Фізико-металургійні основи та технологія вакуумного паяння жароміцних сплавів на основі Ni, Ti, Cu

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

Фізико-металургійні основи та технологія вакуумного паяння жароміцних сплавів на основі Ni, Ti, Cu

Спеціальність 05.03.06 «Зварювання та споріднені процеси і технології»

Максимова Світлана Василівна

Київ-2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

Хорунов Віктор Федорович

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: академік НАН України,

доктор технічних наук, професор

Найдич Юрій Володимирович

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України,

завідувач відділу

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Ахонін Сергій Володимирович

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, завідувач відділу

доктор технічних наук

Радзієвський Вячеслав Миколайович

Сумський державний університет

професор кафедри прикладного матеріалознавства та технології

конструкційних матеріалів

ВСТУП

Актуальність теми. Створення нерознімних паяних з'єднань при виготовленні конструкцій відповідального призначення з жароміцних сплавів на основі алюмінідів титану, дисперсійно-твердких нікелевих та дисперсно-зміцнених мідних сплавів, що експлуатуються при високих температурах, на сьогодні є важливим завданням і його вирішення визначає можливість використовування даних сплавів при виготовленні деталей гарячого тракту газотурбінних двигунів, енергетичних установок, реактивних двигунів, теплотехнічного устаткування. Постійно зростаючий рівень вимог до авіаційних титанових сплавів, що експлуатуються в газотурбінних двигунах, обумовлює необхідність підвищення їхніх механічних характеристик. Реальною альтернативою металічним матеріалам високотемпературного призначення є сплави на основі інтерметалідів, зокрема сплави на основі інтерметаліду TiAl. За жароміцними характеристиками вони можуть конкурувати з високолегованими нікелевими сплавами завдяки низькій питомій вазі, високому модулю пружності, доброму опору повзучості та високотемпературному окисненню. Їх використання дозволить зменшити масу газотурбінного двигуна приблизно на 30 %.

Жароміцні дисперсно-зміцнені мідні сплави є перспективними матеріалами для виготовлення енергонапружених елементів у різних енергетичних комплексах, у тому числі в термоядерних реакторах, катодах плазмотронів, потужних рентгенівських трубках та інших виробах теплотехнічної промисловості.

При створенні нерознімних з'єднань із вищезгаданих сплавів використання зварювання з високою погонною енергією може призводити до зміни структури в зоні термічного впливу матеріалу, що з'єднується, виникненню залишкових напружень, тріщин, коагуляції зміцнювальної фази. Паяння є більш перспективним методом завдяки можливості отримувати нерознімні з'єднання без розплавлення основного матеріалу, збереженню структури основного матеріалу, можливості отримування з'єднань у важкодоступних місцях. При створенні конструкцій складної геометрії останній критерій є визначальним.

В існуючих припоях на основі нікелю, як правило, депресантами виступають кремній та бор, які, з одного боку, зменшують температуру плавлення, а з другого - утворюють легкоплавкі крихкі (евтектичні) фази в паяних швах та основному матеріалі, які неможливо розчинити навіть при довготривалій ізотермічній витримці, що негативно впливає на механічні властивості паяних з'єднань. Використання припоїв, що містять срібло, мідь, нікель, не забезпечує необхідний рівень жароміцності.

У зв'язку з цим, вивчення фізико-металургійних особливостей формування паяних швів, створення високоміцних композицій припоїв, розроблення технологічних процесів паяння, що попереджують утворення крихких фаз та забезпечують високі механічні властивості, є необхідною умовою для розв'язання важливої науково-технічної проблеми отримання нерознімних паяних з'єднань жароміцних дисперсійно-твердких нікелевих, дисперсно-зміцнених мідних сплавів, а також перспективних інтерметалідних матеріалів на основі алюмінідів титану.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота виконана в ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України в період 1997-2011 р. р. відповідно до планів науково дослідних проектів і тем, в яких автор був відповідальним виконавцем: 29/5 (номер держреєстрації 0103U005251), 29/3 (0197U016293), 29/33 (0102U003961), 29/37 (0104U007507), 29/28 (0107U002283), Контракт В317333 з Ліверморською національною лабораторією (США), Контракт з GE (США).

Представлена робота є узагальненням і розв'язанням наукової проблеми створення теоретичних основ і розробки науково обгрунтованих металургійних і технологічних заходів щодо забезпечення необхідних механічних властивостей паяних з'єднань жароміцних дисперсійно-твердких нікелевих і дисперсно-зміцнених мідних сплавів, а також перспективних матеріалів нового покоління на основі алюмінідів титану, що призначені для високотемпературного використання.

Об'єкт досліджень - високотемпературне вакуумне паяння жароміцних сплавів.

Предмет досліджень - фізико-металургійні процеси, що протікають при вакуумному паянні жароміцних сплавів, структура та властивості паяних з'єднань.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи: визначити фізико-металургійні закономірності структуроутворення паяних з'єднань, запропонувати науково обгрунтований комплекс металургійних та технологічних заходів щодо забезпечення високих експлуатаційних властивостей з'єднань, розробити вихідні положення побудови припійних матеріалів та технології вакуумного паяння дисперсійно-твердких нікелевих та дисперсно-зміцнених мідних сплавів, а також перспективних матеріалів нового покоління на основі алюмінідів титану, стосовно створення вузлів енергосилових установок нового покоління.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити такі основні завдання: тиск плавління вакуумний температурний

- дослідити вплив легуючих елементів цирконію, заліза, марганцю на структуру та температури ліквідусу експериментальних сплавів систем Ti-Zr-Fe и Ti-Zr-Mn, уточнити будову діаграми фазового стану системи Ti-Zr-Mn в області концентрацій багатих на титан і цирконій евтектик, визначити інтервали існування евтектичних сплавів з мінімальним температурним інтервалом плавлення, прийнятним для паяння алюмінідів титану;

- дослідити вплив легуючих елементів кобальту, марганцю, бору, германію на структуру сплавів системи Pd-Ni-Cr, інтервали плавлення та отримання фольг методом обробки тиском;

- дослідити вплив методу отримання припою на морфологічні особливості формування його структури;

- дослідити взаємодію припоїв з основним матеріалом, визначити вплив системи легування, температурно-часових параметрів на формування структурних складових паяного шва та визначити їхній зв'язок з механічними властивостями паяних з'єднань;

- визначити шляхи керування структуроутворенням паяних швів при високотемпературному вакуумному паянні жароміцних сплавів;

- розробити композиції припоїв і встановити вихідні положення технології вакуумного паяння жароміцних сплавів на основі алюмініду титану, дисперсійно-твердких нікелевих і дисперсно-зміцнених мідних сплавів з метою забезпечення належних експлуатаційних властивостей.

