ПРИПОЙ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
NICKEL-BASED SOLDER

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, таких как направляющие аппараты компрессоров и сопловые аппараты турбин из деформированных и литых жаропрочных никелевых сплавов.
Известен припой на основе никеля, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Хром
5,05-15,4
Железо
0-11,0
Бор
3,4-3,8
Молибден
3,7-9,46
Никель
Остальное (Патент США 4801072)
Недостатками известного припоя являются большие значения эрозионной активности при пайке деформированных жаропрочных никелевых сплавов, невысокий уровень прочности соединений.
Известен припой на основе никеля следующего химического состава, мас.%:
Хром
0,5-30,0
Бор
0,1-5,0
Молибден
0,1-5,0
Кремний
6,0-15,0
Марганец
0,1-2,0
Ванадий
0,5-10,0
Ниобий
0,02-1,0
Вольфрам
0,1-5,0
Азот
0,01-0,5
Углерод
0,005-1,0
Титан
0,01-5,0
Цирконий
0,01-5,0
Никель
Остальное (Патент США №5759300)
Согласно приведенным в патенте данным припой имеет недопустимо высокую для пайки деформированных жаропрочных никелевых сплавов температуру - до 1300°C.
Известен припой на основе никеля, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Хром
5,0-8,0
Железо
0,06-0,18
Бор
0,2-0,35
Кремний
2,0-3,0
Вольфрам
8,0-10,0
Углерод
0,05-0,2
Алюминий
3,0-5,0
Молибден
1,2-3,0
Ниобий
9,0-12,5
Кобальт
8,0-10,0
Медь
0,05-0,15
Титан
0,05-0,25
Никель
Остальное (патент РФ №2254972)
Припой предназначен для пайки литых жаропрочных никелевых сплавов. Температура пайки, например, сплава ЖС6У равна 1200-1220°C. Столь высокая температура пайки недопустима для выполнения соединений жаропрочных деформированных никелевых сплавов.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является припой на основе никеля следующего химического состава, мас.%:
Хром
7,0-9,5
Железо
0,4-1,7
Бор
2,3-3,3
Кремний
0,3-0,7
Вольфрам
8,0-11,5
Углерод
0,05-0,15
Алюминий
1,1-2,8
Молибден
1,1-2,5
Ниобий
0,8-2,5
Кобальт
8,0-11,0
Никель
Остальное (Патент РФ №2334606)
Недостатком этого припоя является относительно высокая эрозионная активность и недостаточная растекаемость основных материалов при пайке жаропрочных сплавов на основе никеля.
Технической задачей изобретения является разработка припоя на основе никеля, обладающего низкой эрозионной активностью на основных материалах и хорошей растекаемостью при пайке жаропрочных никелевых сплавов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен припой на основе никеля, содержащий хром, железо, бор, кремний, вольфрам, углерод, алюминий, молибден, ниобий, кобальт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром
8,5-9,5
Железо
0,05-0,2
Бор
0,8-1,8
Кремний
3,5-8,5
Вольфрам
4,0-7,8
Углерод
0,05-0,2
Алюминий
1,3-3,0
Молибден
1,0-2,5
Ниобий
1,0-2,5
Кобальт
12,0-16,0
Титан
0,5-1,2
Никель
Остальное
Установлено, что введение в припой титана при увеличенном содержании кремния приводит к увеличению растекаемости припоя из-за снижения поверхностного натяжения расплава припоя. Увеличению растекаемости также способствует снижение содержания вольфрама, образующему при больших содержаниях тугоплавкие фазы, содержащие бор. Снижение содержания бора и железа и повышение содержания кобальта приводит к уменьшению эрозии основного металла.
Примеры осуществления
Предлагаемый припой, как и припой-прототип, выплавляли в вакуумной индукционной печи. В таблице №1 представлены составы предлагаемого припоя (примеры 1-3) и припоя-прототипа (пример 4).
Эрозионную активность припоя оценивали на основании результатов взаимодействия припоя с никелевыми сплавами ВЖ175, ЭИ437Б, ВЖ98 при пайке в однородном сочетании каждого из основных материалов по ГОСТ 21549-76 «Пайка. Метод определения эрозии паяемого материала». Температура пайки составляла 1140°C, выдержка 30 минут.
Растекаемость определяли по площади растекания навески припоя весом 2 г на поверхности пластины из сплавов ВЖ175, ЭИ437, ВЖ98. Навеску припоя изготавливали из дробленого порошка припоя в виде таблетки диаметром 5 мм, высотой 6 мм и закрепляли на поверхности пластин с помощью связки на основе акриловой смолы. Выдержка при пайке составляла 30 минут.
Результаты сравнительных испытаний приведены в таблицах №2 и №3.
Таблица №1
Составы предлагаемого припоя (примеры 1-3) и припоя-прототипа, мас.%
№п/п
Cr
Fe
B
Si
W
C
Al
Mo
Nb
Co
Ti
Ni
1
9,0
0,05
0,8
3,5
6,0
0,1
3,0
2,5
2,5
16,0
1,2
ост.
2
8,5
0,2
1,8
8,5
4,0
0,05
2,1
1,8
1,5
12,0
0,5
ост.
3
9,5
0,1
1,0
6,0
7,8
0,2
1,3
1,0
1,0
14,0
0,8
ост.
Прототип
8,2
1,0
2,8
0,5
10,0
0,1
1,8
1,8
1,6
9,5
-
ост.
Таблица №2
Эрозионная активность припоя на основных материалах ВЖ175, ЭИ437, ВЖ98
№п/п
Растворение припоем основного материала сплава ВЖ175, %
Растворение припоем основного материала сплава ЭИ437, %
Растворение припоем основного материала сплава ВЖ981, %
1
5
3
2
2
13
11
13
3
8
9
7
Прототип
28
40
39
Таблица №3
Растекаемость припоев по поверхности пластин сплавов ВЖ175, ЭИ437, ВЖ98
№ п/п
сплав ВЖ175, мм<sup>2</sup>
сплав ЭИ437, мм<sup>2</sup>
сплав ВЖ981, мм<sup>2</sup>
1
250
230
240
2
200
220
240
3
260
240
250
Прототип
45
55
50
По данным таблиц 2 и 3 видно, что предлагаемый припой имеет в 3-5раз меньшую эрозионную активность, чем прототип. Существенно выше и растекание предлагаемого припоя по поверхности сплава. Такие преимущества припоя особенно важны при пайке деталей, имеющих тонкие сечения, например при пайке дефлекторов сопловых и рабочих лопаток турбины. При пайке этих деталей необходимо выполнение соединений с литыми жаропрочными сплавами, например, типа ЖС6. Опробование пайки предлагаемым припоем сплава ЖС6У показало, что формирование соединений происходит с минимальной эрозией и с удовлетворительным заполнением зазоров величиной до 0,3 мм и галтелей.
Применение предлагаемого припоя при пайке деталей горячего тракта ГТД позволит существенно повысить надежность паяных соединений, уменьшить брак при пайке и обеспечить значительный экономический эффект от увеличения ресурса ГТД.