автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Структура и свойства паяных соединений, полученных с использованием светолучевого нагрева

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт электросварки им. Е. О. Патона

РГ6 од

9 Л МАЙ '^"'Я

С. и ЫМ11

На правах рукописи

ШАНЬ Цзиго

удк 621.791.372

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕТОЛУЧЕВОГО НАГРЕВА

05.03.06 —

технология и оборудование для сварки и родственных

процессов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев 1996

. Работа выполнена в Институте электросварки им. Е. 0."Патона HAH Украины.

Научный руководитель.

доктор технических наук профессор Хорунов В. Ф.

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Россошнский А. А.

кандидат технических наук • доцент Самохин С.М.

Ведущее предприятие - Научно-производственное предприятие "Машпроект".

Направляем Вам для ознакомления автореферат диссертации аспиранта Шань Цзиго. Просим Вас и сотрудников Вашего учреждения принять участие в заседании специализированного совета или прислать свои отзывы (1 экз.. заверенный печатью) по адресу: 252650. г. Киев-5. ГСП. ул. Боженко, 11. ученому секретарю спецсовета.

Защита состоится "Л^ " июня 1996 г. на заседании специализированного совета (К 50.02.02) при Институте электросварки им. ' Е. 0. Патона. •

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. АННОТАЦИЯ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕНЫ. В современной промышленности пайка'занимает все более заметное место, а в таких отраслях, как электроника, приборостроение, авиационное двигателестроение, ракетостроение она прочно занимает лидирующие позиции. В области высокотемпературной пайки основные достижения связываются'с печной пайкой, в частности вакуумной, когда осуществляется общий нагрев изделия, а наблюдение за контролем процесса пайки затруднено.

Настоятельной необходимостью сегодняшнего дня является разработка локального способа нагрева изделий, который можно осуществлять в любой среде и легко 'контролировать. В частности, та-. кая проблема стоит в области ремонтной пайки деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, например, лопаток турбин.

Для решения подобных проблем в последнее время часто привлекают лазер. Но лазер дорог, имеет низкий к.п.д. Весьма актуально рассмотреть возможность светолучевого нагрева как альтернативы лазеру для пайки широкого круга материалов, и, в частности, высоколегированных никелевых сплавов. Этому и посвящена настоящая работа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Оценить технологические возможности светолуче-' вого нагрева; получить данные о структуре, статической прочности и долговечности соединений, паянных световым лучом под флюсом и в защитных средах.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Оценить технологические возможности светолучевого нагрева в сравнении с традиционными методами пайки металлов и сплавоз с использованием модернизированной светолучевой установки УРАН-1.

2. Изучить структуру и свойства паяных соединений нержавеющей стали, меди, латуни, алюминия.

3. Провести компьютерное прогнозирование поверхности ликвидуса диаграммы состояния системы Ш-сг-гг на основе данных двойных диаграмм и с учетом полученных данных выбрать Состав припоя для пайки высоколегированных никелевых сплавов. . •

4. Создать основы технологии ремонтной пайки деталей горячего тракта газотурбинных, двигателей. \

- г -

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Исследование структуры паяных соединений осуществлялось с использованием методов оптической металлографии. локального микрорентгеноспектральиого анализа, растровой микроскопии. Прочностные характеристики паяных соединений определялись по стандартным методикам. Для оценки прочности на растяжение нахлесточных соединений тонколистовых материалов использована уточненная методика. Прогнозирование поверхности ликвидуса сплава системы Nl-Cr-Zr осуществлялось путем компьютерного моделирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. 1. Установлено, что нагрев световым лучом не изменяет, как правило, фазовый состав паяных швов различных ■ металлических материалов, оказывая влияние на объемную дола Фаз, их дисперсность и характер распределения в структуре.

2. На основании систематических исследований впервые показано, что стыковые и нахлесточные соединения нержавеющей стали, меди. латуни, алюминия, паянные световым лучом высокотемпературными припоями (систем Cu-Mn. Cu-Zn. Cu-P. Nl-Mn. Al-Sl), по прочности не уступают, а, как правило, превосходят однотипные соединения, паянные традиционными способами (ТВЧ и газовым пламенем).

3. Экспериментально установлено, что пайка световым лучом нахлесточных соединений стали 12Х18Н10Т обеспечивает увеличение в два раза долговечности в малоцикловой области усталости при использовании припоя системы Cu-Mn; сопротивление усталости соединений. паянных припоем системы Cu-Zn. не зависит от метода нагрева.

4. ■ Проведена статистическая обработка данных о прочности на сдвиг паяных соединений в зависимости от размера нахлестки. Установлено. что с уменьшением размера нахлестки среднестатистическое значение прочности возрастает, однако нижняя граница значений прочности для 90% вероятности рассеяния не зависит от размера нахлестки.

