Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пайка как метод получения неразъемных соединений 8
1.1. Пайка. Достоинства и недостатки 8
1.2, Основы технологии пайки 10
1.2.1. Классификация пайки 10
1.2.2. Классификация готовых припоев 11
1.2.3. Физико-химические особенности пайки 12
1.2.4. Дефекты и их влияние на свойства паяных соединений . 17
1.2.5. Место и роль быстрозакаленных припоев 19
1.2.6. Методы получения быстрозакаленных припоев 23
1.3. Обзор работ по припоям и методам пайки конструкционных материалов 24
1.3.1. Пайка конструкций из титана и его сплавов
1.3.2. Пайка разнородных материалов 33
1.4. Выводы 43
Глава 2. Методические вопросы обеспечения высокотемпературной пайки 45
2.1. Выплавка слитков припоев 45
2.2. Получение припоев 46
2.3. Изучение структуры и свойств припоев 49
2.4. Подготовка и пайка образцов, техника пайки 49
2.5. Исследование структуры и свойств паяных соединений 52
2.5.1. Металлографический анализ 52
2.5.2. Механические испытания 53
2.5.3. Термоциклические испытания 54
2.5.4. Анализ распределения химических элементов 55
Глава 3. Обоснование выбора быстрозакаленных припоев 56
3.1. Исследование структуры и свойств известных быстрозакаленных припоев 56
3.2. Определение кинематической вязкости расплавов припоев 58
3.3. Сравнительные исследования затекания припоев в зазор 62
3.4. Сравнительные исследования свойств паяных соединений 63
3.5. Выводы 65
Глава 4. Разработка припоев и технологии пайки титана, титана со сталью 67
4.1. Разработка припоев для пайки титана и его сплавов ниже температуры фазового превращения 67
4.1.1. Требования к припою для пайки титана и его сплавов 67
4.1.2. Разработка припоев и режимов пайки титана и его сплавов 68
4.2. Пайка титана со сталью 88
4.3. Выводы 92
Глава 5. Разработка припоев и технологии пайки разнородных материалов 93
5.1. Требования к припоям для пайки разнородных материалов ТЯР 93
5.2. Разработка состава припоя и отработка технологии пайки бериллия с медными сплавами 94
5.2.1. Анализ совместимости бериллия и меди 94
5.2.2. Выбор легирующих элементов припоя для пайки бериллия с медью 96
5.2.3. Отработка технологии пайки бериллия с медными сплавами и исследование свойств паяных соединений 106
5.3. Пайка тройного соединения бериллий - медный сплав - аустенитная сталь 121
5.4. Выводы 123
Глава 6. Обсуждение результатов. Основные выявленные закономерности 124
6.1. Различие структуры и свойств паяных соединений, полученных с использованием быстрозакаленных и кристаллических припоев 124
6.2. Стабильность паяных структур в процессе эксплуатации 131
Основные выводы 133
Литература 135
Приложение 145
- Обзор работ по припоям и методам пайки конструкционных материалов
- Определение кинематической вязкости расплавов припоев
- Разработка припоев и режимов пайки титана и его сплавов
- Отработка технологии пайки бериллия с медными сплавами и исследование свойств паяных соединений
Введение к работе
Актуальность работы.
Создание изделий новой техники напрямую связано с получением неразъемных .'соединений. Наиболее широкое применение здесь находят различные виды сварки и пайка.
Важнейшее преимущество пайки - осуществление процесса при температуре ниже температуры плавления соединяемых материалов. Это дает возможность выбора температуры процесса в зависимости от необходимости сохранения свойств паяемых материалов. Однако пайка имеет и недостатки, среди которых можно выделить изменение структурно-фазового состояния некоторых сплавов при высоких температурах пайки, развитие ликвационных процессов и пористости при использовании припоев с широким интервалом кристаллизации, образование и рост хрупких интерметаллидных прослоек в зоне соединения и др.
Одним из перспективных методов получения припоев является метод быстрого затвердевания расплава. При быстром затвердевании (закалке) металлических расплавов со скоростями (104...106) К/с фиксируется состояние пересыщенного твердого раствора с величинами растворимости компонентов в основе сплава близкими или равными растворимости в расплаве. Быстрозакаленные аморфные и микрокристаллические припои имеют гомогенное по объему распределение элементов, однородное фазовое состояние, характеризуется узкими интервалами плавления и затвердевания, высокой адгезионной и капиллярной активностью. Использование быстрозакаленных припоев (БЗП) позволяет повысить качество пайки, уменьшить количество дефектов паяных соединений, снизить степень образования интерметаллидов в швах. Технология быстрого затвердевания расплава позволяет при определенных условиях получать хрупкие композиции припоев в виде тонких (2CN-80 мкм) гибких лент, что существенно расширяет технологические возможности их применения.
