2.1. Формування структури паяного з’єднання титанових сплавів

 

            Досягненню механічних властивостей з’єднання рівних або таких, що незначно відрізняються від властивостей основного  металу, сприяє зниження рівня структурної і хімічної неоднорідності між ним і паяним швом. Можливість і ефективність такого напрямку створення високотемпературної технології паяння характерно при з’єднанні титану і його сплавів, які характеризуються високими механічними властивостями при невеликій питомій вазі. Титан та його сплави належать до категорії матеріалів, паяння яких утруднено з причини активної їх взаємодії з газовим середовищем і, зокрема, з повітрям при нагріванні. Взаємодія титану з киснем з утворенням оксидної плівки на поверхні  в атмосферних умовах відбувається уже при 200С. З підвищенням температури інтенсивність окиснення зростає. При досягненні 4500С паралельно з окисненням відбувається  процес  проникнення  кисню  кристалічну ґратку титану і утворення насиченого газом прошарку, що є твердим розчином газу в металі. При температурі вище 6000С кисень активно дифундує в титан. Наявність газів у кристалічній ґратці  призводить до її деформації, що є причиною зменшення пластичності матеріалу. З інших атмосферних газів у  створенні непластичних поверхневих прошарків на титані при високих температурах беруть участь азот, водень, водяна пара. Тому при паянні титану та його сплавів застосовують  як захисне середовище вакуум з високим розрідженням  (0,01Па).

            Прикладом високотемпературного паяння у вакуумі титанових сплавів можна розглянути з’єднання сплаву ВТ6С.

            Сплав  ВТ6С, легований  алюмінієм  і нейтральними  β-стабілізаторами, широко застосовується в машино- і авіабудуванні. В паяному з’єднанні сплаву порівняно швидко і досить  повно  відбувається  вирівнювання структурної і хімічної   неоднорідності  [57]. Сплав  ВТ6С  має  двофазну α + β-структуру, добре зварюється, штампується в холодному і гарячому стані, має  високу термічну стабільність.

            Вибір температури  паяння  обумовлюється головним чином температурою α ↔ β-перетворення і температурою плавлення застосованого припою. Доцільним   може  бути  паяння  при температурі нижче α ↔ β-перетворення, тому як при цьому  температурний режим практично не впливає на механічні  властивості основного металу. Однак  паяння нижче температури α ↔ β-перетворення утруднено низькою розчинністю елементів припою в α-титані [58]. Більш прийнятним  є паяння при температурах стійкого існування   в структурі сплаву β-фази, яка характерна більш високою швидкістю дифузії і високою розчинністю компонентів припою. Проте тривале нагрівання титану в β-області викликає зростання розміру зерна і пов’язане з цим зниження механічних властивостей  сплаву, що паяється. Враховуючи викладені вище обставини, температуру паяння  вибирають в інтервалі  900-10500С.

            Технологія паяння  титанових сплавів, зокрема термічний  режим, складається з короткочасної  витримки  розплаву припою в паяльному зазорі для його заповнення, кристалізації і наступної багаточасової ізотермічної витримки для дифузійного зниження градієнта концентрації елементів припою і основного металу в з’єднанні. Для визначення температури ізотермічної  витримки досліджують вплив її величини і тривалості  на структуру і властивості титанового сплаву. На рис. 2.1 показано зміну структури сплаву ВТ6С при термодифузійному відпалі при температурі 9500С, а в табл. 2.1 – зміну  механічних властивостей.

 

           

Таблиця 2.1 – Механічні властивості  сплаву ВТ6С після відпалу при 9500С

           

            Тривалий відпал  сплаву в β-області не змінює його твердості, тому що відбувається  тільки зростання блоків β-фази, і після охолодження фіксується типова рядкова структура сплаву «мартенситного» типу з однаковим розміром рядків. При цьому  механічні  властивості залишаються  практично  однаковими при тривалості відпалу до 8 годин.

