ТИТАНОВО-ЦИРКОНИЕВЫЙ СПЛАВ Российский патент 1997 года по МПК C22C14/00 

Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно к сплавам на основе титана, используемым в промышленности, в частности для пайки титана, циркония и их сплавов, для соединения керамики, а также, в силу своих специфических свойств, может применяться в качестве конструкционных и износостойких материалов, упругих элементов, катализаторов для различных химико-технологических процессов, геттеров и адсорбентов, для изготовления различных видов высокопрочного режущего инструмента и нанесения кооррозионно-стойких покрытий.

Ввиду высокой температуры плавления титана (1760^oC) для пайки обычно используют двойные эвтектические сплавы титана, например, с медью, никелем, марганцем, железом.

Для того, чтобы упростить пайку, некоторые припои изготавливают в виде гибкой пластичной аморфной ленты методом литья расплава на вращающийся металлический диск (метод спиннингования расплава). Известны аморфные эвтектические сплавы систем Ti-Cu, Ti-Ni, Zr-Ni, полученные в виде тонких аморфных лент толщиной до 30 мкм (см. например "Быстрозакаленные металлические сплавы: материалы пятой международной конференции. М. "Металлургия", 1969, с. 67, Physical Rev. B 19, р. 3943).

Однако известные сплавы имеют относительно высокие температуры плавления (более 1000^oC), что обуславливает высокую температуру пайки и сильное взаимодействие с соединяемыми материалами. К тому же, аморфные ленты из этих сплавов не могут быть получены спиннингованием на воздухе.

Наиболее близким по своей технической сути является сплав на основе титана ВПР-28 выпускаемый по ТУ 48-05-72-6-249/Э91 имеющий следующее соотношение ингредиентов, мас.

цирконий 9 13
никель 18 24
медь 10 14
титан остальное до 100
Этот сплав предназначен для пайки деталей из титана и титановых сплавов при температуре свыше 980^oС в вакууме или защитной атмосфере.

Этот сплав имеет температур плавления 900 950^oС и может быть изготовлен в вакууме в виде аморфной пластичной ленты толщиной до 40 мкм. Однако, относительно высокая температура плавления не позволяет получать пластичную ленту на воздухе. Сплав предназначен для пайки титана и его сплавов и мало пригоден для соединения титана с другими материалами. Высокая температура пайки данного сплава (свыше 980^oC) приводит к сильному взаимодействию с соединяемыми пайкой материалами.

Основной технической задачей настоящего изобретения является повышение качества пайки за счет повышения активности припоя при пайке в первую очередь разнородных материалов при одновременном снижении температуры плавления сплава и обеспечении возможности изготовления из них пластичной ленты методом спиннингования на воздухе.

Для решения поставленной задачи в титаново-циркониевом сплаве, содержащем медь и цирконий, изменено содержание меди и циркония, а также никель заменен железом при следующем соотношении компонентов, проценты массовые:
медь 15,0 30,0
цирконий 5,0 50,0
железо 10,0 20,0
титан со случайными примесями остальное
Более того, в состав сплава дополнительно введена активирующая добавка, выбранная из ряда элементов в суме или по отдельности: кремний, ниобий, молибден, германий, бор, олово, никель, кобальт, алюминий, ванадий, хром, марганец, бериллий при следующем соотношении компонентов, проценты массовые:
медь 15,0 30,0
цирконий 5,0 50,0
железо 10,0 20,0
активирующая добавка 0,2 5,0
титан со случайными примесями остальное
При разработке сплава было решено в качестве основной структурной составляющей сплава зафиксировать фазу с решеткой типа CuA12. Этот тип решетки обладает широкой областью гомогенности. Для этого в сплав вместо никеля добавлено железо. В результате образовалась сложная фаза (Ti, Zr)2(Cu, Fe) со структурой типа CuA12, где железо почти наполовину замещает медь, а цирконий
титан. В результате усложнения структуры снижается температура плавления сплава и уменьшается его окисляемость на воздухе. Это дает возможность изготовления пластичной ленты методом спиннингования на воздухе.

При пайке разнородных материалов для лучшего смачивания паяемых материалов и повышения активности припоя при уменьшении взаимодействия припоя с паяемым материалом необходимо присутствии в сплаве элементов, входящих в состав паяемых материалов. Так, например, при пайке титана с ванадием, необходимо присутствие в сплаве некоторой доли ванадия. Однако при этом не должна меняться температура плавления и структура сплава.

В нашем случае, благодаря широкой области гомогенности, в фазе (Zr, Ti)2(Fe, Cu) может растворяться вместе или по отдельности до 5 процентов кремния, ниобия, молибдена, германия, бора, олова, никеля, кобальта, алюминия, ванадия, хрома, марганца, бериллия. Усложнение структуры данной фазы за счет элементов приводит к увеличению энергии смешения и снижению температуры плавления сплава, что в общем облегчает получение сплавов в виде пластичной ленты.

