Новая система припоев для пайки титановых сплавов
На основе результатов систематических исследований сплавов системы Ti–Zr–Co, учета литературных данных с использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента построена поверхность ликвидуса этой системы. Установлено, что в данной системе имеется область сплавов с пониженной температу...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101261 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Новая система припоев для пайки титановых сплавов / В.Ф. Хорунов, В.В. Воронов // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 25-28. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-101261 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1012612016-06-02T03:03:12Z Новая система припоев для пайки титановых сплавов Хорунов, В.Ф. Воронов, В.В. Научно-технический раздел На основе результатов систематических исследований сплавов системы Ti–Zr–Co, учета литературных данных с использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента построена поверхность ликвидуса этой системы. Установлено, что в данной системе имеется область сплавов с пониженной температурой ликвидуса, наиболее перспективная с точки зрения разработки припоев. Исследована растекаемость опытных припоев по титановым сплавам разных классов (ОТ4, ВТ6, ВТ22). Приведены данные о механических свойствах паяных соединений. Based on the results of systematic studies of Ti–Zr–Co system alloys, allowing for published data, the liquidus surface of this system was constructed, using simplex-lattice experiment-planning method. It is established that this system has an area of alloys with lower liquidus temperature, the most promising in terms of filler alloy development. Spreadability of experimental filler metals over titanium alloys of different classes (OT4, VT6, VT22) was studied. Given are the data on mechanical properties of brazed joints. 2012 Article Новая система припоев для пайки титановых сплавов / В.Ф. Хорунов, В.В. Воронов // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 25-28. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101261 621.791.3 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Хорунов, В.Ф. Воронов, В.В. Новая система припоев для пайки титановых сплавов Автоматическая сварка |
| description |
На основе результатов систематических исследований сплавов системы Ti–Zr–Co, учета литературных данных с использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента построена поверхность ликвидуса этой системы. Установлено, что в данной системе имеется область сплавов с пониженной температурой ликвидуса, наиболее перспективная с точки зрения разработки припоев. Исследована растекаемость опытных припоев по титановым сплавам разных классов (ОТ4, ВТ6, ВТ22). Приведены данные о механических свойствах паяных соединений. |
| format |
Article |
| author |
Хорунов, В.Ф. Воронов, В.В. |
| author_facet |
Хорунов, В.Ф. Воронов, В.В. |
| author_sort |
Хорунов, В.Ф. |
| title |
Новая система припоев для пайки титановых сплавов |
| title_short |
Новая система припоев для пайки титановых сплавов |
| title_full |
Новая система припоев для пайки титановых сплавов |
| title_fullStr |
Новая система припоев для пайки титановых сплавов |
| title_full_unstemmed |
Новая система припоев для пайки титановых сплавов |
| title_sort |
новая система припоев для пайки титановых сплавов |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101261 |
| citation_txt |
Новая система припоев для пайки титановых сплавов / В.Ф. Хорунов, В.В. Воронов // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 25-28. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT horunovvf novaâsistemapripoevdlâpajkititanovyhsplavov AT voronovvv novaâsistemapripoevdlâpajkititanovyhsplavov |
| first_indexed |
2025-07-07T10:39:55Z |
| last_indexed |
2025-07-07T10:39:55Z |
| _version_ |
1836984352544653312 |
| fulltext |
УДК 621.791.3
НОВАЯ СИСТЕМА ПРИПОЕВ
ДЛЯ ПАЙКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Чл.-кор. НАН Украины В. Ф. ХОРУНОВ, В. В. ВОРОНОВ, магистр
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
На основе результатов систематических исследований сплавов системы Ti–Zr–Co, учета литературных данных с
использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента построена поверхность ликвидуса этой
системы. Установлено, что в данной системе имеется область сплавов с пониженной температурой ликвидуса,
наиболее перспективная с точки зрения разработки припоев. Исследована растекаемость опытных припоев по
титановым сплавам разных классов (ОТ4, ВТ6, ВТ22). Приведены данные о механических свойствах паяных
соединений.
К л ю ч е в ы е с л о в а : пайка, титановые сплавы, новая
система припоев, поверхность ликвидуса, смачивание, меха-
нические свойства
Титановые сплавы играют важную роль в совре-
менной промышленности, особенно в авиастро-
ении, благодаря их высоким характеристикам,
низкой плотности, высокой прочности, в част-
ности, высокой коррозионной и усталостной стой-
кости, а также высокому значению удельной проч-
ности.
Между тем в настоящее время насущной проб-
лемой является создание паяных конструкций из
титановых сплавов, которые нельзя изготовить с
помощью сварки. К таким изделиям следует от-
нести ответственные теплообменные устройства
для охлаждения компактных ядерных реакторов,
пластинчато-ребристые и сотовые конструкции в
авиа- и кораблестроении и др. [1].
