Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім. Є.О. ПАТОНА

УДК 621.791.3.05.011:539.2:620.17

Автореферат

Високотемпературне паяння ливарних жароміцних нікелевих сплавів бор-, кремніймістким припоєм

Спеціальність 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології

Куренкова Вікторія Віталіївна

Київ 2009

Дисертація є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, с.н.с. Малашенко Ігор Сергійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор, Хорунов Віктор Федорович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, завідуючий відділом;

Кандидат технічних наук, с.н.с. Журавльов Владислав Сергійович Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться «17» червня 2009 р. о 10⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради.

Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ -150, МСП, вул. Боженка 11.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, 03680, м. Київ, вул. Боженка 11.

Автореферат розісланий « 07 » травня 2009р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 доктор технічних наук Л.С.Кирєєв.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Деталі гарячого тракту газових турбін із жароміцних нікелевих сплавів в процесі експлуатації піддаються термовтомленому, корозійному та ерозійному руйнуванню. Для подовження ресурсу цих виробів необхідно використовувати технології ремонту, однією з яких є паяння. Особливу увагу потрібно приділяти сполученню високої міцності та пластичності паяних з'єднань (ПЗ) у взаємозв'язку зі структурними особливостями металу паяного шва.

При ремонтному паянні деталей турбін перспективним є використання композиційних припоїв, які складаються з низькоплавкого припою з різними депресантами та порошковими наповнювачами із нікелевих жароміцних сплавів (ЖС): ЧС70ВІ, IN-738, Rene-142, ЖС6У, ЖС32 та ін. Ці припої сприяють наближенню хімічного складу ремонтної зони до металу, що паяється, та забезпечують паяним з'єднанням достатню жароміцність та жаростійкість. Широко відомі системи припоїв, у яких як депресанти, виступають бор та кремній порізно чи сумісно, однак через тенденцію утворення у паяних швах боридних евтектик чи крихких силіцидних фаз забезпечити сполучення необхідної міцності та пластичності ПЗ дуже важко. Тому було доцільно детально розглянути сумісну поведінку бору та кремнію у високолегованих припоях та їх вплив на структуру та службові характеристики паяних з'єднань.

Використовуючи композиційні припої на основі жаростостійкої системи Ni-14Co-9Cr-3,8Al-2,5%B (#1) з різним складом (40-60мас.%) наповнювача, була створена технологія для ремонту паянням деталей з нікелевих ЖС. Змінюючи склад бормісткого припою введенням порошків Rene-142, ЧС70ВІ, ЖС6У та ін. та використовуючи термообробку у вакуумі, вдалося досягнути задовільних службових властивостей при випробуванні паяних з'єднань нікелевих сплавів на розтяг при 20 та 800 - 1000С, однак при цьому ПЗ руйнувались крихко. Рішення проблеми полягало у вивченні можливого впливу на структуру паяних швів та на фізико-механічні характеристики ПЗ введенням другого депресанту - кремнію у вигляді евтектичної композиції Ni-12%Si. Важливим було дослідження сумісної дії бору та кремнію у металі шва та на межі сплавлення при високотемпературному паянні нікелевих ЖС різного рівня легування.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами та темами. Робота базується на результатах досліджень, виконаних автором в ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України протягом 2003 - 2008рр. згідно цілей українсько-американського проекту #Р-107 „Ремонтне зварювання та паяння компонентів авіаційних двигунів та газових турбін” (п.4.7 загальної програми НТЦУ) та розробки технології ремонту високотемпературного паяння соплових лопаток авіаційного двигуна та створок регулюючого сопла АГТД з тріщинами термічної втоми.

Метою роботи є оптимізація хімічного складу композиційних припоїв, режимів технологічного процесу високотемпературного паяння та створення бор-, кремніймісткого припою для формування високоміцних швів ливарних нікелевих сплавів із задовільною пластичністю при нормальній температурі. Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

1. Вивчити взаємодію бору та кремнію, як депресантів, в композиційних припоях та їх вплив на особливості структури та службові властивості паяних з'єднань нікелевих ЖС, отриманих паянням у вакуумі для: забезпечення надійного змочування припоєм матеріалу підкладки (=3-5) та можливості більш повноцінного заповнення зазору розплавом припою; створення структури з мінімальною кількістю (5-7об.%) вторинних боридних та карбідних фаз у металі шва; зменшення лікваційної неоднорідності шва, обмеження виділення міжосьових боридних евтектик та крихких силіцидних фаз у паяному шві; гальмування дифузії бору з припою в метал, що паяється.

2. Розробити універсальний припій на основі системи Ni-Co-Cr-Al-2,5%В (#1) та наповнювача - сплаву Rene-142 для високотемпературного паяння різних нікелевих ЖС - введенням в базовий склад кремнію як додаткового депресанту у вигляді евтектичної композиції Ni-12%Si.

3. Проаналізувати умови використання нової версії припою для ремонту деталей турбін, визначити фізико-механічні властивості ПЗ жароміцних нікелевих сплавів різного рівня легування. Оцінити вплив ширини зазору на структуру та характеристики міцності ПЗ.

4.Застосувати розроблений бор-, кремніймісткий припій для технології ремонту паянням одиничних деталей та секційних виробів гарячого тракту газових турбін, проведення стендових та натурних випробувань відновлених деталей.

Об'єкт досліджень: Фізико-хімічні та металургійні процеси формування ПЗ нікелевих сплавів при високотемпературному паянні в вакуумі з використанням композиційного припою з наповнювачем з порошків ЖС; особливості перерозподілу бору в паяних швах та його дифузія в основу без та при наявності кремнію в композиційних припоях.

Предметом досліджень є мікроструктура, фазовий склад, дифузійні процеси в паяному шві та на лінії сплавлення, механічні характеристики з'єднань нікелевих сплавів, отриманих паянням з наступною термообробкою, функціональні характеристики відремонтованих деталей турбін.

Методи досліджень: Оптична та скануюча електронна мікроскопія, рентгеноспектральний мікроаналіз структури паяних швів та зломів зразків; рентгенівський флуоресцентний аналіз; вимірювання мікротвердості; диференціально-термічний аналіз комплексних припоїв та їх складових; рентгенодифракційний аналіз фазового складу металу паяних швів та оцінювання параметрів гратки матричного розчину. Випробування на розтяг зразків при кімнатній та високій температурах; дослідження довготривалої міцності ПЗ при 900С; статистична обробка експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

Рентгенодифракційним аналізом підтверджений позитивний вплив додавання (2-2,5)мас.% кремнію у вигляді евтектичної композиції Ni-12%Si у бормісткий композиційний припій, який полягає у стабілізації виділення боридних часток цементитного типу Ni₃B по межах / фаз у процесі кристалізації паяного шва. Завдяки особливостям поведінки кремнію, який може, розчиняючись у нікелевій матриці, входити в гратку нікелю як елемент заміщення чи проникнення, відбувається збільшення об'ємної частки первинної -Ni₃Al фази (через обмежування розчинності Al в твердому розчині). Одночасно забезпечується гомогенне виділення дискретної боридної фази Ni₃B у матриці паяних швів.

