Методы соединения порошковых жаропрочных сплавов с участием жидкой фазы

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы соединения порошковых жаропрочных сплавов с участием жидкой фазы

28.01.2020

Сварка плавлением. Преимущества сварки плавлением перед другими методами заключаются в ее экономичности, простоте, универсальности (толщина и взаимное положение соединяемых элементов не ограничивают возможностей этого метода). К числу способов сварки плавлением, обычно применяемых для соединения жаропрочных сплавов, относятся сварка вольфрамовым электродом в инертной среде, электронно-лучевая сварка, сварка методом сопротивления и плазменная сварка. Плазменную сварку следует предпочесть сварке вольфрамовым электродом при соединении элементов, выполненных из толстого (>2 мм) листа, так как применение дуги большей интенсивности позволяет выполнять сварку однопроходным швом. Электронно-лучевая сварка применяется для соединения элементов большого сечения в тех случаях, когда недопустимо коробление, возникающее при других способах. Как правило, дисперсноупрочненные сплавы не пригодны для сварки плавлением, однако, как будет показано в дальнейшем, некоторые из недавно разработанных сплавов, по-видимому, лишены этого недостатка.

Сварка плавлением порошковых жаропрочных сплавов. Сварка плавлением широко используется для соединения обычных жаропрочных сплавов низкой и средней прочности. Современные сплавы с повышенным содержанием элементов, образующих упрочняющую у'-фазу (Ti, Al), проявляют сильную тенденцию к образованию трещин как в процессе сварки, так и во время последующего отжига. Рис. 8.1 дает относительную характеристику свариваемости ряда обычных и порошковых жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Причины образования трещин обоих типов и способы борьбы с ними рассмотрены в работе Тамбураи и др. В общем случае для уменьшения опасности растрескивания свариваемый металл должен иметь минимально допустимый (с точки зрения служебных свойств) размер зерна, и сварка должна производиться при минимально возможной величине подводимой энергии. Эффективным средством уменьшения склонности к растрескиванию служит перестаривание сплава при отжиге перед сваркой, приводящее к его смягчению и гомогенизации, и проведение термической обработки сваренного изделия в инертной среде.
Методы соединения порошковых жаропрочных сплавов с участием жидкой фазы

Несмотря на плохую свариваемость, обусловленную высоким содержанием легирующих элементов, порошковые сплавы, обладающие мелкозернистой структурой и повышенной однородностью, должны быть менее склонны к растрескиванию чем их литые аналоги. Тамбураи и др. изучали процесс сварки электронным лучом порошковых сплавов IN 100, IN792+Hf 713LC. Они установили, что образование трещин при сварки в листовом сплаве IN792+Hf толщиной 6 мм можно предотвратить, применяя предварительный нагрев до ~900 °С. Нагрев до этой T заметно уменьшал степень растрескивания также и в сплавах IN100 и 713LC, но не исключал образования микротрещин, связанных с оплавлением межзеренных границ в зоне термического влияния (рис. 8.2).

Хотя порошковая металлургия дает возможность уменьшить степень растрескивания некоторых сплавов, которые при обычной технологии оказываются практически несвариваемыми, она может создавать и дополнительные трудности, связанные с выделением газов в зоне плавления. Эти газы, попадающие в порошок в процессе его производства или компактирования, приводят к образованию пор (рис. 8.3). Однако, как показывает опыт, тщательный контроль технологии позволяет снизить содержание газов в компактном материале до минимального уровня, при котором количество пор настолько мало, что они не оказывают влияния на свойства материала.

Контроль условий получения и переработки порошка необходим также для снижения количества карбидов, выделяющихся по границам исходных частиц вследствие их загрязнения и сегрегации растворенных элементов. Сетки таких карбидов создают пути легкого прохождения трещин и не только ухудшают механические свойства основного металла, но и повышают склонность высокопрочных сплавов к образованию трещин в зоне термического воздействия.

