СПОСОБ ДИФФУЗИОННО-РЕАКТИВНОГО СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Российский патент 2006 года по МПК B23K1/00 

Изобретение относится к технологии соединения и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в частности, в авиастроении и энергетике при изготовлении деталей из жаропрочных сплавов.

В качестве аналога выбран способ контактно-реактивной пайки, при котором между соединяемыми поверхностями деталей помещают прослойку из металла, вступающего в контактно-реактивное плавление с основным металлом, и нагревают их до температуры, превышающей температуру образования эвтектики (Лашко С.В., Лашко Н.Ф. Пайка металлов. - М.: Машиностроение, 1988. - 376 с. ил.). При этом способе нет необходимости в предварительном изготовлении припоя. Получаемая жидкая фаза (контактно-реактивный припой) близка по составу к основному материалу, отличается от него наличием в определенной концентрации металла прослойки (металла-депрессанта).

Недостатком данного способа является то, что паяные швы, образованные эвтектиками, содержащими хрупкие химические соединения, имеют пониженные пластичность и прочность. Устранить этот недостаток соединений, например, высокотемпературным диффузионным отжигом деталей для выравнивания состава и структуры в зоне соединения практически очень сложно из-за большой ширины кристаллизационных зон паяных швов, получаемых этим способом соединения.

В качестве прототипа выбран способ контактно-реактивной пайки, при котором между соединяемыми поверхностями деталей помещают прослойку из металла, вступающего в контактно-реактивное плавление с основным металлом, нагревают их до температуры, которая превышает температуру образования эвтектики, и прикладывают усилие сжатия (там же). При этом способе соединения, благодаря давлению, большая часть эвтектики удаляется из зазора, толщина жидкой прослойки в шве существенно уменьшается. Практически становится возможным путем последующего высокотемпературного диффузионного отжига устранить структурную неоднородность в зоне соединения и повысить ее свойства до уровня свойств основного материала.

Недостатком данного способа является то, что соединение в таких условиях трудно осуществимо, особенно для тонкостенных изделий и изделий с замкнутыми швами, что существенно ограничивает возможности этого способа.

Задача изобретения состоит в повышении качества соединения путем уменьшения толщины жидкой прослойки в шве и расширения технологических возможностей способа вследствие обеспечения получения разных типов соединений.

Суть изобретения в том, что предложен способ диффузионно-реактивного соединения металлов и сплавов, при котором собранные детали нагревают до температуры, превышающей температуру образования эвтектики между основным металлом и металлом-депрессантом, отличающийся тем, что для повышения качества соединения путем уменьшения толщины жидкой прослойки в шве и расширения технологических возможностей способа вследствие обеспечения выполнения различных типов соединений детали собирают с фиксированным минимальным по ширине соединяемым зазором, а металл-депрессант размещают непосредственно около этого зазора.

Размещение металла-депрессанта (в виде фольги, ленты и пр.) на поверхности деталей непосредственно около соединяемого зазора, а не между соединяемыми поверхностями, дает возможность:

- ограничивать при сборке деталей ширину паяемого зазора вплоть до нулевого значения;

- инициировать при температуре соединения образование определенного количества расплава (эвтектики) за счет контактно-реактивного плавления металла-депресанта и основного металла непосредственно около входа в соединяемый зазор и последующего заполнения им этого зазора под действием капиллярных сил;

- уменьшить растворение основного металла в жидкой фазе, заполнившей зазор, поскольку она близка к насыщению, и ограничить тем самым увеличение толщины жидкой прослойки в шве;

- создать благодаря небольшой толщине жидкой прослойки в шве реальные условия при последующей высокотемпературной обработке для ее изотермической кристаллизации, выравнивания по составу, структуре и свойствам зоны соединения с основным материалом;

- применять порошковый наполнитель из основного материала при соединении деталей с широким, в том числе некапиллярным зазором;

- выполнять все типы соединений, а также осуществлять ремонт и восстановление деталей путем залечивания выходящих на поверхность трещин, раковин и других дефектов.

Пример. Выполняли диффузионно-реактивное соединение стыковых образцов прямоугольного сечения 5×25 мм из сплава на основе никеля. Соединяемые поверхности образцов подготавливали шлифовкой и промывкой органическими растворителями. Подготовленные стыковые образцы собирали в приспособлении, обеспечивающем фиксацию и прилегание их друг к другу по соединяемым поверхностям с минимальным, практически нулевым зазором. На одной из боковых граней над стыком образцов размещали и прихватывали точечной сваркой к поверхности обоих образцов полоску фольги из металла-депрессанта толщиной 10÷20 мкм. Собранные образцы вместе с приспособлением нагревали в вакууме 10^-2-10^-3 Па до температуры образования эвтектики между металлом-депрессантом и основным металлом. После длительной изотермической выдержки образцы охлаждали с заданной для данного материала скоростью, а затем подвергали старению.

Исследования и испытания образцов показали, что на начальном этапе процесса соединения, после заполнения активным расплавом зазора, толщина жидкой прослойки в шве составляет всего несколько микрометров. За время изотермической выдержки при высокой температуре за счет диффузии металла-депрессанта в основной металл прослойка успевает закристаллизоваться без образования избыточных фаз, а сама зона соединения по своему составу и структуре приближается к основному металлу. Прочность полученных соединений на уровне прочности основного металла.

Изобретение расширяет технологические возможности способа контактно-реактивной пайки, поскольку позволяет выполнять самые различные типы соединений с фиксированными минимальными зазорами (встык, внахлест, цилиндрические и пр.), производить соединения широких некапиллярных зазоров и залечивать поверхностные дефекты (раковины, трещины) с использованием порошкового наполнителя из основного материала.

Изобретение может быть использовано, в частности, в энергетике и авиастроении при изготовлении деталей из жаропрочных сплавов. Собранные детали нагревают до температуры, превышающей температуру образования эвтектики между основным металлом и металлом-депрессантом. Детали собирают с фиксированным минимальным по ширине соединяемым зазором. Металл-депрессант размещают непосредственно около этого зазора. Образование эвтектики происходит за пределами соединительного зазора. Заполнение зазора образовавшимся сплавом происходит под действием капиллярных сил. Способ обеспечивает повышение качества соединения путем уменьшения толщины жидкой прослойки в шве. Обеспечена возможность выполнения различных типов соединений.

Способ диффузионно-реактивного соединения металлов и сплавов, при котором собранные детали нагревают до температуры, превышающей температуру образования эвтектики между основным металлом и металлом-депрессантом, отличающийся тем, что для повышения качества соединения путем уменьшения толщины жидкой прослойки в шве и расширения технологических возможностей способа вследствие обеспечения выполнения различных типов соединений детали собирают с фиксированным минимальным по ширине соединяемым зазором, а металл-депрессант размещают непосредственно около этого зазора.