5. Освоена методика компьютерного прогнозирования поверхности ликвидуса тройных систем на базе данных двойных диаграмм. Впервые построена поверхность ликвидуса системы Nl-Cr-Zr. а такие более детально - часть поверхности в области никелевого угла.

■ ; НА. ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения: • .

■ 1. Научно-обоснованные технологические рекомендации светолу-чевой пайки с использованием модернизированной: установки УРАН-1.

2. Уточненная методика определения напряжений сдвига в нах-лесточных соединениях из тонколистовых материалов.

3. Чанные о статической прочности и работоспособности соединений стали 12Х18Н10Т в зависимости от состава припоя, величины нахлестки и метода нагрева.

<1. Данные о структуре и статической прочности соединений из сплавов на основе меди и алюминия.

5. Результаты компьютерного прогнозирования поверхности лик--видуса системы Н1-Сг-2г на базе данных дзойных диаграмм.

6. Рекомендации по технологии и технике ремонтной пайки лопаток турбин.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. На основании проведенного комплекса исследований установлено, что светолучевой нагрев может успешно применяться взамен ТБЧ и газопламенного' нагрева для широкого круга изделий и материалов. Особую ценность этот процесс приобретает в случае использования для соединения и ремонта высоколегированных жаропрочных, высокоактивных материалов. В частности, процесс опробован при ремонте лопаток турбин ГТД.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Отдельные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции "Сварные конструкции" (Киев. 1995 г.).

Диссертационная работа в целом обсуждалась на технологическом семинаре ИЭС им. Е. 0. Патона (1996 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По. материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состог -ит из введения, четырех глав, общих выводов и спцска использованной литературы. Работа содержит 168 страниц, в том числе 118 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 137 наименований.

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна полученных результатов и их практическая ценность, положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан обзор и критический анализ современного состояние применения светолучевого нагрева в области сварки, пайки и обработки поверхности изделий.

Во второй славе описаны материалы, методики исследований структуры и свойств паяных соединений, усовершенствованная свето-лучевая установка для пайки, разработанная технология пайки различных материалов.

В третьей главе изложены результаты исследований влияния пайки световым лучом на структуру и механические свойства соединений нержавеющей стали, меди, латуни, алюминия.

В четвертой славе представлен результат компьютерного прогнозирования поверхности ликвидус сплава Н1-Сг-2г. изложены данные об исследовании структуры и свойств соединений литейных николавых сплавов, паянных световым лучом припоем ВПр-42 и композиционным припоем с цн[ конием. Описаны результаты ремонтной пайки лопат ГТД.

В оЛцих выводах сформулированы основные' результаты работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Несмотря на большое разнообразие источников нагрева, тих как электрическая дуга, газовое пламя, ТВЧ. плазменная дуга, олоктронный луч, лазер, практика часто ставит задачи, требующие существенной модернизации имоюздахея или разработки новых источников нагрева с целью обеспечивания высокой производительности и качества получаемых конструкций. Так, появление галлоидных кварцевых ламп инфракрасного излучения позволило создать целую отрасль промышленности по производству сотовых панелей. Качество последних, производительность технологических процессов находится на уровне, недостижимом для традиционных способов нагрева.

До последнего времени не удавалось решить задачу скоростного локального нагрева под пайку. Сейчас эта задача во многих случаях успешно решается с помощью лазера. Однако лазер дорог, имеет низкий к.п.д. Поэтому естественно поиски альтернативных- вариантов. Одним из них является световой луч.

.С помощь» фокусирукицих оптических систем световой луч обеспечивает в пятне нагрева к.п.д. до 40% потребляемой электрической мо1Д1!ости, сравнительно высокую плотность энергии (10* ,Вт/смг). и требуемые Формы 51 размеры пятна нагрева, что делает нагрев световым лучом достаточно гибким технологическим процессом при пайке и сварке. Отличительной особенность» нагрева световым лучои являет-

ся бесконтактность подзола лучистой энергии к объекту нагрева, что обеспечивает идеальную чистоту процесса нагрева. Вместе с теп широкое применение дпетишм:' в области светолучевого соединения материалов сдергивается из-за слабой изученности своЛетв соединения. кто;" л ¡них этим способом.

в связи с этап оцен::а влияния светолучевого нагрева при пайке к а структуру и механические свойства паяных соединений в срав-' нонип с традиционным!! способа;:;! пайка '{нагрев токами высокой частот:?, нагреи газовым пламенам) . а также поиск его новых возможностей ь том направлении, где сложно реализуются существующие технологии пайки, шляются актуальной задачей.