Современная технология пайки и припои дол-
жны обеспечивать паяные швы со свойствами,
близкими к свойствам основного материала. Этим
обусловлены важные температурно-временные
пределы циклов пайки, определяе-
мые природой титановых сплавов.
Данные пределы ограничивают воз-
можность появления нежелательных
изменений структуры и свойств спла-
вов, обусловленных полиморфизмом
титана.
При температуре ниже 882 °С ти-
тан находится в α-состоянии (гекса-
гональная решетка), а выше этой тем-
пературы — в β-состоянии (кубичес-
кая решетка). Это обстоятельство су-
щественно влияет на диффузию эле-
ментов-депрессантов из шва в паяе-
мый металл и как следствие на струк-
туру и свойства паяных соединений.
Согласно работе [2] необходимость ограниче-
ния температуры пайки титана и его сплавов обус-
ловлена большой скоростью роста его зерна при
температурах выше 1000 °С. Таким образом, тем-
пература плавления припоя не должна превышать
950…1000 °С [2].
В работе [3] верхняя граница температуры пай-
ки снижена до 900 °С для α- и псевдо-α-сплавов,
до 935°С для α + β-сплавов, до 870°С для псев-
до-β-сплавов и до 760…800 °С для β-сплавов.
Ограничение температур пайки значением
температуры α→β-превращения особенно важно
для тонкостенных конструкций, обычно приме-
няемых в авиастроении, так как активный рост
зерен и активная диффузия компонентов припоя
в основной металл небольшой толщины приводит
к охрупчиванию паяного шва.
На сегодня наиболее распространенными при-
поями для высокотемпературной пайки титана,
которые успешно применяются при изготовлении
© В. Ф. Хорунов, В. В. Воронов, 2012
Промышленные припои на основе титана
Припой Состав, мас. %
Температура, °С
солидус ликвидус пайки
BTi-1 Ti–15Cu–15Ni 902 950 980…1050
BTi-2 Ti–15Cu–25Ni 901 914 930…950
BTi-3 Ti–26Zr–14Cu–14Ni–0,5Mo 820…920
BTi-4 Ti–20Zr–20Cu–20Ni 848 856
Ticuni 70 Ti–15Cu–15Ni 902 950 980–1050
MBF 5011 Ti–18,5Cu–27,5Ni 910 920
MBF 5012 Ti–20Cu–20Ni 915 936
ВПр16 Ti–(8-16)Ni–(11-14)Zr–(21-24)Cu 880 900 920…970
СТЕМЕТ1201 Ti–12Zr–12Ni–23Cu 830 955 900…1000
Ti–Zr–Be–Al Ti–45Zr–4,7Be–5Al 910
Ti–Zr–Be Ti–48Zr–2Be 930
8/2012 25
конструкций различного назначения, являются
припои систем Ti–Cu–Ni, Ti–Zr–Cu–Ni (таблица).
Однако данные припои имеют ограничение по
применению из-за содержания меди и никеля, и
необходимо исследовать новые системы сплавов,
в которых эти элементы отсутствуют. В качестве
альтернативы известным системам припоев в пос-
леднее время в литературе рассматриваются сис-
темы Ti–Zr–Fe [4–6] и Ti–Zr–Mn [5, 6]. Припои
данных систем имеют хорошие технологические
свойства и обеспечивают хорошую прочность па-
яных соединений. Однако температура плавления
Тпл у данных припоев находится в пределах 960
(для системы Ti–Zr–Fe) ... 1050 °С (для системы
Ti–Zr–Mn) [5, 6]. Соответственно температуры
пайки для данных припоев превышают верхнюю
границу допустимых температур.
Целью настоящей работы являлась разработка
нового поколения припоев для пайки титановых
сплавов в целях расширения области применения
паяных титановых конструкций, не содержащих
указанные элементы и имеющих пониженную
температуру плавления (ниже 900 °С).
Изучение диаграмм состояния показало, что
неограниченные твердые растворы с титаном об-
разуют лишь тугоплавкие металлы (цирконий, ва-
надий, молибден, молибден, ниобий). Среди них
цирконий и ванадий образуют твердые растворы
с минимумом на кривой ликвидуса, что дает воз-
можность использовать системы Ti–Zr, Ti–V в ка-
честве основы для разработки припоев. В част-
ности, перспективной, по нашему мнению, явля-
ется система Ti–Zr–Co.
Для определения оптимальных соотношений
элементов в сплаве необходимо было построить
диаграмму ликвидуса тройной системы Ti–Zr–Co.
Построение такой поверхности традиционными
экспериментальными методами является сложной
и трудоемкой задачей, поэтому нами использо-
вано сочетание расчетного и экспериментального
методов, в частности, метод симплекс-решетча-
того планирования эксперимента, математичес-
кий аппарат которого подробно описан в работах
[7, 8].