Встановлено, що кремній обмежує дифузію бору в метал, що паяється, на глибину до 50-60мкм (після двохступінчатої термообробки) порівняно з 150 - 200мкм для припою без Ni-12%Si.

Показано, що із зниженням складу бору у припої до 0,5мас.% та легуванні бормісткого припою кремнієм, зменшується параметр гратки нікель-хромової матриці до 3,549Е (порівняно з 3,566Е для бормісткого припою) та, відповідно, знижується рівень внутрішніх напружень матриці шва, який обумовлений її викривленням при проникненні атомів бору.

Встановлено, що завдяки звуженню інтервалу Т= Т_Liq -Т_Sol припою з Ni-12%Si та більш повному протіканню процесу кристалізації розплаву, шов, що формується, має дрібнозернисту структуру (dз=30-60мкм) з рівномірно розподіленими в матриці шва дисперсними частками вторинних фаз та відсутністю крихких боридних евтектик типу (Ni)+CrB, (Ni)+CrB+Ni₃B. Визначено, що об'ємна частка вторинних фаз в матриці паяного шву з введенням кремнію зменшується з 39-44,2об.% до 5,1-8,7об.%, а в зломах випробуваних зразків спостерігаються елементи в'язкого та транскристалітного руйнування.

Введення в бормісткий припій у якості додаткового депресанту евтектичної композиції Ni-12%Si (НС12) забезпечує ефективне змочування сплавів, що паяються (=3), відсутність усадки металу шва, зниження його лікваційної неоднорідності, мінімізує мікропористість та виключає виникнення кристалізаційних тріщин у з'єднанні.

Практичне значення отриманих результатів. Робота присвячена дослідженню та вдосконаленню складу композиційного припою з наповнювачем для збільшення технологічної пластичності паяних з'єднань при збереженні їх високотемпературної міцності. Введення в багатокомпонентну бормістку паяльну композицію кремнію у вигляді 1525мас.% припою евтектичного складу Ni-12%Si знижує температуру ліквідус та нейтралізує ерозійний вплив бору на основу, що паяється. Кремній має підвищену розчинність у нікелевій матриці і тому менше, ніж бор, схильний до виділення крихких фаз в металі паяного шва, які є фазами, що збіднюють матрицю на Cr, W, Mo та являються центрами руйнування при навантаженні. Запропонований варіант комплексного припою, який містить низькоплавку складову Ni-12%Si, дозволив значно покращити службові властивості ПЗ ливарних нікелевих ЖС. Це дало змогу підвищити низькотемпературну пластичність паяних з'єднань за рахунок формування структури шва з мінімумом боридних фаз.

Паяні з'єднання нікелевих ЖС, сформовані з використанням відомого припою (NiCoCrAl-2,5%B)+60%Rene-142 при задовільній міцності (_в^пз/_в^ом=0,8-0,87), мають нульову пластичність, яка обумовлена виділенням в металі шва до 40об.% крихких вторинних фаз, основу яких складають боридні евтектики. Встановлена можливість формування паяних з'єднань ливарних нікелевих ЖС з використанням бор-, кремніймісткого припою з 20мас.%(Ni-12%Si), коли кількість депресантів піддержується на нижньому рівні: В?0,5%, Si?2,4%, які мають високу міцність (_в^пс/_в^ом=0,9-1,0) та задовільну пластичність (=4-17%).

Результати технологічних досліджень використані при ремонті паянням створок регулюючого сопла АГТД, робочих лопаток газоперекачувальних агрегатів ГТК10І, сегментів соплових апаратів допоміжних енергосилових установок.

Особистий внесок здобувача. Головні наукові результати, положення та виводи дисертаційної роботи отримані здобувачем особисто. При проведенні досліджень, результати яких опубліковано у співавторстві [1-9], дисертантом виконані мікроструктурні та рентгеноспектральні дослідження хімічного та фазового складу металу швів ПЗ нікелевих ЖС та поверхні їх руйнування при розтязі на скануючому електронному мікроскопі CamScan-4, проведені всі технічні роботи, пов'язані з приготуванням композиційних припоїв, формуванням ПЗ та ремонтним паянням ушкоджених деталей.

Дисертанту належить головна ідея введення в стандартний бормісткий припій евтектичної композиції Ni-12%Si (НС12). Досліджено дифузійні процеси на межі шов/основа у випадку бормісткого припою з кремнієм та без нього; встановлений позитивний вплив кремнію на обмеження дифузії бора в метал, що паяється. Вивчена тонка структура, склад та мікротвердість головних зон паяних з'єднань, сформованих різними припоями після кристалізації та вакуумної термообробки.

Виконана статистична обробка результатів механічних випробувань зразків ПЗ, отриманих припоями без кремнію та з кремнієм (НС12).

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на Міжнародному симпозіумі «Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка» (м. Мінськ, Білорусь ІПМ, 2009г.); на VII міжнародній науково-практичній конференції «Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (м. Санкт-Петербург, Росія, 2009р); на семінарі “Контактні явища та паяння неметалевих матеріалів” в ІПМ ім.І.М. Францевича. НАН України, м.Київ, 2009р.

Публікації: Матеріали дисертаційної роботи представлені у 7-ми статтях в журналі «Современная электрометаллургия», які опубліковані також в журналі «Advances in Electrometallurgy», та в 2-х збірках доповідей на міжнародних конференціях (м. Мінськ та м. Санкт-Петербург - 2009р.)

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з 6-ти розділів, загальних висновків та списку літератури зі 150 найменувань. Робота містить 210 сторінок машинописного тексту, 20 таблиць і 130 рисунків.

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі, які необхідно вирішити у ході досліджень. Представлені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора.

Перший розділ роботи присвячений аналізу сучасного стану наукових та патентних досліджень в галузі високотемпературного паяння нікелевих ЖС. Акцент робиться на технологічні особливості процесу паяння та отримання паяних швів з використанням як депресантів бору та кремнію. Системи припоїв з цими елементами знижують температуру плавлення нікелю на 23/ат.% для Ni-Si та 22,3/ат.% для Ni-B. Бор та кремній є самофлюсуючими депресантами у припоях. Кремній з високою розчинністю в нікелі сприяє покращенню рідиннотекучості розплаву припою та змочуванню поверхні, що паяється; покращує ливарні характеристики, підвищує окалиностійкість та опір газовій корозії метала припою.

