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

Виключити утворення евтектичних фаз у паяних швах, зокрема при паянні дисперсійно - твердкого нікелевого сплаву, та забезпечити високу тривалу міцність можна при використанні в якості припоїв високоміцних високотемпературних однофазних сплавів, що мають структуру твердих розчинів. Щодо паяння алюмінідів титану, то формування двофазної структури шва, близької до основного матеріалу, забезпечує механічні властивості на рівні основного матеріалу. При паянні жароміцного дисперсно-зміцненого мідного матеріалу застосування адгезійно-активного припою, що містить титан, вирішує проблему змочування неметалічних часточок Al₂O₃, попередня термічна обробка вихідного матеріалу сприяє підвищенню міцності на 12 %, що становить 90% міцності основного матеріалу.

Отримані результати досліджень лягли в основу створення композицій припоїв для вакуумного паяння жароміцних сплавів, які забезпечують заданий рівень механічних властивостей паяних з'єднань при кімнатній і підвищеній температурі, а також тривалу міцність при підвищеній температурі і постійних напруженнях.

На базі розроблених припійних матеріалів створено основи технології вакуумного високотемпературного паяння металоконструкцій відповідального призначення. Створено технічну документацію на виготовлення розробленого припою для паяння жароміцного дисперсійно-твердкого нікелевого сплаву IN-718. Виконано дослідно-промислову перевірку розробки щодо практичних завдань при виготовленні закритого відцентрового колеса осьового компресора газотурбінного двигуна з дисперсійно - твердкого нікелевого сплаву. За результатами випробувань здійснено висновок, що розроблений припій може бути рекомендований для паяння високолегованих жароміцних сплавів на основі нікелю (наприклад, ЧС 88, Inconel 738 та ін.), призначених для експлуатації за умов високих температур та підвищених напружень.

Отримані наукові результати і нові положення створюють базу для подальшого розвитку наукового напрямку високотемпературного вакуумного паяння жароміцних матеріалів та розширення обсягів їх застосування в відповідальних конструкціях енергосилових установок нового покоління.

Загальні висновки

1 Вивчено взаємозв'язок між структурою швів та механічними властивостями паяних з'єднань жароміцних інтерметалідних титанових сплавів, дисперсійно - твердких нікелевих і дисперсно-зміцнених мідних сплавів. Встановлено можливість керування структуроутворенням паяних швів, яка обумовлена хімічним складом, структурою основного матеріалу та припою, умовами експлуатації та 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 і 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 сприяє утворенню в шві фаз на основі CuTi и CuTi₂ у вигляді дискретних часточок.

2. На основі систематичних досліджень визначено закономірність впливу легуючих елементів на структуру, фазовий склад та інтервали плавлення сплавів на базі систем Ti-Zr-Fe и Ti-Zr-Мn в широкому интервалі концентрацій, побудовано поверхні ліквідусу даних систем. Встановлено, що на поверхнях ліквідусу зазначених систем утворюються евтектичні западини, на яких існують евтектики з мінімальним температурним інтервалом плавлення, що містять (ат. %): 20 - 29 Fe и 25 - 40 Мn, та слугують основою при розробці припоїв для паяння інтерметалідних титанових сплавів. Визначено характер фазових рівноваг в системі Ti-Zr-Мn, побудовано метастабільний політермічний переріз Ti₆₀Mn₄₀ - Zr_67,5Mn_32,5, показано, що сплави характеризуються мінімальною температурою солідусу при концентрації цирконію 19-34 ат. %.

