Способ соединения хрома с никелем и никелевыми сплавами Советский патент 1992 года по МПК B23K20/02 

Изобретение относится к сварке, в частности к диффузионной сварке в вакууме, и может быть использовано в авиационной, машиностроительных, химической и других отраслях промышленности.

Известен способ соединения металлических материалов, по которому используют промежуточную прокладку с экзотермическим эффектом. По этому способу соединяемые материалы с промежуточной прокладкой нагревают, сдавливают, проводят изотермическую выдержку и охлаждают.

Недостатком способа является образование в контакте соединяемых материалов интерметаллидов, не являющихся барьером для диффузионного взаимодействия, в результате чего при длительной эксплуатации снижается жаропрочность соединения.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ соединения никеля и хромосодержащих сплавов через прослойку из алюминия. По этому способу между соединяемыми материалами помещают прослойку алюминия толщиной от нескольких микрон до 100 мкм. Соединяе- едые материалы с прослойкой нагревают до

температуры 700 - 1000°С, сдавливают, проводят изотермическую выдержку в течение 8 ч и охлаждают.

Недостатком способа является высокая скорость взаимодиффузии соединяемых материалов, в результате чего при длительной эксплуатации при повышенных температурах снижается жаропрочность соединения.

Целью изобретения является повышение качества соединения за счет увеличения длительной жаропрочности при повышенных температурах и снижения энергоемкости процесса соединения хрома с никелем и никелевыми сплавами.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве составляющей из хрома используют заготовку с окисленной поверхностью толщиной 0.1 - 2 мкм, а изотермическую выдержку проводят при 1100 - 1250°С в течение 20 - 60 мин.

В результате взаимодействия окисной пленки на хроме с алюминием идет выделе ние тепла, интенсифицирующего соединения материалов, Взаимодействие идет по реакции: СгаОз + 2AI н 2Сг. Образующаяся окись алюминия является диффузионным барьером, препятствующим

Ё

взаимодиффузии соединяемых материалов Выделяющийся хром в активном состоянии прочно соединяется с окисью алюминия и поверхностями сплава хрома и никелевого сплава. Избыточный алюминий взаимодействует с никелем жаропрочного сплава и образует интерметаллид NiaAl, дополнительно упрочняющий соединение.

При толщине окисного слоя хрома больше верхнего предела, т.е. более 2 мкм, образуется прослойка металлокерамики Сг - А120з критической толщины и неоднородного состава, поэтому разрушение сваренного изделия происходит по металлокерамике, длительная жаропрочность ниже, чем изготовленных деталей по способу, принятому за прототип (4,5 ч).

При толщине окисного слоя на хроме меньше 0,1 мкм эффект повышения жаропрочности не имеет места из-за недостаточности количества образующейся окиси алюминия и чистого хрома. Длительная жаропрочность равна или ниже чем при изготовлении по способу, взятому за прототип (5ч).

Способ заключается в следующем.

Поверхность сплава хрома окисляют любым известным способом (термическим, химическим или др.) до образования пленки окисла толщиной 0,1-2 мкм. Помещают соединяемые детали из сплава хрома и сплава никеля с размещенной между ними промежуточной прокладкой из фольги алюминия толщиной 5-100 мкм в камеру установки диффузионной сварки. Создают в камере разрежение 1 - 10 Па и нагревают соединяемые детали до 1100 - 1250°С, сдавливают с усилием 8-30 МПа и проводят изотермическую выдержку в течение 20 - 60 мин. Затем охлаждают соединенные детали до 20...60°С, развэкуумируют -камеру установки и извлекают готовые изделия.

На поверхности алюминиевой прослойки перед сваркой (нагревом) имеется слой окисной пленки. Однако, в результате совместного воздействия нагрева и сдавлива- ния деталей уже при температуре плавления алюминия происходит дробление (разрушение) окисной пленки алюминия и частичное ее выдавливание из зоны соединения. При этом отдельные диспергированные частицы разрушенной пленки окиси алюминия остаются в зоне соединения. Обнажившийся слой алюминия прокладки и взаимодействует с окисью хрома.

Наличие на контактной границе окислов алюминия создает барьерный слой, пре- пятствующийвзаимодиффузии

компонентов соединенных материалов: хрома с одной и никеля с другой стороны. В

результате жаропрочность соединения не снижается в течение длительного времени эксплуатации при повышенной температуре. Кроме того, отсутствие избыточного со- держания хрома в никелевом сплаве также повышает его жаростойкость в течение длительного промежутка времени при повышенных температурах.

П р и м е р 1. Соединения сплава хрома ВХ2И с никелевым сплавом ЭИ435.

Помещают соединяемые детали из сплава хрома с окисной пленкой толщиной 1 мкм, сплава никеля и промежуточной прослойки алюминия толщиной 50 мкм в камеру установки диффузионной сварки, которую вакуумируют, Детали сдавливают с усилием, обеспечивающим давление 25 МПа. Проводят изотермическую выдержку при 1150°С в течение 40 мин и охлаждают до 40°С Развакуумируют камеру установки и извлекают сваренные детали.

Проведенные в MATH им. К.Э.Циолковского испытания показали, что полученное соединение не разрушается в течение 50 ч при температуре 1200°С и растягивающем напряжении 10 МПа. Соединение по способу, взятому за прототип, разрушалось после нагружения в течение 5 ч.

П р и м е р 2. Способ по примеру 1 с тем отличием, что толщина слоя окисла на хроме составляет 2 мкм, а толщина промежуточной прокладки из алюминия 100 мкм.

Соединение разрушалось после 35 ч испытаний под нагрузкой, создающей растя- гивающее напряжение 10 МПа при 1200°С.

П р и м е р 3. Способ по примеру 1 с тем отличием, что толщина слоя окисла на хроме составляла 0,1 мкм и применяли промежуточную прокладку из алюминия .толщиной 10 мкм.

Соединение разрушалось после 40 ч испытаний под нагрузкой, создающей растягивающее напряжение 10 МПа при 1200°С.

П р и м е р 4. Способ по примеру 2 с тем отличаем, что толщина окисного слоя на хроме была равна 2,5 мкм.

Соединение разрушалось после 4 ч испытаний при той же нагрузке при 1200°С.

П р и м е р 5. Способ по примеру 3 с тем отличием, что толщина окисного слоя на хроме составляла 0,05 мкм.

Соединение разрушалось после 5 ч испытаний при той же нагрузке при 1200°С.

Формула изобретения

Способ соединения хрома с никелем и никелевыми сплавами, предусматривающий размещение между свариваемыми поверхностями промежуточной прокладки из алюминия, нагрев, сдавливание изотерми517795126

ческую выдержку и охлаждение, о т л и ч а-сти процесса, в качестве составляющей из

ю щ и и с я тем, что, с целью повышенияхрома используют заготовку с окисленной

качества соединения за счет увеличенияповерхностью толщиной 0,1-2 мкм, а изодлительной жаропрочности при повышен- термическую выдержку проводят при 1100ных температурах и снижения энергоемко-5 1250°С в течение 20-60 мин.

Использование: при получении соединений хрома с никелем и никелевыми сплавами. Сущность изобретения: способ включает размещение между свариваемыми поверхностями промежуточной прокладки из алюминия, нагрев, сдавливание, изотермическую выдержку и охлаждение, причем в качестве составляющей из хрома используют заготовку с окисленной поверхностью толщиной 0,1-2 мкм, а изотермическую выдержку проводят при 1100 - 1250°С в течение 20 - 60 мин.