Обзоры

Одним из способов формирования высокопрочного неразъемного соединения при температурах ниже температуры плавления соединяемых материалов является метод пайки. Формирование неразъемных соединений в данном случае происходит при температуре выше температуры плавления припоя без расплавления материала соединяемых элементов. Распространение получили припои в форме порошка, пасты, проволоки, ленты или фольги. Пайка применяется преимущественно для соединения разнородных и трудносвариваемых материалов. В числе примеров применения технологии:

•  пайка сотовых уплотнений, пористоволокнистых истираемых материалов, знаковых отверстий лопаток, блоков сопловых лопаток, дефлекторов и пр.;
•  пайка монокристаллических сплавов;
•  пайка композиционных материалов на основе интерметаллидов;
•  пайка разнородных материалов на основе интерметаллидов;
•  ремонт с применением технологии пайки.

Современные припои в зависимости от особенности кристаллизации металла можно условно разделить на два класса - эвтектические и твердорастворные, а в зависимости от материала основы можно классифицировать на четыре группы.

Эвтектические припои производятся на основе переходных металлов, таких как никель, железо, кобальт, хром. Наиболее применяемые припои на основе никеля и кобальта содержат металлоиды - бор, кремний, фосфор, углерод - химически активные элементы, снижающие температуру плавления и способствующие растворению оксидов на поверхности деталей. Эвтектические сплавы, обладающие низкой температурой ликвидус, высокой жидкотекучестью, которые хорошо смачивают поверхность паяемых материалов и менее склонны к образованию ликваций и усадочных пор. Такие сплавы по своей природе являются хрупкими и производятся преимущественно в форме порошка.

Твердорастворные припои производятся на основе благородных металлов - серебра, золота, паладия. Такие припои имеют очень широкую область кристаллизации и достаточно технологичны для производства в форме фольги и проволоки. Соединения, полученные данными припоями, отличаются высокой стойкостью к окислению и коррозии. Вместе с тем такие припои характеризуются ограниченностью применения из-за относительно низкой прочности при высоких темепратурах и их высокой стоимости.

Классификация припоев для высокотемпературной пайки сталей и сплавов

В общем случае состав припоя должен удовлетворять ряду требований по обеспечению уровня физико-химических свойств, смачиваемости и растекаемости, низкой эрозионной активности и т.д. Для реализации этих требований в состав вводят разные элементы: хром - для повышения жаростойкости и стойкости к высокотемпературной солевой коррозии; молибден, вольфрам, тантал, алюминий, титан — для повышения жаропрочности; кобальт — для повышения пластичности соединения.

Припои на органическом связующем (ленты и пасты)

Высокие показатели прочности и рабочей температуры могут обеспечить только сложнолегированные припои с системой легирования, близкой к системе легирования соединяемых материалов. Из-за сложного химического состава многие припои являются трудно недеформируемыми и не могут быть получены традиционными методами в виде полос, фольги или прутков. Высокотемпературные припои могут получены в форме высокотехнологичных полуфабрикатов – лента или паста на органическом связующем. Состав органического связующего паст обеспечивает высокие реологические свойства и надежную фиксацию на паяемой поверхности. Связующее лент порошковых припоев обеспечивает высокую эластичность и технологичность лент при использовании (поддаются резке ножом и ножницами), клеевой слой обеспечивает надежную фиксацию на паяемой поверхности. Основное требование к органическому связующему для изготовления лент и паст порошковых припоев – способность удаляться при нагреве в вакууме без образования зольного остатка. Для нанесения припоя на сложные криволинейные поверхности разработан полуфабрикат порошкового припоя – пасты на органическом связующем, предназначенные для экструзии из туб или шприцов через дюзы различного диаметра.

Аморфные припои

Еще одним вариантом получения припоев труднодеформируемых материалов является изготовление лент с аморфной структурой. Аморфные металлические материалы являются однофазными системами и достаточно пластичны. Формируется такая структура в процессе быстрого охлаждения расплава определенного состава. При применении припоев в виде аморфных лент исключается необходимость использования органических связок (кроме случая использования в качестве клеящего слоя), удается достичь снижения расхода припоя. Высокая пластичность ленточных припоев позволяет придавать им необходимую форму. Припой в виде аморфных лент позволяет ограничить эрозию основного материала за счёт снижения температуры пайки, например, температура пайки припоя ВПр51 составляет 1040-1080 С. Относительно низкое содержание хрома и молибдена в совокупности с введением бора позволяет существенно снизить температуру пайки и обеспечить низкую эрозионную активность припоя, и не сказывается на уровне жаростойкости припоя и паяных соединений.

Припои в авиационной промышленности

В авиационной промышленности применяется порядка 50 марок припоев на основе олова, свинца, меди, серебра, никеля и титана. В последнем перечне ограничителе содержится 36 марок. Общие требования к технологическому процессу пайки высоколегированных сталей в вакууме изложены в ГОСТ Р 53542-2009. Технологические рекомендации для получения паяных соединений конечных изделий разрабатываются специалистами ФГУП ВИАМ в сотрудничестве с отраслевыми институтами и предприятиями отрасли.

Перечень припоев, рекомендуемых в перечне-ограничителе к применению в опытном производстве в авиационной промышленности, включает припои марок:

Наиболее востребованные марки припоев

Припой ВПр11-40Н наиболее широко используемый припой при пайке никелевых жаропрочных сплавов.

Припой ВПр24 (высокожаропрочный) на никелевой основе применяется для пайки сопловых и рабочих лопаток турбины из сплавов типа ЖС6.