3. Встановлено залежність формування структури від швидкості охолодження, визначено, що структура литого сплаву Ti-19Zr-20Fe, отриманого електронно-променевим плавленням зі швидкістю охолождення 2-5?С/с, складається з первинних кристалів 73,8Ti-15,3Zr-10,9Fe твердого розчину та евтектики, в якій провідною фазою є сполука Fe(TiZr)₂, що містить близько 31 ат. % заліза. З підвищенням швидкості охолодження (більш ніж 10²?С/с) розмір структурних складових сплаву зменшується приблизно в 3-4 рази. Застосування методу надшвидкого гартування забезпечило отримання стрічок з гомогенним розподілом хімічних елементів в аморфному (40Ti-27Zr-22Fe-11Al) та аморфно-кристалічному стані (Ti-19Zr-20Fe) з утворенням твердого розчину в-TiZr і фази Fe(TiZr)₃. Отримані стрічки характеризуються мікрокристалічною структурою.

4. Показано, що застосування адгезійно - активних припоїв на базі систем Ti-Zr-Fe и Ti-Zr-Mn для паяння алюмініду титану забезпечує формування двофазної структури паяних швів (TiAl и Ti₃Al), близької до структури основного матеріалу, короткочасну міцність (651-693 МПа при кімнатній та підвищеній (700°С) температурі - 284-316 МПа), близьку до міцності основного матеріалу. Тривала міцність при температурі 700°С складає відповідно 483 та 500 год зі збереженням кострукційної цілісності зразків при напруженнях 200 МПа, що перевищує задану на 40%.

5. Досліджено кінетику дифузійного насичення металу шва алюмінієм при паянні алюмінідів титану припоями на базі системи Ti-Zr-(Fe, Mn, Cr), на основі якої запропоновано двостадійний механізм формування структури металу шва. Відповідно до нього на першій стадії процесу в результаті розчинення інтерметалідної фази TiAl основного матеріалу відбувається швидке насичення розплавленого припою алюмінієм (протягом 1,5 с при д=50 мкм). На другій стадії в пересиченому алюмінієм розчині утворюються об'ємні зародки інтерметалідних фаз, характерних для інтерметалідного матеріалу, що паяється, для повного завершення росту яких необхідна тривала ізотермічна витримка (не менше 1 год).

6. Встановлено, що в паладієвому сплаві (мас. %): Pd-33Ni-19Cr-0,2 Si в вихідному стані, а також при легуванні кобальтом (5-10 мас. %), крім твердого розчину на основі паладію, утворюється фаза, збагачена кремнієм (4,48-7,18%). Показано, що заміна нікелю кобальтом призводить до утворення двох твердих розчинів на основі паладію (48,84Pd-32,87Co-17,74Cr-0,55Si) та кобальту (23,37Pd-53,78Co-22,38Cr-0,46Si), а також фази, збагаченої кремнієм (81,4Pd-6,53Co-6,2Cr-5,86 Si), що утруднює отримання сплаву в вигляді тонкої фольги методом обробки тиском.

7. Визначено, що умовою підвищення тривалої міцності паяних з'єднань жароміцного нікелевого сплаву IN-718 є отримання однофазної структури паяного шва. Показано, що застосування в якості депресанту германію, концентрація якого не перевищує 1 мас. %, для сплаву Pd-33Ni-18Cr забезпечує отримання структури твердого розчину на основі паладію не тільки припою, а й паяному шву, а також стабільні результати короткочасної міцності паяним з'єднанням при кімнатній та підвищеній (550°С) температурі 1230-1290 МПа і 1000-1030 МПа відповідно, а також високу тривалу міцність (132 год без руйнування) при заданому напруженні 785 МПа та температурі 550°С, що перевищує більш ніж у 2 рази отриману при застосуванні промислового припою. Термічна обробка паяних з'єднань підвищує мікротвердість не тільки основного матеріалу, а й металу паяного шва відповідно до 4210-4500 и 4200 МПа.

8. Показано доцільність використання при паянні дисперсно-зміцненого мідного матеріалу аморфного припою Ti-43Cu, який забезпечує формування однорідних паяних швів з виділенням фаз на основі сполук CuTi и CuTi₂ в вигляді дискретних часточок в мідній матриці, при цьому міцність на розтяг паяних стикових зразків складає 72 % міцності основного матеріалу в вихідному стані. Проведення термічної обробки основного матеріалу перед паянням при температурі 950°С (1 година) сприяє підвищенню міцності паяних з'єднань до 81…92 % міцності основного металу.