Для выполнения данной задачи усовершенствована сзстолучевая устспг-.'са УРЛН-1. обеспечивающая проведение процесса пайки доижу-емнел или иеподеиотзш источника!«! нагрева па воздухе, в газовой за«9п-н"Л аткосФ.'ре и в вакууме. В качестве материалов для экспериментов сиС^лапы .чл«:иний АЛ 1, медь Н1. латунь Л59, иержашзадая сталь 12Х18Н10Т. а так:*;.? припой ПМ-50 (Си-2п). ПМ-72 (Си-Па). ПМ-90 и ПИ-90!! (Си-Р). ШС-6 и Пр-НЬ8;> (П1->:п). ПАК-12П (А1-51). .

Для ксследоввкяя структура и определения работоспособности паяных соединений использовались нахлссточнио и стукоаыо соединении из тонколиетош* (б<2 мм) пластан шириной 20 мм, «зечаэдио по профилю сечения соединениям в реальных конструкциях.

Пайка образцов припоями на основе М1-Мп выполнена в иакууме 1 * 10"3 Па. 3 иных случаях пайка проводилась на воздухе под Флюсом ОАО-5-10 для алюминия АД1 и ПЗ-209 для остальных материалов.

Отработана технология пайки тонколистовой стали 12X18.4107. .алюминия АД1, меди М1 и латуни "¡59 с пркменелкся соответствующих припоев па воздухе или в вакууме.

С целью выяснения возможного 'влияния способа пайки сгетогк?: .~учсм на структуру п работоспособность стыковых ¡соединений меди с мелью и меди с латунью паяли однотипные образцы евзтевим лучом и газовым пламенем. .При металлографических исслодосзнпях соединят?. ко обнаружили .принципиальных отличий в микроструктуре аза. 3 обоях случаях микроструктура '¿за представляет собой Еисоколегкрозан-нь'й твердый раствор нз основе .кеда с темны?«» включениями -¿осфидз меди и белжи включениями Си-Бо^Ь.

Таким .образом, нагрез световкм яучон при пайке меди н ^седз« с латунь» припоем систомы си-р не .оказывает вявцдо м -ЗазсгкЯ с

тав паяных соединений. В то же время пайка световым лучом обеспечивает более высокое качество формирования паяного, шва.

На образцах основного металла и стыковых соединений меди и 'меди с латунью определены технический предел упругости - б0 . условный предел текучести - б0 временное сопротивление разрыву бв, модуль упругости Е. относительное удлинение при разрушении б и сужение в зоне разрушений ту. Рабочая часть образца, т. е. рас-'четная длина Ц определялась как пятикратная по зависимости Ь0 = 5. (УН^. где Б0 « з*Ь - площадь сечения рабочей зоны образца.

. Установлено, что стыковые соединения меди, паянные световым лучом, обладают прочностью на 21% ниже значения бд основного металла. Медно-латунные стыковые соединения достигают всего лишь .60% (для газовой пайки) и 65% (для светолучевой) прочности соединений меди, а их значения бв - сопоставимы с пределами упругости б001 латуни в зоне термовлияния. Способ пайки световым лучом позволяет в большей мере, чем газовая пайка, реализовать прочностные свойства основного металла: бв стыковых соединений на-15-26% выше в случае применения светового луча,' чем при газовой пайке. Предел упругости бд 01 и предел текучести б0 г соединений определяется медной частью соединения и имеет в соединениях меди и меди с латунью такие же значения, как и б медных образцах, прошедших подобный термический цикл пайки.' Модуль упругости в . мед-но-латунных соединениях занимает промежуточное значение между мо' дулями упругости медной и латунной частями образца. Причем модуль упругости латуни на 25% ниже, чем у меди.

Полученные данные о закономерности деформирования паяных соединений показывают, что образцы основного металла деформируются неравномерно, в зоне разрушения локальное относительное удлинение в два раза выше, чем за его пределами. А паяные соединения деформируются в основном равномерно с некоторым сдерживанием деформации в шве и околошовной зоне. Разрушение происходит по шву и не реализуется полностью запас пластичности основного металла околошовных зон. Такая же закономерность характерна для соединений меди и меди в медно-латунных соединениях. Для латуни при разрушении характерно незначительное-локальное пластическое, деформирование лишь вблизи шва. Остальные участки латунной части деформируются упруго.

Микроструктура шва алюминия АД1, паянного припоем системы AI—St. представляет собой тверда раствор на основе алюминия и включения эвтектики алюминия с кремнием. При испытаниях на растяжение паяние образцы нахлестанных тонколистовых соединений алюминия АДi разрушаюсь по основному металлу. При этом предел прочности "¡Ra бц составлял 0.9 значения прочности основного металла. По этому показателю прочность шва. паянного световым лучом, не уступает способу пайки ТВЧ. который обеспечивает прочность паяного та: '.'¡Л.. .0.9 прочности основного металла.

3 металле !«!?а из стали 12Х18Н10Т. паянных световым лучсм в вакууе прииогми ПНС-6 и ПР-Н58Ф (системы Ni-Mn), зафиксирована трехфазная спруктурэ: твердый раствор, эвтектические фазы, и крупные иглообразные включения.