Методи досліджень. Для вивчення температурного інтервалу плавлення і фазових перетворень сплавів використовували високотемпературний диференційний термічний аналіз. Морфологію, структуру припоїв і паяних з'єднань досліджували з використанням оптичної та растрової електронної мікроскопії. Для визначення хімічного складу матеріалів та складових фаз використовували рентгеноспектральний мікроаналіз, а також рентгенографічний аналіз. Для оцінювання механічних властивостей паяних з'єднань використовували стандартні методики випробувань на розтяг при кімнатній і підвищеній температурі. Отримані експериментальні дані обробляли з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів.

Встановлено можливість керування структуроутворенням паяних швів, яка обумовлена хімічним складом, структурою основного матеріалу і припою, умовами експлуатації, що реалізується:

- для нікелевих дисперсійно-твердких сплавів - використанням однофазних припоїв системи Pd-Ni-Cr-Ge, що виключає утворення евтектики в швах під час паяння і термічної обробки;

- для інтерметалідних титанових- використанням евтектичних сплавів на базі системи Ti-Zr-(Fe, Mn), що забезпечують структуру та механічні властивості паяних з'єднань близькі до таких для основного матеріалу;

- для дисперсно-зміцнених мідних - проведенням попередньої термічної обробки та використанням аморфного адгезійно - активного припою Ti-Cu, що забезпечує формування однорідних швів з виділенням фаз на основі CuTi и CuTi₂ у вигляді дискретних часточок.

Вперше побудовані поверхні ліквідусу систем Ti-Zr-Fe і Ti-Zr-Мn на основі вивчених закономірностей впливу легуючих елементів на структуру та інтервали плавлення потрійних сплавів. Встановлено, що на поверхнях ліквідусу даних систем існують евтектичні впадини, на яких знаходиться низка евтектичних сплавів з мінімальною температурою плавлення, що містять (ат. %): 20 - 29 Fe і 25 - 40 Мn, та слугують основою при розробці припоїв для паяння алюмінідів титану. Для отримання мінімальної температури солідусу концентраційний інтервал цирконію не повинен перевищувати 19 - 34 ат.%, що визначено побудовою метастабільного політермічного перерізу системи Ti₆₀Mn₄₀ - Zr_67,5Mn_32,5.

Встановлено базові параметри отримання швидкозагартованих стрічок припоїв системи Ti-Zr-Fe (В, Al) з гомогенною мікрокристалічною (аморфною) структурою в середовищі аргону (V_ох = (2-5)* 10⁵°С/с, перегрів вище температури ліквідусу на 200 - 300°С, витримка 10 - 20 с , створення надлишкового тиску 0,05-0,07 МПа). Рентгеноструктурним аналізом встановлено, що стрічка припою Ti-27Zr-18Fe-10Al є рентгеноаморфною, стрічка Ti-19Zr-20Fe - аморфно-кристалічною, на фоні дифузного гало виявлено фази твердого розчину -TiZr та Fe(TiZr)₃.

Розвинено уявлення про закономірність кристалізації швів алюмінідів титану при вакуумному паянні припоями на базі систем Ti-Zr- (Fe, Mn, Cr). Воно полягає в двостадійному механізмі формування структури металу шва, відповідно до якого на першій стадії процесу в результаті розчинення інтерметалідної фази TiAl основного матеріалу відбувається насичення розплаву припою алюмінієм (протягом кількох секунд). На другій стадії в пересиченому алюмінієм розчині утворюються об'ємні зародки інтерметалідних фаз, для повного завершення росту яких потрібна тривала ізотермічна витримка (1год).

Встановлено, що застосовування в якості депресанту германію, концентрація якого не перевищує 1 мас. % для системи Pd-Ni-Cr забезпечує структуру твердого розчину не тільки припою, а й паяному шву. Це дозволяє збільшити тривалу міцність (при напруженні 785 МПа до 132 год при температурі 550 °С) паяних з'єднань, що перевищує більше ніж в 2 рази отриману при паянні промисловим припоєм.

Показано, що підвищення механічних властивостей паяних з'єднань дисперсно-зміцненого мідного матеріалу, який містить часточки Al₂O₃, досягається застосуванням аморфного припою Ti-43Cu, забезпеченням формування однорідних паяних швів з виділенням фаз на основі CuTi и CuTi₂ у вигляді дискретних часточок та проведенням попередньої термічної обробки основного матеріалу. Міцність паяних з'єднань складає 90 % міцності основного матеріалу, що на 12% перевищує досягнутий раніше рівень.

Практична цінність. Запропоновано та реалізовано металургійні основи створення композицій припоїв нового покоління для вакуумного паяння жароміцних сплавів високотемпературного призначення, що базуються на результатах вивчення впливу системи легування припою та технологічних параметрів процесу паяння на характер структуроутворення швів та механічні властивості отриманих з'єднань. Розроблені композиції припоїв, що в сукупності з технологічними заходами забезпечують високий рівень механічних властивостей паяних з'єднань при кімнатній і підвищеній температурі та тривалу міцність при підвищеній температурі та постійних напруженнях, є основою технології вакуумного паяння жароміцних інтерметалідних сплавів на основі алюмінідів титану, дисперсійно-твердких нікелевих і дисперсно-зміцнених мідних сплавів. Виконано дослідно-промислову перевірку розробленого припою для паяння жароміцного нікелевого дисперсійно-твердкого сплаву при виготовленні конструкції високотемпературного відповідального призначення, зокрема вузла закритого відцентрового колеса компресора газотурбінного двигуна. Розроблено технічні умови на виготовлення припою у вигляді стрічки завтовшки 0,05 мм для паяння жароміцних нікелевих сплавів. Створений припій для алюмініду титану можна використовувати при конструкційному паянні і ремонтних роботах. Розроблені припої можуть бути використані при створенні різноманітних вузлів високотемпературного призначення в авіаційній, ракетній, космічній, електротехнічній, суднобудівній промисловості, нафтопереробному комплексі.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі внесок автора полягає в обґрунтуванні її загальної концепції, постановці мети, визначенні завдань досліджень, самостійному виборі наукових підходів для їхнього вирішення, аналізі та узагальненні отриманих результатів. При розробці підходів до створення композицій припоїв та технологічних заходів паяння жароміцних сплавів внесок автора був визначальним.

