Содержание к диссертации
Введение
1. ПАЯЕМОСТЬ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И АЛЮМИНИЯ 10
1.1. Паяемость титана и его сплавов.. ...10
1.1.1. Физико-химические свойства титана и его сплавов 10
1.1.2. Особенности пайки титана 17
1.1.3. Припои для пайки титана и его сплавов 18
1.1.4. Способы пайки титана и его сплавов 21
1.2. Паяемость алюминия и его сплавов ...24
1.2.1. Физико-химические свойства алюминия и его сплавов 24
1.2.2. Особенности пайки алюминия и его сплавов 29
1.2.3. Припои для пайки алюминия и его сплавов 33
1.2.4. Способы пайки алюминия и его сплавов 36
1.3. Применение и особенности пайки комбинированных титано-алюминиевых конструкций 45
2. АКТИВИРОВАНИЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 49
2.1. Активирование поверхности титана при нагреве в вакууме 49
2.1.1. Газонасыщение титана и условия его безокислительного нагрева 49
2.1.2. Влияние паровой фазы металлов на процессы активирования 62
2.2. Особенности совместного активирования поверхности титана и алюминия при вакуумной пайке 83
2.2.1. Влияние комплексного введения паров металлов-активаторов на смачивание титана 83
2.2.2. Условия совместного смачивания алюминия и титана алюминиевыми припоями 85
3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 89
3.1. Интерметаллидные прослойки, условия их образования и роста 89
3.1.1. Образование химических соединений в системе Ti-Al-Si 89
3.1.2. Влияние легирующих элементов на формирование интерметаллидных прослоек 102
3.2. Механические свойства паяных соединений 107
3.2.1. Механические свойства паяных соединений из титановых сплавов 107
3.2.2. Механические свойства паяных комбинированных соединений в сочетании «титан-алюминий» 112
3.3. Особенности структуры и свойств соединений паяных композиционным припоем 116
3.3.1. Пайка алюминиевых сплавов композиционным припоем 116
3.3.2. Выбор оптимального соотношения количества наполнителя и легкоплавкой составляющей композиционного припоя 118
3.3.3. Исследование влияния грануляции наполнителя композиционного припоя на прочность и микроструктуру паяных соединений 122
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТИПОВЫХ ОПЕРАЦИЙ КОНТЕЙНЕРНОЙ ПАЙКИ ТИТАНОВЫХ И ТИТАНО-АЛЮМИНИЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ 127
4.1. Технологические рекомендации по пайке изделий из титана алюминиевыми припоями 127
4.1.1. Подготовка поверхности паяемых деталей к пайке 127
4.1.2. Сборка и укладка припоя ..128
4.1.3. Пайка и контроль качества паяных соединений 133
4.2. Технологические рекомендации по пайке комбинированных конструкций в сочетании титан-алюминий 134
4.2.1. Сборка и укладка припоя 135
4.2.2. Пайка и контроль качества паяных соединений 143
4.3. Технологические рекомендации по пайке конструкций композиционным припоем 147
4.3.1. Сборка и размещение припоя 148
4.3.2. Пайка и контроль качества паяных соединений 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
Общие выводы 151
Предложения 152
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 153
Приложение А ...162
- Физико-химические свойства титана и его сплавов
- Газонасыщение титана и условия его безокислительного нагрева
- Образование химических соединений в системе Ti-Al-Si
Введение к работе
Стремительно растущее применение высокоактивных металлов - титана и алюминия, требует дальнейшего совершенствования технологий получения их соединений, как в однородном, так и разнородном сочетаниях.
Титан и алюминий обладают целым комплексом ценных физико-химических свойств. Титан имеет высокую удельную прочность в широких интервалах температур, высокую коррозионную стойкость в большинстве агрессивных сред. В свою очередь, алюминий отличается высокой тепло- и электропроводностью, низким удельным весом, высокой пластичностью, но имеет сравнительно невысокие прочностные характеристики, что ограничивает его применение в качестве материала для изготовления несущих конструкций.
Для достижения высоких эксплуатационных характеристик паяных конструкций рационально применять в них сочетание титановых и алюминиевых элементов, что позволит наиболее эффективно использовать их механические и физико-химические свойства. Используя такие комбинированные конструкции можно существенно расширить область применения паяных конструкций и заметно снизить вес летательных аппаратов, судов, автомобилей.
Основные трудности пайки высокоактивных металлов, таких как титан и алюминий, связаны, прежде всего, с их физико-химическими свойствами, высоким сродством к кислороду и, как следствие, наличием на поверхности стойкого оксида, препятствующего контакту расплавленного жидкого припоя с поверхностью паяемого металла. Поэтому при пайке титана с алюминием возникает ряд сложностей, связанных с особенностями одновременной активации поверхностей этих металлов.
Несмотря на то, что известно достаточное количество способов пайки титана и алюминия, проведенный анализ показывает, что сведения о вакуумной пайке этих материалов в комбинированных конструкциях в литературе отсутствуют.