Для исследоьонил работоспособности нахлестанных соединений опроделчяи влкянио типа припоя и размера нахлестки на сопротивление срезу. Варьировал:; размеры нахлестки от 1 до 5 мм.

Износит, что при испытаниях на растяжение иахлесто'шнх соо-дишшй происходит сксйошй! тип разрушений: кроио напряжений сштл j.e;s!,¡iiуьт в zuc капрязеюм отрыва. При отом происходит отгибаний KpoKOît основного металла на участках нахлестки. В этом случае, временное сопротивление паяного шва на сдвиг без учета' угла наклона плоскости tuna, расчшаный по формуле

Р

b*h

где: b - ширина образца, h - размер нахлестки, Р - усилие разрушения. соответствует суммарным напряжениям сдвига т^.и отрыва на наклонной плоскости.

Целесообразно рассчитывать напряжение сдвига в шве с учетом отгибания кромок:

-td = б * cos а * sin а; (2)

Г

б„„ = —: b»s

пли т£< - хвр * sin а; (3)

Р

^ви

где s - толщина соединения в зоне разрушения.

Значения I). Б и а замеряют после разрушения образцов.

На практике можно применять формулу 2 или р с учетом того, какое из значений Б и й более точно замеряется после разрушения образцов.

Для определения прочности на сдвиг нахлесточных соединений нержавеющей стали 12Х18Н10Т, паянных световым лучом в вакууме припоями системы Ш-Мп, выбрана формула 3. Установлено, что при уменьшении размеров нахлестки от 5 до 1 мм наблюдается существенное 'повышение Для припоя ПНС-6 прочность увеличилась в 1.06 раз, а для припоя ПР-Н58Ф - в 1.87 раз. В целом соединения, паянные припоем ПР-Н58Ф, имеют прочность на сдвиг выше на 14...26%. чем соединения, паянные припоем ПНС-6.

Проведенные эксперименты показали возможность применения светового луча в качестве источника нагрева 'для вакуумной пайки ответственных изделий.

Для исследования структуры и прочности соединений из тонколистовой стали 12Х18Н10Т, паянных припоями ПМ-50 (Си-га) и ПМ-72 (Си-Нп), выбрали образцы с нах."есточными соединениями. Размер образцов составил 180*20*1 мм. Варьировали размеры нахлеижк (1 и 5 км). Однотипные образцы паяли также с использованием ТВЧ.

Металлографические исследования показали, что в соединениях, паянных припоем ПМ-50 световым лучом и ТВЧ. металл шва представляет собой твердый раствор 7л. Мп, N1, Бп в меди, содержащей дисперсные включения двух видов. Светлые включения характеризуются высоким содержанием Ге и Сг, Б1. Мп. а темные - высоким содержанием Си; 7п и пониженным содержанием Ре и Сг.

Анализ литой прослойки соединения показал, что химический состав шва и галтели практически не отличается друг от друга, и не зависят от способа нагрева. Однако количество выделенных светлых фаз в структуре шва, паянного световым лучом, существенно меньше, чем при пайке ТВЧ.

В случае применения припоя ПМ-72 (Си-Мп) микроструктура шва представляет собой твердый раствор Мп и других легирующих элементов (N1. Сг. Б1, Ре) в меди, содержащей округлые светлые включения с высоким содержанием железа, марганца, хрома и кремния. Вдоль границ зерен твердого раствора наблюдаются светлые прослойки ликвационного происхождения с повышенным сс/л>ржанием марганца. Определение химического состава в отдельных фазовых составляющих

показали, что твердый раствор в обоих случаях имеет почти одинаковый химический состав. Однако при пайке световым лучом содержание железа и хрома в выделенных фазах на фоне твердого раствора выше, чем при пайке ТВЧ.

При статических испытаниях на растяжение образцы разрушались по иву (припоя ПМ-50 и ПМ-72 для нахлестки 5 мм и 1 мм) и по основному кэталлу (припой ПМ-72 для нахлестки 5 мм).

Разрушающие напряжения сдвига ^рассчитывали с учетом угла а и по формуле 2.

Разрушение паяных образцов при усталостных испытаниях вызвано образованием и распространением трещины в галтельных участках соединения. При высоких уровнях напряжений (бгаах>б0 2) усталостные трещины зарождались в металле галтели! а при низких - в основном металле на границе с галтелью ива. Результаты представлены на рис. Ги в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнение данных испытаний на растяжение нахлесточных соединений стали 12Х13Ш0Т толщиной 1 км, паянных световым лучом и ТВЧ.