Висока активність дифузійних процесів, що відбуваються  в титанових сплавах, сприяє плавленню ряду металів в контакті із сплавом при нагріванні в вакуумі. Фольга із міді або нікелю в контакті із сплавом ВТ6С плавиться в зазорі при температурі ≈ 9600С, утворюючи евтектику. При нетривалій витримці завдяки активній взаємній дифузії компонентів відбувається ізотермічна кристалізація, а при наступному дифузійному відпалі відбувається перетворення евтектики у твердий розчин. На рис. 2.2 показана структура паяних з’єднань, що виконані з прошарком міді товщиною 0,05 мм. У початковому після паяння стані з’єднання має  значну структурну неоднорідність і містить крихкий прошарок евтектики Ti2Cu – TiCu, наявність якої обумовлює низькі механічні властивості паяного з’єднання. При термодифузійному відпалі дифузійні процеси, що протікають  при високій температурі у твердій фазі, приводять до  зникнення прошарку евтектики і заміщення її  твердим розчином.

Збільшення товщини прошарку  міді не змінює  якісну картину перетворення структури паяного з’єднання – в початковому стані шов вміщує прошарок  крихкої евтектики, який  із  збільшенням тривалості відпалу зменшується і нарешті зникає. Товщина прошарку  міді  фактично  обумовлює тривалість відпалу, потрібну для зникнення крихкої евтектики і заміщення на твердий розчин у структурі з’єднання. При товщині прошарку міді 0,05 мм необхідна тривалість  менше 4 год, при 0,1 мм – 4 години, при 0,2 мм – до 12 год (рис. 2.3), а при 0,3 мм видалити  евтектичний прошарок впродовж  технологічно прийнятного часу відпалу не можливо. Визначення  мікротвердості різних  зон паяного з’єднання, яке утворене прошарком  міді різної  товщини, показує, що  незалежно  від  товщини прошарку  максимальну  твердість 425-450 HV20  має  прошарок  евтектики. При відпалі після зникнення евтектики максимальна твердість знижується і  при подальшому зниженні міри структурної неоднорідності досягає твердості основного металу.

            Аналогічно з міддю формується з’єднання  титанового сплаву при контактному плавленні прошарку  нікелю. При температурі 9600С утворюється евтектичний прошарок, що зникає  при ізотермічному нагріванні (рис. 2.4). Необхідна тривалість нагрівання залежить від  товщини  прошарку.

            Порівняння  даних, отриманих при вивченні мікроструктури паяних з’єднань, виконаних контактно-реактивним  паянням  прошарками міді, нікелю, мельхіору  та інтерметалідів титану, показує, що більш активно процес формування з’єднання  відбувається  при застосуванні  як  прошарку  інтерметаліду титану або подвійних заевтектиктичних сплавів на основі титану. Застосування таких сплавів, як нікелід титану, що складається з  55% Ni і 45% Ti, забезпечує створення з’єднань, хімічна неоднорідність яких значно  нижча і вирівнюється при невеликій протяжності відпалу (рис. 2.5) [59].

            На основі евтектики 50% Ti – 50% Cu з добавками Ni і Ti створені порошкові припої ВПр 16 і ВПр 28 з температурою плавлення 930-9500С. Застосування припоїв на основі евтектик дозволяє створити з’єднання з мінімальною структурною і хімічною неоднорідністю, що легко усувається термодифузійним відпалом (рис. 2.6).

 

            Контактно-реактивне паяння, що ґрунтується на ефекті контактного плавлення металів, передбачає  розміщення  прошарку, що  розплавлюється, в зазорі між деталями. Ця технологічна  вимога обумовлює формування  після плавлення композиції основний  метал-прошарок  порівняно  широкого паяного шва. Застосування  евтектичних порошкових припоїв ВПр 16 і ВПр 28, які плавляться незалежно  від  їх  місця розміщення, дозволяє  виконати  капілярне паяння  з  переміщенням  розплаву  припою  в зазор зовні. У такому випадку ширина паяного шва може бути мінімальною, а дифузійний відпал  нетривалим.

