ПРИПОЙ НА ОСНОВЕ ТИТАНА ДЛЯ ПАЙКИ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА НИОБИЯ
TITANIUM-BASED SOLDER FOR SOLDERING ALLOY BASED ON NIOBIUM INTERMETALLIDE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к высокотемпературным припоям на основе титана, которое может найти применение при изготовлении паяных деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД).
Создание «чистого» газотурбинного двигателя (ГТД) с малым уровнем эмиссии оксидов азота и углерода, а также низким удельным расходом топлива является чрезвычайно важной экологической задачей. Для решения данной задачи необходимо повышение температуры газа в ГТД и соответственно применение материалов с повышенной рабочей температурой. Современные никелевые жаропрочные сплавы (НЖС) для литья монокристаллических лопаток ГТД достигли предельных рабочих температур 1100-1150°С, что составляет 80-85% от их температуры плавления. Поэтому был разработан новый жаропрочный сплав на основе интерметаллида ниобия с естественно композиционной структурой. Его рабочая температура может достигать 1350°С, что существенно может поднять КПД двигателя в целом. Однако для его широкого применения необходима разработка припоя для пайки бондажных полок неохлаждаемых лопаток и пайки заглушек знаковых отверстий рабочих лопаток с внутренней системой охлаждения. Также перспективно применение технологии высокотемпературной пайки для устранения некоторых литейных дефектов отливок лопаток и пайки износостойких материалов на торцы рабочих лопаток. При этом припой должен обеспечивать стойкость к окислению при температуре 1350°С, сопоставимую со стойкостью к окислению сплава, и иметь температуру полного расплавления не выше 1500°С для исключения оплавления микроструктуры сплава при пайке. Припои на основе ниобия имеют температуру плавления выше 1600°С, что делает невозможным их применения для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия. Использование никелевых припоев для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия также не представляется возможным из-за значительного эрозионного повреждения сплава при пайке. Применение бинарных припоев типа Pd-Ni также не перспективно, т.к. припои данного класса не могут обеспечить достаточный уровень стойкости к окислению. Наиболее перспективны для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия припои на основе интерметаллидов титана ввиду металлургической совместимости основы припоя и сплава. Припой на основе интерметаллидов титана также может найти свое применение при пайке высокожаропрочных интерметаллидных титановых сплавов и тугоплавких сплавов на основе таких металлов как Mo, W, Та.
Известен припой на основе титана (патент РФ 2235008, опубл. 27.08.2004), имеющий следующий химический состав в мас.%:
Цирконий
19,0-26,0
Никель
11,0-18,0
Медь
13,0-20,0
Гафний
0,1-0,3
Титан
Остальное
Недостатком этого припоя являются низкая температура плавления (820-840°С), что делает невозможным его работоспособность при температуре 1350°С.
Известен сплав на основе интерметаллида титана (Патент РФ 2405849, опубл. 10.12.2010), имеющий следующий химический состав в мас.%:
Алюминий
10,5-12,5
Ниобий
38,0-42,0
Цирконий
1,5-2,5
Молибден
0,3-0,6
Вольфрам
0,5-1,0
Кремний
0,1-0,25
Углерод
0,03-0,08
Тантал
0,7-1,5
Титан
Остальное
Недостатком этого сплава являются невысокая стойкость к окислению при температурах свыше 700°С.
Известен сплав на основе интерметаллида титана (патент РФ 2396366, опубл. 10.08.2010), имеющий следующий химический состав в мас.%:
Алюминий
5,0-7,5
Цирконий
3,0-5,0
Вольфрам
5,0-7,5
Гафний
0,005-0,2
Титан
Остальное
Недостатком этого припоя являются невысокая стойкость к окислению при температурах свыше 780°С.
Известен припой на основе титана для пайки сплава на основе ниобия с температурой плавления не ниже 1350°С, содержащий алюминий, хром, титан, тантал, ниобий, гафний бор и кремний (ЕР 2343150 А2, В23K 35/28, опубл. 13.07.2011).
Недостатками данного припоя являются невозможность формирования качественного паяного соединения с малой величиной сборочных зазоров (менее 100 мкм) и невысокая жаропрочность паяных соединений, полученных при температуре пайки ниже 1500°С. В качестве легкоплавкой композиции с температурой плавления ниже 1500°С предлагается применение композиций, представляющие собой бинарные сплавы Ti-Si, Si-Cr, Ti-Cr, Hf-Cr соответственно (примеры №№12, 13, 14, 16).
Данные композиции не могут обеспечить высоких значений жаропрочности и жаростойкости паяных соединений вблизи выходной галтели.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (патент РФ №2517096, опубл. 17.05.2013 г.), является припой на основе титана-циркония следующего состава, в мас.%:
Алюминий
0,5-1,5
Цирконий
45,0-50,0
Бериллий
2,5-4,5
Титан
Остальное
Недостатком припоя, известного из прототипа, является его невысокий уровень жаростойкости, низкая температура плавления и высокая эрозионная активность по отношению к сплаву на основе интерметаллида ниобия.
Техническая задача заявленного изобретения состояла в повышении стойкости к окислению припоя при температуре 1350°С, обеспечении температуры полного расплавления не ниже 1350°С и обеспечении величины эрозионной активности по отношению сплаву на основе интерметаллида ниобия не более 50 мкм.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка состава припоя для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия с температурой плавления не ниже 1350°С, обеспечивающего привес при температуре 1350°С, не выше чем у сплава на основе интерметаллида ниобия и величину эрозионной активности по отношению сплаву на основе интерметаллида ниобия не более 50 мкм при температуре 1500°С.