Наиболее часто применяемые в промышленности технологии пайки титана припоями, основой который является титан - ВПрІб, ВПр28 (Перевезен-цев Б.Н., Севрюков О.Н., Федотов В.Т.) и пайки алюминия (Смирнов Г.Н., Никитинский A.M., Суслов А.А., Строганов A.M.) в том числе припоями на основе алюминия (Сторчай Е.И., Соколова А.В., Хорунов В.Ф.), не решают всех задач, возникающих при совместном использовании титана и алюминия в конструкциях. Так, в известных работах (Нестеров А.Ф., Долгов Ю.С., Телков A.M., Рыльников B.C., Маурах М.А., Орлов А.С, Bollenrath F., Metzger G.) по пайке титана алюминиевыми припоями показано, что стабильное смачивание титановых сплавов алюминиевыми припоями в высоком вакууме обеспечивается при температурах значительно превышающих температуру плавления алюминия, что не позволят применять существующие технологические приемы для пайки комбинированных конструкций. При этом, нагрев титановых сплавов до высоких температур и длительные выдержки ухудшают его механические свойства, что связано с газонасыщением титана (Бондарь А.В., Пешков В.В., Батаро-нов И.Л.) и структурными изменениями.
Все это подтверждает актуальность темы настоящей работы.
Цель работы: расширение технологических возможностей производства и повышение качества титановых и титано-алюминиевых конструкций паяных припоями на основе алюминия путем установления закономерностей активации и взаимодействия припоя с паяемым материалом при контейнерной пайке в вакууме.
Физико-химические свойства титана и его сплавов
Титан и конструкционные сплавы на его основе нашли широкое применение в ряде отраслей промышленности благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, в частности, высокой удельной прочности, превосходящей сталь, алюминий и магниевые сплавы, высокой коррозионной стойкости, в том числе и при повышенных температурах [1].
Титан - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 22, атомная масса 47,90; имеет серебристо-белый цвет, относится к лёгким металлам.
Чистый титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5С устойчива а-форма с гексагональной плотноупако ванной решёткой (а=2,951 А, с=4,679 А), а выше этой температуры - Р-форма с кубической объёмно-центрированной решёткой а=3,269 А. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру полиморфного превращения титана [2, 3].
Плотность а-формы титана составляет при 20С 4,505 г/см , при 870С -4,35 г/см ; плотность (3-формы при 900С - 4,32 г/см . Температура плавления химически чистого титана составляет ґпл=1668С, температура кипения 4ип=3227С; теплопроводность титана в интервале 20-25С - 22,065 Вт/(м-К); температурный коэффициент линейного расширения в интервале 20-700С -9,7-10 ; теплоёмкость - 0,523 кдж/(кг-К). Предел прочности 256 МПа, относительное удлинение 72%, твёрдость по Бринеллю около 1000 Мн/м1. Модуль нормальной упругости 108000 МПа. Титан высокой степени чистоты достаточно пластичен при обычной температуре. Применяемый в промышленности технический титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920С. Для технического титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность составляет около 4,32 г/см , предел прочности 300-550 МПа, относительное удлинение не ниже 25%, твёрдость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м2 [5].
Чистый титан - химически активный переходный элемент, в химических соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500-550С титановые сплавы коррозионно-устойчивы, что объясняется наличием на поверхности тонкой, но прочной оксидной плёнки.
Отличительной особенностью титана является его способность растворять атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования. Наиболее активно идет взаимодействие с водородом - при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при нагреве до 400С и выше. В а+[3 титановых сплавах водород растворим в большей степени, в этих сплавах он устраняет эвтектоид-ный распад. Растворение водорода в титане является процессом обратимым, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600С с образованием оксида Ті02, называемого рутилом. С азотом титан реагирует при температуре выше 700С, при этом образуются нитриды типа TiN. Скорость диффузии азота и кислорода в титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой, так называемый альфированный слой, отличается повышенными твёрдостью и низкой пластичностью, и должен удаляться с поверхности титановых изделий путём травления или механической обработки [2, 6].
Газонасыщение титана и условия его безокислительного нагрева
Следовательно, на возможность реализации процесса пайки существенное влияние оказывают как парциальное давление кислорода, так и температура нагрева. Однако, повышение температуры приводит к увеличению скорости взаимодействия кислорода с титаном. При этом кислород, растворяясь в титане приводит к увеличению толщины альфированного слоя на его поверхности. Кислород оказывает сложное влияние на свойства титана. При его концентрации порядка нескольких десятых долей процента (до 0,3%) в ряде случаев его можно рассматривать даже как легирующий элемент [9]. Повышение содержания кислорода сопровождается уменьшением пластичности и при некотором критическом значении концентрации кислорода (Скр 0,8%) [14, 48] титан становиться хрупким и теряет свои механические и служебные свойства: падает пластичность, уменьшается сопротивление зарождению и распространению трещин и др. Это особенно актуально для деталей малой толщины, например, гофрированных элементов теплообменной аппаратуры, поскольку в этом случае толщина альфированного слоя соизмерима с толщиной самой детали. В этом случае, после длительного нагрева, даже в условиях вакуума, возможно существенное охрупчивание материала, вплоть до полной потери работоспособности.
