Способ контактно-реактивной пайки Советский патент 1992 года по МПК B23K1/00 

Изобретение относится к области пайки, преимущественно к способам пайки литейных жаропрочных никелевых сплавов, используемых при изготовлении узлов газотурбинных двигателей (ГТД).

Известно применение припоев, содержащих цирконий, гафний, титан, никель и кобальт для соединения металлов между собой и металлов с керамикой.

Паяные соединения никелевых сплавов в однородном сочетании, полученные этими припоями, характеризуются низкими пластичностью и жаропрочностью.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ диффузионной сварки, по которому между соединяемыми поверхностями помещают слой из металла, вступающего с никелем в контактно-реактивное плавление, прикладывают усилие сжатия и осуществляют нагрев до образования в контакте жидкой

фазы. В качестве материала, вступающего с никелем в контактное плавление, используют цирконий или его сплав с никелем и нагрев ведут до температур, превышающих температуру плавления цирконий-никелевого сплава, но ниже температуры плавления никелевого сплава.

Однако совмещенный нагрев прокладки циркония и никелевого сплава не обеспе- чивает пластичных и жаропрочных соединений. Это объясняется присутствием интерметаллидов, образующихся в паяном шве при контактно-реактивном плавлении и затрудняющих удаление жидкой фазы из стыка при сжатии. Длительная прочность паяных соединений литейных никелевых сплавов при 900°С имеет низкую стабильность результатов. Среднее значение 100- часовой прочности соединений не превышает 90% прочности основного материала. Это не удовлетворяет требованиям,

ч .N со

4

.&ь СП

предъявляемым к соединениям высокотемпературных узлов ГТД.

Целью изобретения является повышение жаропрочности паяных соединений в системах с интерметаллидами.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе нагрев соединяемых поверхностей и прокладки до температуры пайки осуществляют до сборки раздельно.

Регистрацию характера выделения теплоты в процессе пайки для заявляемого способа и прототипа проводили методом термического дифференциального анализа на установке ВДТА-8МЗ. Полученные термограммы приведены на фиг.2 (qi - способ- прототип; Q2 - предлагаемый способ). Выделяющееся тепло пропорционально площади под кривой термограммы. При этомд1 аг(фиг.2).

Для уяснения сути изобретения рассмотрим механизмы формирования паяных соединений по заявляемому способу и способу-прототипу (схема нагрева образцов представлена на фиг.1 , а - способ-прототип, б - предлагаемый способ).

При пайке по способу-прототипу припой формируется начиная с температуры 961°С и по мере повышения температуры претерпевает значительные изменения фазового и химического состава. При этом в интервале температур 960-1170°С выделяется значительное количество тепла, которое обусловливает экзотермический эффект реакции контактного плавления. Так как скорость нагрева образцов в процессе пайки по сравнению со скоростью контактного плавления достаточно мала, то выделяющееся дополнительное тепло равномерно распределяется по всему объему образцов и не оказывает существенного влияния на формирование соединения. Процессы фэзооб- разования носят равновесный характер, в связи с чем фазовый состав металла шва сплава ЧС70ВИ при температуре пайки 1200°С соответствует диаграммному и представляет собой твердый раствор никеля и некоторое количество интерметалли- дов на основе фазы NlsZr. Присутствие интерметаллидов в стыке препятствует полному удалению жидкой фазы (припоя) при сжатии, что способствует снижению пластичности и длительной прочности паяных соединений по сравнению с основным материалом.

При пайке по заявляемому способу соединяемые детали и прокладки циркония нагреваются вплоть до температуры пайки (Тп 1150°С) в разведенном состоянии. При такой схеме нагрева припой начинает фор

мироваться лишь в момент соприкосновения деталей с прокладкой, т.е. не при 961°С, а при 1150°С. Поскольку эффект экзотермической реакции зависит от свойств взаимодействующих материалов, то и в этом случае выделяется то же количество теплоты, что и при пайке по способу-прототипу. Однако момент его выделения мы сознательно смещаем в сторону температуры 1150°С. В этом случает тепло экзотермической реакции выделяется за значительно более короткий промежуток времени и с гораздо большей интенсивностью, что обеспечивает локальный перегрев в зоне соединения. Таким образом, схема пайки заявляемого способа существенно отличается от известного и соответствует критерию изобретения новизна.

Расчетная оценка и экспериментальная проверка данных показывает, что температура стыка в момент приведения во взаимодействие прокладки и основного металла повышается по сравнению с общей температурой на десятки и сотни градусов. В этих условиях процесс формирования носит неравновесный характер, когда подавляется образование промежуточных соединений

типа NiZnz, NiZr, и др., а наиболее устойчивое интерметаллидное соединение типа NisZr успевает раствориться в никелевой матрице соединяемого сплава. Это способствует формированию зоны соединения

без интерметаллидных составляющих со структурой и свойствами на уровне основного материала.

Таким образом, применение заявляемого способа позволяет за счет мгновенного

выделения тепла при взаимодействии предварительно разогретых основного металла и прокладки использовать дополнительный естественный источник нагрева зоны соединения, т.е. полезно использовать зкзотермический эффект контактного плавления в металлических системах с интерметаллидами. Это дает возможность осуществлять пайку при температурах более низких, чем у

известного способа, и предотвращать разупрочнение основного металла. Это подтверждают результаты механических испытаний,

Использование Л Т-эффекта контактного плавления в других областях также не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о наличии критерия изобретения существенные отличия.

Предложенный способ можно использовать для соединения металлических систем, образующих между собой интерметаллидные соединения с выделени ем достаточно большого количества теплоты. Это обеспечивает повышение ресурса работы различных агрегатов, в частности ГГД.

Примеры конкретного выполнения.

Механические характеристики соединений определяли на образцах литейного никелевого сплава ЧС70ВИ, паяных в вакууме Па в течение 5 мин, при давлении сжатия 10 МПа. Температура пайки для заявляемого способа составила 1150°С, для способа-прототипа - 1200°С.

Результаты испытаний приведены в таблице.

П р и м е р. В первом случае пайку ведут через прокладку циркония и нагрев осуществляют по схеме прототипа, т.е. прокладка и образцы совмещены.

Механические испытания паяных сре- динений показали, что при 900°С и нагрузке 250 МПа, время до разрушения образцов

0

5

0

составляло 48-140 ч. Разрушение происходило по припою.

В случае нагрева по заявляемому способу время до разрушения при тех же параметрах испытания составило 110-172 ч. Разрушение происходило по основному металлу.

Формула изобретения Способ контактно-реактивной пайки, при котором между соединяемыми поверхностями размещают прокладку, прикладывают усилие сжатия и производят изотермическую выдержку при температуре пайки, отличающийся тем, что, с целью повышения жаропрочности паяных соединений в системах с интерметаллидами. нагрев соединяемых поверхностей и прокладки до температуры пайки осуществляют до сборки раздельно.

Использование: пайка литейных жаропрочных никелевых сплавов, используемых при изготовлении узлов газотурбинных двигателей. Сущность изобретения: соединяемые поверхности и прокладку, помещаемую между ними, нагревают раздельно до температуры пайки перед сборкой, производят сборку, прикладывают усилие сжатия и выдерживают при температуре пайки. 2 ил., 1 табл. (Л С

I

Прокладка

Т

а

Т

Фиг.1

Jf

Cnocoff лрото/т/м

Заяб/гяемыи

фиг. Z