Сварка плавлением дисперсноупрочненных сплавов. При сварке плавлением в дисперсноупрочненных сплавах происходит коагуляция оксидных частиц. Более того, зеренная структура, образующаяся в процессе затвердевания, нарушает характерную для дисперсноупрочненных сплавов структуру, состоящую из крупных удлиненных зерен. Однородность распределения дисперсных оксидов и крупное удлиненное зерно являются необходимым условием хорошего сопротивления высокотемпературной ползучести. Поэтому при сварке плавлением не обеспечивается оптимальная длительная прочность соединения при высоких температурах. Она может применяться в тех случаях, когда к изделию предъявляется требование высокой прочности при низких температурах.

Нежелательные явления, сопровождающие сварку плавлением и приводящие обычно к заметному падению высокотемпературной прочности, особенно ярко выражены в таких никелевых жаропрочных сплавах, как TD-никель, TD-нихром, IN853, МА754 и МА6000. Наиболее вредное воздействие оказывает сварка вольфрамовым электродом, а также электронно-лучевая сварка и точечная сварка методом сопротивления.

Соединения, полученные точечной сваркой на TD-нихроме, могут обладать хорошей длительной прочностью при условии, что в процессе сварки происходит лишь незначительное оплавление материала (табл. 8.1). Ho и в этом случае наблюдается некоторая коагуляция частиц диоксида тория и разрушение по точкам сварки.

Франклин обнаружил, что коагуляция частиц диоксида тория выражена в сплаве на основе железа МА956 слабее, чем в никелевых дисперсноупрочненных сплавах. Хотя в сплавах на железной основе и происходит укрупнение частиц упрочнителя, при этом их связь с матрицей не нарушается, как это имеет место в никелевых сплавах. В последующих работах Келли показано, что за счет изменения ориентации сварной зоны при электронно-лучевой и лазерной сварке удается избежать образования межзеренных границ, перпендикулярных длинной оси существующего зерна. При помощи импульсного лазера на сплаве МА956 удалось получить сварные соединения, высокотемпературная прочность которых была близка к прочности основного металла.

Келли также установил, что введение 0,5-2,0% (по массе) Hf, Nb и Ta в сплавы системы Fe—Cr—Al (МА956 и др.) существенно улучшает их свариваемость. Наилучшие результаты (с точки зрения сохранения благоприятного распределения дисперсных оксидов, структуры и механических свойств сплава) были достигнуты при введении Ta. Образец, содержащий 1,1% Ta, после электронно-лучевой сварки выдерживал при 1093 °C в течение 64,7 ч напряжение 13,8 МПа. По-видимому, добавки этих элементов, улучшая смачиваемость дисперсных оксидов расплавом, препятствуют их коагуляции и, тем самым, улучшают структуру сварного шва. Положительной чертой модифицированных сплавов является также то, что в них происходит эпитаксиальный рост зерен основного металла через всю зону плавления. В исходном сплаве МА956 средняя часть зоны плавления имеет равноосную структуру и пониженную прочность.

Пайка. Высокотемпературная пайка в вакууме или контролируемой среде также относится к числу методов соединения с участием жидкой фазы. В отличие от обычной сварки плавлением, при пайке используется присадочный металл, имеющий более низкую Tm, чем соединяемые сплавы. Присадочный металл проникает в зазор между тщательно пригнанными поверхностями соединяемых элементов под действием капиллярных сил.

Пайка позволяет соединять детали большого сечения и сложной конфигурации и при этом избежать некоторых недостатков, присущих методам сварки плавлением. Кроме того, она обладает большими возможностями повышения экономичности, так как обеспечивает получение нескольких соединений за один режим.

Пайка порошковых жаропрочных сплавов. Пайку материалов этого типа обычно ведут с использованием никелевых или золотоникелевых припоев. Золотоникелевый припой применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить повышенную стойкость к окислению и коррозии, достаточно высокую пластичность соединения и минимальное взаимодействие между припоем и основным металлом. Однако высокая стоимость золотоникелевых припоев ограничивает их применение, и в ряде случаев предпочтение отдается менее дорогим припоям на основе никеля.

Составы некоторых припоев на никелевой основе приведены в табл. 8.2. Бор и кремний, обычно вводимые в состав припоя для понижения его T и улучшения смачивания, отрицательно влияют на механические свойства соединения, так как приводят к образованию хрупких боридов и силицидов в паяном шве или прилежащих к нему областях (рис. 8.4). Поэтому соединения, полученные с помощью этих припоев на никелевых жаропрочных сплавах, характеризуются ограниченной пластичностью. Их нельзя применять при очень высоких температурах из-за опасности плавления при перегреве. Свойства соединения можно до некоторой степени улучшить, сводя к минимуму величину зазора при пайке и подвергая шов диффузионному отжигу.