Автор брала безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень з вакуумного паяння, вивченні властивостей паяних з'єднань, формулюванні висновків, підготовці публікацій та технічних умов на припій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на Міжнародних конференціях:

"Сучасні проблеми та досягнення в галузі зварювання, споріднених технологіях та обладнанні" (Росія, м. Санкт-Петербург, 1998 р.), "Зварювання. Технології, обладнання, матеріали та споріднені процеси" (Латвія, м. Рига,1999 р.), "Проблеми зварювання, металургії та споріднених технологій " (Грузія, м. Тбілісі, 1999 р.), "Паяння-2000" (Росія, м. Тольяті, 2000 р.), семінарі "Паяння, сучасні технології, матеріали, конструкції" (Росія, м. Москва, 2001р.), «Високотемпературне та низькотемпературне паяння " (Китай, м. Янгжоу, 2001 р.), Шостій міжнародній школі - конференції «Фазові діаграми в матеріалознавстві» (м. Київ, 2001р.), Науково-технічному семінарі-практикумі «Припої, флюси та матеріали для паяння» (Росія, м. Москва 2002 р.), «Сучасні проблеми зварювання та ресурсу конструкцій» (м. Київ, 2003р.), «Високотемпературна капілярність» (Італія, м. Сан-Ремо, 2004 р.), «Проблеми зварювання, металургії та споріднених технологій» (Грузія, м. Тбілісі, 2005 р.), «Обладнання та технології термічної обробки металів і сплавів» (м. Харків, 2006 р.), «Високотемпературне та низькотемпературне паяння» (США, м. Сан-Антоніо, 2006 р.), «З'єднання» (м. Київ, 2006 р.), «Комп'ютерні технології, математичне моделювання та інформаційні технології в зварюванні та споріднених процесах» (м. Київ, 2006 р.), «Високотемпературна капілярність» (Іспанія, м. Аліканте, 2007 р.), 2-му науково-технічному семінарі «Зварювання та споріднені процеси в промисловості (м. Київ, 2007 р.), «Зварювання» (Китай, м. Хефей, 2007 р.), «НАНСИС» (м. Київ, 2007 р.), семінарі «Паяння-2007. Питання високотемпературного та низькотемпературного паяння та підготовці спеціалістів для паяльної промисловості» (Росія, м. Москва, 2007 р.), «Паяння - 2008» (Росія, м. Тольяті, 2008 р.), а також 17-му щорічному семінарі «Паяння та спеціальні технології з'єднання» (Китай, м. Чженчжоу, 2009 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 47 робіт, серед них 22 роботи у фахових виданнях, 24 в збірниках наукових праць, матеріалів конференцій, отримано патент України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаної літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації 332 сторінки машинописного тексту, що містить 150 рисунків, 49 таблиць, список використаної літератури з 221 найменування на 21 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і визначено основні завдання досліджень, описано об'єкт і методи досліджень, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів із зазначенням особистого внеску автора.

У першому розділі розглядаються особливості структури, механічні властивості жароміцних матеріалів на основі алюмінідів титану, дисперсійно-твердких нікелевих і дисперсно-зміцнених мідних сплавів, формування і структуроутворення паяних з'єднань, призначених для високотемпературного використання. Зусиллями українських та зарубіжних вчених: Ю. В. Найдича, В. Ф. Хорунова, В. М. Радзієвського, В. Ф. Квасницького, А. А. Россошинського, В. В. Фролова, С. В. Лашко, І. Є. Петруніна, В. М. Семенова, Ю. Ф. Сидохіна, С. М. Лоцманова, Б. М. Перевезєнцева, І. М. Пашкова, В. С. Рильникова, В. І. Лукіна, О. О. Рабінкіна, О.О. Шапіро, Є. Лугшайдера та інш. досліджені особливості технологічного процесу паяння, вивчений вплив основних параметрів паяння на властивості паяних з'єднань різних матеріалів. ВІАМ та ряд інших організацій розробили гамму припоїв на базі систем Ni-Cr-Si-B, Ni-Cr-Co-B, Ni-W-Co-B, Ni-Cr-Al-B, Ni-Cr-Al-Si-B для паяння жароміцних нікелевих сплавів.

Незважаючи на те, що в області паяння накопичений значний теоретичний та експериментальний матеріал, низку питань стосовно паяння перспективних жароміцних матеріалів на основі алюмінідів титану, дисперсійно-твердких нікелевих, дисперсно-зміцнених мідних сплавів, що містять часточки Al₂O₃, ще недостатньо вивчено. Так, питанням керування структуроутворенням паяних швів, їхнього зв'язку з технологічними параметрами процесу паяння, впливом системи легування припою і методу отримання на механічні властивості паяних з'єднань жароміцних інтерметалідних титанових та композитних мідних матеріалів у вітчизняних і зарубіжних роботах приділено мало уваги. Через складнощі дифузійних процесів, що перебігають під час паяння, недостатність інформації про фазові рівноваги багатокомпонентних систем до сьогодні існує неоднозначність у прогнозуванні структуроутворення паяних швів, отриманих з використанням високотемпературних багатокомпонентних припоїв.

Застосування існуючих припоїв для паяння жароміцних сплавів не забезпечує достатній рівень механічних властивостей паяних з'єднань, зокрема, тривалу міцність. Використання в якості депресантів бору та кремнію в нікелевих припоях, що застосовуються для паяння дисперсійно-твердких нікелевих сплавів, призводить до формування в паяних швах евтектик, що містять кремній і бор. Бор має високу дифузійну активність, проникає в основний метал по границях зерен, утворює легкоплавкі боридні евтектики, що знижують механічні властивості паяних з'єднань. Навіть тривалі цикли термічної обробки не дозволяють уникнути наявності евтектичних фаз в паяних швах.

Використання в промисловості перспективних жароміцних матеріалів нового покоління на основі алюмінідів титану і дисперсно-зміцнених мідних сплавів з гетерогенною структурою, що містять дисперсні часточки Al₂O₃, потребує розробки адгезійно - активних припоїв, які сумісні з матеріалом, що паяється, та забезпечують достатнє змочування основного матеріалу.

Обґрунтовано висновок про те, що шляхи розв'язання проблеми підвищення температурного інтервалу експлуатації паяних з'єднань, забезпечення тривалої міцності паяних вузлів жароміцних сплавів на основі алюмінідів титану і дисперсійно-твердких нікелевих сплавів при підвищеній температурі вивчено недостатньо, тому необхідно проводити комплексні систематичні дослідження з метою створення нових принципових підходів до розробки нових композицій припоїв і технологічних процесів паяння, що значно розширить область їхнього застосування.

В другому розділі наведено склади жароміцних досліджених матеріалів, їхні властивості, технологічне устаткування, апаратура для проведення експериментів, методики підготовки зразків і проведення досліджень.

