на титан зафиксировано образование ИМФ TiFe2, TiFe и фазы α-Fe, обогащенной титаном в разном процентном составе для различных способов и режимов наплавки. Исследования показали возможность образования кроме фаз TiFe2 и TiFe фазы Ti2Fe при малом тепловложении. Способ плазменной наплавки косвенной дугой с токопроводящей проволокой позволяет минимизировать тепловое воздействие на основной металл. При его применении на границе перехода наплавленного стального слоя на титан фазовый состав и структура слоев в отдельных случаях приближаются к составу и структуре переходной зоны исходного биметаллического листа «титан-сталь» полученного прокаткой. Образуется прослойка толщиной до 5 мкм из β-фазы с концентрацией железа 44.65 %масс. и интерметаллидным слоем толщиной до 0.2...0.4 мкм, близким по составу к фазе TiFe. Следующим этапом минимизации образования ИМФ может быть введение барьерного слоя между титаном и стальюДосліджувалися закономірності міжфазної взаємодії, особливості утворення інтерметалідних фаз (ІМФ) і дефектів при наплавленні сталі на титан чотирма способами: Р-MAG, СМТ, плазмове наплавлення непрямою дугою зі струмопровідним дротом і PAW. Встановлено загальну тенденцію появи ІМФ при наплавленні сталі на титан усіма розглянутими методами. Визначено, що спосіб плазмового наплавлення непрямою дугою зі струмопровідним дротом найменш критичний до утворення ІМФ. Він дозволяє отримувати інтерметалідний прошарок мінімальної товщини (25...54 мкм) в поєднанні з найкращою якістю формування валиків наплавленого металу. Подальша мінімізація розміру цього прошарку ускладнюється критичним зниженням тепловкладання в метал, яке призводить до здатності металу, що наплавляють, збиратися в окремі краплі. У перехідній зоні наплавки сталі на титан зафіксовано утворення ІМФ TiFe2, TiFe і фази α-Fe, збагаченої титаном в різному процентному складі для різних способів і режимів наплавлення. Дослідження показали можливість утворення окрім фаз TiFe2 і TiFe фази Ti2Fe при малому тепловкладанні. Спосіб плазмового наплавлення непрямою дугою зі струмопровідним дротом дозволяє мінімізувати тепловий вплив на основний метал. При його застосуванні на межі переходу наплавленого сталевого шару на титан фазовий склад і структура шарів в окремих випадках наближаються до складу та структури перехідної зони вихідного біметалічного листа «титан-сталь» отриманого прокаткою. Утворюється прошарок товщиною до 5 мкм з β-фази з концентрацією заліза 44.65 % мас. та інтерметаллідний прошарок товщиною до 0.2...0.4 мкм, близький за складом до фази TiFe. Наступним етапом мінімізації утворення ІМФ може бути введення бар'єрного шару між титаном і сталл

Аналіз металургійної взаємодії при дуговому наплавленні бар'єрних шарів на титан для запобігання утворення інтерметалідів в з’єднаннях «титан-сталь»