Неблагоприятное воздействие на свойства паяного соединения может оказывать также высокая T пайки, необходимая для восстановления оксидов тантала, титана и ниобия. При пайке мелкозернистого материала, например, порошкового жаропрочного сплава, будет происходить значительный рост зерна, который приведет к резкому снижению прочности при средних температурах.

Помимо этого, при пайке никелевым припоем особо мелкозернистых порошковых жаропрочных сплавов может иметь место аномально быстрая диффузия В и Si и, как следствие, повышенная пористость соединения. С другой стороны, ускорение диффузии сокращает длительность последующей диффузионной термообработки, играя, таким образом, положительную роль.

Припои на основе никеля практически не обладают пластичностью при комнатной температуре и по этой причине поставляются в виде порошка, пасты или листового композиционного материала, в котором связующим является пластик. Такие порошковые припои имеют ряд недостатков (пористость соединения и др.), в связи с чем были разработаны пластичные припои, имеющие форму фольги. Такие борсодержащие сплавы, как AMS4778, получают диффузионным борированием пластичной фольги, полученной по обычной технологии. При этом бор в виде боридов находится в пределах диффузионной зоны, а средняя часть фольги сохраняет пластичность.

Эта технология схематически изображена на рис. 8.5. Обладая определенными преимуществами, она, однако, является дорогой и может быть применена к ограниченному кругу сплавов. Кроме того, неравномерность распределения В приводит к локальным изменениям Tm.

Другой метод основан на контролируемой диффузии В непосредственно в поверхностный слой соединяемых элементов. Соединяемые поверхности имеющих нужную конфигурацию деталей с помощью диффузии насыщаются бором до концентрации, обеспечивающей необходимые условия пайки. В этом случае присадочный материал отсутствует, и припоем служит сам основной металл.


Пайка дисперсноупрочненных сплавов. Плохая свариваемость дисперсноупрочненных сплавов способствовала концентрации усилий исследователей на разработке технологий пайки этих материалов. Юнт в своей ранней работе, посвященной пайке TD-никеля и TD-нихрома, предложил ряд припоев (табл. 8.3) и оценил их сопротивление эрозионному износу, стойкость к окислению и диффузионные свойства. Юнт и другие исследователи показали, что основными проблемами в данном случае являются образование пор, повышенный эрозионный износ, избирательное окисление вблизи поверхности раздела припой — сплав и расслаивание. Эти трудности связаны, главным образом, с химическим составом припоя и основного металла.

Образование пор, обусловленное эффектом Киркендалла (рис. 8.6), сильнее проявляется в TD-никеле, чем в TD-нихроме и может быть уменьшено за счет применения таких припоев, как TD-6 и TD-20, содержащих Mo и W, которые снижают скорости диффузии. Припой TD-6 считается наиболее подходящим для пайки TD-никеля и TD-нихрома.

Как правило, повышенное содержание благородных металлов в припое приводит к повышению эрозионного износа TD-никеля и TD-нихрома. Эта тенденция проявляется также в сплаве IN853, который после пайки сплавом 60Pd—40Ni был подвержен сильной эрозии. Высокое содержание молибдена в таких припоях, как TD-20, также может способствовать повышенному износу деталей из TD-нихрома.

Юнт установил, что избирательное окисление границы раздела между TD-никелем и припоем наиболее ярко выражено в том случае, если припой содержит Cr или Si. Он объясняет это явление диффузией малых количеств Cr и Si, которые, как известно, снижают стойкость Ni к окислению.

На рис. 8.7 показан эффект расслаивания паяного соединения, который обусловлен диффузией углерода из припоя в TD-никель и его последующим взаимодействием с кислородом, приводящим к образованию CO и СО2. Давление этих газов вызывает раскрытие межзеренных границ. Расслаивание можно предотвратить, уменьшая содержание углерода в припое, однако более эффективно использование таких припоев, как TD-6 и TD-20, которые содержат Mo и W, снижающие скорость диффузии углерода в TD-никель.