В процессе построения диаграммы ликвидуса
системы Ti–Zr–Co было изучено около 50 сплавов,
которые выплавляли на холодной подложке с при-
менением электронно-лучевого нагрева. Резуль-
таты расчета представлены на рис. 1.
Исходя из приведенной диаграммы можно
предположить, что в данной системе в области
сплавов с низким содержанием кобальта (прибли-
зительно вдоль линии, проходящей от сплава Ti–
22Co до сплава Zr–15Co) имеется линия монова-
риантной эвтектики, а также область с пониженной
температурой ликвидуса (менее 900 °С), которая,
по нашему мнению, и является наиболее перс-
пективной с точки зрения разработки припоев.
По результатам расчета и построения повер-
хности ликвидуса для дальнейшего исследования
был выбран ряд сплавов системы Ti–Zr–Co.
Рис. 1. Результаты расчета поверхности ликвидуса системы
сплава Ti–Zr–Co в объемном виде (а) и на плоскости (б)
Рис. 2. Результаты высокотемпературного дифференциально-
го термического анализа экспериментального сплава системы
Ti–Zr–Co
Рис. 3. Микроструктуры
сплава Ti–Zr–Co в ли-
том состоянии: а —
×500; б — ×1000
26 8/2012
После выплавки опытных сплавов с целью про-
верки сходимости показаний расчетного метода
и экспериментальных данных был проведен диф-
ференциальный термический анализ и металлог-
рафические исследования данных сплавов.
Дифференциальный термический анализ спла-
вов проводили на установке ВДТА 8М-3 (скорость
нагрева и охлаждения составляла 30 °С/мин).
По результатам проведенных экспериментов
для дальнейших более детальных исследований
был выбран один потенциально перспективный
сплав. Как видно из данных, представленных на
рис. 2, выбранный сплав имеет температуру на-
чала плавления 861 °С и полного расплавления
880 °С.
Как видно из рис. 3, а, б, данный сплав пред-
ставляет собой смесь двух фаз — твердого рас-
твора (белая фаза) и эвтектики (темная фаза). Тот
факт, что на дифференциальной кривой при наг-
реве и охлаждении выбранного сплава (см. рис. 2)
имеет место только один пик, может быть объяс-
нено тем, что данные фазы, возможно, имеют
близкие температуры плавления.
Для определения уровня смачивания и расте-
кания экспериментального припоя по подложке
из титановых сплавов различных классов была
проведена серия экспериментов, целью которой
было определить площади растекания припоев
системы Ti–Zr–Co по подложке из сплавов ОТ4
(низколегированный псевдо-α-сплав), ВТ6 (сред-
нелегированный α + β-сплав) и ВТ22 (высоколе-
гированный α + β-сплав). Для сравнения был взят
припой Ti–12Zr–12Ni–23Cu (СТЕМЕТ 1201) в ли-
том виде, а также новый экспериментальный при-
пой Ti–35Zr–25Fe, разработанный в ИЭС им. Е. О.
Патона.
Нагрев образцов проводили в вакуумной печи
СГВ 2,4-2/15-И3 при следующих условиях: cреда
в рабочем пространстве печи — вакуум, 5⋅10–5 мм
рт.ст.; скорость нагрева ~30 °С/мин; температура
пайки для припоя Ti–Zr–Co составляла 920 °С,
для припоев Ti–Zr–Fe и СТЕМЕТ 1201 — 1000 °С.
Рис. 4. Внешний вид образцов с расплавившимся припоем на подложке из сплава ОТ4: а — ВПр16 (СТЕМЕТ 1201) (Tпл =
= 990 °С, t = 10 мин); б — Ti–Zr–Fe (Tпл = 1000 °С, t = 10 мин); в — Ti–Zr–Co (Tпл = 920 °С, t = 10 мин)
Рис. 5. Площади растекания литых припоев по сплавам ОТ4,
ВТ6 и ВТ22 (нагрев в вакууме 5⋅10–5 мм рт.ст.): 1 — ВПр16
(СТЕМЕТ 1201) (Tпл = 990 °С, t = 10 мин); 2 — Ti–Zr–Fe (Tп =
= 1000 °С, t = 10 мин); 3 — Ti–Zr–Co (Tпл = 920 °С, t = 10
мин)
Рис. 6. Механические свойства нахлесточных (темные стол-
бцы) и стыковых (светлые) соединений из сплавов ОТ4 (а) и
ВТ6 (б), выполненных разными припоями: 1, 2 — соот-
ветственно ВПр16, литой и СТЕМЕТ 1201, аморфной лентой
(Tпл = 990 °С, t = 10 мин); 3 — Ti–Zr–Fe (Tпл = 1000 °С, t =
= 10 мин); 4 — Ti–Zr–Co (Tпл = 920 °С, t = 10 мин)
8/2012 27
Площадь растекания припоев по подложке оп-
ределяли с помощью программы AUTOCAD 2007.