Використовували такі жароміцні сплави: дисперсійно-твердкий нікелевий сплав марки IN-718 (Ni-20Cr-18Fe-5Nb-3Mo-1Ti-0,6Al), інтерметалідні сплави на основі алюмініду титану (TiAl) Ti-47Al-2Nb-2Mn-0,8 об. % TiB₂ (47 XD), Ti-47AI-2Nb-2Cr (48-2-2) та композиційний мідний сплав Glidcop 25, зміцнений дисперсними оксидними часточками Al₂O₃.

Високотемпературне паяння виконували у вакуумі 1,33 (10^-2 -10^-3) Па на установці СГВ 2,4-2/15-И3 з радіаційним нагріванням. Отримані паяні з'єднання використовували для металографічних досліджень та виготовлення зразків для механічних випробувань.

Досліджені припої отримували традиційними методами лиття. Для виготовлення тонких стрічок застосовували подальшу обробку тиском, а також метод надшвидкого загартування на мідний диск-барабан в інертному газі (аргоні або гелії) у вакуумній камері.

Температури ліквідусу та солідусу, а також проміжних перетворень при нагріванні визначали методом високотемпературного диференційного термічного аналізу (ВДТА) на термоаналізаторі ВДТА-8М3 в гелії при швидкості нагрівання 40?С/хв. Через високу хімічну активність сплавів для запобігання взаємодії розплавленого металу і матеріалу тигля використовували тиглі з BeO. Принцип дії термоаналізатору базується на визначенні різниці теплових ефектів при нагріванні досліджуваних зразків та еталону (монокристала вольфраму, в якому відсутні фазові перетворення в вивченому температурному інтервалі).

Результати досліджень представлено в вигляді термічних кривих в координатах: температура (вісь абсцис), різниця температур між аналізованим зразком та еталоном (вісь ординат). Похибка вимірювання температури становить не більше 10^оС.

Мікроструктуру та хімічну неоднорідність сплавів і паяних з'єднань вивчали за допомогою оптичної та електронної растрової мікроскопії з використанням рентгеноспектрального мікроаналізу (система INCA, енергодисперсійного спектрометра).

Фазовий склад отриманих експериментальних припоїв визначали за допомогою рентгеноструктурного аналізу з використанням дифрактометра ДРОН-3 в MoK - випромінюванні в режимі сканування за точками.

Механічні випробування паяних з'єднань на одновісний розтяг проводили на стикових зразках за стандартними методиками при кімнатній та підвищеній (550 и 700°С) температурі.

Тривалу міцність паяних з'єднань визначали при підвищеній температурі (550 и 700°С) та заданих напруженнях для кожного матеріалу.

У третьому розділі викладено результати вивчення фазових рівноваг, структури, температури солідусу та ліквідусу експериментальних сплавів на базі систем Ti-Zr-Mn, Ti-Zr-Fe.

При паянні для досягнення доброго змочування основного матеріалу припоєм, отримання оптимальних властивостей паяних з'єднань основою припою обирали хімічний елемент, що є основним в матеріалі, який паяється. Найбільш ефективний метод підвищення однорідності та міцності широкого спектра паяних титанових з'єднань - це використання багатокомпонентних припоїв на основі титану. Система Ti-Zr є перспективною базовою завдяки наявності безперервного ряду твердих розчинів та мінімуму на діаграмі плавкості. Легування сплавів даної системи такими депресантами, як залізо та марганець, дозволяє зменшити температурний інтервал плавлення, оскільки в бінарних системах Ti-Mn, Ti-Fe, Zr-Mn і Zr-Fe між твердими розчинами (Ti) и (Zr) та багатими на титан і цирконій інтерметалідами існують відносно легкоплавкі евтектики з температурами плавлення 1180, 1085, 1135 і 928^оС.

Тому при розробці припоїв на базі систем Ti-Zr-Mn, Ti-Zr-Fe необхідно провести дослідження, направлені на вивчення інтервалів плавлення потрійних сплавів у широкому інтервалі концентрацій.

Для одержання таких даних складено плани експерименту, відповідно до яких для системи Ti-Zr-Fe виплавлено 33 сплави, вміст елементів варіювався в таких межах (ат. %): цирконію 8,25 -71,75, заліза 6,0- 79,75, титану 4,0 - 76,75 %. Для системи Ti-Zr-Mn виплавлені 35 сплавів, що містили 0 - 67,5 цирконію, 20 - 67 марганцю, 0 - 95 % титану.

На основі отриманих результатів, експериментальних даних та літературних із залученням симплекс-гратчастого методу планування експерименту, що використовується при побудові поверхні ліквідусу потрійних систем, що обмежені двома подвійними системами евтектичного типу та системою з безперервним рядом твердих розчинів, побудовано поверхні ліквідусу трикомпонентних систем Ti-Zr-Fe, Ti-Zr-Mn (рис. 1, а, б).

а

б

Рис. 1. Поверхня ліквідусу сплавів системи Ti-Zr-Fe (а), Ti-Zr-Mn (б) в координатах склад - температура

Встановлено, що на об'ємних поверхнях ліквідусу обох систем існують евтектичні западини, на яких знаходяться евтектичні сплави, що мають мінімальний температурний інтервал плавлення і містять 24 - 29 ат % заліза для системи Ti-Zr-Fe та 30 - 39 ат. % марганцю для системи Ti-Zr-Mn.

Для визначення концентрації цирконію виплавлено сплави системи Ti-Zr-Mn, проведено їхнє дослідження і підтверджено існування широкої двофазної області (Ti,Zr)+(Ti,Zr)Mn₂ в системі Ti-Zr-Mn. Побудовано політермічний метастабільний переріз Ti₆₀Mn₄₀ - Zr_67,5Mn_32,5, що утворюється при швидкостях охолодження більших ніж 1°С/с та з'єднує точки багатих на титан і цирконій евтектик в обмежених бінарних системах. Побудовано поверхню солідусу сплавів системи Ti-Zr-Mn (рис. 2). На основі отриманих результатів досліджень визначено склади припоїв, що мають прийнятну для паяння жароміцних інтерметалідних титанових сплавів температуру солідусу та ліквідусу.

Рис. 2. Поверхня солідусу сплавів системи Ti-Zr-Mn

В четвертому розділі представлено результати досліджень морфологічних особливостей структуроутворення припоїв залежно від методу отримання.

Використання литих і порошкових припоїв створює певні труднощі при нанесенні їх на поверхню, що паяється, знижує технологічність процесу паяння, негативно впливає на якість паяних з'єднань. Використання даних припоїв у вигляді тонких гомогенних за хімічним складом та пластичних стрічок розв'язує існуючі проблеми, забезпечує використання припою в вигляді закладних елементів, що полегшує його дозування, контролювання паяльної щілини, підвищує технологічність, дозволяє одержувати якісні з'єднання. Виходячи з цих особливостей досліджували сплави в литому стані, швидкозагартованому та після обробки тиском.