Помимо указанных трудностей, возможна также некоторая коагуляция частиц диоксида тория на границе между припоем и основным металлом. Устранение коагуляции путем регулирования условий пайки само по себе еще не гарантирует надежности соединения. Значительное ухудшение механических свойств может иметь место еще до начала коагуляции как результат снятия деформационных напряжений и устранения дислокационных скоплений вблизи частиц двуокиси тория.

Особых условий требует пайка недавно разработанных сплавов TD-NiCrAl, HDA8077 и МА953. Эти сплавы содержат Al, который повышает их стойкость к окислению, и склонны к образованию защитной пленки, затрудняющей процесс пайки (прежде всего вследствие ухудшения смачивания и растекания припоя). Припои TD-6, В-2, NASA18, NASA21 и NASA22 считаются пригодными для пайки сплава TD-NiCrAl. Рабочие характеристики (T-распая, реакционная способность, смачивающая способность, растекание) припоев TD-6, В-2, NASAl8 практически эквивалентны.

Однако, как показали Бэйли и Келли, TD-6 по-видимому непригоден для пайки сплавов HDA8077, МА754, МА953 и МА956, в которых при его применении наблюдается образование пор или повышенный эрозионный износ. Возможной причиной этого является высокая T пайки (1300 °С). Припой Н-33 дает удовлетворительные результаты при пайке сплава МА953, но непригоден для МА956. Сплавы HDA8077 и TD-NiCrAl можно с успехом паять припоем В-93. Припой RA333, по-видимому, может применяться при пайке сплавов, подобных МА956. При пайке сплава МА754 минимальное нарушение микроструктуры обеспечивает припой АМ788.

С точки зрения прочности соединения, пайка TD-нихрома припоем TD-6 дает прекрасные результаты. Из числа припоев, исследованных Юнтом, TD-6 обеспечивает наиболее высокую прочность паяного TD-нихрома при 1093 °С. Тем не менее, разработанные позднее сплавы NASA 18 и NASA В-2 превосходят TD-6 (табл. 8.4). Прочность соединений, выполненных при помощи припоя NASA18, не уступает таковой для TD-6, или даже превосходит ее, как при комнатной температуре, так и при 1093 °C. Это относится не только к кратковременной, но и к длительной прочности. Повышение длительной прочности соединения при 1093 °C за счет замены TD-6 на NASA18 составляет около 50%. Столь значительное превосходство сплава NASAl 8 объясняется сопротивлением эрозии, а также присутствием в этом припое 8% Al, улучшающего прочность и стойкость к окислению. При пайке сплава TD-NiCrAl припои TD-6, В-2 и NASAl 8 обеспечивают одинаковую длительную прочность, составляющую при 1093 °С/100 ч 21 МПа.

Пайку сплава МА754 можно осуществлять при помощи припоя АМ788. В этом случае длительная (100-часовая) прочность соединения при 982 °C составляет 97 МПа, а при 1093 °С — 34,5 МПа. Для пайки изделий, рабочая T которых не превышает 982 °C, может быть использован более дешевый припой В-93. Получаемые при этом механические свойства до указанной температуры не уступают свойствам, которые обеспечивает сплав АМ788.

В работе, посвященной сплаву МА956, Келли показал, что приемлемая длительная прочность (34,5 МПа при 1093°С/100 ч) может быть достигнута при использовании в качестве припоя сплава METGLAS BNi. Тот же припой позволил припаять МА956 к сплаву Hastelloy X. При этом соединение имело длительную прочность (1093°С), равную прочности сплава Hastelloy X. При пайке лентой из сплава METGLAS BNi, проводимой в вакууме 10-3 Па, предварительная обработка поверхности изделия сводится к шлифовке и обезжириванию ацетоном. Соединение, рабочая T которого составляет 1093 °С, должно подвергаться диффузионному отжигу при 1093 °С в течение 2 ч.

Несмотря на эти обнадеживающие результаты, рабочие температуры паяных дисперсноупрочненных сплавов остаются ограниченными. Это объясняется принципиальным недостатком технологии, который состоит в том, что припой не содержит упрочняющих дисперсных частиц и не обладает удлиненной крупнозернистой структурой, обеспечивающей высокотемпературную прочность.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: