Припой на основе никеля для изготовления конструкции типа "блиск"
Владельцы патента RU 2560483:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к припоям на основе никеля, которые могут использоваться при изготовлении паяных деталей горячего тракта турбин газотурбинных двигателей. Припой на основе никеля содержит, мас.%: хром 8,0-15,0; бор 2,0-3,5; алюминий 3,0-5,0; ниобий 3,0-5,0; кобальт 12,0-17,5; титан 1,5-3,7; никель - остальное. Припой может быть использован для пайки деформируемых и интерметаллидных никелевых жаропрочных сплавов с температурой пайки не выше 1220°C, при этом обеспечивается прочность паяных соединений на уровне 0,8 от прочности соединяемых материалов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к припоям на основе никеля, которое может найти применение при изготовлении паяных деталей горячего тракта турбин газотурбинных двигателей (ГТД).
При производстве ГТД для соединения лопаток с диском применяют механическое замковое соединение. Однако в процессе работы на данное механическое соединение воздействуют значительные статические и динамические нагрузки. В результате чего для обеспечения необходимого уровня надежности механического замкового соединения диск-лопатка сечение лопатки в поперечном сечении и соответственно диска превышает сечение рабочей части пера лопатки в несколько раз. Что приводит к снижению коэффициента использования материала (КИМ), повышению трудоемкости изготовления и значительному увеличению массы изделия в целом. Использование неразъемных высокопрочных паяных соединений диск-лопатка позволит снизить трудоемкость изготовления конструкции типа «блиск» и снизит массу изделия до 30% [«Особенности технологии диффузионной пайки жаропрочного сплава ЭП975 и литейного монокристаллического интерметаллидного сплава ВКНА-4У применительно к конструкции «блиск», Сварочное производство 2013 г. №7, стр. 19-25.]. Однако для получения конструкции типа «блиск» необходима разработка припоя, обеспечивающего высокую прочность паяных соединений разноименных сплавов.
Известен припой на основе никеля (см. публикацию международной заявки WO 96/37335, опубл. 27.08.2004 г.), имеющий следующий химический состав в мас.%:
| Хром | 9,5-16,6 |
| Железо | 0-5,4 |
| Бор | 1,24-1,47 |
| Кремний | 5,6-8,3 |
| Молибден | 0-8,9 |
| Никель | остальное |
Недостатками этого припоя являются невысокий уровень жаропрочности соединений дисковых жаропрочных никелевых сплавов с жаропрочными интерметаллидными никель алюминиевыми сплавами при температурах до 850°C и повышенная эрозионная активность интерметаллидного никель алюминиевого сплава.
Из уровня техники (патент РФ №2283742, опубл. 20.09.2006 г.) известен припой на основе никеля для пайки жаропрочных интерметаллидных никель алюминиевых сплавов следующего состава в мас.%:
| Хром | 25,0-32,0 |
| Железо | 0,06-0,5 |
| Кремний | 0,05-0,3 |
| Вольфрам | 1,0-2,5 |
| Молибден | 0,05-0,6 |
| Алюминий | 7,5-9,0 |
| Кобальт | 0,1-1,0 |
| Титан | 0,6-1,5 |
| Никель | остальное |
Данный припой обеспечивает высокие значения жаропрочности этих сплавов, но имеет температуру пайки около 1280°C. Температура пайки дисковых жаропрочных никелевых сплавов не может превышать 1220°C из-за роста зерен деформируемого сплава и поэтому не может быть использован для пайки вышеуказанных разноименных сочетаний.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (патент РФ №2334606, опубл. 27.09.2008 г.), является припой следующего 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 |
Недостатком припоя, известного из прототипа является невысокий уровень жаропрочности соединений дисковых жаропрочных никелевых сплавов с жаропрочными интерметаллидными никель алюминиевыми сплавами при температурах до 850°C. Кроме того, недостатками являются невозможность повышения жаропрочности соединений диффузионной пайкой при увеличении продолжительности выдержки при пайке из-за образования тугоплавких соединений, в основном силицидов вольфрама и молибдена посредине паяного шва, и чрезмерное проникновение компонентов припоя по границам зерен жаропрочных дисковых никелевых сплавов.
Техническая задача изобретения состояла в повышении значений жаропрочности соединений дисковых жаропрочных никелевых сплавов с жаропрочными интерметаллидными никель алюминиевыми сплавами при температурах до 850°C, включая возможность применения диффузионной пайки. Кроме того, температура пайки этим припоем не должна превышать 1220°C.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка состава припоя для пайки деформируемых и интерметаллидных никелевых жаропрочных сплавов в разноименном сочетании с температурой пайки не выше 1220°C, обеспечивающая прочность паяных соединений на уровне 0,8 от прочности соединяемых материалов.