Тип i I Способ i 1 Величина i i i i i 1 1 1 1

прппоя|нагрева (пахлест- V. St. 1 t. 1 б„.| ÍV. I б *

I при пайке|ки. мм i i МПа МПа | МПа I МПа | МПа | МПа i i i i

ПМ-50 i I Свет, луч 1 5 116. 5 tiii 6,4.71103, 51 не определялись

{ТВЧ* 1 1 5 i 107,0 не определялись i i i i

ПМ-72 1 I Свет, луч i 1 5 140.3 Г 1 1 1 8,02112¡1,3| не определялись

|ТВЧ* i 1 5 I 115,0 не определялись i i i 1

ПМ-50 1 I Свет, луч 1 1 1 125,1 i i i i 24,92! 75, 31294, 0| 55, 871182.. 40S

1 ТВЧ* 1 1 i не определялись |245.. 1 ! 1 1 290

ПМ-72 1 1 Свет, луч I 1 1 172,1 lili 22,101127,9|344,3|43,75|257... 432

t ТВЧ* i 1 1 i не определялись 1330.. i i i i 400

* Среднеарифметические значения по данным трех испытаний.

** Диапазон экспериментальных значений.

ПМ-7(8(Си-Мп)

■ ю3 а* ю' а'

N

оа ■■ сбстщчсШ г,айна ~— пайка ТВЧ

■ Рис. 1. Кривые усталости нахлесточных соединений стали 12Х18Н10Т толщиной 1 мм, полученных пайкой ТВЧ и световым лучом с использованием припоев ПМ-72 11 1И4-50.

Сопоставлением с данными испытаний з таких ::сг условиях циклических нагрушеник однотипных соединений, паянных ТВЧ. установлено, что' способ светолучевой пайки оказывает заметное повышение (в 2 раза) долговечности в малоцикловой области усталости при использовании припоя ПМ-72. С повышенном уровня, циклического кагру-жения этот эффект становится более заметным. При использовании припоя ПМ-50 эффект повышения долговечности не проявляется. Но оказывает влияние на долговечность способ пайки и в многоцикловой

- il -

области усталости, поскольку в этой области долговечность определяется сопротивлением усталости околошовной зоны соединения и высоким уровнем концентрации напряжений.

Статистические оценки характеристик прочности нахлзсточных соединений с нахлесткой 1 и 5 мм показывают, что рассеяние значении напряжений па сдвиг увеличивается с уменьшением размера нахлестки. В то ш время средние' значения tU с уменьшением размера нахлестки возрастают.

Для соединений с нахлесткой 5 мм способ пайки световым лучом припоем ПМ-72 способствует повышению на 20% прочности па растяжение, по сравнении с пайкой ТВЧ. В случае использования припоя Ш'-ОО этот показатель повышается на Эй.

Для соединений с нахлесткой 1 мм среднестатистические значения прочности на сдвиг Еыае на 23% для припоя ПМ-72 и на 7% для припоя ПМ-50. чем у соединений с нахлесткой 5 км, а по предельным значениям прочности на растяжение не уступают однотипным соединениям, паянным ТВЧ. Таким образом." способ пайки световым лучом даст луч;ше результаты по показателя т^, чем способ пайки ТВЧ. При ■этом наибольшее различие получено в случае применения, припоя ПМ-72.

Проведенные нами систематические исследования структуры и механических свойств паяных соединений различных металлов, выполненных световым лучом, создают предпосылку рекомендовать его для производства ответственных изделий. К таким изделиям можно отнести различные узлы, например, лопатки горячего тракта газотурбинных' двигателей (ГТД), которые изготовляют из жаропрочных никелевых сшивов путем точного литья. Известно, что способ точного литья обеспечивает очень низкий уровень выхода годной продукции из-за образования поверхностных пор и усадочных раковин, поэтому ремонт этих дефектов является весьма актуальной задачей. Так как литейные дисперсиоиио-твердсюеде никелевые сплавы обладают неудовлетворительной свариваемостью, наиболее перспективны;.! способом ремонта является высокотемпературная вакуумная пайка.

Технологический процесс пайки в вакууме с общим нагревом позволяет получить качественные соединения с высокими свойствами (0.7...о.8 прочности паяемых материалов). Однако такой метод пайки энергоемкий, требует нзгревз до высокой температуры всей лопатки. Пайка с общим нагревом монет приводить к ухудшению плот-

ности жаростойких ■ покрытий, иногда ¡с существенному изменении структуры, охрупчиванию и снижению эксплуатационных- характеристик. Во избежание вышесказанного, предпочтение отдают папке с местным нагревом, например, используя дуговой разряд в вакууме полым катодом. Однако такой способ не является оптимальным среди источников для локального нагрева из-за недостатков: опасность образования трещин из-за ограничения свободного перемещения металла под действием термического цикла; низкой производительностью процесса из-за неудовлетворительной долговечности полых термозмиссионных катодов: ограничения применения процесса дуговой пайки с'неподвижным пятном нагрева из-за небольшого рамера пятна нагрева.