9. Отримані результати досліджень лягли в основу створення композицій припоїв для вакуумного паяння жароміцних сплавів на основі нікелю, алюмініду титану, які забезпечують задані механічні властивості при кімнатній та підвищеній температурі, а також тривалу міцність при підвищеній температурі та постійному напруженні. Виконана дослідно-промислова перевірка розробленого припою та технологічного процесу паяння стосовно практичної задачі виготовлення вузла - закритого відцентрового колеса компресора газотурбінного двигуна з дисперсійно - твердкого нікелевого сплаву. Створено технічну документацію на виготовлення розробленого припою.

Список опублІкованИх робіт

1. Высокотемпературная вакуумная пайка дисперсноупрочнённого медного сплава Glidcop Al-25 / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов, В.А.Шонин и др. // Автоматическая сварка. 2002. №10. - С.15-19.

2. Хорунов В. Ф. Разработка припоев для пайки жаропрочных сплавов на основе никеля и титана / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, В.Г.Иванченко // Автоматическая сварка. - 2004. - №9. - C.27-32.

3. Хорунов В. Ф. Получение паяных соединений гамма алюминида титана и исследование их свойств / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, В.Г.Иванченко // Адгезия расплавов и пайка материалов. - 2004. - №37. - С.100-108.

4. Хорунов В. Ф. Получение и применение быстрозакаленных припоев / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова // Сварочное производство. -2005. -№12. - С.25 -30.

5. Хорунов В. Ф. Аморфные припои - перспективный материал для современных технологических процессов пайки / В.Ф. Хорунов, С.В.Максимова // Автоматическая сварка. -2005. -№10. - C. 35-40.

6. Хорунов В. Ф. Пайка разнородных, химически активных и тугоплавких металлов / В.Ф.Хорунов, В.Ф.Квасницкий, С.В.Максимова // Машиностроение: Энциклопедия в 40 т. т.3-4. Технология сварки, пайки и резки. М.: Машиностроение, 2006. - С.642-645.

7. Максимова С.В. Аморфные припои для пайки нержавеющей стали и титана и структура паяных соединений // Адгезия расплавов и пайка материалов. - 2007. - №40. - С.70-81.

8. Хорунов В. Ф. Структурное состояние аморфных припоев на базе системы Тi-Cu-Zr / В.Ф.Хорунов, Г.М.Зелинская, С.В.Максимова // Металлофизика и новейшие технологии. - 2008. - №8. - C.1139-1146.

9. Хорунов В. Ф. Пайка интерметаллидных сплавов / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова // Неорганическое материаловедение: энциклопедия в 2 т. Т. 2, кн. 2: П ? Э: Материалы и технологи, под ред. Г.Г.Гнесина, В.В.Скорохода - Киев: Наук. Думка, 2008. - С.5-11.

10. Максимова С.В. Формирование паяных соединений алюминида титана/ С.В.Максимова, // Автоматическая сварка. - 2009. - №3. - С.7-13.

11. Максимова С.В. Структурообразование паяных швов интерметаллидных титановых сплавов // Збірник наукових праць НУК. ? Миколаїв: - 2009. ? № 3 (426). ? С.104-111.

12. Максимова С.В. Структурные особенности паяных соединений дисперсно-упрочненной меди / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов // Збірник наукових праць НУК. - Миколаїв: - 2009. - №6 (429). - С. 91-99.

13. Максимова С.В. Структурное состояние быстрозакаленного припоя TiCu / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов, Г.М.Зелинская // Автоматическая сварка. - 2010. ? № 5. ? С.104-111.

14 Хорунов В.Ф. Исследование структуры и фазового состава сплавов на основе системы Ti-Zr-Fe / В.Ф.Хорунов, Г.М.Зелинская, С.В.Максимова // Автоматическая сварка. - 2010. ? № 9. ? С.14-19.

