РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИПОЕВ ДЛЯ ПАЙКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертації, її наукова новизна і практична цінність виконаної роботи, сформульована мета роботи та визначено основні завдання досліджень.

У першому розділі розглянуто відомі припойні системи для паяння титанових сплавів, проведено аналіз діаграм стану металевих систем, оцінено вплив деяких елементів на інтервали плавлення, мікроструктуру і хімічну неоднорідність досліджуваних сплавів.

Незважаючи на те, що паяння титану почало застосовуватися в промисловості з 60-х років минулого сторіччя створення складних паяних конструкцій з титанових сплавів, таких як відповідальні теплообмінні пристрої для охолодження компактних ядерних реакторів, пластинчасто-ребристі і стільникові конструкції в авіа- та суднобудуванні, залишається нагальною проблемою. Це пов'язано з особливими фізико-хімічними властивостями титану – високою хімічною активністю і схильністю до зростання зерна при підвищеній температурі.

У літературі зазначається необхідність обмеження температури паяння близько 900 ºС для α- і псевдо-α (α') сплавів, 935 ºС – для α+β-сплавів, 870 ºС –  для псевдо-β (β') сплавів, і 760…800 ºС – для β-сплавів. Це викликано різким збільшенням швидкості зростання зерен в основному металі при перевищенні критичних температур.

На сьогоднішній день найбільш поширеними припоями для високотемпературного паяння титану, є припої систем Ti-Cu-Ni, Ti-Zr-Cu-Ni. Ці припої успішно застосовуються при виготовленні конструкцій різного призначення. Однак сплави з високим вмістом міді і нікелю неприйнятні, наприклад, у разі використання в медичних цілях, при виготовленні вузлів ядерних пристроїв і т.д.

В якості альтернативи відомим системам припоїв в літературі останнім часом розглядаються системи Ti-Zr-Fe і Ti-Zr-Mn.

Ці припої мають гарні технологічні властивості та забезпечують хорошу міцність паяних з'єднань. Однак температура плавлення даних припоїв дорівнює, 960 ºС для системи Ti-Zr-Fe, і 1050 ºС для системи Ti-Zr-Mn. Отже, температури паяння для даних припоїв можуть перевищувати верхню межу допустимих температур.

Таким чином, необхідно провести дослідження з розробки нової системи припоїв із зниженою температурою ліквідусу, що дозволить розширити область застосування титанових конструкцій в промисловості.

На сьогоднішній день у світовій літературі спостерігається велика кількість публікацій з розробки нових алюмінієвих припоїв для паяння титанових сплавів, що свідчить про потреби промисловості в комерційних середньоплавких припоях для пайки титану і його сплавів.

Головними перевагами алюмінієвих припоїв є:

– низька температура плавлення;

– мала питома вага;

– хороша металургійна сумісність з титановими сплавами, зокрема, добре змочування і затікання в зазор.

Стримування широкого застосування алюмінієвих припоїв, в даному випадку, відбувається через невисоку міцність отриманих паяних з'єднань, набагато меншу, ніж міцність з'єднань, виконаних титановими припоями.

У той же час відомо, що одним з перспективних напрямів використання алюмінієвих припоїв є паяння пластинчасто-ребристих тонкостінних конструкцій і тонкостінних стільникових панелей для авіакосмічної промисловості. Цьому сприяє гарне змочування і розтікання таких припоїв по титанової підкладці, можливість досягнення порівняно низького рівня ерозії основного металу при паянні. А відносно невисока міцність паяних швів є більш ніж достатньою для виробів цього типу.

Аналіз літератури показав необхідність створення нової системи припоїв для паяння титанових сплавів, що вимагало проведення систематичних комплексних досліджень потрійної системи Ti-Zr-Co, досліджень мікроструктури дослідних сплавів і паяних з'єднань, а також оцінки впливу технологічних параметрів процесу паяння на властивості паяних з'єднань. Також було необхідно порівняти властивості експериментального припою з відомими промисловими припоями, оцінити можливість застосування для паяння титанових сплавів припою системи Ti-Zr-Fe, а також вибрати найбільш придатні для паяння титанових сплавів припоїв на основі алюмінію.

У другому розділі детально розглянуті матеріали, методи та методики, що застосовуються в даній роботі, а саме: основні характеристики матеріалів, застосованих у даній роботі, склади припойних матеріалів, методики виплавлення експериментальних сплавів і проведення експериментів з вивчення їх властивостей.

Виплавка припоїв на основі титану і цирконію проводилася методом лежачої краплі на холодній підкладці у вакуумі за допомогою електронно-променевого нагріву.

Диференціальний термічний аналіз виплавлених сплавів проводився на установці ВДТА 8М-3 (швидкість нагрівання й охолодження становила 30 ºС/хв.).

Оцінку змочування і розтікання припою системи Zr-Ti-Co по підкладці з титанових сплавів різних класів проводили за ГОСТ 23904-79 шляхом вимірювання площі розтікання припою об'ємом 64 мм³ по підкладці площею 16 мм².

Для отримання даних про хімічну неоднорідність припоїв і паяних з’єднань проводили дослідження методом оптичної та растрової металографії і мікрорентгеноспектрального аналізу. Мікроструктуру припоїв і паяних з'єднань досліджували за допомогою оптичного мікроскопа МІМ-8 і растрового електронного мікроскопу CamScan 4, який оснащений енергодисперсійним аналізатором ENERGY 200 з програмним забезпеченням INCA та JSM 840 фірми "Jeol", забезпеченого рентгенівським мікроаналізатором системи "Link" з хвильовим спектрометром "ORTEC" .

Для дослідження працездатності паяних з'єднань титанових сплавів, виконаних в рамках даної роботи, були використані стандартні методики та типове обладнання для випробувань на статичний розтяг і втому.

Третій розділ присвячений побудові поверхні ліквідусу системи Ti-Zr-Co і вибору перспективної припойної композиції.

Зокрема, наведені результати дослідження потрійної системи Ti-Zr-Co, а саме методика та математична модель для побудови діаграми ліквідусу даної системи, зовнішній вигляд комп'ютерної програми та результати побудови даної поверхні.