Припойна композиція для паяння нікелевих сплавів

Изобретение относится к области пайки, в частности к составам припоя для пайки и восстановления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей из литейных жаропрочных никелевых сплавов. В мировой практике известно применение припоев, содержащих такие компоненты как никель, цирконий и гафний [Лашко Н.Ф., Лашко СВ., Пайка металлов. М., Машиностроение, 1977, с.162-166; Патент Японии №59116350, кл. С 22 С 14/00, 16/00, 1984; Авт. св. СССР №1544541, кл. В 23 К 35/32, 23.02.90]. Перечисленные припои используются для соединения жаропрочных никелевых сплавов, в чистом виде и с наполнителем из основного металла, т.е. в виде припойной композиции. Повышения жаропрочности, коррозионной стойкости, долговечности паяных соединений добиваются за счет комплексного легирования никелевой матрицы припоев ниобием, вольфрамом, молибденом, хромом, алюминием, титаном и другими легирующими элементами. При этом ухудшаются технологические свойства припоев: растет температура пайки, увеличивается краевой угол смачивания. Однако, в целом, эксплуатационные свойства припоев, такие как долговечность, кратковременная прочность и коррозионная стойкость определяются концентрацией депрессантов, т.е. циркония и гафния, в паяном шве, которая напрямую зависит от исходной концентрации циркония и гафния в припое. Наибольшей жаропрочностью обладают соединения, выполненные с использованием припоя следующего состава, мас.%: 17,0-20,0 Сr; 4.0-6,0 Со; 2,0-4,0 W: 2,0-4,0 Мо; 1,2-1.8 Nb; 2,5-1,8 Ті; 2,5-3,5 AI; 0.05-0,12 С; 10,0-13,0 Zr, Ni-основа, который и выбран в качестве прототипа [Авт. св. СССР № 1544541, кл. В 23 К35/32, 23.02.90]. Признаками, общими с прототипом, являются: использование в качестве депрессанта циркония и гафния Однако, для достижения желаемого результата, т.е. снижения исходной средней концентрации депрессантов в паяном шве и повышения жаропрочности соединений применяем новое решение. В основу изобретения поставлена задача создания припойной композиции для пайки никелевых сплавов, в которой при снижении исходной суммарной концентрации депрессанта в паяном шве обеспечивается повышение жаропрочности паяных соединений, а также улучшаются технологические свойства припоев. За счет этого улучшаются эксплуатационные характеристики паяных соединений. Поставленная задача решается тем, что припойная композиция для пайки никелевых сплавов содержит наполнитель из состава основы и припой, включающий никель, цирконий и гафний. Согласно изобретению объемное соотношение припоя к наполнителю составляет 3:7, при этом припой имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: суммарное содержание циркония и гафния 12,9-24,1, никель - остальное. Соотношение циркония и гафния выбирают из условия обеспечения эвтектического состава в системе никель-цирконий-гафний. Наполнитель содержит фракции частиц: 66 мас.% с диаметром 420-600 мкм и остальное - с диаметром 13-18 мкм. Предлагаемое решение существенно отличается от известного тем, что суммарная концентрация циркония и гафния в паяном шве, по сравнению с прототипом, уменьшается в среднем на 40%, за счет увеличения плотности упаковки наполнителя и улучшения технологических свойств припоя. При этом результаты испытаний, представленные в таблице, убедительно доказывают, что при концентрации депрессантов в припое менее 12,9 мас.% начинает резко возрастать температура ликвидус припоя и снижаются предел прочности и долговечность паяных соединений. Аналогичная картина наблюдается при увеличении концентрации депрессантов более 24,1 мас.%. При нарушении объемного соотношения припоя к наполнителю 3:7, также снижается жаропрочость паяных соединений. Паяемый объем заполняют припойной композицией согласно рисунку, на котором изображена схема заполнения разделки под пайку. Припойная композиция имеет состав: - составляющая композиции, до 70 об.% - аморфный наполнитель шаровидной формы из сплава основы с фракцией частиц 66 мас.% диаметром 420-600 мкм и остальное - 13-18 мкм, II составляющая композиции, до 30 об.% - эвтектический сплав никель-цирконий-гафний, суммарная концентрация циркония и гафния находится в пределах 12,9-24.1 мас.%, никель - остальное. Концентрация циркония и гафния в припое определена из условия обеспечения эвтектического состава в системе никель-цирконий-гафний и обеспечения температуры пайки 1190-1200°С. Соотношение объемов І-й и II-й составляющих композиции определено из условия обеспечения максимальной жаропрочности паяных соединений и технологичности процесса пайки. I-ю составляющую композиции готовят методом плазменного центробежного распыления в вакууме, для приданиянаполнителю шаровидной формы и обеспечения аморфности. Соотношение размеров и объемов фракций наполнителя: 66 мас.% с диаметром 420-600 мкм, остальное с диаметром 13-18 мкм, выбрано из условия обеспечения максимальной плотности упаковки, что позволяет снизить объемное содержание II-й составляющей до 30 об %. II-ю составляющую композиции готовят индукционной плавкой в вакууме 10-2 Па в тиглях из алюмонитрида бора с последующим отжигом при 1100°С в течение 2-3 ч. Температурный интервал плавления припоя определяют известным методом дифференциального термического анализа. Механические характеристики соединений определяют на образцах литейного никелевого сплава ЧС70ВИ, паяных в вакууме 10-2 Па при 1190-1195°С в течение 0,5-1.0 мин. Время до разрушения паяного соединения определяют при нагрузке 220 МПа и температуре 900°С. Оно составляет 3548 часов. Предел прочности при 900°С составляет 690-710 МПа. Таким образом, применение предлагаемого решения позволяет по сравнению с прототипом, снизить среднюю исходную концентрацию депрессанта в шве (в среднем на 40%) и повысить технологические свойства припойной композиции (уменьшаются время пайки (в 2-3 раза) и краевой угол смачивания (на 3040%)). Улучшается стабильность свойств паяного шва и особенно долговечность паяных соединений. По представленным в таблице результатам испытаний видно, что в случае выполнения предлагаемых рекомендаций обеспечивает жаропрочность паяных соединений на уровне свойств основного металла, при высокой стабильности свойств. В случае применения многокомпонентных пропоев и чистых двойных систем, т.е. способа прототипа, жаропрочность паяных соединений на 10-40% ниже, при этом наблюдается высокая нестабильность свойств.