Поставленный технический результат достигается тем, что предложен припой на никелевой основе, содержащий хром, бор, алюминий, ниобий, кобальт отличающийся тем, что дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов в мас.%:
| Хром | 8,0-15,0 |
| Бор | 2,0-3,5 |
| Алюминий | 3,0-5,0 |
| Ниобий | 3,0-5,0 |
| Кобальт | 12,0-17,5 |
| Титан | 1,5-3,7 |
| Никель | остальное |
Предпочтительно, суммарное содержание алюминия и титана составляет 4,5-8,7 мас.%.
Введение дополнительного компонента в сплав - титана в заявленном соотношении с другими компонентами обеспечивает высокие значения жаропрочности соединений дисковых жаропрочных никелевых сплавов с жаропрочными интерметаллидными никель алюминиевыми сплавами при температурах до 850°C. Также повышению жаропрочности способствует повышение суммарного содержания алюминия и титана (4,5-8,7% масс.), а повышенное содержание кобальта снижает склонность припоя к хрупкому разрушению. Исключение из состава припоя молибдена и вольфрама обеспечило снижение температуры пайки до 1220°C. Исключение кремния из состава припоя позволило исключить из структуры паяного шва трудно рассасываемые силицидные эвтектические составляющие, что повысило прочность паяных соединений при диффузионном отверждении припоя.
Примеры осуществления.
Выплавка предлагаемого припоя, как и припоя, известного из прототипа, производилась в протоке аргона на установке ЛП32-67М. Масса полученных слитков припоев составляла по 80 г. каждый. После выплавки слитки подвергались обточке на токарном станке для снятия литейной корки. Для удобства использования слитки припоев были размолоты до размера частиц не более 400 мкм с использованием планетарной мельницы. После размола порошки припоев были подвергнуты магнитной сепарации для удаления частиц припоев, загрязненных железом с мелящих тел. В таблице 1 представлены составы предлагаемых припоев (примеры 1-3) и припоя, известного из прототипа.
Пайка проводилась при нагреве в вакуумной печи при температуре 1200°C. Вакуум в процессе выдержки составлял не менее 5·10-4 мм рт.ст. Навеска каждого припоя в виде кусочков закреплялась вблизи зазора. Выдержка при пайке составляла 180 минут.
Жаропрочность стыковых паяных соединений определялась на образцах разноименных соединений из сплавов ЭП975 и ВКНА-25. Цилиндрические образцы каждого сплава диаметром 16 мм и высотой 36 мм паялись торцевыми поверхностями таким образом, чтобы на паяном образце шов находился в средней части образца, располагался перпендикулярно оси образца. В каждом паяном образце шов являлся границей между двумя сплавами. Образцы для испытаний протачивались из паяной цилиндрической заготовки диаметром 16 мм длиной 72 мм. Диаметр рабочей части образца составлял 5 мм из образцов двух сплавов.
Свойства предлагаемого припоя и выполненных этим припоем соединений в сравнении со свойствами прототипа представлены в таблице 2.
Температура работы дискового сплава ЭП975 не должна превышать 850°C, поэтому эта температура выбрана для испытаний соединений из разноименных сплавов. Kосл. п.с. - это коэффициент ослабления паяного стыкового соединения, равный отношению прочности паяного шва к прочности основного материала, в данном случае прочности сплава ЭП975.
По данным таблицы 2 видно, что предлагаемый припой обеспечивает жаропрочность стыковых паяных разноименных соединений из сплавов ЭП975 и ВКНА-25 больше, чем у сплава, известного из прототипа. Прочность стыковых соединений, выполненных предлагаемым припоем, примерно в 4 раза выше, чем у соединений, выполненных припоем, известным из прототипа.
Применение предлагаемого припоя при пайке деталей горячего тракта ГТД позволит существенно повысить надежность паяных соединений таких перспективных конструкций, как «блиск» (лопатки соединены с диском при помощи неразъемных соединений), и обеспечить значительный экономический эффект от увеличения ресурса ГТД.
1. Припой на основе никеля, содержащий хром, бор, алюминий, ниобий и кобальт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов в мас. %:
| Хром | 8,0-15,0 |
| Бор | 2,0-3,5 |
| Алюминий | 3,0-5,0 |
| Ниобий | 3,0-5,0 |
| Кобальт | 12,0-17,5 |
| Титан | 1,5-3,7 |
| Никель | остальное |
2. Припой на основе никеля по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание алюминия и титана составляет 4,5-8,7 мас.%.
