Високотемпературне паяння ливарних жароміцних нікелевих сплавів бор-, кремніймістким припоєм - Автореферат

Ці припої сприяють наближенню хімічного складу ремонтної зони до металу, що паяється, та забезпечують паяним зєднанням достатню жароміцність та жаростійкість. Широко відомі системи припоїв, у яких як депресанти, виступають бор та кремній порізно чи сумісно, однак через тенденцію утворення у паяних швах боридних евтектик чи крихких силіцидних фаз забезпечити сполучення необхідної міцності та пластичності ПЗ дуже важко. Використовуючи композиційні припої на основі жаростостійкої системи Ni-14Co-9Cr-3,8Al-2,5%B (#1) з різним складом (40-60мас.%) наповнювача, була створена технологія для ремонту паянням деталей з нікелевих ЖС. Вивчити взаємодію бору та кремнію, як депресантів, в композиційних припоях та їх вплив на особливості структури та службові властивості паяних зєднань нікелевих ЖС, отриманих паянням у вакуумі для: забезпечення надійного змочування припоєм матеріалу підкладки (q=3-5°) та можливості більш повноцінного заповнення зазору розплавом припою; створення структури з мінімальною кількістю (5-7об.%) вторинних боридних та карбідних фаз у металі шва; зменшення лікваційної неоднорідності шва, обмеження виділення міжосьових боридних евтектик та крихких силіцидних фаз у паяному шві; гальмування дифузії бору з припою в метал, що паяється. Наукова новизна отриманих результатів: Рентгенодифракційним аналізом підтверджений позитивний вплив додавання (2-2,5)мас.% кремнію у вигляді евтектичної композиції Ni-12%Si у бормісткий композиційний припій, який полягає у стабілізації виділення боридних часток цементитного типу Ni3B по межах g/gy фаз у процесі кристалізації паяного шва.Кремній з високою розчинністю в нікелі сприяє покращенню рідиннотекучості розплаву припою та змочуванню поверхні, що паяється; покращує ливарні характеристики, підвищує окалиностійкість та опір газовій корозії метала припою. Використання тільки кремнію в припоях веде до утворення в шві крихких силіцидних фаз, які знижують міцність та пластичність зєднань. Використовували композиційні припої з низькоплавким бормістким припоєм, чи з припоями, які містили бор та кремній одночасно. При використанні припою #1 20%НС12 60%Rene-142 проникнення бору в основу не спостерігали навіть на межі припій/основа, а кількість евтектичних фаз у шві значно зменшувалась. При збільшенні легуючих компонентів ускладнюється характер кривих ДТА та розширюється температурний інтервал кристалізації припоїв, а на кривих просліджується різноманіття шпилів, які відповідають перетворенням в припої при плавленні-кристалізації.Показано, що введення кремнію у вигляді евтектичної композиції Ni-12%Si (НС12) забезпечує ефективне змочування підкладки, що паяється (q=3°), знижує температуру ліквідус на 60°С, температуру розчинення карбідів та звужує інтервал кристалізації композиційних припоїв, завдяки чому подрібнюється структура шва та його складових. В результаті легування розплаву припою нікелем (та кремнієм) при введенні порошку НС12 знижується кількість карбоборидних (вторинних) фаз в паяному шві з f=39-44,2об.% (у разі припою 40%#1 60%Rene-142) до f=5,1-8,7 об.%. Більш низька швидкість кристалізації, як слідство звуження інтервалу DT=TLIQ-TSOL припою, сприяє більш повноцінному протіканню поліморфних перетворень та, відповідно, зміні морфології фаз та суттєво меншій гетерогенізації структури метала паяних швів та дифузійної зони. Встановлено, що наявність НС12 в композиційному припої #1 60%Rene-142 виключає утворення боридних евтектик типу g(Ni) CRB, g-(Ni) Ni3B CRB, які знижують жаростійкість металу паяного шва та викликають крихке руйнування паяних зєднань. Рентгенодифракційними дослідженнями показано, що кремній в бормісткому припої послаблює рівень внутрішніх напруг в твердому розчині паяного шва, які виникають внаслідок викривлення кристалічної гратки нікель-хромової матриці шва в результаті проникнення атомів бору.