15. Максимова С.В. Механические свойства паяных соединений дисперсно-упрочненного медного сплава / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов, В.А.Шонин // Автоматическая сварка. - 2010. ? № 10. ? С.23-28.

16. Хорунов В.Ф. Прочность паяных соединений жаропрочного никелевого сплава Инконель 718, полученных с помощью палладиевых припоев / В.Ф Хорунов, С.В.Максимова, Ю.В.Бутенко, А.Б.Малый // Автоматическая сварка. - 2010. - № 11. - С.17-21.

17. Максимова С.В. Структура соединений жаропрочного никелевого сплава Инконель 718, полученных с помощью высокотемпературной вакуумной пайки / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов // Современная электрометаллургия. - 2010. ? № 3. ? С.49-55.

18. Максимова С.В. Влияние состава припоев на основе палладия на свойства паяных соединений жаропрочного никельжелезного сплава Инконель 718 / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов // Захист металургійних машин від поломок. - Маріуполь. - 2010. ? Вип. № 12. ? С.301-306.

19. Зелинская Г.М. Структурноe cостояниe припоев на базе системы Ti-Zr-Fe в быстрозакаленном и литом состоянии / Г.М.Зелинская, С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов // Металлофизика и новейшие технологии. - 2010. - №10. - C. 1419-1428.

20. Хорунов В.Ф. Пайка жаропрочных сплавов на современном этапе / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова // Сварочное производство. - 2010. - №10. ? С. 24-27.

21. Максимова С.В. Пайка алюминида титана быстрозакаленными лентами / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов // Современная электрометаллургия. -2010. ? № 4. ? С.37-41.

22. Максимова С.В. Пайка интерметаллидного сплава марки 4822 припоем системы Ti-Zr-Mn / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов, В.Г.Иванченко // Сварочное производство. ? 2011. ? № 3. ? С. 21-27.

23. Патент 58950. Припій для паяння жароміцних сплавів / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, Ю.В.Бутенко, А. Б. Малий. Заявитель Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАНУ. Заявл. 29.10. 2010, Опубл. 26.04. 2011,Бюл. № 8.

24. Хорунов В.Ф. Пайка современных и перспективных жаропрочных материалов для газотурбостроения // Труды 4-й сессии научного совета по новым материалам МААН, 6 июля 1999 г., г. Киев. - С. 77 - 81.

25. Хорунов В.Ф. Высокотемпературная пайка современных и перспективных жаропрочных материалов / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, С.М.Самохин // Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования: матер. междунар. научн.-техн. конф. г. Санкт-Петербург 2223 сент. 1998. С. 122-133.

26. Перспективные системы припоев для соединения жаропрочных материалов / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, С.М.Самохин, В.Г.Иванченко // Сварка. Технологии, оборудование, материалы, родственные технологии МЕТ-99. сб. докл. 3 Междунар. конф. Рига, 34 июня 1999 г. С. 4246.

27. Новые разработки в области пайки жаропрочных материалов / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, С.М.Самохин, М.С.Самохин // Проблемы сварки, металлургии и родственные технологи: сб. докл. IV Междунар. науч.-техн. конф., г. Тбилиси, 57 окт. 1999. - С. 3140.

28. Хорунов В.Ф. Достижения в области пайки интерметаллидного сплава -TiAl / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, С.М.Самохин // Пайка-2000. Матер. Международ. науч.-техн. конф., Тольятти 1314 сент. 2000 г. Тольятти: Тольятт. политехнич. ин-т, 2000. С. 113114.

29. Пайка дисперсно-упрочнённой меди / В.Ф.Хорунов, С.В. Максимова. И.В.Зволинский, В.В.Воронов, С.М.Самохин // Пайка, современные технологии, материалы, конструкции: матер. семин. М.: ЦРДЗ об-ва "Знание" России, 2001. С. 3336.