            Недоліком  паяних з’єднань титанових сплавів є галтель паяного шва. При формуванні паяного з’єднання її розмір перевищує ширину евтектичного  прошарку  в зазорі в десятки разів. Тому при термодифузійному нагріванні  зникнення евтектики в галтелі шва не відбувається навіть  при великій його тривалості  (рис. 2.7). При капілярному паянні  евтектичними припоями частина  розплавленого  припою, що не перемістилася в зазор, формує галтель із евтектичного сплаву.

            Проблему з наявністю крихкої галтелі в тавровому паяному з’єднанні титанового сплаву вирішує контактно-реактивне паяння з прошарком паладію. У роботі [60] вказано на неоднозначність визначення діаграми  Pd – Ti різними дослідниками. За різними діаграмами можливе існування евтектики з температурою плавлення 1080 або 11600С. При дослідженні контактного плавлення прошарку  паладію товщиною 0,1 мм в зазорі сплаву ВТ6С виявили, що розплав утворюється при температурі 11600С.  Метал шва, що кристалізувався,  має структуру твердого розчину, евтектика в металі якого відсутня  (рис. 2.8). Це пов’язано з тим, що критична  евтектична точка знаходиться при вмісті паладію 59,8% з розчинністю паладію в β- Ti  48,8%. При такій  комбінації   критичних точок  діаграми можливе швидке перетворення структури металу з евтектики в  твердий розчин у процесі витримки тривалістю 15 хв  при   температурі паяння 11600С. В металі шва біля лінії сплавлення утворюються світлі зони з підвищеною  твердістю. З’єднання,  що паяне з прошарком паладію, навіть у початковому  після паяння стані має  високу, на рівні основного металу, міцність. Термодифузійний відпал при температурі 9600С не змінює суттєво  структуру паяного з’єднання. Загальна  ширина і ширина окремих зон дещо збільшуються. Межі окремих зон стають  розмитими, з’являється плавний перехід від  зони до  зони. Твердість у дифузійній  зоні знижується, однак метал шва по всьому перетину має  дещо більшу твердість, ніж основний метал. Галтель у тавровому з’єднанні також формуються із металу із  структурою твердого розчину.

            Механічні  властивості  паяних з’єднань сплаву ВТ6С, виконаних контактно-реактивним  і капілярним  паянням різними матеріалами після термодифузійного відпалу при 9600С, наведені в табл. 2.2.

           

Таблиця 2.2 – Механічні властивості паяних з’єднань

                        сплаву ВТ6С

 

 

            Сплав АТ6 має структуру стабільного α – Ti, в якому дифузійні  процеси відбуваються із  значно меншою швидкістю, ніж  у  сплаві ВТ6С з двохфазною α + β-структурою. Тому протяжність дифузійного відпалу  з’єднань, виконаних контактно-реактивним паянням із прошарками Cu, Ni, Pd, необхідно збільшити до 12  год. і більше. У сплаві АТ6 температурний інтервал α ↔ β-перетворення становить 970-10400С. Прискорити структурні перетворення  в металі паяного шва із  усуненням крихкої евтектики і зниженням твердості можливо  при виконанні  відпалу в цьому інтервалі температур. Вплив  температури відпалу на механічні  властивості  сплаву АТ6 наведено в табл. 2.3.

 

Таблиця 2.3 – Вплив  термічного режиму дифузійного відпалу на механічні властивості  сплаву АТ6

 

            Як видно із табл. 2.3, термодифузійний відпал у вакуумі не знижує механічні властивості  сплаву, а деяке їх збільшення  можна  пояснити дегазацією сплаву при тривалому нагріванні у вакуумі. Відпал  дозволяє приблизити до  рівня основного металу властивості паяного з’єднання, що виконане одним із матеріалів, які застосовуються  для паяння  сплаву ВТ6С  [61].