Кроме того, нагрев и выдержка при повышенных температурах, при которых происходит активное растворение кислорода в титане, приводит к значительному росту его зерна, что в свою очередь также снижает механические характеристики титана и его сплавов.
Помимо прочего, титан являясь высоко активным элементом, с большинством компонентов, входящих в состав припоев реагирует с образованием хрупких интерметаллидов. Повышение температуры пайки приводит к интенсификации процессов образования и роста интерметаллидных прослоек. Например, при пайке титана алюминиевыми припоями на границе взаимодействия образуется интерметаллид ТіА13. Процессы взаимодействия на границе жидкий алюминий-титан носят сложный характер, и при определенных условиях (высокая температура пайки и длительная выдержка) может произойти «нарушение смачивания» и разрушение соединения за счет перехода всего жидкого алюминия в интерметаллид.
Можно предположить, что при нагреве в вакууме возможно принципиальное изменение кинетики процессов на межфазных границах - рост пленки при определенной температуре и давлении может смениться ее полным растворением. Как видно из уравнений (4) и (5), определяющую роль в процессах роста и растворения играют соответствующие константы К] и К2, зависящие от температуры и парциального давления окислительного компонента (02) и К,
значение которой определяется только температурой. При этом снижение парциального давления кислорода приведет к уменьшению константы роста, не изменяя константы растворения. Повышение температуры приведет к одновременному увеличению скоростей роста и растворения, причем в большей степени возрастет скорость роста оксидной пленки, что проведет к увеличению ее толщины и, одновременно, к насыщению кислородом поверхностного слоя металла и его охрупчиванию [87, 88]. Следовательно, основным фактором, определяющим рост толщины оксидного слоя, является величина парциального давления окислительного компонента газовой среды. Таким образом, нагрев титан до температуры выше 600С, при которой начинается активное растворение оксидной пленки в основном металле, и обеспечив парциальное давление окислительного компонента, при котором скорость роста оксида меньше скорости его растворения, можно добиться полной очистки поверхности титана от оксидной пленки (рисунок 4). Очевидно, что очистка поверхности титана от оксидной пленки возможна только в случае кинетического режима процесса окисления, что подтверждено оценочными расчетами.
Образование химических соединений в системе Ti-Al-Si
Применение алюминиевых припоев для пайки титана и его сплавов весьма перспективно при изготовлении сотовых конструкций и ряда других мало-нагруженных узлов, особенно при высоких требованиях к сохранению геометрии при пайке. Алюминиевые припои являются и более экономичными в сравнении с получившими наибольшее распространение припоями на основе титана, причем не только за счет более низкой стоимости, но и за счет энергозатрат, обусловленных снижением температуры пайки. При этом, так как температура пайки алюминиевыми припоями значительно ниже температуры полиморфного превращения титана, при пайке не происходит фазовая перекристаллизация и сопровождающий ее рост зерна, что позволяет сохранить на исходном уровне механические свойства, в том числе, наиболее чувствительную к такой перекристаллизации усталостную прочность паяемых титановых сплавов.
Основная проблема пайки титана алюминиевыми припоями заключается в трудности управления и контроля за образованием и ростом интерметаллид-ной прослойки. Одним из путей снижения скорости ее роста является снижение температуры пайки, определяемой температурой начала смачивания, и сокращение времени контакта жидкого припоя и паяемого металла.
Наиболее неблагоприятны сплошные прослойки химических соединений на границе припоя и паяемого металла. Высокая твердость химических соединений, своя кристаллическая решетка, различие физических свойств (линейный коэффициент термического расширения) приводят к тому, что эти прослойки являются слабыми местами в паяных соединениях и определяют их прочность. Отдельные выделения интерметаллидных фаз в матрице припоя, не соединенные между собой, не оказывают столь существенного влияния на свойства паяных соединений, а в некоторых случаях повышает их прочность [25].
Для выявления особенностей образования и роста прослоек химических соединений в системе Ti-Al и Ti-Al-Si было проведено исследование микроструктуры, выполненное на поперечных шлифах, вырезанных через центральную часть растекшейся капли припоя. Микрошлифы для исследования структуры изготавливались из образцов на которых исследовалось смачивание и кинетика растекания алюминия и эвтектического силумина по титану (п. 2.1.2).
При металлографическом анализе исследовалась граница титан-припой, в том числе и зона ореола. Определялось наличие и толщина интерметаллидных прослоек, характерные особенности их структуры [132].
Исследование микроструктуры осуществлялось на оптическим металлографическом микроскопе МИМ-8.
Основным недостатком микроскопа МИМ-8 является устаревшее устройство фотографирования - специальная фотокамера, позволяющая переводить изображение на фотопластинки, с которых впоследствии осуществляется печать фотографий. Данный процесс достаточно длителен, а при необходимости получить цифровое изображение структуры необходимо сканирование полученных фотографий, приводящее к ухудшению их качества.