В настоящее время основное применение нашли аморфные или аморфно-кристаллические припои. Микрокристаллические БЗП не нашли применения главным образом вследствие трудностей, возникающих при их изготовлении в виде непрерывных лент методом быстрого затвердевания расплава. Кроме того, недостаточно изучены физико-химические и технологические особенности пайки БЗП. Существует возможность оптимизации составов и разработки новых БЗП, совершенствования свойств припоев и технологических режимов пайки современных материалов.
В связи с этим, несомненный интерес и актуальность представляет научно-техническая задача по разработке и исследованию свойств новых аморфных и
микрокристаллических БЗП для пайки конструктивных элементов современной и будущей техники, изучению особенностей пайки с использованием БЗП.
Цель работы.
Целью работы является разработка составов и технологии получения быстрозакаленных аморфных и микрокристаллических ленточных припоев, а также режимов прецизионной пайки материалов атомной техники. Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:
обоснованы преимущества пайки с использованием БЗП;
разработаны составы новых БЗП и отработана технология их изготовления в виде
гибких лент; - разработаны технологические режимы прецизионной пайки различных материалов;
исследованы структура и свойства паяных соединений;
выявлено влияние исходного структурного состояния припоя на структуру и свойства
паяных соединений.
Научная новизна.
Разработаны составы и технологии получения новых БЗП на основе меди, никеля и титана в виде гибких лент в аморфном и микрокристаллическом состоянии.
Разработаны режимы прецизионной пайки однородных и разнородных метатлов и сплавов в интервалах температуры и длительности процесса, не изменяющих структурно-фазового состояния паяемых материалов.
Впервые проведены сравнительные исследования структуры и свойств паяных соединений из сплавов меди и титана, полученных с использованием аморфных и кристаллических припоев. Показано, что в зоне пайки БЗП формируется однородное распределение химических элементов с меньшим содержанием интерметаллидов. отсутствуют непропаи, поры и другие дефекты соединений, вследствие чего паяные соединения обладают более высокими термомеханическими характеристиками.
Впервые проведены сравнительные исследования по затеканию быстрозакаленных и кристаллических припоев в вертикальный зазор и пористые заготовки. Обнаружено, что при использовании БЗП достигаются большие глубины (высоты) затекания расплавов припоев.
Впервые изучены температурные зависимости кинематической вязкости расплавов, полученных при плавлении исходных кристаллических и быстрозакаленных припоев. Обнаружено, что вязкость расплавов из быстрозакаленных лент, выше (до 50%), чем при
6 плавлении кристаллических образцов. Существенно различаются температурные зависимости кинематической вязкости.
Практическая ценность.
Разработаны составы и отработана технология изготовления новых БЗП СТЕМЕТ 1108, 1202 и 1409, а также режимы прецизионной пайки материалов современной техники, бериллия и стали с медными сплавами применительно к изготовлению первой стенки и дивертора термоядерного реактора ИТЭР; титана и его сплавов ниже температуры а<-»Р фазового превращения; переходников титан - сталь.
Припои СТЕМЕТ 1108 и 1202 использованы в ФГУП ГНЦ РФ ФЭИ им. А.И.Лейпунского (г. Обнинск) для пайки разнородных металлов и сплавов в опытных образцах изделий для атомной энергетики.
Припой СТЕМЕТ 1108 использован в НТЦ «Синтез» ФГУП НИИЭФА им. Д.В.Ефремова (г. Санкт-Петербург) при разработке технологии быстрой пайки бериллиевой и вольфрамовой облицовки для внутрикамерных компонент экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.
Разработанные составы БЗП СТЕМЕТ 1108, 1202 и 1409, а также экспериментальные технологические режимы изготовления припоев СТЕМЕТ 1108, 1202, 1409, 1301 и ВПрІб в виде тонких гибких лент внедрены и используются при производстве в ООО «МИФИ-АМЕТО» (г. Москва).