На основе анализа существующих способов пайки в вакууме для исправления дефектов лапаток ГТД и результатов проведенных нами исследований соединений, паянных световым лучом, установлено, что световой луч приемлем для исправления дефектов лопаток ГДТ.

Варной задачей является выбор припоев для пайки литейных дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов.

Анализируя литературные данные, можно сделать вызод, что в большинстве случаев для пайки жаропрочных никелевых сплавов применяются припои систем Ш-Сг-В. 1И-Сг-31, Ш-Ст-В-Б!. Ш-Сг-Р. Н1-РЬ-Сг-Б1. М1-Мп-Сг-51. Наилучшей растекаемостью по поверхности жаропрочных никелевых сплавов обладают припои с бором. Однако негативное влияние бора на основной материал вследствие образования хрупких боридов в диффузионной зоне паяного шва. низкая прочность паяных соединений при широких паяльных зазорах очень часто делают нежелательным применение борсодержащих припоев для пайки конструкций. подверженных динамическим нагрузкам. Более перспективно использовать в качестве депрессантов такие элементы, как титан, цирконий, гафний. Известно, что припои, содержащие эти элементы, хорошо смачивают и растекаются по подложкам из жаропрочных никелевых сплавов. Среди новых систем припоев можно отличить сплавы системы И-Сг-Иг, разработанные в ИЭС им. Ё. 0. Патона. Припои этой системы не охрупчивают основной материал, а в д ухфазных паяных швах микротвердость эвтектики находится ¡га уровне микротвердости основного материала. При этом обеспечивается высокий уровень прочностных характеристик паяных соединений.

Таким образом, припои системы !)1-Сг-гг можно применять для ремонта литых деталей из жаропрочных дисперсионно-тзердеющих сплавов.

Составы припоев системы М1-Сг-гг могут изменяться в широких концентрационных пределах. При этом нужно соблюдать ограничение температурно-временных параметров пайки. Однако к настоящему времени сведения о температуре ' ликвидус трехкомпокентных и более сложных сплавов практически отсутствуют. В данном случае практический интерес представляет использование компьютерного прогнозирования поверхностей ликвидус трехкомпонентных сплавов системы Ш-Сг-2г.

Из анализа литературных данных следует, что более предпочтительным в построении диаграмм состояния является применение метода симплексных решеток, который относится к безградиентным методам поиска оптимума.

С целью определения точности метода симплексных решеток при построении поверхностей ликвидус нами проведена компьютерная проработка трехкомпонентных диаграмм состояния металлических систем с различным типом взаимодействия. В результате установлено, что необходимая точность расчетов поверхности ликвидус тройной систе-■ мы обеспечивается с помощью полинома' соответствующей степени вида . в зависимости от того, каким образом взаимодействуют компоненты припоев.

Для системы с неограниченной растворимостью и плавными изменениями .линий ликвидуса высокая точность расчетов обеспечивается полиномами второй степени. Для системы с эвтектическим взаимодействием - полиномом неполной или полной третьей степени.

Для описания поверхности ликвидус трехкомпонентной с несколькими эвтектиками и химическими соединениями, требуется полином четвертой степени:

У - Э1х1 ♦ (52х2 ♦ ¡53х3 ♦ + (^х. + р23х,х3 +

+ гх1 х£ -V/ ^13х1х3(х1-х3) + Кгзх2х3(х2-х3) ^

+ 51гх.х2<хГхг> + 5.зх,у ХГ:У + §2зхгхз{х2~-У + + Р,12эх14*3 + Р122зх.хг хз + ^гз&Х*** ■ <4)

Адекватность модели следует проверять в каждой контрольной точке при использования критерия ь (критерия Стьюдента):

Если модель оказывается неадекватной, то следует перейти к приближению более высоких степеней путем достройки симплексной решетки.

Такой метод для расчета поверхности лякзидус сплапов fll-Cr-Zr нами применен в программе QuattroPro 4.0. с помощью которой удалось определить коэффициенты полинома, то есть оптимизировать их с учетам минимума суммы квадратов отклонений в задаваемых точках.

Йолученная расчетным путем поверхность (рис. 2) подтверждает данные о температуре ликвидус в этой области концентрации, полученные опытным путем.

о 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 б 7 с 0.81010.2

2r at'/.

Рис. 2. Поверхность ликвидус никелевого угла системы Nl-Cr-Zr.

Таким образом, с помощью компьютерного расчета можно прогнозировать поверхность ликвидус сплавов тройной системы Н1-Сг-гг с удовлетворительной точностью при правильном выборе формы полинома. На основании анализа литературных данных и результатов компьютерного прогнозирования поверхности ликвидуса системы Ш-Сг-Иг в никелевом углу выбрали оптимальную концентрацию циркония.