Бор та кремній поодинці не забезпечують отримання якісних паяних з'єднань через їх недостатню міцність при розтязі, низьку пластичність, яка обумовлена виділенням в паяних швах центральноосьових та міждендритних боридних евтектик та силіцидних фаз, тобто суттєвій гетерогенізації металу шва. Бор інтенсивно дифундує через високу швидкість дифузії 6,2210^-11м² с^-1 (що на три порядки вище за швидкості дифузії вуглецю чи кремнію - 3,09

10^-14м² с^-1) в основу та сприяє в силу малої розчинності утворенню крихких боридних фаз в шві. Тому забезпечити пластичність з'єднанням припоями з бором немає можливості, а утворення легкоплавких евтектик з компонентами сплаву, що паяється, по межам зерен призводить до міжкристалічної ерозії та руйнуванню деталей. Використання тільки кремнію в припоях веде до утворення в шві крихких силіцидних фаз, які знижують міцність та пластичність з'єднань.

Розглянуто взаємний позитивний вплив бору та кремнію у простих системах припоїв на обмеження утворення крихких фаз у паяних швах та шкідливого впливу депресантів на сплави, які паяються.

Відзначено, що прогресивним етапом в розвитку паяння є створення композиційних припоїв, які складаються з низькоплавких припоїв та наповнювачів - порошків суперсплавів. Розробляючи різноманітні системи припоїв для нікелевих жароміцних сплавів різного рівня легування та технології паяння цими припоями, можна забезпечити з'єднанням жароміцність, жаростійкість та механічні характеристики на рівні сплавів, що паяються.

У другому розділі подані характеристика об'єктів досліджень, режими та обладнання для високотемпературного паяння нікелевих ЖС, розглянуті експериментальні методи досліджень.

В роботі використовувалися нікелеві жароміцні сплави ЧС70ВІ, ВЖЛ12У, ЖС26ВІ та НК. Високотемпературним паянням у вакуумі отримували з'єднання, з яких в подальшому виготовляли зразки для механічних випробувань. Паяні з'єднання формувались у спеціальній оснастці з зазорами 50-200мкм. Зазори шириною 300-850мкм отримували електроерозійним способом у вигляді надрізів в плоских заготівках чи у реальних лопатках для наступного паяння.

Хімічний склад припоїв повинен наближатися до складу сплаву, що паяється, та забезпечувати достатню змочуваність поверхні виробів при температурі паяння з мінімальним розчиненням основи. Як базовий використовували припій (мас%):Ni-9Co-14Cr-4Al-2,5B. Зменшення розчинення основи у розплаві припою досягали введенням в паяльну суміш наповнювачів з порошків сплавів ЧС70ВІ, ЖС6У, ЖС32, Rene-142. Використовували композиційні припої з низькоплавким бормістким припоєм, чи з припоями, які містили бор та кремній одночасно. За допомогою диференціально-термічного та рентгеноструктурного аналізів досліджували процеси плавлення-кристалізації різних варіантів припоїв. Мікроструктуру метала паяних швів, дифузійної зони та лінії сплавлення вивчали на електронному мікроскопі CamScan-4. Розподіл хімічних елементів в різних зонах з'єднань, склад локальних областей та фаз металу шва вивчали за допомогою енергодисперсійного спектрометру Energy-200 з програмним забезпеченням - INCA.

Рентгендифракційним методом вивчали фазовий склад композиційних припоїв та визначали параметр гратки матричного розчину швів. Дослідження проводили у стандартній геометрії -2 на дифрактометрі ДРОН-4 у випромінюванні CоK_б. Для встановлення мікротвердості різних зон паяних з'єднань використовували приставку Duromat 4000E до оптичного мікроскопу «Polivar Met»; об'ємну частку збіднюючої фази в нікелевих сплавах та металі ПЗ визначали за програмою обробки зображень «Atlas».

Міцність та пластичність плоских паяних зразків при кімнатній та високій температурі досліджували випробуваннями на одновісний розтяг зі швидкістю переміщення активного захвату 1мм/хв. Довготривалість ПЗ при 900С та напрузі 196МПа визначали на установці МП-3Г.

Третій розділ присвячений вивченню впливу кремнію на технологічні та структурні характеристики паяних з'єднань, отриманих бормістким припоєм; дається обґрунтування вибору припоїв для високотемпературного ремонтного паяння нікелевих ЖС. Припої, які містять один депресант - бор, при паянні характеризуються кутом змочування 910. Проникаюча здатність компонентів розплаву в основу складала 850-1000мкм з виділенням на лінії сплавлення та в основі великої кількості боридних фаз. Введення в припій наповнювача збільшує в'язкість розплаву та обмежує його проникнення в основу. При використанні композиційного припою #1+Rene-142 кут змочування змінювався з 8,5 - 9,5 (при 40мас.% Rene-142) до 21 (при 60мас.% Rene-142), а глибина проникнення в основу зменшувалась до 750 - 800 мкм.

Найкращу змочуваність підкладок, що паяються, забезпечують евтектичнісистеми припоїв, коли кут змочування 3. Оптимальною системою припою по значенню =3 та мінімальному проникненню в основу є композиція 20%#1+20%НС12+60%Rene-142. При наявності кремнію запропонований комплексний припій забезпечував гарне розтікання по поверхні підкладки та затікання у зазори. Кремній, який вводиться у базовий припій #1+60%Rene-142 у вигляді евтектичної системи Ni-12%Si (НС12), позитивно впливає на структуру метала паяних швів. Звуження інтервалу кристалізації евтектичних сплавів сприяє підвищенню рідиннотекучості, зменшенню здатності до усадки і ліквації та утворенню пор і кристалізаційних тріщин.

Проникаючу властивість бору в метал, що паяється, досліджували для 4 -х композиційних системах припоїв. При складі бору 1,0мас.% зона фронтального утворення боридів хрому на лінії сплавлення досягала 150-300мкм. При використанні припою #1+20%НС12+60%Rene-142 проникнення бору в основу не спостерігали навіть на межі припій/основа, а кількість евтектичних фаз у шві значно зменшувалась.