Предложен способ изготовления композиционных материалов пропиткой пористой заготовки расплавом в вакууме. В качестве материала для пропитки используют быстрозакаленные сплавы, полученные методом быстрого затвердевания расплава. Техническим результатом изобретения является возможность пропитки пористых заготовок больших размеров за счет повышения глубины затекания расплава. Получен патент на изобретение.
Основные положения, выносимые на защиту:
Обоснование составов разработанных БЗП;
Технологические параметры изготовления БЗП в виде гибких лент;
Рекомендации по выбору режимов прецизионной пайки материалов;
Результаты исследований структуры и свойств паяных соединений;
Взаимосвязь исходного структурного состояния припоя со структурой и свойствами паяных соединений.
7 Личный вклад автора.
Разработаны составы новых быстрозакаленных аморфных и микрокристаллических припоев СТЕМЕТ 1108, 1202 и 1409.
Разработаны технологические режимы получения быстрозакаленных припоев СТЕМЕТ 1108, 1202, 1409, 1301 и ВПрІб в виде гибких лент методом быстрого затвердевания расплава.
Даны практические рекомендации по выбору режимов прецизионной пайки титана и его сплавов, титана со сталью.
Исследованы структура и свойства паяных соединений и выявлена взаимосвязь исходного структурного состояния припоя со структурой и свойствами паяных соединений.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных «оминарах и конференциях: научная сессия МИФИ-98 (г. Москва, 19-23 января 1998 г.), МИФИ-99 (г. Москва, 18-22 января 1999 г.), МИФИ-2000 (г. Москва, 17-21 января 2000 г.). МИФИ-2001 (г. Москва, 22-26 января 2001 г.), МИФИ-2002 (г. Москва, 21-25 января 2002 г.). МИФИ-2003 (г. Москва, 20-24 января 2003 г.), Третий международный симпозиум по термоядерным технологиям (Лос-Анджелес, США. 27.06-1.07.1994 г.). Третий Российско-китайский симпозиум (г. Калуга, 9-12 октября 1995 г.), Пятая межотраслевая конференция по реакторному материаловедению (г. Димитровград, 8-12 сентября 1997 г.). Международная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (г. Пенза. 14-16 июня 2000 г.), Первая международная конференция «Металлургия и образование» (г. Екатеринбург, 7-9 июня 2000 г.), Седьмая всероссийская конференция «Аморфные прецизионные сплавы: Технология - свойства - применение» (г. Москва, 14-16 ноября 2000 г.), Шестая российская конференция по реакторному материаловедению (г. Димитровград, 11-15 сентября 2000 г.), Всероссийская научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 30-31 мая 2001 г.), Научно-практическая конференция материаловедческих обществ России «Новые функциональные материалы и экология» (г. Звенигород Московской обл., 26-29 ноября 2002 г.), конференции «Пайка. Современные технологии, материалы, конструкции, опыт эксплуатации паяных конструкций» (г. Москва, 23-24 апреля 2003 г).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ и получен 1 патент на изобретение.
Обзор работ по припоям и методам пайки конструкционных материалов
Существует большое разнообразие различных видов пайки и припоев. В частности, пайку классифицируют по методу получения припоя, способу заполнения зазора припоем, степени его расплавления и условию кристаллизации паяного шва, используемым источникам нагрева и др. [1,2,17].
Различают низкотемпературную (температура пайки ниже 450 С) и высокотемпературную (температура пайки выше 450 С) пайку, в английском языке они определяются терминами soldering (пайка мягким припоем или низкотемпературная пайка) и brazing (пайка твердым припоем или высокотемпературная пайка), соответственно. Принципиальное различие данных видов заключается в использовании различных приборов и оборудования для пайки.
Нагрев изделий под пайку может осуществляться различными способами. Для низкотемпературной пайки это в основном нагрев с использованием паяльников, горелок, пропусканием тока, нагрев в печах, погружением в расплавы флюса или припоя. Для высокотемпературной пайки источников нагрева может быть значительно больше. Здесь можно выделить нагрев с использованием горелок, пропусканием тока, нагрев в печах, индукционный, электролитный нагрев, нагрев с помощью света, лазера, инфракрасного излучения, электронного луча, электрической дуги, потока ионов в тлеющем разряде, теплоты химических реакций и др.