В экспериментах использовался композиционный припой - смесь основного материала ЧС88 с 13% циркония. Для сравнения аналогичные эксперименты были проведены с припоем БПр-42 системы Н1-Сг-В-31.

Металлографические исследования и микрорентгеноспектральный анализ показывает., что структура металла шва соединений, выполненных припоем с цирконием, представляет собой матрицу, на фоне которой выделяются темные игольчатые дендриты и дисперсно по всему щву распределяются эвтектические выделения.

Матрица является твердым раствором хрома (18-19%), кобальта (13%), вольфрама (16.0%), титана; (4%) и других легирующих элементов в никеле. Темные игольчатые дендриты являются фазами на основе 111-Сг-Со с повышенным содержанием титана (7%), молибдена (2%) и алюминия (3%). Эвтектики характеризуются повышенным содержанием .циркония (до 22%) и никеля (до 69.9%), и пониженным содержанием хрома (4-6%), вольфрама (0.7-1.5%) и молибдена (0.5-0.7%).

Металл шва, паянного припоем 'ВПр-42, представляет собой твердый раствор, содержащий дендриты и белые выделения эфтектиче-ского происхождения, - причем более выражена эрозия основного металла. чем в случае применения припоя с цирконием. Твердый раствор характерен повышенным содержанием кремния (11%), титана (5%),. пониженным вольфрама (1.7%), хрома (6%). Белые выделения являются боридами никеля, .вольфрама (16%), хрома (16%). кобальта (1255). Темные дендриты содержат 56% -N1. 13.7% Со, 14.2% Сг, 3.4% А1, 6% V/ и др.

Таким образом,- припой системы 111-Сг-2г обеспечивает более-благоприятные литые структуры соединений при пайке световым лучом. чем.припои системы Н1-Сг-В-31.

В связи■ с тем. что лопатки ГТД после литья, как правило. ■, подвергаются высокотемпературному отжигу, в этом случае представляет интерес исследование структурных особенностей.паяных соединений после заданного цикла термообработки.•

В микроструктуре соединения паянного припоем ВПр-42 наЗлзла-втся серив равноосные зерна твердого раствора, по граница:: зорен и на линии сплавления с основным сплавом присутствует те.мпие включения коагулированной эвтектической Фазы. Термообработка приводит к перераспределению борз в структурных составляющих. Чан-высшее содержание бора отмечается в серых эвтектических пузах (6.4%), а в остальных фазах имеется одинаковое содержание бора (3-4%). Появление боридов хрома в основном металле свидетельствует 'о интенсивной диффузии бора из паяного сва в основной металл. По сравнению с литой структурой зерна твердого раствора паяного шва обедняются кремнием из-за его перехода в эвтектические Фазы.

Таблица 2.

Распределение кихротгердсстл' а отд^лпых зояах сос^-.иешд литейного никелевого сплава.

Состояние структуры ( --------------------- 1 1 Тип 1 припоя 1 1 .............. ....................................................... Исследованные участки

1 основной | материал | » 1 диффузионная 1 паяный зона | шов 1

Литая • структура 1 1 1 БПр-42 1 1 1 1 • "322 | 1 » 1 350 | 405 345... 351 1-, 351... 446 1

1 I 1 1 1 320 | 308

!Н1-Сг-2г{ 322 | —--| -

I I | 310...325 | 270...333

1.1 I 400 . ] 582

1 ВПр-42 | 257 | --| --

Структура | •{ I 397... 411 I 525... 657

после тер- I-г*-1-— г—-

МООбрабОТКИ | . '1 1 305 ¡1 4.05

|111-Сг-2г| - .357 | -— >1 •---

| I 297... 322 390... 421 _:_I_1_:_!_!_!_

О соединениях. паянных припоем с цирконием, наблюдаются зерна твердого раствора, на Сюке которых распределяются два вида, включении. Одни из них имеют эвтектическую структуру, другие -присутствуют как отдельные округлые включения. Эвтектика характеризуется высоким содержанием циркония (2-1.5%). В белых округлых включениях - высокое содержание хрома (до 26.8»), иольфрака> (25,9а) и молибдена (13.9%) и Минимальное никеля (2G.3").

Вяшо отметить, что при пайке припоем с цирконием мпкротвер-дссть паяного вса близка к таковой для основного металла, а микротвердость ¡эта. полученного припоем с б^ром. заметно ьыпо. Это. создает опасность концентрации напряжений и, как следствие, появления трещин (табл. 2). .

Па основе проведенных исследований нами разработана технологи;! ремонтной пайки поверхностных дефектов лопаток из сплава,ЧС8Э ГТД с использованием светового луча в качестве источника нагре&а и припоя системы Nl-Cr-Zr.

Пайка осуществлялась светозкм лучом на установке УРАВ-i. eptr вертикальном расположении оптической оси радиационного излучателя и плрем.чс-шы пучка сверху-вниз. Зону нагрева р-зегго-

ллгали ь центр» пятна диаметром 60 м*<.