This paper considers a possibility to obtain high-quality butt junctions of bimetallic sheets from steel clad with a layer of titanium, with the use of barrier layers. The task that was tackled related to preventing the formation of Ti-Fe intermetallic phases (IMPs) between the steel and titanium layer. The barrier layers (height ~0.5 mm) of vanadium and copper alloys were surfaced by arc techniques while minimizing the level of thermal influence on the base metal. To this end, plasma surfacing with a current-driving wire and pulsed MAG surfacing were used. The obtained samples were examined by methods of metallography, X-ray spectral microanalysis, durometric analysis. It has been established that when a layer of vanadium is plated on the surface of titanium, a defect-free structure of variable composition (53.87–65.67) wt % Ti with (33.93–45.54) wt % V is formed without IMPs. The subsequent surfacing of steel on a layer of vanadium leads to the formation of eutectics (hardness up to 5,523 MPa) in the fusion zone, as well as to the evolution of cracks. To prevent the formation of IMPs, a layer of bronze CuBe2 was deposited on the surface of vanadium. The formed layer contributed to the formation of a grid of hot cracks. In the titanium-vanadium-copper transition zones (0.1–0.2 mm wide), a fragile phase was observed. To eliminate this drawback, the bronze CuBe2 was replaced with bronze CuSi3Mn1; a defect-free junction was obtained. When using a barrier layer with CuSi3Mn1, a defect-free junction was obtained (10–30 % Ti; 18–50 % Fe; 5–25 % Cu). The study reported here makes it possible to recommend CuSi3Mn1 as a barrier layer for welding bimetallic sheets "steel-titanium". One of the applications of the research results could be welding of longitudinally welded pipes of main oil and gas pipelines formed from bimetallic sheets of steel clad with titanium.Рассмотрена возможность получения качественных стыковых соединений биметаллических листов из стали, плакированной слоем титана, с применением барьерных прослоек. Решалась задача предотвращения образования интерметаллидных фаз (ИМФ) Ti-Fe между сталью и титановым слоем. Наплавка барьерных прослоек (высотой ~0,5 мм) из ванадия и медных сплавов выполнялась дуговыми способами с минимизацией уровня термического влияния на основной металл. Для этого применяли плазменную наплавку с токоведущей проволокой и импульсную MAG наплавку. Полученные образцы исследовали методами металлографии, рентгеноспектрального микроанализа, дюрометрического анализа. Установлено, что при наплавке слоя ванадия на поверхность титана, образуется бездефектная структура переменного состава (53.87–65.67) масс. % Ti с (33.93–‑45.54) масс. % V без ИМФ. Последующая наплавка стали на слой ванадия приводит к формированию эвтектики (твердостью до 5523 МПа) в зоне сплавления, а также к образованию трещин. Для предотвращения образования ИМФ проведена наплавка слоя бронзы CuBe2 на поверхность ванадия. Сформировавшийся при этом слой способствовал образованию сетки горячих трещин. В зонах перехода титан-ванадий-медь (шириной 0,1–0,2 мм) наблюдалась хрупкая фаза. Для устранения этого недостатка бронзу CuBe2 заменили бронзой CuSi3Mn1 и получили бездефектное соединение. При использовании барьерного слоя с CuSi3Mn1 получено бездефектное соединение (10–30 % Ti, 18–50 % Fe, 5–25 % Cu). Проведенные исследования позволяют рекомендовать CuSi3Mn1 как барьерный слой для сварки биметаллических листов «сталь-титан». Одним из применений результатов исследований может быть сварка продольношовных труб магистральных нефте- и газопроводов, сформованных из биметаллических листов стали, плакированной титаномРозглянуто можливість отримання якісних стикових з'єднань біметалевих листів зі сталі, плакованої шаром титану, із застосуванням бар'єрних прошарків. Вирішувалася задача запобігання утворенню інтерметалідних фаз (ІМФ) Ti-Fe між сталлю і титановим шаром. Наплавлення бар'єрних прошарків (висотою ~0.5 мм) з ванадію і мідних сплавів виконувалося дуговими способами з мінімізацією рівня термічного впливу на основний метал. Для цього застосовували плазмове наплавлення зі струмопровідним дротом і імпульсне MAG наплавлення. Отримані зразки досліджували методами металографії, рентгеноспектрального мікроаналізу, дюрометріческого аналізу. Встановлено, що при наплавленні шару ванадію на поверхню титану, утворюється бездефектна структура змінного складу (53.87–65.67) мас. % Ti з (33.93–45.54) мас. % V без ІМФ. Подальше наплавлення сталі на шар ванадію призводить до формування евтектики (твердістю до 5523 МПа) в зоні сплавлення, а також до утворення тріщин. Для запобігання утворенню ІМФ проведено наплавлення шару бронзи CuBe2 на поверхню ванадію. Шар, який формувався при цьому, сприяв утворенню сітки гарячих тріщин. У зонах переходу титан-ванадій-мідь (шириною 0,1–0,2 мм) спостерігалася крихка фаза. Для усунення цього недоліку бронзу CuBe2 замінили бронзою CuSi3Mn1 і отримали бездефектне з’єднання. У разі використання бар'єрного шару з CuSi3Mn1 отримано бездефектне з’єднання (10–30 %Ti, 18–50 %Fe, 5–25 %Cu). Проведені дослідження дозволяють рекомендувати CuSi3Mn1 як бар’єрний прошарок для зварювання біметалевих листів «сталь-титан». Одним із застосувань результатів досліджень може бути зварювання повздовжношовних труб магістральних нафто- і газопроводів, сформованих з біметалевих листів сталі, плакованої титано

Analyzing Metallurgical Interaction During Arc Surfacing of Barrier Layers on Titanium to Prevent the Formation of Intermetallics in Titanium-steel Compounds

This paper considers a possibility to obtain high-quality butt junctions of bimetallic sheets from steel clad with a layer of titanium, with the use of barrier layers. The task that was tackled related to preventing the formation of Ti-Fe intermetallic phases (IMPs) between the steel and titanium layer. The barrier layers (height ~0.5 mm) of vanadium and copper alloys were surfaced by arc techniques while minimizing the level of thermal influence on the base metal. To this end, plasma surfacing with a current-driving wire and pulsed MAG surfacing were used. The obtained samples were examined by methods of metallography, X-ray spectral microanalysis, durometric analysis. It has been established that when a layer of vanadium is plated on the surface of titanium, a defect-free structure of variable composition (53.87–65.67) wt % Ti with (33.93–45.54) wt % V is formed without IMPs. The subsequent surfacing of steel on a layer of vanadium leads to the formation of eutectics (hardness up to 5,523 MPa) in the fusion zone, as well as to the evolution of cracks. To prevent the formation of IMPs, a layer of bronze CuBe2 was deposited on the surface of vanadium. The formed layer contributed to the formation of a grid of hot cracks. In the titanium-vanadium-copper transition zones (0.1–0.2 mm wide), a fragile phase was observed. To eliminate this drawback, the bronze CuBe2 was replaced with bronze CuSi3Mn1; a defect-free junction was obtained. When using a barrier layer with CuSi3Mn1, a defect-free junction was obtained (10–30 % Ti; 18–50 % Fe; 5–25 % Cu). The study reported here makes it possible to recommend CuSi3Mn1 as a barrier layer for welding bimetallic sheets "steel-titanium". One of the applications of the research results could be welding of longitudinally welded pipes of main oil and gas pipelines formed from bimetallic sheets of steel clad with titanium