30. Khorunov V.F. Trends in development of brazing filler metals in Ukraine and other CIS countries / V.F.Khorunov, S.V.Маksymova // 2001'IBSC. Proceedings of 2001 Intern. Brazing and Soldering conf., Yangshong, China. Oct. 2931, 2001. Yangzhong, China. P. 2227.

31. Phase Equiliria in the Partial Ti-TiMn₂-ZrMn₂-Zr System / V.G.Ivanchenko, I.S.Gavrilenko, V.V Pogorila, V.F.Khorunov, S.V.Maksymova, S.M.Samokhin // Phase Diagrams in Materials Science. 6-th International School -Conference "PDMSVI-2001". Kyiv, Ukraine, 2001. Kyiv: In-t for Problems of Materials Science, 2001. P. 140.

32. Пайка интерметаллидного сплава -TiAl / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, В.Г.Иванченко, И.В.Зволинский, В.В.Воронов // Припои, флюсы и материалы для пайки: материалы науч.-техн. семинара-практикума. М: ЦРДЗ об-ва "Знание" России, 2002. - С.44 48.

33. Максимова С.В. Вакуумная пайка интерметаллидных сплавов на основе титана / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов, С.М.Самохин // Современные проблемы сварки и ресурса конструкцій: сб. тез. междунар. Конф. 24-27 нояб. 2003, ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины. - Киев. 2003. - С.43.

34. Maksymova S.V. Brazing of Intermetallic alloy -TiAl / S.V.Maksymova, V.F.Khorunov, V.G.Ivanchenko // High temperature capillarity. Abstracts of 4 th International Conf. HTC-2004, Sanremo (IM), Italy, 31 March - 3 April, 2004. - P.93.

35. Максимова С.В. Пайка композиционных материалов на основе меди и интерметаллидных сплавов / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов // Проблемы сварки, металлургии и родственных технологий: сб. трудов 10-й междунар. науч.-техн. конф., Кутаиси, окт. 2005. - С.11 - 16.

36. Хорунов В.Ф. Выбор припоев и изучение свойств паяных соединений интерметаллидного сплава гамма-TiAl/ В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, В.Г.Иванченко // Ti-2005 в СНГ. Сб. трудов междунар. конф., 22-25 мая 2005 г. Межгосударственная ассоциация Титан, г.Киев, 2005. С. 165-168.

37. Максимова С.В. Аморфный припой на основе титана / С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов, Г.М.Зелинская // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов: сб. докл., 7-й Междунар. конф. Харьков, ННЦ «ХФТИ», ИПЦ «Контраст», 2006. С.150-153.

38. Khorunov V.F. Intermetallic alloy gamma-TiAl brazing / V.F.Khorunov, S.V.Maksymova // Proc. of the 3-rd Intern. brazing and soldering conf., USA, San Antonio, Texas, 2006. -- Ohio: ASM International, Mаterials Park, 2006. -- P. 288-292.

39. Maksymova S.V. Amorphous brazing filler alloys, research and modelling of their structural state / S.V.Maksymova, V.F.Khorunov, G.M.Zelinskaya // Computer technology in welding and manufacturing & mathematical modeling and information technologies in welding and related processes. Proceeding of International Conference, Kiev, E. O. Paton Welding Institute. - 2006. - P.247-249.

40. Maksymova S.V. Investigation of structural state of rapidly quenched brazing filler metal Ti-Cu / S.V.Maksymova, V.F.Khorunov, G.M.Zelinskaya // High temperature capillarity. Abstracts of 5 th International Conf. HTC-2004, Alicante, Spain, 2007. - P. 90.

41. Хорунов В.Ф. Особенности и практическое применение пайки в вакууме / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова // Сварка и родственные процессы в промышленности. Доклады 2-го науч.-техн. семинара, 17 апр. 2007 г., г. Киев, Украина. К.: Экотехнология, 2007. - С.4547.

42. Khorunov V.F. Structure and properties of intermetallic alloys brazed joints / V.F.Khorunov, S.V.Maksymova // Welding. Proceeding of International Conference, Hefei, China, Oct. 2007. P. 348-352.

