Лекция 13 Технология пайки металлических материалов. Пайка титана и сплавов. Пайка сталей и чугуна

Пайка титана и сплавов. Особенности выполнения пайки определяются высоким химическим сродством титана и сплавов к кислороду, азоту, водороду, отсюда – высокая химическая и термическая стойкость его окислов.

Титан – химический элемент 4-й группы периодической системы элементов Менделеева, порядковый номер 22, атомный вес 47,9. Титан – тугоплавкий металл белого цвета, существует в двух аллотропических модификациях - и  -титан при температурах выше 882⁰С. Удельный вес -титана составляет 4,5г/см³, Т_пл=16655⁰С.

Титан является переходным элементом и имеет недостроенный слой 3d электронной оболочки. В большинстве химических соединений титан четырёхвалентен, реже - трёхвалентен. Химическая активность титана с повышением температуры возрастает, он поглощает водород при 20⁰С, при 300⁰С скорость поглощения водорода весьма высока (отсюда - водородная хрупкость титановых сплавов). Растворимость водорода в титане обратима, что позволяет почти полностью удалить примесь водорода вакуумным отжигом. Заметное взаимодействие Ti c O₂ начинается при 600⁰С, с N₂ – выше 700⁰С.

Примеси O₂, N₂, H₂, C, образующие с титаном твердые растворы внедрения, ухудшают его механические свойства. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию прочной оксидной плёнки.

Титан образует сплавы практически со всеми металлами (за исключением щелочных и щелочноземельных), а также с Si, B, H₂, N₂, O₂.

Легирующие элементы оказывают определенное влияние на температуру аллотропического превращения титана:

• элементы, повышающие температуру превращения – (Al, O, N), называются  - стабилизаторами;

• понижающие температуру превращения (большинство металлов, например Mo, Mn) - -стабилизаторы;

• элементы, мало влияющие на температуру превращения, называются нейтральными, или двухфазными упрочнителями.

По структуре титановые сплавы делятся на 4 группы:

1 группа - сплавы с -структурой: Ti и сплавы Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Zr; не содержат -стабилизаторов, хорошо свариваются сваркой плавлением, сохраняют высокую пластичность при низких температурах и не чувствительны к упрочняющей термообработке. Недостаток – пониженная технологическая пластичность.

2 группа - двухфазные сплавы  с преобладанием  - структуры, содержащие до 2%-стабилизаторов (Cr, Mn, Fe, Si, Cu, Ag, Au). Эти сплавы более пластичны, чем -сплавы, при сохранении хорошей свариваемости; к термообработке нечувствительны.

3 группа - двухфазные сплавы , содержащие более 2%-стабилизаторов. Обладают хорошей пластичностью после отжига или закалки и высокой прочностью после закалки и старения. Свариваются хуже, чем 1 и 2., после сварки необходима термообработка для повышения пластичности шва.

4 группа - сплавы с преобладанием -фазы. Очень пластичны при комнатной температуре, после термообработки прочность очень увеличивается, сварной шов пластичен после сварки, хрупок после упрочнения термообработкой.

-сплавы:

ВТ1-00, ВТ1-0 , ВТ1-1, ВТ1-2 - технический титан; ВТЛ – сплав (вес.%) - 5Al, 1,0Si ;

Ti-2Al – 2,5Al; ВТ5-1 – 5Al, 2,5Sn ;Ti-3Al – 3,4Al; Ti-Al-Zr – 2Al, 2,5Zr ; BT5 – 5Al ; BT10 – 5Al, 2,5Sn, 3Cu.

-сплавы ( -стабилизаторов до 2%)

OT4-1 – 2Al, 1,5Mn ; АT3 – 3Al, 1,5 (Fe+Cr+Si+B);OT4 – 3Al, 1,5Mn; AT4 – 4Al, 1,5 (Fe+Cr+Si+B); OT4-2 – 6Al, 1,5Mn ; BT4 – 4Al, 1,5Mn ; BT-12 – 4Al, 1Mo, 3Sn, 2Zr.