Так, например, температура начала плавления сплава согласно изобретению 820 840^oС, что на 60 80 градусов ниже, чем у известных сплавов. Сплав согласно изобретению хорошо смачивает поверхность разнородных материалов, затекает в узкие зазоры под действием капиллярных сил и может соединять разнородные материалы, в том числе керамику.

Сопоставительный анализ с известными решениями позволяет сделать вывод, что состав сплава согласно изобретению отличается от известных введением нового элемента железа вместо никеля и новым содержанием циркония и меди, а также введением кремния, ниобия, молибдена, германия, бора, олова, никеля, кобальта, алюминия, ванадия, хрома, марганца, бериллия.

Вышеизложенное позволяет утверждать о соответствии настоящего изобретения требованиям критерия "новизна".

Известно введение в титан железа с целью снижения температуры плавления. Однако температура плавления сплава при этом превышает1100 градусов Цельсия, что на 180 градусов выше, чем у сплава согласно изобретению. К тому же известные сплавы не могут быть использованы для соединения разнородных материалов, в том числе керамики. Образование в сплаве согласно изобретению сложной фазы (Ni, ZR)2(Fe, Cu) с большой областью растворимости и низкой температурой плавления придали сплаву новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения требованиям критерия "уровень техники".

Примеры конкретной реализации изобретения.

Сплавы согласно изобретению изготавливали в запаянных кварцевых ампулах. Температуру плавления сплавов определяли методом ДТА. Структуру сплавов изучали с помощью рентгено-структурного и металлографического методов. Пластичную ленту получали методом спиннингования расплава на воздухе. Толщину ленты устанавливали путем регулирования окружности скорости вращения диска, которую изменяли в интервале от 15 до 20 м/с. Образцы для пайки представляли собой титановые трубки со вставляемыми в них стержнями из различных металлов или керамики. Качество пайки определяли по появлению припоя в шве и по герметичности шва. Пластичность ленты определяли путем ее изгиба по радиусу 0,5 мм.

Составы сплавов и результаты их испытаний сведены в таблицу. Как видно из таблицы, сплавы согласно изобретению имеют более низкие по сравнению с известными сплавами температуры плавления, что при учете более низкой окисляемости по сравнению с окисляемостью на воздухе известных сплавов, позволяет получать пластичные ленты методом спиннингования на воздухе, а не в среде инертного газа или в вакууме. Более того, добавки кремния, ниобия, молибдена, германия, бора,олова, никеля, кобальта, алюминия, ванадия, хрома, марганца, а также бериллия в количестве не превышающем 5 процентов по массе не изменяют структуры плавления, а лишь повышают качество пайки разнородных по химическому составу материалов.

Снижение концентрации железа в составе сплава ниже 10 процентов или меди ниже 15 процентов приводит к резкому повышению температуры плавления и, следовательно, к повышению температуры спиннингования расплава, а также к интенсивному окислению ленты из сплава на воздухе.

Снижение концентрации циркония в составе сплава ниже 5 процентов также приводит к интенсивному окислению ленты из сплава на воздухе.

Увеличение концентрации железа более 20 процентов, меди более 30 процентов и циркония более 50 процентов приводит к повышению температуры плавления сплава и снижению жидкотекучести сплава, что снижает качество пайки и приводит к необходимости использования более высоких температур при пайке.

Увеличение концентрации кремния, ниобия, молибдена, германия, бора, олова, никеля, кобальта, алюминия, ванадия, хрома, марганца, а также бериллия свыше 5 массовых процентов приводит к качественным изменениям структуры сплава, и как следствие к снижению качества пайки.

Сплав согласно изобретению в силу своих специфических свойств может применяться в качестве конструкционных и износостойких материалов, упругих элементов, катализаторов для различных химико-технологических процессов, геттеров и адсорбентов, а также для изготовления различных видов высокопрочного режущего инструмента и нанесения коррозионно-стойких покрытий.

Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно к сплавам на основе титана, используемым в промышленности, в частности, для пайки титана, циркония и их сплавов, а также для соединения керамики. Техническим эффектом изобретения является снижение температуры плавления сплавов, повышение активности припоя при пайке, в первую очередь, разнородных материалов и обеспечение возможности изготовления из них пластичной ленты методом спиннингования на воздухе. Для реализации эффекта сплав дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов мас.%: медь - 15,0 - 30,0, цирконий - 5,0 - 50,0, железо - 10,0 - 20,0, титан - остальное. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1 1. Титаново-циркониевый сплав, содержащий медь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.3 Медь7 15 303 Цирконий7 5 503 Железо7 10 203 Титан7 Остальное2 2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей кремний, ниобий, молибден германий, бор, олово, никель, кобальт, алюминий, ванадий, хром, марганец и бериллий при следующем соотношении компонентов, мас.3 Медь7 15 303 Цирконий7 5 503 Железо7 10 203 По крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей кремний, ниобий, молибден, германий, бор, олово, никель, кобаль, алюминий, ванадий, хром, марганец и бериллий7 0,2 5,03 Титан7 Остальное