Основний зміст роботи

1. Розглянута фізико-хімічна природа впливу (2..3мас.%) кремнію на особливості кристалізації композиційного бормісткого припою (мас.%): Ni-14Cr-9Co-3,8Al-2,5B(#1) з наповнювачем з порошку сплава Rene-142,%: Ni-Co-W-Mo-6,1Al-6,8Cr-6,3Ta-2,8Re-1,5Hf в процесі високотемпературного паяння ливарних нікелевих ЖС. Показано, що введення кремнію у вигляді евтектичної композиції Ni-12%Si (НС12) забезпечує ефективне змочування підкладки, що паяється (q=3°), знижує температуру ліквідус на 60°С, температуру розчинення карбідів та звужує інтервал кристалізації композиційних припоїв, завдяки чому подрібнюється структура шва та його складових.

2. В результаті легування розплаву припою нікелем (та кремнієм) при введенні порошку НС12 знижується кількість карбоборидних (вторинних) фаз в паяному шві з f=39-44,2об.% (у разі припою 40%#1 60%Rene-142) до f=5,1-8,7 об.%. Більш низька швидкість кристалізації, як слідство звуження інтервалу DT=TLIQ-TSOL припою, сприяє більш повноцінному протіканню поліморфних перетворень та, відповідно, зміні морфології фаз та суттєво меншій гетерогенізації структури метала паяних швів та дифузійної зони. Обємна частка f вторинних фаз після термообробки паяних зєднаннь складає 4,2 - 5,9об.% порівняно з f=14,6 - 17об.% для бормісткого припою.

3. Встановлено, що наявність НС12 в композиційному припої #1 60%Rene-142 виключає утворення боридних евтектик типу g(Ni) CRB, g-(Ni) Ni3B CRB, які знижують жаростійкість металу паяного шва та викликають крихке руйнування паяних зєднань.

Легування бормісткого припою 20мас.% НС12 забезпечує мінімальну кількість вторинних фаз та обмежену лікваційну неоднорідність металу паяних швів. При 15% НС12 в структурі шва зберігаються складнолеговані межосьові евтектики та карбідні фази, обємна частка яких складає f=6,8-7,5%, а при 25мас.% спостерігаються крихкі силіцидні фази.

4. Рентгенодифракційними дослідженнями показано, що кремній в бормісткому припої послаблює рівень внутрішніх напруг в твердому розчині паяного шва, які виникають внаслідок викривлення кристалічної гратки нікель-хромової матриці шва в результаті проникнення атомів бору. З введенням в бормісткий припій порошку Ni-12%Si параметр кристалічної гратки матриці зменшується з ag=3,566Е (для бормісткого припою) до 3,549Е (для припою, легованого кремнієм).

Кремній стабілізує виділення в металі шва ізольованих боридних фаз Ni3B цементитного типу, забезпечуючи тим самим технологічну пластичність паяним зєднанням. Він обмежує дифузію бору по межах зерен сплавів на глибину до 30-50мкм та утримує його у шві, запобігаючи ерозії сплавів, що паяються.

5. Встановлено, що використання в композиційних припоях наповнювачів з порошків сплавів Rene-142 та Ni-Co-Mo-W-2,8Al-15,9Cr-4,7Ti (ЧС70ВІ) підвищило добротність Д=sвпз/sвом паяних зєднань при 20°С до 0,85 - 0,92 (порівняно з припоєм Ni-Co-Cr-Al-2,5%B, коли Д не перевищувала 0,65).

6.На базі розробленої композиції припою для високотемпературного паяння нікелевих ЖС, яка складається з Ni-Co-Cr-Al-B(#1) (15е20)мас.%НС12 (50е60)мас.%Rene-142, сформовані паяні зєднання сплавів ВЖЛ12У, ЖС26ВІ з добротністю - 0,9…1 та відносним подовженням e=2,5-10,5%.