Міцність та пластичність ПЗ визначаються фазовим складом припоїв, що використовуються, та структурою швів. Результати диференціально-термічного аналізу (ДТА) паяльних сумішей дозволили якісно оцінити інтенсивність поліморфних перетворень при кристалізації припоїв. При збільшенні легуючих компонентів ускладнюється характер кривих ДТА та розширюється температурний інтервал кристалізації припоїв, а на кривих просліджується різноманіття шпилів, які відповідають перетворенням в припої при плавленні- кристалізації.

По структурі припою NiCoCrAl-2,5%B(#1) та інтенсивності шпилів на кривих ДТА видно, що в ГЦК-нікелевім матричнім розчині знаходиться значна кількість евтектик типу +Ni₃B та -Ni +Ni₃B+CrB. Боридні евтектики, особливо ті, які містять CrB, негативно впливають на пластичність та міцність з'єднань. Вони роблять крихким закристалізований припій, а наявність легкоплавких боридних евтектик підвищує ризик оплавлення ПЗ при кінцевій термообробці.

При введенні в низькоплавкий припій #1 наповнювача порошку Rene-142 значення температур T_S и T_L підвищувались, а інтервал кристалізації композиційних припоїв - розширювався. Доля бору в розплаві зменшувалася до 1мас.%, завдяки чому низькотемпературний шпиль утворення трійної низькотемпературної евтектики -+Ni₃B+CrB на кривій ДТА був відсутнім. Але частка вторинних складових (квазібінарниx евтектик на основі Cr у вигляді -твердого розчину та інтерметалідів хрому з частковим заміщенням W, Mo, Re та міждендритних складно легованих евтектик, основою яких є +Ni₃B) в твердому розчині припою зберігається достатньо значною, досягаючи 40об.%. Кінцева термообробка не забезпечила необхідного запасу міцності паяним з'єднанням з великою кількістю боридних фаз - всі зразки при розтязі руйнувались крихко.

Завдяки легуванню припою 40%#1+60%Rene-142(#11) порошком НС12 змінювалась структура та фазовий склад метала паяних швів, що дозволило покращити технологічні властивості паяних з'єднань. Криві ДТА плавлення-кристалізації припою 20%#1+20%НС12+60%Rene-142 мали слабо виявлений характер шпилів, а Т_L припою знизилась на 60С порівняно з бормістким припоєм 11.

Кремній сприяє зменшенню об'ємної частки та розміру вторинних фаз в закристалізованому припої, дискретному характеру їх розподілу по межах дендритів. Інтервал кристалізації звужується на 40-50С при однаковій для обох припоїв (#11 та #12) температурі паяння. Тому процес кристалізації бор-, кремніймісткого припою проходить з меншою швидкістю і більш повноцінно. Через збільшення відносної концентрації нікелю у шві при введенні припою НС12 (Ni-12%Si) бор знижується до 0,5 мас.%, тому об'ємна частка боридів у шві зменшується. В структурі штрихові евтектики -Ni+CrB не виявлялись, а залишкові евтектики типу -Ni+Ni₃B знаходились у вигляді ізольованих включень в матриці шва. Зменшення частки боридних евтектик до 5-8об.%, порівняно з 39-44% у бормісткому припої #11 є позитивним результатом легування розплаву припою порошком НС12. Боридні евтектики надають крихкості ПЗ при 20С, а при температурі відпалу 1080-1160С розплавляються та витікають зі шва, через що в металі паяних швів виникають пори та раковини. Кристалізація комплексних припоїв з (15-25)мас.%НС12 має складну природу - на термограмах є чотири перегини. Температури Т_S и Т_L цих сплавів практично однакові, але об'ємна частка структурних складових розрізняється. Кількість складнолегованої евтектики та боридів Cr була більше в структурі припою з 15%НС12 (#13) порівняно з припоями #12, #14. При введенні 25%НС12 спостерігали одиничні утворення, по хімічному складу близькі до силіциду Ni₃Si, розміром до 3мкм. Таким чином при 20мас.% НС12 отримували структуру припою з мінімальною лікваційною неоднорідністю та кількістю вторинних фаз.

Рентгенодифракційні картини припоїв #1, #11 та #12 (з Si) містили лінії -матричного разчину на основі нікелю та двох типів боридів CrB та Ni₃B. У бормісткому припої #11 інтенсивність ліній твердого розчину була незначною, що свідчило про значну об'ємну частку вторинних фаз. По інтенсивності ліній CrB встановлено, що їх найбільше знаходиться у припоях

NiCoCrAl-2,5%B(#1) та #1+60%Rene-142(#11). Зв'язування хрому в боридні сполуки CrB призводить до втрати жаростійкості у зв'язку зі зменшенням вмісту хрому в матриці шва. В припої з кремнієм інтенсивність рентгенівських ліній боридних фаз була незначною, тому кількість їх в металі шва значно менша. При наявності кремнію бор виділяється в основному у вигляді дисперсних часток Ni₃B розміром 0,3-0,7мкм як по осям дендритів, так і в міждендритних областях. Борид Ni₃B має структуру цементитного, тобто дисперсіонно-зміцнюючого типу. Кремній стабілізує (згідно Гольдшмідту) борид Ni₃B та як компонент, розширяючий кристалічну гратку, сприяє проникненню бору в гратку цементиту.

На рентгенодифракційній картині кремніймісткого припою (#12) спостерігаються шпилі інтенсивності інтерметалідної фази -Ni₃Al, яка виділяється з твердого розчину при охолодженні. Її об'ємна частка значна вже у процесі кристалізації, порівняно з бормістким припоєм, де цих шпилів практично не видно. Найближче до рівноважного стану в процесі кристалізації прагне припій з 20% НС12 (#12), забезпечуючи мінімум вторинних фаз та їх дискретний розподіл по межах дендритів.

Кремній тормозить дифузію бору через лінію сплавлення в сплав, що паяється, та обмежує його міграцію по межах зерен основного металу.

Глибина дифузії бору при використанні припою #1+60%Rene-142 складає 100-200мкм. Проникаючи в метал, бор може спричиняти ерозію основи. Кремній, дифундуючи в основу всього на 25-40мкм, обмежує проникнення бору на глибину до 50мкм.

Методами скануючої дифракційної мікроскопії встановлено, що кремній, повністю розчиняючись (до 2,4мас.%) в нікель-хромовому твердому розчині металу шва, знижує рівень внутрішніх напружень в кристалічній гратці. Це відображується у зменшенні параметру гратки -розчину з а =3,566Е (для бормісткого припою) до 3,549Е (для припою, легованого кремнієм).