43. Maksymova S.V. Structure of Cu-Ti brazing filler metal in amorphous and crystalline states / S.V.Maksymova, V.F.Khorunov, G.M.Zelinskaya // Journal of Physics: Conference Series 98 (2008) 012010 IOP Publishing Ltd. 2008. CD.

44. Хорунов В.Ф. Структурное состояние аморфных припоев на базе системы Ti-Cu-Zr / В.Ф.Хорунов, Г.М.Зелинская, С.В.Максимова // Сборник тезисов конференции «НАНСИС 2007», 21-23 нояб. 2007. Киев, - С.259.

45. Хорунов В.Ф. Пайка алюминидов титана / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, В.В.Воронов // Пайка-2007. Вопросы высокотемпературной, низкотемпературной пайки и подготовки специалистов для паяльного производства. Материалы семинара, ноябрь 2007 г. М. М.:ЦРДЗ, 2007. С. 4649.

46. Хорунов В.Ф. Пайка алюминидов титана. Проблемы и достижения / В.Ф.Хорунов, С.В.Максимова, В.В.Воронов // Сборник материалов Междунар. науч.-техн. конф. «Пайка - 2008» г. Тольятти, 10- 12 сент, 2008. - Тольятти: ТГУ, 2008. - С. 139 - 148.

47. Khorunov V.F. Main research activities of the E.O. Paton Electric Welding Institute in the field of brazing / V.F.Khorunov, S.V. Maksymova // Proceeding of the 17 -th Annual Meeting of Soldering, Brazing and Special Joining Technologies, China, Zhengzhou, Henan, Okt.2009. - P. 2-9.

АНОТАЦІЯ

Максимова С.В. Фізико-металургійні основи та технологія вакуумного паяння жароміцних сплавів на основі Ni, Ti, Cu. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 «Зварювання та споріднені процеси і технології» Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2011 р.

Дисертація присвячена вивченню особливостей формування структури і властивостей паяних з'єднань, створенню науково обгрунтованих металургійних і технологічних засад щодо отримання якісних паяних з'єднань, які забезпечують високі механічні властивості та тривалу міцність паяним з'єднанням жароміцних дисперсійно-твердіючих нікелевих сплавів, перспективних матеріалів нового покоління на основі алюмінідів титану та дисперсно-зміцнених мідних матеріалів.

Вивчено структуру експериментальних припоїв, їхню температури солідусу та ліквідусу, встановлено склади з прийнятним для паяння температурним інтервалом плавлення. Вивчено особливості формування структури паяних швів жароміцних сплавів на основі Ni, Ti, Cu залежно від системи легування, виявлено умови формування евтектичних складових в паяних швах. Встановлено вплив методу отримання припою на його структурні особливості та фазові перетворення під час нагрівання. Розвинено уявлення про закономірність кристалізації паяних швів алюмініду титану. Визначено шляхи керування структурою металу швів залежно від складу і структури основного матеріалу. Вивчено механічні властивості паяних з'єднань при кімнатній, підвищеній температурі та досліджена тривала міцність при різних напруженнях і підвищеній температурі. Створено науково обгрунтовані металургійні та технологічні засади щодо вакуумного паяння, що забезпечують високі експлуатаційні властивості з'єднанням жароміцних алюмінідів титану, дисперсійно-твердких нікелевих і дисперсно-зміцнених мідних сплавів стосовно створення вузлів енергосилових установок нового покоління та наведено приклади їхньої реалізації.

Ключові слова: вакуумне високотемпературне паяння, жароміцні сплави, алюмінід титану, нікель, паяні шви, структура, технологія паяння, тріщини, евтектика, твердий розчин, механічні властивості, тривала міцність, припійні матеріали, термічна обробка.

Maksymova S.V. Physical-Metallurgical Principles and Technology of Vacuum Brazing of Heat-resistant Ti, Ni and Cu - base Alloys. - Manuscript.