Припої на основі титану для паяння алюмінідів титану. На основі вивчення побудованих поверхонь ліквідусу припоями обрано склади сплавів на базі систем Ti-Zr-Fe и Ti-Zr-Mn, що характеризуються прийнятним температурним інтервалом плавлення. Типовими представниками евтектичних сплавів є сплави Ti-(19-21)Zr-(20-24)Fe (ат.%).

За даними локального рентгеноспектрального мікроаналізу структура литого сплаву (ат. %) Ti-19Zr-20Fe, що отриманий в лабораторній електродуговій печі, складається з інтерметаліду Fe(TiZr)₂, що кристалізується в вигляді зерен Ti20Zr31Fe, фази з низьким вмістом заліза Ti-(14.5-15,6)Zr-(1,5-8,6)Fe, характерним для твердого розчину, та евтектики, утвореної даними фазами.

Оскільки дані припої розробляються для паяння алюмінідів титану, то досліджували вплив легування алюмінієм на структуру базових сплавів системи Ti-Zr-Fe. Легування алюмінієм та незначне збільшення атомної частки цирконію в сплаві Ti-27,5Zr-17,7Fe-11,4Al призводить до кристалізації евтектики, що вироджується. Її складовими є дендрити інтерметаліду, збагачені алюмінієм і цирконієм Ti-29,7Zr-21,5Fe-15,26Al (~ 70%), та твердий розчин на основі титану, що містить мінімальну атомну частку заліза Ti-22,5Zr-5,1Fe-7,7Al. У вигляді поодиноких округлих дисперсних включень виділяється незначна кількість (~0,1%) фази, збагаченої цирконієм (35,3%). Утворення великої кількості фази, збагаченої алюмінієм та цирконієм, призводить до крихкості, що відрізняє даний сплав від попередніх.

Структура сплаву Ti-19Zr-20Fe, що отриманий електронно-променевим плавленням зі швидкістю охолодження 2-5° С/с, складається з первинних дендритів округлої форми та евтектики, що за класифікацією Шайля відноситься до нормальних евтектик і характеризується упорядкованим ростом її складових (рис. 3, а, б).

а б

Рис. 3. Мікроструктура литого сплаву Ti-19Zr-20Fe (а) і евтектики (б), отриманих зі швидкістю охолодження 2-5° С/с

Провідною фазою евтектики є інтерметалід Fe(TiZr)₂, який містить високу атомну частку заліза (31,2%), визначену рентгеноструктурним аналізом (рис. 4) та локальним рентгеноспектральним мікроаналізом (табл.1), другою фазою є Ti-16,45Zr-15,62Fe.

Подальше збільшення швидкості охолодження до (2 -5)10^5-6 °С/с при надшвидкому гартуванні на мідний диск-кристалізатор забезпечує отримання тонких (50 -10 мкм) мікрокристалічних, гомогенних за хімічним складом стрічок.

Структура стрічки припою Ti-19Zr-20Fe має дві зони: першу склоподібну зону, характерну для поверхні, що контактує безпосередньо з диском, другу поверхню, що контактує з повітрям зі слабко вираженим рельєфом. Слід зазначити, що розподіл елементів достатньо рівномірний (рис. 5, табл. 2).

Рис. 5. Розподіл елементів по ширині стрічки припою Ti-19Zr-20Fe

За результатами рентгеноструктурного аналізу на рентгенограмі швидкозагартованої стрічки припою Ti-19Zr-20Fe на фоні дифузного гало, характерного для аморфних матеріалів, виявлено малоінтенсивні піки, що відповідають твердому розчину -TiZr і Fe(TiZr)₂ і свідчать про аморфно-кристалічний стан. Після травлення на окремих ділянках стрічки проявлялася ультрадисперсна структура (рис. 6).

Рис. 6. Мікрокристалічні ділянки стрічки Ti-19Zr-20Fe після травлення.

З метою підвищення здатності сплавів системи Ti-Zr-Fe до аморфізації використовували легування бором в кількості 2,5 -21,5 ат. %. При концентрації бору 2,5 ат. % методом надшвидкого гартування отримали стрічку [Ti₆₁Zr₁₄Fe₂₅]_97,5B_2,5 (ат. %) завтовшки 48 мкм, що не руйнується при куті перегину до 150 -170 °.

Експериментально показано, що при вакуумному паянні інтерметалідних титанових сплавів швидкозагартованими стрічками Ti-19Zr-20Fe (В) формуються галтельні ділянки з малими радіусами і щільні якісні паяні шви постійної ширини (~125 мкм), забезпечується дозування припою, підвищується технологічність процесу вакуумного паяння.

Структура литого сплаву 55Ti-20Zr-25Mn містить незначну кількість дендритів первинної фази (рис. 7, а). За даними рентгеноспектрального аналізу вона має склад 37Ti-23Zr-40Mn. Матриця сплаву являє собою пластинчасту нормальну евтектику 55Ti-19Zr-26Mn з упорядкованим ростом складових фаз (рис. 7, б). Даний сплав має прийнятний температурний інтервал плавлення для використання його як припою.



а б

Рис. 7. Дендрити первинної фази сплаву Ti-20Zr-25Mn (а) і евтектика (б)

Припої на основі паладію для паяння нікелевих сплавів. Для отримання високоміцних з'єднань жароміцних нікелевих дисперсійно-твердких сплавів бажано застосовувати однофазний припій зі структурою твердого розчину, в якому відсутні крихкі фази і який можна отримувати у вигляді тонких пластичних стрічок. Перспективними в даному відношенні є сплави на основі паладію. На базі проведеного аналізу подвійних і потрійних систем паладію з різними елементами вибрані системи, до яких відносяться Pd-Ni(Cr), Pd-Co, що забезпечують високу корозійну стійкість, вакуумну щільність та високі механічні властивості. Досліджували вплив легування марганцем, кобальтом, германієм, кремнієм, бором на структуру сплавів системи Pd-Ni, визначали температури солідусу і ліквідусу, відпрацьовували режими їхнього отримання у вигляді тонких стрічок традиційними методами металургійної переробки (шляхом обробки тиском).



Рис. 8. Мікроструктура сплаву Pd-24Ni-16Co-12Mn

Металографічним аналізом і рентгеноспектральним мікро-аналізом виявлено, що легу-вання системи Pd-Ni марганцем і кобальтом призводить до формування евтектичної структури (рис. 8). Її утворення утруднює отримання стрічки шляхом обробки тиском. За результатами високотемпера-турного диференційного термічного аналізу сплав Pd-24Ni-16Co-12Mn має високу температуру ліквідусу 1340°С.