Четвертий розділ роботи узагальнює результати мікроструктурних досліджень зразків ПЗ ряду ливарних нікелевих сплавів. Запропонований склад комплексного припою 20%#1+20%НС12+60%Rene-142 задовольняв вимоги технології високотемпературного паяння ЖС, оскільки:

- в процесі витримки при 1200-1230С (10-20хв) забезпечується формування щільного паяного шва з чарунково-дендритною структурою з мінімумом карбоборидних вторинних фаз, розподілених у міжосьових областях, які складали (5,1-8,7)об.% порівняно з (39-44,2)об.% для припою 40%#1+60%Rene-142; вирівнюється лікваційна неоднорідність металу шва після кінцевої термообробки (доля вторинних фаз досягає 4,2-5,9об.%);

- забезпечується регулярна (+)- структура паяного шва з об'ємною долею зміцнюючої -фази 38-63% по осям дендритів (в залежності від легування сплаву, що паяється);

- в структурі шва відсутні центральноосьові та міждендритні карбоборидні евтектики та крихкі силіцидні фази, а евтектики -Ni+Ni₃B знаходяться лише у вигляді ізольованих часток в матриці шва;

- на межі основи, що паяється, та металу припою формується зона взаємної дифузії шириною 30-60 мкм, порівняно з 150-250мкм для припою 40%#1+60%Rene-142, яка містить в основному дисперсні частки МеС та дискретні голкові фази Ме₆С (до 10об.%).

Хімічний склад металу паяних швів при використанні комплексного припою 20%#1+20%НС12+60%Rene-142, для сплавів ЧС70ВИ, ВЖЛ12У та ЖС26ВІ і НК практично однаковий та відрізняється тільки складом окремих легуючих елементів, які дифундують з основи в розплав припою, наприклад, Ti (ВЖЛ12У), Nb, V (ЖС26).

В процесі термообробки в матриці шва та в дифузійній зоні виділяється регулярна зміцнююча -фаза з розміром часток 0,1-0,5мкм. Із збільшенням часу старіння при 1050С до 5год густина виділень зміцнюючої фази зростає, а форма часток змінюється від кулястої до кубоїдної, забезпечуючи задовільне дисперсіонне зміцнення матриці шва. Об'ємна частка -фази в металі шва з'єднання, сформованого кремній-, бормістким припоєм, в зазорі реальної лопатки після старіння складала 59-60% порівняно з 35-41% при використанні припою без кремнію. Лікваційна неоднорідність у випадку останнього досягала 40об.%, що в 4-5 разів більше, ніж при пайці запропонованим припоєм. Характер розподілення мікротвердості в паяних з'єднаннях підтвердив мінімальну гетерофазність металу шва з кремнієм як після кристалізації, так і після термообробки. В цьому випадку структура шва являла собою -розчин (Н=4240 МПа) з дискретними виділеннями карбідних фаз МеС и Ме₆С. Мікротвердість матриці шва після термообробки знижувалась та становила приблизно однаковий рівень (Н=4100 МПа) у всіх зонах ПЗ. У бормісткому припої без кремнію мікротвердість лінії сплавлення та дифузійної зони зростала (до Н=5150МПа) завдяки зустрічній дифузії компонентів шва і основи, та утворенню розвинутої дифузійної зони на глибину до 250мкм. Вторинні карбоборидні фази у шві зберігались після термообробки та збільшувались. Розсіяння значень мікротвердості шва свідчило про значну гетерофазність ПЗ, сформованих припоєм #1+60%Rene-142. В матричному розчині швів, отриманих з використанням бормісткого припою після двоступеневого відпалу, були виявлені складнолеговані евтектики (Н=8480МПа), карбіди МеС (Н=22150МПа), Ме₆С (Н=18785МПа), Ме₂₃(С,В)₆ (Н=13180МПа), які зменшували міцність ПЗ при навантаженні у результаті передчасного руйнування по зонах, збагачених на карбідні та карбоборидні евтектики.

Результати досліджень фізико-механічних характеристик ПЗ складають зміст п'ятого розділу роботи.

Змінюючи структуру металу паяних швів, впливали на роботу руйнування та, відповідно, на міцність ПЗ нікелевих сплавів. Були виконані порівняльні випробування плоских зразків з'єднань, отриманих паянням при температурі 1190-1230С бормістким припоєм #1+60%Rene-142 та припоями #1+(15-25)%НС12+60%Rene-142 після двоступеневої термообробки у вакуумі.

При паянні пластин сплаву ЧС70ВІ без зазору припоєм NiCoCrAl-2,5%B добротність Д=_в^П.С./_в^о.м. паяних з'єднань не перевищувала 0,65 через утворення у шві карбоборидних фаз евтектичного типу, які впливали на крихкість з'єднань. Більш високий рівень міцності ПЗ сплаву ЧС70ВІ при 20°С, був отриманий при використанні композиційних припоїв #1+(3060)%(Rene-142+ЧС70ВІ). Добротність ПЗ при цьому складала 0,85-0,92. Така міцність була досягнута за рахунок формування дрібнозернистої структури шва, легування розплаву припою Ta, Re, Hf, задовільного змочування та оплавлення припоєм порошинок наповнювача, обмеження глибини проникнення припою (ерозії) в основу через зменшення відносної концентрації бору.

Суттєвий позитивний ефект від введення в бормісткий припій #1+(40-60)%Rene-142 порошку Ni-12%Si був досягнутий при ремонтному паянні створок регулюючого сопла АГТД (сплав ВЖЛ12У). З'єднання, отримані комплексним припоєм з кремнієм, показали високу стабільність характеристик міцності при випробуваннях на розтяг. Добротність Д зразків при 20С складала - 0,82…1,0, а відносне подовження ПЗ досягало 5..7%; при паянні припоями без кремнію подовження не перевищувало 2,3%. Кращі результати були отримані при введенні в припій 20%НС12. При 900С добротність з'єднань сплаву ВЖЛ12У, сформованих припоєм з НС12, склала 0,72…0,87. Високотемпературне руйнування ПЗ завжди проходило по шву.

Стабільний рівень міцності з'єднань сплаву ЖС26ВІ (Т_паян= 1220С на протязі 15-20хв) після 2-х ступеневої термообробки при 20С склав _в=700-730МПа при відносному подовженні =6,5-13%. Результати випробувань ПЗ на розтяг, отриманих паянням при 1220 и 1230С показали, що верхньою межовою температурою паяння сплаву ЖС26ВІ припоєм #1+60%Rene-142 та припоєм з кремнієм є 1230С, при якій паяні з'єднання починають руйнуватися крихко по досягненні межі текучості (_в=500-550МПа) у зв'язку з огрубінням карбоборидних фаз, що виділялися в матриці паяного шва.