Результаты эксперимента приведены на рис. 4, 5.
Как можно заметить из приведенных диаг-
рамм, площадь растекания припоя Ti–Zr–Co по
титановым подложкам трех типов выше, чем у
припоев других систем, что связано, возможно,
с повышенным содержанием циркония в экспе-
риментальном сплаве.
Предварительные механические испытания со-
единений, паяных припоем системы Ti–Zr–Co
(рис. 6), показали, что прочность соединений из
сплава ВТ6, выполненных экспериментальным
припоем, выше, чем прочность соединений, вы-
полненных стандартными припоями, несмотря на
более низкую температуру пайки.
Приведенные результаты демонстрируют, что
экспериментальный припой системы Ti–Zr–Co от-
вечает требованиям, предъявляемым к припоям
для изготовления конструкций из титановых спла-
вов различного назначения.
Выводы
1. На основе результатов исследований сплавов
системы Ti–Zr–Co, а также построенной повер-
хности ликвидуса этой системы выбран перс-
пективный припой для пайки титановых сплавов
различных классов.
2. Установлено, что площадь растекания опыт-
ного сплава по подложкам из титановых сплавов
различных классов выше стандартных припоев
для пайки титановых сплавов.
3. Площадь растекания всех исследуемых спла-
вов увеличивается с повышением концентрации
легирующих элементов в паяемых титановых
сплавах. Так, при исследовании растекания наи-
лучшие результаты получены на высоколегиро-
ванном псевдо-β-сплаве ВТ22.
4. Механические свойства паяных соединений
из сплавов ОТ4 и ВТ6, выполненных экспери-
ментальным припоем, превышают прочность со-
единений, выполненных известными припоями.
1. Shapiro A., Rabinkin A. State of the art and new potential
aerospace applications of titanium-based brazing filler me-
tals: overview// 2-nd Intern. brazing and soldering conf.,
San-Diego, Feb. 17–19, 2003.
2. Лашко Н. Ф., Лашко С. В. Пайка металлов. — М.: Ма-
шиностроение, 1977. — 328 с.
3. Shapiro A.E., Flom Y. A. Brazing of titanium at temperatures
below 800 °С: review and prospective applications //
http://www.titanium-brazing.com/publications/DVS-Manus
cript_1020-Copy2-19-07.pdf.
4. Muller H., Breme J. Brazing of titanium with new biocom-
patible brazig filler alloys // Titanium–99 science and tech-
nology: Proc. of the Ninth world conf. on titanium, CRISM
«Prometey», Saint-Petersburg, Russia 7–11, June 1999. —
P. 1758–1655.
5. Хорунов В. Ф., Максимова С. В., Иванченко В. Г. Разра-
ботка припоев для пайки жаропрочных сплавов на осно-
ве никеля и титана // Автомат. сварка. — 2004. — № 9.
— С. 27–32.
6. Хорунов В. Ф., Максимова С. В., Зелинская Г. М. Исследо-
вание структуры и фазового состава сплавов на основе сис-
темы Ti–Zr–Fe // Там же. — 2010. — № 9. — С. 14–19.
7. Зедгенидзе И. Г. Планирование эксперимента для иссле-
дования многокомпонентных систем. — М.: Наука,
1976. — 390 c.
8. Scheffe H. Experiments with mixtures // J. Roy. Stat. Soc. B.
— 1958. — 20, № 2. — P. 344.
Based on the results of systematic studies of Ti–Zr–Co system alloys, allowing for published data, the liquidus surface
of this system was constructed, using simplex-lattice experiment-planning method. It is established that this system has
an area of alloys with lower liquidus temperature, the most promising in terms of filler alloy development. Spreadability
of experimental filler metals over titanium alloys of different classes (OT4, VT6, VT22) was studied. Given are the data
on mechanical properties of brazed joints.
Поступила в редакцию 07.05.2012
Научно-техническая конференция
«СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТАЛЛУРГИИ,
ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ И НАПЛАВКИ
СТАЛЕЙ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ»
К 100-летию со дня рождения засл. деятеля науки и техники,
проф. Д. М. Рабкина и д-ра техн. наук, проф. И. И. Фрумина
25-26 октября 2012 г. Киев
ИЭС им. Е. О. Патона
Организаторы конференции: Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины,
Общество сварщиков Украины
Контакты: (044) 200 54 06; 200 63 57; 200 24 66; 200 82 77
E-mail: office@paton.kiev.ua; tzu@e-mail.ua
28 8/2012
|