При вивченні впливу легуючих елементів на структуру сплавів системи Pd-Ni-Cr-Si визначено, що в сплавах, які містять кремній, крім твердого розчину на основі паладію, кристалізується фаза, збагачена кремнієм - його концентрація становить 3,3 - 10,3 мас. %.

За даними рентгеноспектрального мікроаналізу повна заміна нікелю кобальтом в сплаві Pd-33Co-19Cr-0,2Si призводить до утворення крім фази, збагаченої кремнієм (81,4Pd-6,53Co-6,2Cr-5,86Si), двох твердих розчинів на основі паладію (48,84Pd-32,87Co-17,74Cr-0,55Si) і кобальту (23,37Pd-53,78Co-22,38Cr-0,46Si), що підтверджено результатами рентгенофазового аналізу. При отриманні даного сплаву в вигляді фольги шляхом обробки тиском змінюється морфологія структури, підвищується дисперсність структурних складових, але об'ємна частка залишається без змін (рис. 9, а).



А

б

Рис. 9. Мікроструктура сплавів Pd-33Co-19Cr-0.2Si (а) і Pd-33Ni-18Cr-1Ge (б) після обробки тиском

В фольгах, що містять кремній, після кування і прокатування спостерігається утворення фаз, збагачених кремнієм, та твердих розчинів з мінімальною масовою часткою останнього. Слід зазначити, що під дією кування і прокатування відбувається видовження зерен з утворенням текстури деформації в направленні (111) та D₁₁₁24,8 нм.

Отримані дані металографічних досліджень і рентгеноспектрального мікроаналізу виявили наявність фаз, збагачених кремнієм при наявності останнього в сплаві.

Застосування в якості депресанту германію (до 1мас. %) в сплаві Pd-33Ni-18Cr забезпечує отримання структури твердого розчину, що підтверджують результати рентгеноструктурного аналізу (рис. 10), які показали наявність повної розчинності компонентів з утворенням твердого розчину з ГЦК граткою. Шляхом обробки тиском отримана фольга завтовшки 50 мкм (рис. 9, б). Результати досліджень дозволили визначити, що збільшення масової частки германію до 2% призводить до утворення

Рис. 10. Дифрактограма сплаву Pd-33Ni-18Cr-1Ge окремої фази, що збагачена германієм до 17,8 мас. %, яка кристалізується по границях зерен твердого розчину. Виходячи з даних результатів, визначено оптимальну концентрацію германію, що не перевищує 1 мас. % і забезпечує формування структури твердого розчину.

П'ятий розділ присвячений дослідженню закономірностей впливу хімічного складу припою і температурно-часових параметрів вакуумного паяння на структуроутворення паяних з'єднань жароміцних сплавів на різних основах та механічні властивості, визначені при кімнатній, підвищеній температурі, а також на тривалу міцність.

Паяння дисперсійно-твердкого нікелевого сплаву IN-718. Досліджено вплив системи легування припою на структуру, механічні властивості паяних з'єднань жароміцного дисперсійно- твердкого нікелевого сплаву IN-718. Режими паяння відпрацьовували на стикових і таврових зразках. Показано, що при вакуумному паянні жароміцного сплаву IN-718 припоєм Pd-57,1Ni-10,5Cr-2,4B (Т = 1080 °С, ф=30 хв), що містить бор, в основному металі, що прилягає до шва, утворюється дифузійна зона, в якій по границях зерен виділяються фази на основі нікелю та ніобію, збагачені бором. В рідкому стані бор і нікель характеризуються високою розчинністю і під час паяння бор активно дифундує в основний метал (на відстань до 10 - 60 мкм). У твердому стані взаємна розчинність повністю відсутня, в результаті охолодження при кристалізації в основному металі по границях зерен утворюються в вигляді сітки та дисперсних включень фази, збагачені бором. Присутність таких включень призводить до низьких значень короткочасної міцності (685…880 МПа) паяних з'єднань при температурі випробувань 550 °С та тривалої міцності.

Використання припою, в якому в якості депресанту застосували германій, при паянні дисперсійно-твердкого нікелевого сплаву IN-718 забезпечує отримання паяних швів з однорідною структурою твердого розчину (рис. 11, а, б, в). Концентрація паладію в паяному шві плавно збільшується від межі з основним металом до центру шва (з 30 до 40%), аналогічна тенденція характерна і для германію (від 0,19 до 0,85 %). В паяних швах рентгеноспектральним мікроаналізом визначено наявність елементів основного металу (мас. %): Fe (4,9 - 7), Nb (~ 2,5) і Mo (~1).

Мікротвердість основного металу після паяння зменшується (рис. 12, а). Після термічної обробки, що застосовується для відновлення механічних властивостей основного матеріалу (гомогенізації за режимом Т = 1050°С, ф = 1,5 год) підвищується мікротвердість не тільки основного металу, а й паяного шва.



Рис. 11. Мікроструктура паяного з'єднання та розподіл елементів (1-Cr, 2-Pd, 3-Ni, 4-лінія сканування) в шві при паянні дисперсійно-твердкого нікелевого сплаву IN-718 припоєм Pd-33Ni-18Cr-1Ge: а - вихідний стан; б- після гомогенізації; в - галтельна ділянка після гомогенізації та ступінчатого старіння.



Рис. 12. Мікротвердість (а) основного металу (А-В) в вихідному стані (0), після паяння (1); гомогенізації (2); двоступінчастого старіння (3), а також паяних з'єднань (С) та міцність на розтяг (б) паяних з'єднань при 20°С, отриманих при використанні різних припоїв: Pd-57,1Ni-10,5Cr-2,4B (1); Pd-28Ni-19Cr-5Co-0,2Si (2); Pd-33Ni-18Cr-1Ge (3); Pd-33Ni-19Cr-0,2Si (4)

Аналогічна тенденція спостерігається при наступному двоступінчастому старінні (Т=760 °С, ф = 10,5 год, охолодження з піччю до 650 °С, ф = 8,5 год, повітря). Таким чином, після проведення повного циклу термічної обробки мікротвердість основного металу і паяного шва підвищуються та практично вирівнюються (рис. 12, а), що добре узгоджується з механічними властивостями паяних з'єднань при кімнатній температурі (рис. 12, б).

Збільшення часу паяння з 5-ти до 10 хв призводить до зростання короткочасної міцності паяних з'єднань при використанні припоїв Pd -33Ni-19Cr-0,2Si, Pd -33Ni-18Cr-1Ge відповідно на 2, 7 і 4,7 %.

Руйнування зразків, що отримані із застосуванням припою Pd-33Ni-19Cr-0,2Si (ф =10 хв), відбувається переважно по основному матеріалу (рис. 13, а). Фрактографічна картина характеризується інтеркристалітним (крихким) руйнуванням по границях зерен (рис. 13, а).