По методу получения (образования) припоя пайка может быть разделена на две большие группы. Припой может быть изготовлен заранее (пайка готовым припоем) и может образоваться в процессе пайки, например, в результате контактно-реактивного плавления на границе между разнородными материалами (контактно-реактивная пайка), контактного твердогазового плавления (контактная твердогазовая пайка) или в результате высаживания жидкого металла из компонентов флюса (реактивно-флюсовая пайка). В настоящей работе будет рассматриваться только пайка готовым припоем.
Припой может быть заранее расположен в паяльном зазоре, а также может затекать в него в процессе пайки. В случае затекания припоя в зазор различают капиллярную (ширина зазора 0,5 мм) и некапиллярную пайку (ширина зазора 0,5 мм). При некапиллярной пайке жидкий припой затекает в зазор под действием сил гравитации, отрицательного давления в зазоре (например, при откачке воздуха из зазора), магнитных и электромагнитных и других внешне приложенных сил.
Паяный шов может затвердевать при охлаждении изделия после пайки (кристаллизация при охлаждении), либо в процессе выдержки при температуре пайки, путем отвода депрессанта или легкоплавкой составляющей припоя из шва (диффузионная пайка) за счет диффузии в паяемый металл, испарения, связывания в тугоплавкие соединения или при сочетании этих процессов. Цель диффузионной пайки как самостоятельного способа получения паяных соединений заключается в проведении процесса кристаллизации таким образом, чтобы обеспечить наиболее равновесную структуру соединения, повысить температуру распайки шва, повысить прочность, пластичность, электрическую проводимость, предотвратить образование мало прочной и хрупкой литой структуры, интерметаллидных соединений в швах.
По способу удаления оксидной пленки — различают флюсовую и бесфлюсовую пайку. Жидкий припой смачивает только чистые поверхности паяемого материала. Поэтому необходимы среды, разрушающие оксидные пленки и обеспечивающие физический контакт припоя и паяемого материала в процессе пайки. При использовании флюсов возможно загрязнение паяных швов, что может отрицательно сказаться на свойствах паяных соединений (образование пористости, понижение коррозионной стойкости и т.д.). Поэтому, в последнее время все более широкое применение находят методы бесфлюсовой пайки. Оксидная пленка может удаляться предварительной обработкой поверхности соединяемых материалов (шлифование, травление и др.), в вакууме при создании условий ее диссоциации в результате снижения парциального давления кислорода в окружающей среде или растворения кислорода в паяемом металле, в активной газовой среде, в инертной газовой среде, а также за счет восстановления оксидов на поверхности соединяемых материалов при контакте с припоями, содержащими активные элементы [1,2].
Припой - материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов [15]. Как уже отмечалось выше, для пайки может использоваться либо готовый припой, либо припой, образующийся в процессе пайки. Наиболее широкое применение нашли готовые припои. Готовые припои классифицируют по следующим признакам [18]: по величине их температурного интервала расплавления, степени расплавления при пайке, основному или наиболее дефицитному компоненту, способности к самофлюсованию, способу изготовления и виду полуфабрикатов.
Важнейшая характеристика припоя - его температура начала и конца плавления (температура солидуса и ликвидуса). По температуре ликвидуса припои разделяют на пять классов: особолегкоплавкие (ТЛ1Ш,. 1450С), легкоплавкие (145 ТЛИкв. 450С), среднеплавкие (450 ТЛИКВ. 1 Ю0С), высокоплавкие (1100 Тликв. 1850С) и тугоплавкие (Тликв 1850С).
Число различных припоев, разработанных к настоящему времени, весьма велико и продолжает непрерывно увеличиваться, что обусловлено повышением требований, предъявляемых к механическим и служебным свойствам паяных соединений.