Технологія високотемпературного паяння сплавів направленої кристалізації має свої особливості. Максимальне значення тимчасового опору металу мають зразки, вісь яких близька до направлення 111 та 001. Стабільна міцність ПЗ сплаву ЖС26НК, отриманих з використанням комплексного припою з НС12, перевищувала міцність з'єднань ЖС26ВІ після аналогічної термообробки. Максимальна міцність ПЗ досягала 1067 МПа, а подовження - (15-23)%. Можливо, що в цьому випадку вісі зразків були близькі до орієнтації 100. Міцність паяних з'єднань зразків, вирізаних з пластин сплаву ЖС26НК повздовж направлення росту дендритів та поперек їх росту була майже однакова та складала 800 - 890МПа при відносному подовженні 4,2-10,5%.

При високотемпературному паянні сплаву з направленою структурою ефективно «працюють» межі дендритів I и II порядку, по яким проходить проникнення припою в основний метал.

При використанні в ремонтному паянні припою з кремнієм отримані бездефектні з'єднання сплаву ЖС26НК з натуральним зазором від 50 до 950 мм при t_паян=1225С (15хв). Найбільш високі показники міцності ПЗ сплаву ЖС26НК досягнуті при зазорах 200-220мкм (_в=1065 МПа). При подальшому збільшенні ширини зазору міцність залишалася стабільною на рівні 850 МПа (тобто була близька до паспортного значення для сплаву ЖС26НК). При малих зазорах (150-300мкм) міцність ПЗ сплаву ЖС26ВІ складала - (750-770)МПа. Поєднання високої міцності (Д=0,95-1,0) та низькотемпературної пластичності (=2,5-10,5)% ПЗ забезпечувалося гомогенною (+)-структурою з мінімумом вторинних фаз у випадку використання припою з НС12. Руйнування таких ПЗ при розтязі проходило по дифузійній зоні чи по основному металу. Довготривалу міцність сплавів та їх паяних з'єднань оцінювали при температурі 900С, вище якої суттєву роль грає фактор орієнтації росту кристалів в металі. Після стандартного відпалу довготривалість сплаву ЖС26ВІ, яка досліджувалась при напрузі 35кг/мм² (343МПа), зберігається достатньо низькою та визначається якістю сплаву, що паяється. Паяні з'єднання сплаву ЖС26ВІ, сформовані з використанням комплексних припоїв з (15-20)%НС12 та відпалені при 1160С(2год)+1050С(2год), випробувались на довготривалу міцність при напрузі 196МПа. Довготривала міцність ПЗ з технологічними зазорами шириною 200-800мкм досягала 1,5 - 22 год. При цьому визначались властивості металу шва. Для сплаву ЖС26НК спостерігали значне збільшення довготривалої міцності як основи, так і паяних з'єднань. Зразки ПЗ після 30-68год випробувань руйнувались по металу шва з подовженням =1,5-3,5%. Довготривалі випробування ПЗ у випадку бормісткого припою супроводжувалися інтенсивною дифузією бора в підкладку, що паялася. За 1год високотемпературного впливу на зразок ПЗ сплаву ЖС26 глибина проникнення бору склала більше 1мм, а після 22год випробувань - досягала 1,5-3мм на кожну з сторін зразка. В металі шва паяного з'єднання спостерігали проплавлення евтектичних фаз та високотемпературне окислення, що є небезпечним при експлуатації. Застосування бор-, кремніймісткого припою #1+20%НС12+60%Rene-142 суттєво нейтралізувало дифузію бору в основу, що паяється. Після 28год високотемпературного впливу під напругою 195МПа ширина дифузійної зони склала 30мкм, а після 68,5год - не більше 120мкм, причому кремній взагалі не спостерігається у металі, що паяється.

Результати матеріалознавчих досліджень ПС нікелевих ЖС реалізовані в дослідно-промисловій технології відновлення ливарних деталей гарячого тракту ГТД та ГТУ паянням, елементи якої представлені в розділі 6. Показана принципова можливість формування швів в капілярних та технологічних зазорах на деталях із сплавів ЧС70ВІ, ЭП648, ВЖЛ12У, ЖС26НК, ЖС6К шириною від 350 до 1000мкм. При відновленні соплових лопаток із сплаву ЧС104 з використанням композиційного припою була отримана герметизація відкритих ливарних дефектів зі сторони трактової поверхні на глибину до 350мкм. Склад комплексного припою 20%#1+20%(Ni-12%Si)+60%Rene-142 виявився універсальним та дозволив отримувати щільні з'єднання великої протяжності при ремонтному паянні дефектів на поверхні деталей гарячого тракту ГТД. Припої з складовою НС12 відрізнялися якісним заповненням капілярів, мали прекрасну рідинотекучість по поверхні, що відновлювалася, забезпечували формування паяних швів з мінімальною кількістю крихких фаз. Відновлені паянням у вакуумі робочі лопатки ГТК-10І зі сплаву ЧС70ВІ поставлені в промислову експлуатацію на КС «Первомайская» та «Новопсков»; відреставровані соплові апарати авіаційних ВСУ зі сплаву ЭП648 передані Заявнику в м.Одеса на випробування.

Для ФГУП «Салют», м. Москва, розроблена технологія ремонту створок регулюючого сопла АГТД високотемпературною пайкою з використанням фторуглеродного чищення поверхні тріщин термічної втоми. В ІПМ НАН України були проведені 100-годинні газодинамічні випробування фрагментів створок зі сплаву ВЖЛ12У, які мали запаяні тріщини (час термоциклу: =90с; t_мах=1000С). Ніякого руйнування фрагментів створок не спостерігалося, що підтвердило придатність відремонтованих деталей до подальшої експлуатації. Відновлені деталі були передані Заявнику на випробування. Отримані результати показали ефективність технології ремонту створок сопла високотемпературним паянням у вакуумі.

Загальні висновки

1. Розглянута фізико-хімічна природа впливу (2..3мас.%) кремнію на особливості кристалізації композиційного бормісткого припою (мас.%): Ni-14Cr-9Co-3,8Al-2,5B(#1) з наповнювачем з порошку сплава Rene-142,%: Ni-Co-W-Mo-6,1Al-6,8Cr-6,3Ta-2,8Re-1,5Hf в процесі високотемпературного паяння ливарних нікелевих ЖС. Показано, що введення кремнію у вигляді евтектичної композиції Ni-12%Si (НС12) забезпечує ефективне змочування підкладки, що паяється (=3), знижує температуру ліквідус на 60С, температуру розчинення карбідів та звужує інтервал кристалізації композиційних припоїв, завдяки чому подрібнюється структура шва та його складових.