Рис. 13. Фрактограми поверхні руйнування паяних зразків з використанням припоїв Pd -33Ni-19Cr-0,2Si (а, б), Pd-33Ni-18Cr-1Ge (в).

Спостерігаються також змішані ділянки, де присутні елементи в'язкого руйнування, в яких визначена максимальна масова доля ніобію (8 -10%), титану, молібдену (~ по 3 - 5%), алюмінію (0,6 %) ( рис. 13, б).

Застосування припою системи Pd-Ni-Cr-Ge, що містить германій (до 1 мас. %), забезпечує високі результати короткочасної міцності паяних з'єднань жароміцного нікелевого сплаву IN-718, що близькі до міцності основного металу (1230 - 1290 МПа). Рельєф поверхні руйнування зразків характеризується дрібнозернистою структурою (рис. 13, в).

Високотемпературні випробування на короткочасну міцність при температурі 550°С (рис. 14) і тривалу міцність (рис. 15) показали, що при

Рис. 14. Міцність на розтяг паяних з'єднань сплаву IN-718 при температурі 550 °С, різними припоями: 1-Pd -57.1Ni-10,5Cr-2,4B; 2-Pd -28Ni-19Cr-5Co-0,2Si; 3- Pd -33Ni-18Cr-1Ge; 4-Pd -33Ni-19Cr-0,2Si

Рис. 15. Тривала міцність паяних з'єднань, отриманих при паянні різними припоями: 1- Pd-33Ni-19Cr-0,2Si; 2- Pd-28Ni-19Cr-5Co-0,2Si; 3-Pd-57,1Ni-10,5Cr-2,4B; 4-Pd-33Ni-18Cr-1Ge паянні дисперсійно-твердкого нікелевого сплаву припоєм, що містить бор, отримано низькі значення механічних характеристик внаслідок утворення боридних фаз в основному металі.

Виходячи з результатів механічних випробувань, можна стверджувати, що при паянні припоєм, що містить германій, забезпечуються стабільні результати високотемпературної (Т = 550 °С) (1000 -1030 МПа) і тривалої міцності (112 -132 год без руйнування) при напруженнях 785 МПа та Т= 550 °С. Отримані результати тривалої міцності перевищили заданий робочий ресурс більш ніж у 2 рази.

Паяння інтерметалідних сплавів на основі г-TiAl. При високотемпературному паянні інтерметалідних титанових сплавів на основі алюмініду титану Ti-47Al-2Nb-2Mn-0,8 об. % TiB₂ промисловими припоями, що містять титан, мідь та нікель (ат. %): Ti-8Zr-20Cu-12Ni та Ti-8Zr-16Cu-15Ni, відбувається зональна кристалізація паяних швів з утворенням евтектики, що виділяється по осі паяного шва в вигляді суцільної смуги.

Зі збільшенням ізотермічної витримки до 15, 60 хв спостерігалось зменшення масової частки цирконію в паяних швах, так і товщини евтектичної складової, але повністю уникнути її не вдавалось. Повна гомогенізація структури паяних швів не досягнута, спостерігаються тріщини, що зароджуються в евтектичній складовій по осі паяного шва. Їхнє утворення обумовлено присутністю в припоях міді, нікелю та титану, що утворюють складні інтерметалідні фази.

Використання в якості припоїв сплавів Ti-19Zr-27Cr, Ti-19Zr-20Fe (ат.%) (Т=1200 °С, ф=30хв) призводить до кристалізації в паяних швах двох фаз. Концентрація алюмінію в них досягає такої величини, що відповідає б₂- Ti₃Al та г-TiAl - фазам основного матеріалу (47XD), що обумовлено складними дифузійними процесами, які відбуваються під час паяння. Дані фази, крім складових елементів припою, містять також незначну атомну долю елементів, що входять до складу основного матеріалу. В галтельних ділянках спостерігається кристалізація евтектики.

З метою підвищення структурної однорідності швів та галтельних ділянок були проведені дослідження з відпрацювання режимів вакуумного паяння. За їхніми результатами встановлено, що підвищення температури паяння до 1250°С та ізотермічної витримки 60 хв забезпечує формування паяних з'єднань, в яких не тільки шви, а й галтельні ділянки мають двофазну структуру без утворення евтектики (рис. 16, а, б, в).

При паянні припоями Ti-Zr-(Fe,Mn,Cr), процес кристалізації паяних швів має низку особливостей, обумовлених хімічним складом матеріалу, що паяється, наявністю градієнта концентрацій складових хімічних елементів припою та основного матеріалу, малими паяльними (капілярними) щілинами, нерівноважними умовами кристалізації. Фізичний контакт між припоєм і основним матеріалом призводить до часткового розчинення останнього при температурі паяння. Швидкість розчинення основного матеріалу прямо пропорційна градієнту концентрації на міжфазній межі, фронт кристалізації металу шва переміщається в основний матеріал.

Рис. 16. Мікроструктура паяних з'єднань при використанні припою Ti-19Zr-20Fe: а - галтельна ділянка, б, в - паяний шов

Кінетику даного процесу вивчали із залученням математичної моделі дифузійного насичення припою алюмінієм. Виконані розрахунки показали, що для насичення алюмінієм металу паяного шва необхідно 1,5 с при ширині паяльної щілини 50 мкм (рис. 17, а).

Рис. 17. Розподіл концентрації алюмінію в металі шва в різні моменти часу при д =50 мкм (а): (1- 0,1; 2 -0,3; 3 - 0,6; 4 - 0,9; 5- 1,5 c) та питомий масовий потік алюмінію в паяний шов (б) в залежності від часу

Залежність від часу питомого масового потоку алюмінію в метал паяного шва з точністю до деякого постійного множника характеризує швидкість розчинення інтерметаліду (рис. 17, б). На основі експериментальних і розрахункових даних запропоновано двостадійний механізм формування структури паяного шва. На першій стадії в результаті розчинення інтерметалідної фази TiAl основного матеріалу і дифузійних процесів, що спрямовані на вирівнювання концентрації алюмінію в металі паяного шва та основному матеріалі, відбувається швидке насичення розплавленого припою алюмінієм, а на другій стадії, що перебігає значно повільніше, в пересиченому алюмінієм розчині утворюються об'ємні зародки інтерметалідних фаз, характерних для матеріалу, що паяється (первинних кристалів г- TiAl та фази б₂-Ti₃Al, що заповнює простір між кристалами). Для повного завершення їхнього росту необхідна тривала ізотермічна витримка ( не менше 1 год). Отже, в паяних швах спостерігаємо утворення двох фаз, в яких концентрація алюмінію відповідає такій для основного матеріалу. Внаслідок протікання взаємних дифузійних процесів дані фази містять також незначну атомну частку елементів основного матеріалу: ніобію і марганцю. Хімічний склад металу паяного шва суттєво відрізняється від хімічного складу припою в вихідному стані.