Готовые припои можно использовать в виде литых прутков, фольги, ленты, проволоки, порошков или паст на их основе с различными связками (в том числе флюсом), испаряющимися при нагреве и др. [1,2,19-24]. В ряде случаев используют фасонные прессованные заготовки из смеси порошков припоев с органическими наполнителями. Перед пайкой для предварительной укладки припоя в зазор или у зазора, удобны припои в виде листов, ленты и проволоки. Однако вследствие высокой хрупкости многих припоев получение их в таком виде традиционными способами (прокатки, протяжки) невозможно. Данные припои изготавливают в виде многослойных листов: получаемые нанесением порошков одного из компонентов припоя на пластичную основу из другого компонента (например, на пластичную никелевую фольгу наносят смесь железа, бора, кремния и др. смешанных со связкой - метилцеллюлозой) или получаемые диффузионным насыщением одного из компонентов припоя в пластичную основу [21]. В некоторых случаях припои наносят на паяемую поверхность напылением [1]. Изготовление припоев, имеющих пониженную пластичность в литом состоянии, возможно также прокаткой с периодическим отжигом (например, припои Cu-Mn-Ni-Li). Наиболее удобный метод получения хрупких припоев в виде фольги, ленты или проволоки малой толщины (20,.,100 мкм) - метод быстрого затвердевания расплава со скоростью (104...106) С/с [22-24]. Быстрозакаленные фольги, получаемые данным методом, имеют достаточную пластичность, т.е. складываются «на себя» с нулевым радиусом без излома, имеют высокую структурную и химическую однородность.
Определение кинематической вязкости расплавов припоев
Способность паяных соединений сопротивляться воздействию внешнего силового и температурного полей, коррозионной среды и другим условиям эксплуатации определяется, в конечном счете, сопротивляемостью их наиболее «слабого звена». Таким слабым звеном паяных соединений чаще всего являются места расположения дефектов [1,2].
При неправильно выбранном припое и технологии пайки, отклонении от заданного режима в паяных швах могут образовываться различные дефекты. К дефектам в виде несплошностей относятся газовые и усадочные поры, раковины, трещины, эрозионные повреждения.
Газовые поры возникают вследствие локальной несмачиваемости паяемого материала флюсом и (или) припоем, или кратковременности термического цикла пайки в условиях выделения растворенных в жидком припое газов или паров компонентов припоя, паяемого материала и связующих паст с высокой упругостью испарения компонентов. Образованию газовых пор способствует использование припоя в порошковом виде, узкие зазоры и горизонтальность их расположения, препятствующие дрейфу пор вдоль зазора к галтельным участкам шва.
Усадочные поры возникают вследствие объемной усадки при кристаллизации сплавов с широким интервалом плавления. Наиболее сильно они проявляются в галтельных участках паяных швов. В капиллярных участках (малые зазоры) вследствие быстрого протекания физико-химического взаимодействия паяемого материала и припоя, и достижения при этом температуры ликвидуса, объемная усадка в паяном шве практически не происходит, а межзеренная слабо выражена. Диффузионная пористость (поры Киркендалла) может возникать в случае нескомпенсированной диффузии компонентов паяемого материала и припоя через границу паяного соединения. Такая пористость возникает в системах припой — паяемый металл, у которых имеется заметное различие в коэффициентах диффузии атомов. Развитию диффузионной пористости способствуют прослойки химических соединений вблизи зоны спая. Такая пористость снижает прочность, вакуумную плотность и другие свойства паяных соединений. При диффузионной пайке, для предотвращения возникающей пористости, зазоры стремятся выбирать минимальными.
Часто наблюдается загрязнение паяных швов в случае использования флюсов. Флюсовые включения - частицы флюса, застрявшие в шве, имеющие близкую или более высокую плотность, чем припой. Они могут снижать коррозионную стойкость и механические свойства паяных соединений. Кристаллизационные трещины возникают вследствие широкого интервала плавления припоя в условиях его затрудненной усадки или при смещении деталей в процессе кристаллизации, а также при большом различии КТР паяемых материалов в разнородных соединениях. Кристаллизационные трещины существенно снижают прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, герметичность, вакуумную плотность, физические и химические свойства паяных соединений. Термические трещины возникают в шве или паяемом материале из-за высокой скорости нарастания растягивающих напряжений в паяном соединении, достигающих временного сопротивления разрушения материала в одной из зон паяного соединения. Часто возникают при пайке разнородных материалов с разными КТР. Такие трещины резко снижают свойства паяных соединений. Причиной ослабления паяных соединений может быть дефектная структура швов -прослойки химических