2. В результаті легування розплаву припою нікелем (та кремнієм) при введенні порошку НС12 знижується кількість карбоборидних (вторинних) фаз в паяному шві з f=39-44,2об.% (у разі припою 40%#1+60%Rene-142) до f=5,1-8,7 об.%. Більш низька швидкість кристалізації, як слідство звуження інтервалу Т=Т_Liq-Т_Sol припою, сприяє більш повноцінному протіканню поліморфних перетворень та, відповідно, зміні морфології фаз та суттєво меншій гетерогенізації структури метала паяних швів та дифузійної зони. Об'ємна частка f вторинних фаз після термообробки паяних з'єднаннь складає 4,2 - 5,9об.% порівняно з f=14,6 - 17об.% для бормісткого припою.

3. Встановлено, що наявність НС12 в композиційному припої #1+60%Rene-142 виключає утворення боридних евтектик типу (Ni)+CrB, -(Ni)+Ni3B+CrB, які знижують жаростійкість металу паяного шва та викликають крихке руйнування паяних з'єднань.

Легування бормісткого припою 20мас.% НС12 забезпечує мінімальну кількість вторинних фаз та обмежену лікваційну неоднорідність металу паяних швів. При 15% НС12 в структурі шва зберігаються складнолеговані межосьові евтектики та карбідні фази, об'ємна частка яких складає f=6,8-7,5%, а при 25мас.% спостерігаються крихкі силіцидні фази.

4. Рентгенодифракційними дослідженнями показано, що кремній в бормісткому припої послаблює рівень внутрішніх напруг в твердому розчині паяного шва, які виникають внаслідок викривлення кристалічної гратки нікель-хромової матриці шва в результаті проникнення атомів бору. З введенням в бормісткий припій порошку Ni-12%Si параметр кристалічної гратки матриці зменшується з а=3,566Е (для бормісткого припою) до 3,549Е (для припою, легованого кремнієм).

Кремній стабілізує виділення в металі шва ізольованих боридних фаз Ni₃B цементитного типу, забезпечуючи тим самим технологічну пластичність паяним з'єднанням. Він обмежує дифузію бору по межах зерен сплавів на глибину до 30-50мкм та утримує його у шві, запобігаючи ерозії сплавів, що паяються.

5. Встановлено, що використання в композиційних припоях наповнювачів з порошків сплавів Rene-142 та Ni-Co-Mo-W-2,8Al-15,9Cr-4,7Ti (ЧС70ВІ) підвищило добротність Д=в^пз/в^ом паяних з'єднань при 20С до 0,85 - 0,92 (порівняно з припоєм Ni-Co-Cr-Al-2,5%B, коли Д не перевищувала 0,65).

6.На базі розробленої композиції припою для високотемпературного паяння нікелевих ЖС, яка складається з Ni-Co-Cr-Al-B(#1)+(1520)мас.%НС12+ (5060)мас.%Rene-142, сформовані паяні з'єднання сплавів ВЖЛ12У, ЖС26ВІ з добротністю - 0,9…1 та відносним подовженням =2,5-10,5%.

7.Показано, що міцність паяних з'єднань сплаву ЖС26НК, отриманих з використанням припою з НС12, перевершує міцність з'єднань зі сплаву ЖС26ВІ після аналогічної термообробки, що свідчить про пряму залежність механічних характеристик з'єднань від властивостей сплавів, що паяються. Максимальна досягнута міцність паяних з'єднань сплаву ЖС26НК складала 1067МПа, а подовження - (15-23)%.

8. Розроблений бор-, кремніймісткий припій дозволив сформувати паяні з'єднання, які слабовідчутні до величини зазору. В технологічних зазорах шириною 350- 950мкм та глибиною до 4мм для сплаву ЖС26НК відмічено якісне заповнення та формування паяних швів зі щільною структурою, задовільною міцністю та пластичністю.

9.Результати технологічних досліджень реалізовано при відновленні паянням створок АГТД, робочих лопаток турбін ГПА та сегментів соплових апаратів енергосилових установок. Склад комплексного бор- та кремніймісткого припою є універсальним, який дозволяє отримувати якісні з'єднання значної протяжності при ремонтному паянні деталей теплонавантажених турбін.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1.Прочность и металловедение паяных соединений литейного никелевого сплава ЧС70 ВИ/ И.С. Малашенко, В.В. Куренкова, Белявин А.Ф. и др.-//Современ. электрометаллургия. - 2006. - №1. - С.23- 35.(Advances in Electrometallurgy).

2.Кратковременная прочность и микроструктура паяных соединений сплава ВЖЛ12У, полученных с использованием борсодержащего припоя с присадкой кремния/ И.С. Малашенко, В.В. Куренкова, А.Ф. Белявин, В.В. Трохимченко// Современ. электрометаллургия. - 2006. - №4. - С.26-42. (Advances in Electrometallurgy).

3.Кратковременная прочность паяных соединений никелевого сплава ВЖЛ12У при 20 и 950С/ В.В.Куренкова, И.С. Малашенко, В.В. Трохимченко и др. // Современ. электрометаллургия. - 2006. - № 3. - С.30-40. (Advances in Electrometallurgy).

4.Механические свойства и структура паяных соединений литейного никелевого сплава ЖС26 ВИ. Часть 1/ И.С. Малашенко, В.В.Куренкова, Е.В.Оноприенко и др.// Современ. электрометаллургия. - 2007. - №1. -25-32. (Advances in Electrometallurgy).

5. Механические свойства и структура паяных соединений литейного никелевого сплава ЖС26 ВИ. Часть 2. / В.В. Куренкова, Е.В.Оноприенко, И.С. Малашенко и др. - Современ. электрометаллургия. - 2007. - №2. - С. 23-34. (Advances in Electrometallurgy).

6.Структура и прочностные свойства паяных соединений литейного никелевого сплава ЖС26НК. ЧастьI /И.С. Малашенко, В.В.Куренкова, А.Ф.Белявин и др. //Современ. электрометаллургия. - 2007. - №4. - С.34-41. (Advances in Electrometallurgy).

7.Структура и прочностные свойства паяных соединений литейного никелевого сплава ЖС26НК. Часть II. Куренкова В.В., Оноприенко Е.В., Малашенко И.С. и др.//Современ. электрометаллургия. - 2008. - №1. - С.26-35. (Advances in Electrometallurgy).