Поставленный технический результат достигается тем, что предложен припой на основе титана для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия с температурой плавления не ниже 1350°С, содержащий алюминий, гафний, молибден, кремний и хром, при следующем соотношении компонентов в мас.%:
Алюминий
18,0-25,0
Молибден
1,0-10,0
Кремний
3,0-6,0
Хром
10,0-15,0
Гафний
1,0-5,0
Титан
Остальное
Предпочтительно, содержание алюминия составляет от 35 до 45% от содержания титана.
Предпочтительно, содержание хрома составляет от 20 до 28% от содержания титана.
Предпочтительно, содержание кремния составляет от 8,0 до 9,5% от содержания титана.
Дополнительно припой может содержать бор в количестве 0,1-3%.
5
3
3
Увеличение содержания алюминия, а также введение кремния в заявленных количествах обеспечивает значительное повышение стойкости к окислению при повышенных температурах за счет образования интерметаллидов TiSi TiSi, TiAl. Также с целью повышения стойкости к окислению в состав припоя введен хром, повышающий плотность окисной пленки, образующейся в процессе окисления. Введение хрома в количестве менее 10% не позволит обеспечить высокую стойкость окисной пленки, а введение свыше 15% хрома приведет к росту температуры плавления припоя свыше 1500°С. Исключение из состава бериллия и циркония, а также введение молибдена и гафния повышает температуру полного расплавления припоя и соответственно рабочую температуру паяного соединения на 30-50°С. Также повышение содержания алюминия и введение молибдена и гафния способствует снижению эрозионной активности припоя по отношению к сплаву на основе интерметаллида ниобия с 200-300 до 17-22 мкм. Также для повышения стойкости к окислению в состав припоя может быть дополнительно введен бор, способствующей упрочнению пленки сложного оксида на поверхности припоя в процессе работы.
Примеры осуществления
Приведенный состав припоя предназначен для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия, имеющего следующий средний состав: Nb - 54%, Ti - 8,2%, Hf - 10,3%, Cr - 2,4%, Al - 1,3%, Si - 5,8%, Zr - 5,2%, Mo - 10,8%, Y - 2%. Сплав на основе интерметаллида ниобия предназначен для изготовления лопаток газотурбинных двигателей с повышенной рабочей температурой (до 1350°С). При этом он обладает невысокой температурой плавления, облегчающей получение монокристаллических отливок.
Выплавка предлагаемого припоя и припоя, известного из прототипа производилась в вакуумной дуговой печи гарнисажного типа. Для выплавки слитков использовался медный кристаллизатор с углублением в виде усеченного конуса диаметром от 20 до 35 мм и высотой 30 мм. Масса каждого слитка составила 80 г. После выплавки слитки подвергались обточке на токарном станке для снятия литейной корки.
Для оценки стойкости окислению методом электроэрозионной резки проволокой были вырезаны цилиндры диаметром 5 мм и высотой 10 мм. Исследуемые образцы были подвергнуты нагреву на воздухе при температуре 1350°С в течение 2 часов. Стойкость к окислению оценивалась по относительному привесу образцов до и после нагрева на воздухе (отношению изменения массы образцов к начальной массе образцов).
Для определения температур полного расплавления из слитков предлагаемого припоя и прототипа методом электроэрозионной резки проволокой были вырезаны пластины 2×2×1 мм. Определение температур полного расплавления припоев производилось на дифференциальном сканирующем калориметре DSC 404 F-1.
-5
Для определения величины эрозионной активности припоя по отношению к сплаву на основе интерметаллида ниобия методом электроэрозионной резки проволокой были вырезаны пластины 2×2×1 мм. А из слитка сплава на основе ниобия - пластины 15×15×2 мм. Образцы предлагаемого припоя и припоя прототипа были помещены в центре пластин сплава на основе ниобия и подвергнуты нагреву в вакуумной печи сопротивления при температуре 1500°С при давлении остаточных газов 1·10 мм рт.ст. Выдержка при температуре 1500°С при этом составила 5 мин. После охлаждения образцы были разрезаны электроэрозионной резкой проволокой в плоскости перпендикулярной плоскости пластины и проходящей через центр пластины (место укладки образцов припоя). Из полученной половинки образца был изготовлен микрошлиф и исследован на металлографическом микроскопе Olympus GX51. При этом оценивалась глубина слоя сплава на основе интерметаллида ниобия, растворенная припоем в месте его укладки.
Химический состав и свойства припоев приведены в таблице 1.
По данным таблицы 1 видно, что предлагаемый припой:
- имеет температуру плавления не ниже 1400°С;
- обеспечивает относительный привес (2,3-3,9%) при температуре 1350°С в 3 раза ниже чем у сплава на основе интерметаллида ниобия (12,3%) и более чем в 22 раза по сравнению с припоем прототипом (90,0%);
- обладает величиной эрозионной активности 17-22 мкм при температуре 1500°С, что более чем в 15 раз меньше чем у припоя прототипа (350 мкм).
Применение предлагаемого припоя при пайке таких деталей горячего тракта ГТД как бондажных полок неохлаждаемых лопаток и заглушек знаковых отверстий рабочих лопаток с внутренней системой охлаждения, изготовленных из сплава на основе ниобий кремний, позволит существенно расширить сферу применения сплава на основе интерметаллида ниобия и обеспечить значительный экономический эффект от увеличения КПД ГТД.