соединений (интерметаллидов и других хрупких фаз) в шве, по границе шва и основного металла, участки паяного шва, обедненные легкоиспаряющимися компонентами и другие. В зоне термического влияния пайки могут развиваться структурные изменения, приводящие к снижению механических, физических и химических свойств соединяемых материалов. В основном металле рядом со швом могут развиваться дефекты структуры, обусловленные появлением общей или локальной химической эрозии. Химическая эрозия возникает в результате фронтального плавления и растворения паяемого металла в жидком припое. Она приводит к утонению паяемого материала. Локальная химическая эрозия образуется в местах скопления жидкого припоя при пайке или в местах пластической деформации материала конструкции. Такая эрозия локально уменьшает рабочее сечение паяемого материала и поэтому искажает форму деталей и снижает механические свойства паяных соединений. Как правило, химическая эрозия тем больше, чем больше количество припоя в шве, выше температура и больше время выдержки при температуре пайки. Уменьшить скорость химической эрозии можно легированием припоя паяемым металлом. Допустимость дефектов зависит от места их расположения и от условий работы изделия. В изделиях, работающих при повышенных температурах, решающее значение могут иметь максимальные размеры дефектов, а не их средние размеры. На границе шва и паяемого материала могут образовываться такие дефекты, как непропаи, неспаи, релаксационные трещины. Непропаи — дефекты паяного соединения, проявляющиеся в частичном или полном не заполнении паяльного зазора припоем [15]. Как правило, они возникают вследствие плохой смачиваемости паяемого материала, неравномерности паяного зазора, вытекания припоя при слишком широких зазорах, неправильной укладки припоя при сборке, ухудшения жидкотекучести припоя при растворении в нем паяемого материала и др. [1,2]. Другими причинами непропаев могут быть неблагоприятный температурный градиент (припой обычно течет в сторону повышения температуры), характер физико-химического взаимодействия паяемого материала с жидким припоем (например, образование прослоек химических соединений), способ введения припоя в зазор (припой с широким интервалом кристаллизации лучше помещать в зазор, а с узким — у зазора).
Неспаи - дефекты паяных соединений, проявляющиеся в отсутствии сцепления паяемого материала с материалом паяного шва [15]. Они образуются вследствие плохой смачиваемости припоем паяемого материала или слишком широких зазоров [1]. Непропаи и неспаи снижают все свойства паяных соединений.
Согласно [1], дефекты, ухудшающие прочность паяных соединений, можно «расположить в следующем, по возрастанию влияния, порядке: мелкая газовая пористость, крупные газовые поры, непропаи, неспаи, прослойки химических соединений, трещины. Существенное значение имеет также форма дефектов. Дефекты округлой формы (поры), снижают прочность соединений с мягкой прослойкой на 10%, остроугольные дефекты (непропаи, неспаи) на 25%.
Разработка припоев и режимов пайки титана и его сплавов
Малый удельный вес в сочетании с высокими удельной прочностью, коррозионной стойкостью и хорошей технологичностью делает титан перспективным материалом для изготовления парогенераторов и других узлов ядерных энергетических установок транспортного назначения [3,40-42]. Основное применение благодаря своим свойствам титановые сплавы находят в судо-, авиа- и ракетостроении, для изготовления обшивки корпусов, каркасных деталей, топливных баков, деталей реактивных двигателей, деталей насосов, теплообменников, решетчатых крыльев для ракет, защитных устройств реактивных двигателей самолетов и др.
Важная характеристика титановых сплавов их свариваемость. При сварке высокопрочных (ос+В)-сплавов возникают значительные трудности, вызванные разнообразностью и сложностью фазовых превращений, наличием метастабильных состояний, склонностью к перегреву, повышенной чувствительностью к дефектам и другим факторам. Поэтому большинство многокомпонентных двухфазных сплавов являются либо несвариваемыми, либо обладают ограниченной свариваемостью.
Пайку титана и его сплавов осуществляют как при температурах выше, так и ниже температуры сс -»р превращения, вблизи которого особенно высока растворимость кислорода, р-титан в отличие а-титана характеризуется повышенной растворимостью легирующих элементов припоев, таких как Ag, Си, Ni и др., а также примесей О и N. В связи с этим для ускорения диффузии депрессантов припоев в паяемый металл (при диффузионной пайке) часто пайку осуществляют при температурах выше ос -»в превращения [1,2]. Однако в Р-области титан и его сплавы имеют повышенную склонность к росту зерна, что приводит к сильному снижению механических свойств, в особенности, пластичности (Р-охрупчивание) [43,44]. В процессе пайки при высоких температурах значительно меняется фазовый состав титановых сплавов, что также приводит к их разупрочнению.