8. Куренкова В.В. Композиционный припой для высокотемператуной пайки жаропрочных никелевых сплавов / В.В.Куренкова, И.С.Малашенко// Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка: Сборник докладов Междунар. Симп. Минск, 25-27марта, 2009, в 2-х ч. - Минск. - 2009. - ч 2. - С.209-217.

9. Куренкова В.В.Высокотемпературная пайка никелевого сплава ЖС26 бор,- кремнийсодержащим припоем с наполнителем /В.В.Куренкова, В.В.Трохимченко //:Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование: Сборник трудов VII международной научно-практической конференции “Исследование, разработка и применение високих технологий в промышленности». С-Петербург, 28-30апреля, 2009.- С.-Петербург. - 2009.- С.352-358.

Анотація

Куренкова В.В. Високотемпературне паяння ливарних жароміцних нікелевих сплавів бор-, кремніймістким припоєм. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 -Зварювання та споріднені процеси і технології. - Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2009р.

Розглянуті матеріалознавчі особливості отримання паяних з'єднань (ПЗ) ливарних нікелевих жароміцних сплавів з метою ремонту тепло- навантажених деталей газотурбінних двигунів та енергосилових установок. Однією з проблем ремонтного паяння є низький рівень пластичності шва та дифузійної зони шов/ основа у зв'язку з гетерогенізацією структури та виділенням центральносьових та міждендритних боридних/ карбоборидних евтектик в металі шва у процесі кристалізації.

Розроблено спосіб нейтралізації негативного впливу бору у композиційному припої NiCoCrAl-2,5%B+наповнювач-сплав Rene-142 - введенням у нього (15-25)мас.% припою Ni-12%Si евтектичного складу. Використовуючи взаємний вплив бору та кремнію (як двох елементів проникнення) та легування розплаву припою нікелем, обмежено дифузію бору у сплави, що паяються, знижена температура ліквідус комплексного припою на 60С. Досягнутий рівномірний розподіл у шві дисперсних карбоборидних фаз, їх об'ємна частка після термообробки сягає f=4,2-5,9%. Це дозволило підвищити технологічну пластичність та міцність ПЗ. Введення порошку припою Ni-12%Si в композиційний припій NiCoCrAl-2,5%B+60мас.%Rene-142 виключило утворення боридних евтектик -Ni+CrB у шві. Легування кремнієм знижує рівень внутрішніх напруг кристалічної гратки матричного розчину припою. У процесі кристалізації шва бор виділяється насамперед у вигляді дисперсних часток Ni₃B по межам / фаз.

Досліджені мікроструктура, фазовий склад, міцність та пластичність метала ПЗ сплавів ЧС70ВІ, ВЖЛ12У, ЖС26ВІ та НК. Добротність (_в^ПЗ/_в^ОМ) ПЗ при 20С у залежності від типу сплаву, що паявся, складала 0,92-1. Ширина технологічного зазору (чи капіляру) у межах 50-950мкм практично не впливала на міцність ПЗ сплаву ЖС26НК при кімнатній температурі, довготривала міцність при 900С трохи зменшувалася із збільшенням ширини зазору.

Універсальний бормісткий припій з добавкою 20мас.%Ni-12%Si евтектичного складу використовувався у ремонті поверхневих та внутрішніх дефектів деталей гарячого тракту турбін високотемпературним паянням.

Ключові слова: Паяння у вакуумі, ремонт, ливарні нікелеві ЖС, бормісткий припій, порошок наповнювача Rene-142, припій НС12, комплексний бор-, кремніймісткий припій, паяне з'єднання, міцність, пластичність, руйнування, структура, межа сплавлення, дифузія, гетерогенізація.

Аннотация

Куренкова В.В. Высокотемпературная пайка литейных жаропрочных никелевых сплавов бор-, кремнийсодержащим припоем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 -Сварка и родственные процессы и технологии - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2009г.

Рассмотрены материаловедческие особенности получения паяных соединений (ПС) литейных никелевых жаропрочных сплавов для целей ремонта теплонапряженных деталей газотурбинных двигателей и энергосиловых установок. Одна из проблем ремонтной пайки заключается в низкой пластичности шва и диффузионной зоны шов/ основа в связи с гетерогенизацией структуры и выделением центральноосевых или междендритных боридных/ карбоборидных эвтектик в металле паяного шва в процессе его кристаллизации.

Сущность работы заключается в разработке способа нейтрализации негативного влияния бора в композиционном припое NiCoCrAl-2,5%B+ наполнитель-сплав Rene-142 - введением в него (15-25)мас.% припоя Ni-12%Si эвтектического состава. Используя взаимовлияние бора и кремния (как двух элементов внедрения) и частичное разбавление расплава припоя никелем, удалось ограничить диффузионное проникновение бора в паяемые сплавы, снизить температуру ликвидуса комплексного припоя на 60С, добиться более высокой гомогенности металла шва при кратковременной (10-25мин) высокотемпературной (1200-1230)С пайке в вакууме. Выделение равномерно распределенных в шве дисперсных карбоборидных фаз, объемная доля которых после термообработки составляет f=4,2-5,9%, близкая к глобулярной форма карбидных частиц позволили повысить технологическую пластичность и прочность ПС.

Введение порошка припоя Ni-12%Si в композиционный припой NiCoCrAl-2,5%B+60мас.%Rene-142 исключает образование боридных эвтектик -Ni+CrB, образование которых приводит к снижению жаростойкости металла паяного шва и хрупкому разрушению соединений ниже предела текучести. Легирование кремнием снижает уровень внутренних напряжений кристаллической решетки матричного раствора припоя, а бор по данным рентгенодифракционных исследований выделяется преимущественно в виде дисперсных включений Ni₃B по границам / фаз в процессе кристаллизации шва.

Проведено систематическое исследование микроструктуры, фазового состава, прочности и пластичности металла ПС сплавов ЧС70ВИ, ВЖЛ12У, ЖС26ВИ и НК. Добротность (_в^ПС/_в^ОМ) ПС при 20С в зависимости от вида паяемых сплавов составляла 0,92-1. Установлено, что ширина технологического зазора (или естественного капилляра) в пределах 50 - 950мкм не влияет на прочность ПС сплава ЖС26НК при комнатной температуре с минимальной шириной зоны взаимной диффузии на границе с паяемым металлом. Глубина надежного паяного шва в теле лопатки достигала 4мм. С увеличением ширины зазора длительная прочность при 900С незначительно снижалась. При длительном высокотемпературном воздействии нагрузки проникновение бора в паяемый металл после 22ч достигало 3мм в ПС, сформированных борсодержащим припоем. В случае использования бор-, кремнийсодержащего припоя после 68ч длительных испытаний диффузионная зона не превышала 120 мкм.