CC BY
34
УДК 621.791.364:541.428:669.295
Воронежский Государственный архитек- Voronezh State University of Architecture and турно-строительный университет Civil Engineering
Канд. тех. наук, доцент кафедры транс- Ph.D. in Engineering., docent of transportation
портных машин И. А. Фролов machines faculty I.A. Frolov
Россия, г. Воронеж, тел. 8 (4732) 271-59-18 Russia, Voronezh, tel. 8(4732) 271-59-18
И.А. Фролов
КОНТАКТНО-РЕАКТИВНАЯ ПАЙКА ТОНКОСТЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ЧЕРЕЗ МЕДНУЮ ПРОСЛОЙКУ
Представлены результаты технологического процесса соединения внутренней ребристой оболочки с гладкой наружной припоем, возникающим при контактном плавлении прослойки меди с титаном и последующем его растворении в соединяемых деталях при длительной высокотемпературной выдержке. Доказаны высокая надежность и качество полученных соединений.
Ключевые слова: титановый сплав, тонкая прослойка меди, длительная высокотемпературная выдержка.
I.A. Frolov
CONTACT-REACTIVE BRAZING OF THIN-WALLED PARTS MADE OF TITANIUM ALLOYS THROUGH THE COPPER LAYER
Presents the results of the process inside compound ribbed shell with a smooth outside the fast ice, emerging in contact melting layer of copper with titanium and its subsequent dissolution in the connecting parts during prolonged high temperature exposure.
Proven reliability and quality of the compounds.
Key words: titanium alloy, a thin layer of copper, a prolonged high temperature endurance.
Титан и его сплавы являются замечательными материалами: они завоевали прочное место в авиационной и ракетной технике, в судостроении, химической промышленности и различных отраслях машиностроения. Обеспечивая равнопрочность со сталями, изделия из титановых сплавов дают заметный выигрыш в весе, что видно из сравнения их плотностей (□fc=7.87; □t1=4.5) [1].
К числу изделий, единственным способом соединения которых является пайка, относят различные теплообменники, изготовленные из титановых сплавов толщиной ~ 1 мм. Пайку их осуществляют через строго дозируемую тонкую прослойку промежуточного металла, чаще всего меди, которая контактно плавится при достижении заданной температуры нагрева [2,3]. Решению технических вопросов пайки титановых сплавов через медную прослойку посвящено много работ [4.5].
Целью данной работы является определение экспериментально-расчетным путем параметров пайки тонкостенных оболочек из титанового сплава ОТ-4 через прослойку меди и выбор оптимальной схемы осуществления процесса.
Контактному плавлению меди и титана предшествует взаимная диффузия компонентов в твердой фазе, в результате которой образуются микрообъёмы сплавов эвтектического состава с минимальными температурами плавления 955°С и 850 °С согласно диаграмме состояния системы Ti-Cu [6]. Быстрое расплавление медной прослойки, вступающей в контактное плавление с основным металлом, приводит к образованию жидкой фазы, концентрация которой близка к составу, соответствующему достигнутой температуре нагрева.
Для умеренной скорости нагрева (~20°С/мин), исключающей протекание диффузионных процессов, снижающих содержание меди в паяном шве в интервале температур от 850 до 1000 °С, толщину прослойки жидкой фазы рассчитывали по формуле:
_ Ре-Ц * Де-ц « 100%
с, - ■: (1)
где - толщина жидкой меднотитановой прослойки; рСи - плотность и толщина прослойки меди в исходном состоянии соответственно; С; - содержание меди в сплавах, соответствующих точкам пересечения изотерм нагрева с линией ликвидуса части диаграммы состояния, ограниченной с одной стороны титаном, а с другой - сплавом, состав которого в эвтектической точке соответствует достигнутой температуре нагрева; р1 - плотность сплавов, определённая методом аддитивности. Результаты расчета показывают, что в процессе нагрева толщина жидкой прослойки скачкообразно увеличивается при достижении температур эвтектических точек системы ТьСи, а при 1000 °С она почти в 5 раз превышает исходную [7], что может вызвать недопустимое скопление припоя в каналах изделия.
Поэтому прослойка меди наносилась исключительно на торцы ребер оболочки, а плотный контакт между деталями при пайке обеспечивался эквидистантностью профилей оболочек, что достигалось как технологическим процессом их изготовления, так и приёмом селективной сборки [8].
Дополнительно контакт между паяемыми деталями поддерживался как за счет преимущественного расширения внутренней ребристой оболочки, обусловленной схемой пайки, так и разностью давлений: вакуум 5*10-2 мм рт.ст. (6,65*10-8МПа) во внутренней полости изделия и избыточным давлением инертного газа (аргона) 0,5 атм. (5*10-2 МПа) на гладкую оболочку.
ПТемпература, °С ~
1, 2 - оболочки изделия, 3 - прослойка меди,
Q - оснастка (технологическая оболочка) - источник нагрева (Q=qI2Rт);
Ргдавление на внутреннюю оболочку изделия термическим расширением оснатки Рис. 1. Зависимость эффективной динамической вязкости сплава ОТ4 от температуры (а) и схема пайки (б)
Поскольку титан при 882°С имеет аллотропическое превращение, то при температуре пайки увеличивается его эффективная динамическая вязкость (текучесть).
Расчетным методом с учетом экспериментальных результатов величина избыточного давления аргона (Ризб.) исключила прогиб тонкостенной оболочки при длительной высокотемпературной выдержке [Рис. 1 «а» и «б»].
Эти приёмы обеспечили концентрацию припоя лишь в галтелях соединения за счет капиллярных сил, исключив возможность его нежелательного скопления в каналах изделия.