Thesis for a doctor of technical sciences degree in speciality 05.03.06 “Welding and Related Processes and Technologies”, E.O.Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2011.

The thesis is dedicated to investigation of peculiarities of formation of structure and properties of brazed joints, elaboration of scientifically grounded principles of the мetallurgical and technological for producing sound brazed joints, and development of brazing filler metals to provide high mechanical properties and long-time strength of the brazed joints on precipitation-hardening nickel superalloys and heat-resistant dispersion-strengthened copper alloys, as well as advanced titanium aluminide-base materials of a new generation.

Structure of experimental alloys and their solidus and liquidus temperatures were studied, and compositions of alloys with the melting temperature range suitable for brazing were determined. Peculiarities of formation of structure of the brazed seams on heat-resistant Ni-, Ti- and Cu-base alloys were investigated, and conditions of formation of eutectic components in the seams were determined. The effect of a method used to produce a filler metal on its structural features and phase transformations during brazing was established. Notions of the mechanism of solidification of seams on titanium aluminide and formation of structure of the seams depending on the alloying system and composition of the base material were developed. Mechanical properties of the brazed joints at room and elevated temperatures were investigated, and long-time strength at different stresses and elevated temperatures was studied. The scientifically grounded principles of мetallurgical and technological vacuum brazing were worked out, ways of controlling formation of structure of the brazed seams, providing high performance of the joints on heat-resistant titanium aluminides, precipitation-hardening nickel superalloys and dispersion-strengthened copper alloys, were identified for application at a new generation of power plants, and examples of their implementation are presented.

Key words: vacuum brazing, heat-resistant alloys, titanium aluminide, nickel, brazed seams, structure, brazing technology, cracks, eutectic, solid solution, mechanical properties, long-time strength, brazing consumables, heat treatment

Максимова С.В. Физико-металлургические основы и технология вакуумной пайки жаропрочных сплавов на основе Ni, Ti, Cu. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 «Сварка и родственные процессы и технологии». Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2011 г.

Диссертация посвящена изучению особенностей формирования структуры и свойств паяных соединений, созданию научно обоснованных металлургических и технологических мер с целью получения паяных соединений, обеспечивающих высокие механические свойства и длительную прочность паяных соединений жаропрочных дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов, перспективных материалов нового поколения на основе алюминидов титана и дисперсно-упрочненных медных материалов.

Изучена структура и интервалы плавления опытных титановых сплавов на основе систем Ti-Zr-Fe и Ti-Zr-Mn, построены поверхности ликвидуса. Определены эвтектические впадины тройных систем, на которых существуют сплавы с приемлемым для пайки алюминида титана температурным интервалом плавления. Уточнен характер фазовых равновесий в системе Ti-Zr-Мn и построен метастабильный политермический разрез Ti₆₀Mn₄₀ - Zr_67,5Mn_32,5. Установлено, что легирование титана цирконием и марганцем позволяет получать композиции сплавов с относительно низкими температурами солидуса в пределах 1040-1090°С. Показано влияние скорости охлаждения на структуру и размер составляющих фаз сплавов. Применение метода сверхбыстрой закалки обеспечило получение лент системы Ti-Zr-Fe(Al) с гомогенным распределением химических элементов. На базе результатов рентгенографических исследований установлено, что быстрозакаленная лента состава Ti-27Zr-22Fe-11Al является рентгеноаморфной, состава Ti-19Zr-20Fe - аморфно-кристаллической с образованием твердого раствора -TiZr и фазы Fe (TiZr)₃.