Вследствие сильного роста зерна при высоких температурах пайки происходит сильное огрубление поверхности тонкостенных конструкций (эффект апельсиновой корки), затрудняющее последующее нанесение технологических покрытий на паяные соединения, например, на корпуса радиоэлектронной аппаратуры.
Характерная особенность многих (сН-р)-сплавов титана - повышенная ползучесть (эффект сверхпластичности) в р области, а также в верхней части (сс+Р) области.
Термический цикл пайки в сочетании с незначительными нагрузками может приводить к значительной пластической деформации сплавов, короблению, провисанию конструкций под собственным весом и др. Это может приводить к непропаям, искажению паяных конструкций и другим дефектам соединений. Поэтому методы сварки и пайки, требующие для своей реализации приложения значительного давления на соединяемые материалы (диффузионное соединение, контактно-реактивная пайка и др.), не применимы для соединения тонкостенных конструкций, например, сотовых конструкций, теплообменников и др. Пайку таких конструкций рекомендуется проводить при как можно более низких температурах, т.е. ниже температуры фазового превращения в титановых сплавах.
Для предотвращения значительной эрозии паяемого сплава рекомендуется использовать минимальное количество припоя, строго дозировать припой, использовать припои, содержащие в своем составе как можно больше титана.
К готовым припоям для пайки титана и его сплавов относятся серебряные припои, припои на основе титана и циркония, реже чистые металлы (медь, никель и др.) и композиции на их основе. Для получения пластичных и прочных соединений из титановых сплавов широкое применение находит диффузионная пайка.
Серебряные припои пластичны и применяются в виде фольги толщиной (0,05...0,5) мм или проволоки диаметром (0,3...1,5) мм. Соединения, паянные серебросодержащими припоями, обладают сравнительно не высокими прочностными свойствами. Основной недостаток серебросодержащих припоев низкая коррозионная стойкость паяных соединений.
Для пайки титана могут применяться чистые металлы, либо в виде фольги толщиной (7... 15) мкм [45,46], либо в виде покрытий на основном металле [1] (контактно-реактивная пайка). Часто используют комбинированные покрытия, например, Cu-Ni-Cu, Ni-Cu-Ni, Cu-Zr-Cu и др., наносимые гальваническим способом или методом напыления. При диффузионной пайке через фольги и покрытия предел прочности паяных соединений может быть значительно выше, чем при использовании серебра [1]. Однако данной разновидности пайки присущ ряд недостатков, обусловленных процессом нанесения покрытий и необходимостью приложения давления к соединяемым деталям в ходе пайки, а также значительная химическая эрозия паяемого металла в процессе пайки.
Более высокие свойства соединений обеспечивают припои на основе титана и его ближайшего аналога — циркония. Сплавы на основе титана и циркония, легированные для снижения температуры плавления такими металлами, как медь, никель, бериллий, кобальт, железо и др., являются хрупкими и малопластичными и не позволяют изготавливать из них фольгу и проволоку малой толщины. Поэтому данные припои используют в виде механических смесей порошков исходных компонентов припоев [47], порошков [48-52], прокатанных фольг [53-55], плакированных титановых фолы [56] и др.
Отработка технологии пайки бериллия с медными сплавами и исследование свойств паяных соединений
Для создания работоспособных конструкций современной техники важной задачей является обеспечение надежного соединения между разнородными материалами. В настоящее время для соединения разнородных материалов основное применение находят некоторые виды сварки (диффузионная, взрывом, трением и др.) и высокотемпературная пайка [1-4,8,11,14,58,59,61-75]. В некоторых случаях используют смешанные способы, например, диффузионное соединение через расплавленную прослойку или аргонодуговую сварку с промежуточным слоем [8,76]. Получить биметаллическое соединение можно также плазменным напылением одного металла на другой, а также конденсацией атомов в результате вакуумного испарения и магнетронного распыления. Таким способом можно получить, например, бериллиевый слой на бронзе [8]. Все эти методы позволяют получать соединения из разнородных материалов. Существенный недостаток таких методов, как диффузионное соединение, горячее изостатическое прессование и других, основанных на приложении высокого давления на соединяемые детали, высокая сложность и стоимость, а также невозможность последующей переделки соединения (как, например, при использовании пайки - подпайки), если хоть одна из приваренных бериллиевых пластин отвалилась от поверхности меди в процессе соединения.