-сплавы (-стабилизаторов более 2-х%)

ВТ6 – 4,5Al, 3,5V ; BT6 – 6Al, 4V ; BT8 – 6,5Al, 3,5Mo, 0,25Si ; BT14 – 4Al, 3Mo, 1V; BT16 – 2,5Al, 7,5Mo.

-сплавы : BT – 3Al, 8Mo, 11Cr

В качестве жаропрочных сплавов применяют ВТ3, ВТ3-1, ВТ5, ВТ5-1, ВТ8, ВТ9. При длительной работе Т_раб.=500-550⁰С, при кратковременной работе – Т_раб.=800⁰С.

В результате высокой растворимости О₂ и N₂ и -стабилизирующим действием этих элементов на поверхности титана образуется малопластичный слой -твердого раствора (альфированный слой). Водород мало растворим в -Ti, но образует с -сплавами гидрид титана – TiOH, способствующий его охрупчиванию. Поэтому восстановительные газовые среды, содержащие H₂, N₂, не пригодны для пайки титана и сплавов.

При 650-700⁰С образуется стойкий окисел TiO₂ (рутил), выше 900⁰С – нитриды с N₂ воздуха. При нагреве в чистом Ar или вакууме – оксид и нитрид не образуется.

Низкотемпературная пайка : на воздухе припоями системы Sn-Pb только по покрытию Ni, Cu, Sn (химически или гальванически нанесённому).

Облуживание Ti при 700-750⁰С, t15мм в расплаве Sn при использовании активных флюсов (SnCl₂,AgCl),при этом происходит восстановление металлов из их расплавленных солей по реакции:

Ti + 2SnCl₂ = TiCl₄ + 2Sn

Ti + 4AgCl = TiCl₄ + 4Ag

Соединения титана, паянные с применением флюсов, некачественны, поэтому низкотемпературную пайку применяют редко.

Высокотемпературная пайка титана и сплавов в вакууме или Ar марки А1, тщательно очищенном от примесей O₂, N₂ и паров воды. Т_пайки  700⁰С (800-900⁰С); при Т900⁰С проявляется склонность к росту зерна и снижение пластических свойств паяных соединений.

Водород, всегда находящийся в титане и снижающий его пластичность, удаляется при пайке (или нагреве) в вакууме 0,01Па при Т_н900⁰С, поэтому пайка титана в вакууме предпочитательнее, чем в Ar.

При выборе припоя, способа и режима пайки учитывают, что титан образует хрупкие интерметаллиды в паяном шве практически со всеми элементами, входящими в припои: основа припоя серебро – образует с титаном интерметаллид, менее хрупкий, чем с другими элементами; основа припоя алюминий – образует с титаном ограниченные области твёрдых растворов, что позволяет рассчитывать на получение менее хрупких паяных соединений.

Состав припоев (вес.%): Ag, Ag + Al (Al5%), Ag-Al-Li (Al5, Li-0,2- (улучшает растекание), Ag-Sn (Sn5%), Ag-Cu (Cu 7-10%).

Интерметаллид TiAl₃ характеризуется малой скоростью роста; интерметаллиды TiCu₃, Ti₂Cu – растворяются в припое; TiNi и TiAg – пластичные; Ti₂Ni – хрупкий.

1. Пайка в контейнерах, фольга =0,2мм; вакуум Р=20,0001Па, Т_п=680⁰С, t=3мин.

2. Пайка в контейнерах из тонколистовой коррозионно-стойкой стали, изделия изолируют прокладками из молибдена, слюды или керамики. Припой – фольга или порошковые пасты, медленный нагрев до 600⁰С в вакууме (Р=1,30,001 Па), заполнение рабочей полости Не, быстрый нагрев до Тп=930-960⁰С.

Припои на основе никеля и меди дают ещё более высокопрочные соединения, но никель и медь растворяют титан, вызывая сильную эрозию и охрупчивание в зоне шва.

Диффузионная пайка даёт более пластичные и прочные соединения. Используют минимально необходимое количество припоя (фольга δ=50мкм или напыленный слой)), например, Ni, Cu, Fe, Go, выдерживают при температуре пайки до тех пор, пока в паяном соединении не образуется пластичный твёрдый раствор. Прочность соединений, полученных таким способом, близка к прочности паяемого металла.Т_п=960-980⁰С, t=12 час