Экспериментально установлено, что причиной низких механических свойств при пайке алюминида титана Ti-45Al-2Nb-2Mn+0,8 об. % TiB₂ промышленным припоем на базе системы Ti-Cu-Zr-Ni служит образование в паяных швах зональной химической неоднородности с кристаллизацией в центральной части шва эвтектики, являющейся источником зарождения дефектов в виде трещин. Определено, что применение для вакуумной пайки алюминида титана припоев систем Ti-Zr-Fe и Ti-Zr-Mn и оптимальных режимов позволяет избежать формирования эвтектической составляющей и получить паяные швы с двухфазной структурой (TiAl и Ti₃Al), характерной для основного материала, которая обеспечивает кратковременную прочность 651 - 693 МПа при комнатной и повышенной температуре 700°С 284 - 316 МПа, близкую к прочности основного материала. Испытания на длительную прочность показали, что паяные соединения алюминида титана не разрушаются не только при заданном напряжении 140 МПа и температуре 700°С в течение соответственно 483 и 500 часов, но при повышенном - 200 МПа. Установлено, что разработанный термический цикл пайки титанового интерметаллидного сплава Ti-47AI-2Nb-2Cr (48-2-2) обеспечивает формирование ламельной структуры в основном материале и позволяет исключить дополнительную операцию предварительной термообработки основного материала. Исследована кинетика насыщения металла паяного шва алюминием и предложен двухстадийный механизм формирования паяных швов. Показана также перспективность использования разработанных припоев для ремонта изделий, изготовленных из интерметаллидных сплавов на основе алюминида титана, что способствуют расширению области использования перспективных интерметаллидных сплавов нового поколения.

Установлено, что легирование сплава системы Pd-Ni-Cr германием (до 1%) приводит к формированию однофазной структуры твердого раствора на основе палладия не только припоя, но и паяных швов жаропрочного дисперсионно-твердеющего никелевого сплава. При проведении термической обработки паяных соединений повышается микротвердость основного металла и паяного шва соответственно до 4210 - 4500 и 4200 МПа. Использование однофазного припоя со структурой твердого раствора обеспечивает повышение длительной прочности паяных соединений более чем в 2 раза по сравнению с промышленным припоем при напряжении 785 МПа и температуре испытаний 550^оС.

Установлено, что при пайке дисперсно-упрочненной меди применение адгезионно-активного припоя Ti-Cu обеспечивает формирование однородных паяных швов с кристаллизацией фаз на основе соединений CuTi и CuTi₂, выделяющихся в виде дискретных частиц в медной матрице, что более благоприятно по сравнению со сплошной полосой с точки зрения оценки механических свойств паяных соединений. Прочность паяного шва в основном определяется свойствами матрицы, упрочненной дисперсными выделениями, и близка к прочности паяемого материала. Предварительная термическая обработка паяемого материала перед пайкой способствует повышению прочности на растяжение паяных соединений до 397 МПа (на 8 - 13 %), что составляет 81 - 92 % прочности основного металла.

Предложены и реализованы металлургические меры к созданию припойных материалов для пайки жаропрочных дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов, а также материалов нового поколения на основе алюминидов титана. Определены пути управления структурообразованием паяных соединений, обусловленные химическим составом, структурой паяемого материала и условиями эксплуатации.

На базе разработанных припойных материалов созданы основы технологии вакуумной высокотемпературной пайки металлоконструкций ответственного назначения. Создана техническая документация на изготовление разработанного припоя для пайки жаропрочного дисперсионно-твердеющего никелевого сплава IN 718. Выполнена опытно-промышленная проверка разработки применительно к практической задаче изготовления узла закрытого центробежного колеса компрессора газотурбинного двигателя из жаропрочного дисперсионно-твердеющего никелевого сплава. По результатам испытаний сделан вывод, что разработанный припой можно рекомендовать для использования при пайке жаропрочных сплавов на основе никеля (например, ЧС 88, Inconel 738 и др.), предназначенных для эксплуатации в условиях высоких температур и повышенных нагрузок.

Ключевые слова: вакуумная высокотемпературная пайка, жаропрочные сплавы, алюминид титана, никель, паяные швы, структура, технология пайки, трещины, эвтектика, твердый раствор, механические свойства, длительная прочность, припойные материалы, термическая обработка.

Размещено на Allbest.ru