Аналогічний характер структуроутворення паяних швів відбувається при паянні литого інтерметалідного сплаву Ti-47AI-2Nb-2Cr (48-2-2), отриманого з використанням електронно-променової плавки. В результаті мікроструктура паяного шва, отриманого при паянні припоєм Ti-20Zr-25Mn, утворюється двома фазами: зернами TiAl, що містять 45,67 ат.% алюмінію, і фазою, в якій концентрація алюмінію зменшується до 31,9 ат. %, що відповідає ₂-Ti₃Al фазі. За результатами рентгеноспектрального мікроаналізу дана фаза вміщує також незначну атомну частку легуючих елементів основного матеріалу і припою: 2,09 % цирконію, 3,42 % хрому, 3,64 % марганцю та 1,87 % ніобію. Зерна фази TiAl теж містять дані елементи у тих же концентраціях, за виключенням хрому і марганцю, вміст яких зменшився до 0,84 і 1,20% відповідно. Зменшення концентрації останніх пов'язане з особливістю їхньої поведінки у вакуумі. Слід зазначити, що хімічний склад даних фаз стабільний та не залежить від місця розміщення в паяному шві.

Оптимальним комплексом механічних властивостей характеризуються інтерметалідні сплави, які мають двофазну г -TiAl + б₂-Ti₃Al пластинчасту (ламельну) структуру. В литому сплаві Ti-47AI-2Nb-2Cr у вихідному стані пластинчаста (ламельна) структура відсутня, дисперсні часточки б₂-фази виділяються хаотично. В результаті термічного циклу паяння в матеріалі, що паяється, формується пластинчаста структура. Таким чином, розроблена технологія паяння литого інтерметалідного сплаву Ti-47AI-2Nb-2Cr поєднує термічний цикл паяння з режимом термічної обробки і забезпечує формування пластинчастої структури та відповідно оптимальні механічні властивості, а також дозволяє уникнути операції термічної обробки основного матеріалу.

Визначено, що при використанні припоїв системи Ti-Zr вміст цирконію в металі паяного шва зменшується зі збільшенням часу ізотермічної витримки, що обумовлено взаємною розчинністю між титаном і цирконієм. В галтельних ділянках міститься більший об'єм рідкого припою, порівнюючи зі швами, протяжність лінії контакту між припоєм і основним матеріалом менша, умови для перебігу дифузійних процесів менш сприятливі, що обумовлює його вищу концентрацію.

Дослідження механічних властивостей паяних з'єднань (рис. 18, а) показали, що припої Ti-19Zr-20Fe (С) та Ti-20Zr-25Mn (D) забезпечують не лише найвищі показники короткочасної міцності при кімнатній та підвищеній температурі (700 ^оС), а й високу тривалу міцність при 700 ^оС та заданому напруженні 140 МПа (відповідно 483 та 500 год без руйнування, рис. 18, б). Підвищення напруження до 200 МПа не призвело до руйнування і зразки знято з випробувань зі збереженою конструкційною цілісністю, що

Рис. 18. Результати механічних випробувань паяних з'єднань сплаву 47ХД, отриманих з застосуванням припоїв cистем: Ti-Zr-Cr (A); Ti-Hf-Fe (B); Ti-Zr-Fe (C); Ti-Zr-Mn (D); Ti-Zr-Cu-Ni (E) при 20 та 700 ^оС (а) та тривала міцність при Т=700 ^оС, напруженні 140 і 200 МПа (б).

Паяння дисперсно-зміцненого мідного сплаву Glidcop 25. При паянні даного матеріалу, який являє собою гетерогенну систему, що складається з мідної матриці і дисперсних оксидних часточок Al₂O₃, необхідно застосовувати припої з хімічно - активними елементами, зокрема, титаном для забезпечення змочування неметалічних часточок (відповідно до робіт Ю.В. Найдича). З метою отримання паяних жароміцних з'єднань застосовували вакуумне паяння та адгезійно - активні припої: Zr-11Ti-14Ni-13Cu, Zr-11Ti-14Ni-13Cu-2Nb-1.5Be, Ti-12Zr-12Ni-23Cu, Ti-12Zr-12Ni-22Cu-0,8V-1,5Be, Ti-50Cu в вигляді тонких стрічок, отриманих надшвидким гартуванням.

При паянні дисперсно-зміцненого мідного сплаву Glidcop Al-25 припоями на базі системи Ti-Zr-Ni-Cu (V, Be) паяні шви характеризуються значною хімічною неоднорідністю. Зокрема, в центрі шва кристалізується евтектика, однією із складових якої є фаза, збагачена цирконієм, що негативно впливає на механічні властивості паяних з'єднань.

На основі аналізу результатів металографічних досліджень визначено, що використання припою Ti-43Cu при паянні дисперсно-зміцненого мідного сплаву Glidcop Al 25 забезпечило формування однорідних паяних швів з кристалізацією фаз на основі з'єднання CuTi₂ і CuTi у вигляді дискретних часточок розміром 2 - 9 мкм в мідній матриці. Розподіл фазових складових у вигляді дискретних часточок, порівнюючи з утворенням суцільної смуги, більш сприятливий з точки зору оцінювання механічних властивостей паяних з'єднань. При цьому міцність паяних з'єднань переважно визначається властивостями матриці, що зміцнена дисперсними включеннями часточок і близька до міцності матеріалу, що паяється (рис.19, а).

За результатами механічних випробувань паяних з'єднань дисперсно-зміцненого мідного сплаву Glidcop Al-25 показана можливість отримання короткочасної міцності на рівні 72 % міцності основного матеріалу та підвищення її до 81…92 % внаслідок термічної обробки вихідного сплаву перед паянням (нагрівання до 950 °С, ф = 60 хв).

Межа плинності (337 МПа) паяних з'єднань близька до такої для основного матеріалу (352 МПа) (рис. 19, б).

В шостому розділі на основі виявлених закономірностей формування структури та механічних властивостей паяних з'єднань запропоновано принципові підходи до створення припоїв для паяння жароміцних сплавів на різних основах. Вибір системи легування припою і технологічних параметрів процесу вакуумного паяння жароміцних дисперсійно-твердких сплавів на основі нікелю, алюмінідів титану та дисперсно-зміцнених мідних сплавів необхідно розглядати окремо для кожного типу матеріалу з урахуванням його хімічного складу, структурних особливостей, умов експлуатації.

...