Пайка является перспективным методом соединения конструкций из разнородных материалов [8]. Преимущество пайки - это возможность соединения материалов с сильно различающимися свойствами, в том числе с низкой совместимостью друг с другом. Пайка пластичными припоями более предпочтительна, чем диффузионное соединение (сварка), так как в последнем случае, особенно при диффузионном соединении без использования промежуточных слоев, часто образуются хрупкие интерметаллиды [8,61]. Использование пластичных припоев также позволяет снизить уровень остаточных напряжений в паяных соединениях, возникающих вследствие различия КТР.
Основные трудности при соединении разнородных материалов обусловлены различием физико-механических свойств соединяемых материалов и (или) плохой совместимостью их друг с другом. Первое приводит к возникновению остаточных внутренних напряжений в соединениях, второе к образованию интерметаллидов, непропаев и других дефектов в соединениях.
Вследствие различия КТР соединяемых материалов в соединениях возникают значительные внутренние напряжения. Снизить уровень внутренних напряжений в соединениях из разнородных материалов после пайки можно за счет выполнения следующих условий [2,8]: - уменьшения температуры пайки и использования припоев с низкой температурой солидуса; - применением пластичных припоев и промежуточных слоев; - созданием неравномерного температурного поля в процессе пайки, при котором материалы с меньшими значениями КТР будут нагреваться до более высоких температур, чем материалы с высокими значениями КТР; применением дополнительных релаксационных отжигов совмещенных с циклом пайки; выбором оптимальных конструктивных решений соединений, например, при пайке графита с металлами, при которых на графит воздействуют только напряжения сжатия; при пайке стекла с металлами — выбор конструкции металлической детали, при которых она будет свободно деформироваться вслед за деформацией стекла и т.д. В случае пайки материалов с низкой совместимостью друг с другом, необходим правильный подбор припоя и, при необходимости, барьерных слоев. Путем выбора припоя с низкой температурой плавления можно уменьшить термический цикл пайки и, тем самым, предотвратить или уменьшить степень образования интерметаллидов между припоем и паяемыми материалами. Макеты первой стенки и дивертора термоядерного реактора Одними из основных элементов термоядерного реактора (ТЯР), обращенных к плазме, являются первая стенка корпуса и приемное диверторное устройство, работающие в жестких условиях воздействия стационарных и импульсных плазменных потоков и нейтронного облучения [8,61-63]. Под приемным диверторным устройством реактора понимается расположенное в диверторнои камере автономное устройство, предназначенное для приема примесей и отработанной плазмы, съема мощных тепловых нагрузок, приносимых плазмой, и формирования потока нейтрального газа в канал откачки [62]. В целом условия работы первой стенки корпуса разрядной камеры и дивертора будут определяться большими тепловыми и радиационными потоками. Например, в международном термоядерном реакторе ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor - ITER) при срывах плазмы ожидается тепловая нагрузка до 5 МВт/м на первую стенку и 20 МВт/м2 на пластины дивертора [62,63]. Конструкция корпуса разрядной камеры ИТЭРа будет состоять из бериллиевого экрана (собственно, первой стенки), соединенного с теплоотводящим узлом, изготовленным из медного сплава. Медный водоохлаждаемый узел будет крепиться к несущей механическую нагрузку конструкции разрядной камеры, изготовленной из аустенитной хромоникелевой стали. В диверторном узле планируется использовать вольфрам и углеграфитовый композит, как материалы, воспринимающие отработанную плазму. Они будут крепиться к медным теплоотводящим системам [8].
Таким образом, применительно к ИТЭР, интерес представляет создание двух- и трехслойных соединений разнородных материалов: бериллий - сплавы меди, сплав меди -сталь, вольфрам - сплавы меди, углеграфитовый композит - сплавы меди [8,61-63].
Основные требования к энергонапряженным биметаллическим соединениям ИТЭР, сформулированы в работах [8,61-63]. Это надежный механический контакт, высокая термостойкость и теплопроводность соединений, технологичность, возможность ремонта и др. Главное требование к соединениям экрана с теплоотводящей системой - это высокая стойкость к циклическим изменениям температуры, обусловленным импульсным режимом работы реактора в первый период работы. Поэтому, для оценки пригодности того или иного метода изготовления энергонапряженных соединений ИТЭР, важными являются термоциклические испытания паяных соединений в условиях близких к условиям их работы в реакторе, например, с использованием быстрого нагрева пучком электронов.