Поскольку жидкая фаза припоя содержит эвтектическую смесь многочисленных хрупких интерметаллидов ( Т12Си; Т1Си; Т12Си3; Т1Си3), требуется последующая выдержка для диффузионных процессов, снижающих содержание меди в паяном шве.
Длительность этого процесса позволяет определить кинетика растворения ограниченного количества вещества в двух объёмах бесконечной протяженности [9], при которой в центре паяного шва будет содержаться определенное (заданное) количество меди:
Сси =-$й-€~Ш (2)
где ССи - содержание меди в центре паяного шва, г/см3; Qo - количество меди, диффундирующей через единицу площади поперечного сечения шва, г/см2 (при достигнутой температуре нагрева [10] оно равно р; С; И; ); Б-коэффициент диффузии меди в титане, равный 7*10"8 см2/с [11]; т - время выдержки, с; Х - глубина диффузии, см (в нашем случае Х=0).
Продолжительность (ГЮ~*, сек.
Рис. 2. Зависимость содержания меди в центре паянного шва от времени выдержки (а) и характер её распределения (б) в паяном соединении (1=1000 °С, т= 60 мин.; Ьси=10 мкм.)
Микрорентгеноспектральным анализом паянного соединения установлено, что содержание меди в паяном шве уменьшается с 8-12% в центре и практически до нуля на расстоянии ~200 мкм в глубь основного материала, соответствуя заключительной стадии экспонентного закона растворно-диффузионного процесса.
Это удовлетворительно совпадает с содержанием меди в центре шва, рассчитанным по формуле (2) для процесса пайки через прослойку толщиной 10 мкм при 1000°С в течение 60 мин. Это время выдержки при пайке является наиболее оптимальным, сокращение процесса приводит к охрупчиванию швов из-за повышенного содержания интерметаллидов. [Рис. 2].
Качество паянных соединений оценивали рентгеновским просвечиванием и испытанием на гидропрочность при давлении 35Мпа. Контроль качества соединений паказал, что разработанный технологический процесс обеспечивает получение изделий, удовлетворяющих предъявленным требованиям. Некоторые изделия от партии подвергали испытанию до раз-
рушения, которое наступало при Р > 70 МПа, а часть соединений - металлографическому и микрорентгеноспектральному анализу.
Металлографическое исследование паяного шва выявляет структуру, соответствующую двойным эвтектическим сплавам. В титановых сплавах, паяных через прослойку меди, наблюдаются пластинчатые участки эвтектики, а- и в- структурные составляющие которой имеют одинаковую ориентацию с направлением, соответствующим матричным зернам соединяемых деталей [Рис. 3].
а) б)
Рис. 3. Макро (а) и микро (б) структуры титанового сплава ОТ4 после пайки через прослойку меди
Выводы
1. Определены оптимальные режимы пайки деталей из титанового сплава ОТ4 толщиной 1 мм.
2. Параметры технологического процесса пайки могут быть получены экспериментально-расчетным методом.
Библиографический список
1. Л.С. Мороз, Б.Б. Чечулин и др. Титан и его сплавы. Том 1. Судпромгиз. Л. 1960; 515 с.
2. Патент 3854194 США.
3. АС. 1013074 СССР.
4. Грушин В. Л. Свойства соединений титана и его сплавов, паянных медью // Сварочное производство. 1975 №10. С. 36-37
5. Беседный В.А. Контактно-реактивная пайка титанового сплава ВТ6С // Сварочное производство. 1977. №1. С. 35-37
6. Молчанова Е.К. Атлас диаграмм состояния титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1964, 392с.
7. Фролов И.А. Диффузионная пайка тонкостенных деталей из титановых сплавов при контактно-реактивном плавлении медной прослойки // Сварочное производство. 1990 №5. С. 10-11
8. Радкевич Я.М., Схиртладзе А.Г., Лактинов Б.И. Метрология, стандартизация и сертификация. М.: В.Ш., 2007 с. 570
9. Герцрикен С. Д., Дехтяр Н.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М.: Физматгиз, 1960, 400с.
10. Долгов Ю.С., Сидохин Ю.Ф. Вопросы формирования паянного шва. М.: Машиностроение, 1973, 135 с.
11. Wells R.R. Microstructural control of thinfilm Diffusion - brased titanium // Welding Jornal. 1976. №1. P 20-27
References
1. L.S. Moroz, BB Chechulin etc. Titanium and its alloys. Volume 1. Sudpromgiz. L. 1960,
515.
2. U.S. Patent 3854194.
3. AS 1013074 USSR.
4. Grushin, V.L. Properties of the compounds of titanium and its alloys, copper payannyh / / Welding Production. 1975 № 10. p. 36-37
5. Besedny V.A. Contact-reactive brazing of titanium alloy VT6S / / Welding Production.
1977. № 1. p. 35-37
6. Molchanova E.K. Atlas of the phase diagrams of titanium alloys. Moscow: Mashinostroenie, 1964, 392s.
7. Frolov I.A. Diffusion brazing of thin-walled parts made of titanium alloys in contact-jet melting copper interlayer / / Welding Production. 1990 № 5. p 10-11
8. Radkevich J.M., Skhirtladze A.G., Laktinov B.I. Metrology, standardization and certification. M.M.: VS, 2007. p. 570
9. Gertsriken S.D., Dekhtyar N.Y. Diffusion in metals and alloys in the solid phase. Moscow: Fizmatgiz, 1960, 400p.
10. Dolgov Y.S., Y..F Sidohin Issues of forming payannogo seam. Moscow: Mashinostroenie, 1973, 135p.
11. Wells R.R. Microstructural control of thinfilm Diffusion - brased titanium / / Welding Jornal. 1976. № 1. P. 20-27