Припой ВПр27 (аморфный) на никелевой основе используется для пайки упрочняющих пластин на контактные поверхности бандажных полок рабочих лопаток турбин из сплавов ЖС6У и ВЖЛ12.

Припои ВПр36, ВПр44 (высокожаропрочные) на никелевой основе предназначены для пайки монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, применяются при заделке технологических отверстий в рабочих лопатках турбин.

Припой ВПр50 на никелевой основе используется для пайки жаропрочных никелевых сплавов и нержавеющих сталей.

Припой ВПр37 на никелевой основе применяется для пайки интерметаллидных сплавов типа ВКНА.

Припой ВПр16 на титановой основе используется вместо серебрянных припоев, обеспечивает более высокие значения прочности и хорошую коррозионную стойкость паяных соединений.

Припой ВПр28 на титановой основе используется вместо серебрянных припоев, обеспечивает более высокие значения прочности и хорошую коррозионную стойкость паяных соединений.

Припой ВПр2 на медно-марганцевой основе применяется при пайке теплообменников различного назначения.

Припой ВПр17 (ПСр21,5) применяется при газопламенной пайке тонкостенных трубопроводов из стали 12Х18Н9Т.

Припои ВПр24, ВПр27, ВПр36, ВПр42, ВПр44, ВПр50 являются эвтектическими или доэвтектическими сложнолегированными сплавами со структурой твердого раствора с эвтектикой, содержащей бориды и силициды.

Припой ВПр11-40Н является смесью порошка ВПр11 со структурой никельхромового твердого раствора с эвтектикой, содержащей бориды, силициды и карбиды и наполнителя со структурой доэвтектического сплава никеля с силицидами и боридами.

Припой Впр37 является безэтектическим сплавом с кремнием и бором в качестве депрессантов.

Появление новых жаропрочных материалов, разработка высокоэффективных схем охлаждения деталей и узлов ГТД, новых типов статорных уплотнений проточной части турбины требуют разработки новых припоев, технологических режимов пайки и способов нанесения припоев. Во ФГУП ВИАМ организована производственная и исследовательская инфраструктура необходимая для реализации большинства задач в области разработки материалов и технологий высокотемпературной пайки.

Источники информации :

1. Исследование мелкодисперсных порошков припоев для диффузионной вакуумной пайки, полученных методом атомизации расплава . Е.Н. Каблов, В.С. Рыльников, А.Г. Евгенов, А.Н. Афанасьев-Ходыкин. Труды ВИАМ. 2011.
2. Припои, применяемые для пайки материалов авиационного назначения . В.С. Рыльников, В.И. Лукин. Труды ВИАМ. 2013.
3. Высокотехнологичные полуфабрикаты жаропрочных припоев (ленты и пасты на органическом связующем) . А.Н. Афанасьев-Ходыкин, В.И. Лукин, В.С. Рыльников. Труды ВИАМ. 2013.
4. Пайка тонкостенных элементов конструкций аморфным ленточным припоем ВПр51 . Ю.В. Столянков, В.И. Лукин, А.Н. Афанасьев-Ходыкин. Труды ВИАМ. 2018.
5. Аморфный ленточный припой ВПр51 для тонкостенных металлических ЗПК . Ю.В. Столянков, В.С. Рыльников, В.И. Лукин. Материалы к онференции «Функциональные материалы для снижения авиационного шума в салоне и на местности». 2015.
6. Влияние металлургических факторов на фазовый состав и технологические характеристики припоев на никелевой основе с высоким содержанием кремния и бора . А.Г. Евгенов, И.А. Галушка, С.В. Шуртаков, В.А. Игнатов. Труды ВИАМ. 2019
7. Изготовление конструкции типа «Блиск» из разноименного сочетания материалов (обзор) . О.Г. Оспенникова, В.И. Лукин, А.Н. Афанасьев-Ходыки, И.А. Галушка. Труды ВИАМ. 2018.
8. Пайка аморфными припоями . В.И. Лукин, Ю.В. Столянков, В.С. Рыльников, А.И. Щербаков. Авиационные материалы и технологии. 2002.
9. Технология изготовления лент и паст порошковых припоев на органических связующих . В.И. Лукин, А.Н. Афанасьев-Ходыкин, И.А. Галушка, О.В. Шевченко. Клеи. Герметики. Технологии. 2017.
10. A nickel-based brazing alloy for brazing creep-resisting alloys and steels . Welding International. 2015. http://dx.doi.org/10.1080/09507116.2014.952498
11. Special features of brazing VZhM4 and VZhM5 single crystal alloys. V.I. Lukin, V.S. Rylnikov, N.G. Orekhov, A.N. Afanasev-Khodykin, V.G. Kolodochkina, I.A. Galushka. Welding International. 2017. http://dx.doi.org/10.1080/09507116.2017.1285546
12. Special features of diffusion welding of EP975 creep-resisting alloy and VKNA-4U cast single-crystal intermetallic alloy for blisk structures . V.I. Lukin, V.S. Rylnikov, A.N. Afanasyev-Khodykin, O.B. Timofeyeva. Welding International. 2014. http://dx.doi.org/10.1080/09507116.2013.840043
13. Efficient materials and brazing technology for honeycomb seals of gas turbines of a new generation of aircraft engines . E.B. Kachanov, R.S. Kurochko, V.P. Migunov, V.I. Lukin, V.S. Ryl'Nikov. Welding International. 1994. https://doi.org/10.1080/09507119409548651

24.03.2020