7.Показано, що міцність паяних зєднань сплаву ЖС26НК, отриманих з використанням припою з НС12, перевершує міцність зєднань зі сплаву ЖС26ВІ після аналогічної термообробки, що свідчить про пряму залежність механічних характеристик зєднань від властивостей сплавів, що паяються. Максимальна досягнута міцність паяних зєднань сплаву ЖС26НК складала 1067МПА, а подовження - (15-23)%.

8. Розроблений бор-, кремніймісткий припій дозволив сформувати паяні зєднання, які слабовідчутні до величини зазору. В технологічних зазорах шириною 350- 950мкм та глибиною до 4мм для сплаву ЖС26НК відмічено якісне заповнення та формування паяних швів зі щільною структурою, задовільною міцністю та пластичністю.

9.Результати технологічних досліджень реалізовано при відновленні паянням створок АГТД, робочих лопаток турбін ГПА та сегментів соплових апаратів енергосилових установок. Склад комплексного борта кремніймісткого припою є універсальним, який дозволяє отримувати якісні зєднання значної протяжності при ремонтному паянні деталей теплонавантажених турбін.

1.Прочность и металловедение паяных соединений литейного никелевого сплава ЧС70 ВИ/ И.С. Малашенко, В.В. Куренкова, Белявин А.Ф. и др.-//Современ. электрометаллургия. - 2006. - №1. - С.23- 35.(Advances in Electrometallurgy).

2.Кратковременная прочность и микроструктура паяных соединений сплава ВЖЛ12У, полученных с использованием борсодержащего припоя с присадкой кремния/ И.С. Малашенко, В.В. Куренкова, А.Ф. Белявин, В.В. Трохимченко// Современ. электрометаллургия. - 2006. - №4. - С.26-42. (Advances in Electrometallurgy).

3.Кратковременная прочность паяных соединений никелевого сплава ВЖЛ12У при 20 и 950°С/ В.В.Куренкова, И.С. Малашенко, В.В. Трохимченко и др. // Современ. электрометаллургия. - 2006. - № 3. - С.30-40. (Advances in Electrometallurgy).

4.Механические свойства и структура паяных соединений литейного никелевого сплава ЖС26 ВИ. Часть 1/ И.С. Малашенко, В.В.Куренкова, Е.В.Оноприенко и др.// Современ. электрометаллургия. - 2007. - №1. -25-32. (Advances in Electrometallurgy).

5. Механические свойства и структура паяных соединений литейного никелевого сплава ЖС26 ВИ. Часть 2. / В.В. Куренкова, Е.В.Оноприенко, И.С. Малашенко и др. - Современ. электрометаллургия. - 2007. - №2. - С. 23-34. (Advances in Electrometallurgy).

6.Структура и прочностные свойства паяных соединений литейного никелевого сплава ЖС26НК. ЧАСТЬІ /И.С. Малашенко, В.В.Куренкова, А.Ф.Белявин и др. //Современ. электрометаллургия. - 2007. - №4. - С.34-41. (Advances in Electrometallurgy).

7.Структура и прочностные свойства паяных соединений литейного никелевого сплава ЖС26НК. Часть II. Куренкова В.В., Оноприенко Е.В., Малашенко И.С. и др.//Современ. электрометаллургия. - 2008. - №1. - С.26-35. (Advances in Electrometallurgy).

8. Куренкова В.В. Композиционный припой для высокотемператуной пайки жаропрочных никелевых сплавов / В.В.Куренкова, И.С.Малашенко// Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка: Сборник докладов Междунар. Симп. Минск, 25-27марта, 2009, в 2-х ч. - Минск. - 2009. - ч 2. - С.209-217.

9. Куренкова В.В.Высокотемпературная пайка никелевого сплава ЖС26 бор,- кремнийсодержащим припоем с наполнителем /В.В.Куренкова, В.В.Трохимченко //:Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование: Сборник трудов VII международной научно-практической конференции “Исследование, разработка и применение високих технологий в промышленности». С-Петербург, 28-30апреля, 2009.- С.-Петербург. - 2009.- С.352-358.