После лайки лопатки подвергали контролю внешним ocnotpo:? и цветной дефектйскояой. Установлено, что разработанная-технология обеспечивает, получение высокого качества ремонта лопаток.

: . енгцик выводы.

1 v

t.Разработаны научно-обоснованные рекомендации езотолучовой пайки различны;-: материалов и сплавов. Важным преимуществом этого способа является то, что свотолучевой нагрев - бесконтактный и мох'от бить осуществлен па воздухе, в инертной среде п в вакууме.

Установлено, что нагрев световым лучом не изменяет, как пра- • вило, ('„азовиа состав паяных iübob различных металлических материалов, оказывая влияние на объпмпу» долю f-аз. их дисперсность и характер распределения в структуре.

2. Установлено, что в случае нахлесточных соединений стали 12X1 Ш'ЮТ способ пайки световым лучом припоем систеш Cu-Cn, способствует повгасеии» в 2 раза долговечности в малоцикловой области усталости, но сравнению с однотипными соединениями, паянными ТВЧ.

' Показано, что прочность на растяжение нахлесточных соединений тонколистовой стали 12Х18Н10Т, паянных припоями систем Си-Мп. . Си-гп. Н1-Нп, зависит от способа нагрева и величины нахлестки. При пайке световым лучом прочность на сдвиг увеличивается на 20% для припоя системы Си-Мп и на 9% для припоя системы Си-2п. по сравнению с пайкой ТВЧ. Прочность на сдвиг увеличивается с уменьшением размера .нахлестки, однако нижняя граница для 90% вероятности рассеивания прочности не зависит от размера нахлестки.

'3. Установлено, что прочность паяных световым лучом стыковых соединений меди на 15%, медно-латунных на 26% выше, чем однотипных соединений., паянных газовым пламенем. Прочность стыковых соединений алюминия составляет 0.9 предела прочности основного металла и не уступает однотипным соединениям, паянным ТВЧ.

4. При оценке прочности на растяжение тонколистовых нахлесточных соединений обоснована необходимость учета угла отгибания кромок соединяемых металлов при разрушении. Предложены формулы для определения значений составляющей напряжений на сдвиг.

5. На основании анализа существующих способов пайки для ремонта лопаток газотурбинных двигателей установлено, что предпочтительным способом является пайка с использованием локального кагрева. Высокие показатели работоспособности соединений, паянных световым лучом, и возможность подвода лучистой энергии к нагреваемым изделиям -через оптически прозрачную оболочку определяет перспективность этого метода.

6. Богатые никелем сплавы системы М1-Сг-Иг перспективны для пайки высоколегированных никелевых сплавов. Однако эта система изучена недостаточно. На основе симплекс-метода проведено компьютерное прогнозирование поверхности ликвидус сшивов системы. т.-Сг-21\ а также более детально - части поверхности в области никелевого угла.

7. -Ксдледованы структурные особенности паянных соединений литейного никелевого сплава, выполненных припоем ВПр-42 и композиционным припоем с цирконием. Установлено, что припой с цирконием обеспечивает более низкую, чем борсодержащие к^ипои. микротвердость шва, близкую к основному металлу. Это снижает опасность образования трещин.

8. На основе проведенного комплекса исследований разработаны основы технологии- бысокотемпературной пайки в вакууме поверх-

костных дефектов лопаток турбин с использованием светового луча г припоя системы îli-Cr-Zr.

Основное содержание диссертации опубликовано в следу::;:>нх работах.

1. Сварка и папка различных материалов с использованием светового луча дуговых ксеноновц;: ламп (обзор литературы) / В. О. Хоруноэ, Шань Цзиго // Автомат, сварка.- 1995.- H 5.- С. 48-52.

2. Сопротивление усталости паяных и сварных нахлесточных соединений тонколистовой стали 1CX18H10T / В. Ф. Хорунов. В. А. Шо-нин, C.B. Максимова. Шань Цзиго // Автомат. сварка.-1995.- II 7.-C.- 18-20. .

3. Прочность паяных нахлесточных соединений тонколистойоЯ стали 12Х18Н10Т при статическом и циклическом нагрунешш / Шань Цзиго, В. А. ¡Нонин, В. Ф. Хорунов. С. В. Максимова // Автомат. ■ сварка.-193(3,- H 3,- С. 18-21. '

4. В. Ф. Хорунов, В. А. Шотш. С. В. Максимова, Шань Цзиго. Влияние конструктивно-технологического исполнения на работоспособность паяных нахлесточных соединений // Сварные конструкущш: Тез. докл. международной конф. (Киев, 18-22 сентября 1995 г.) -Киев, 1995.- С. 37-33.

ЛИЧНЫЙ ЕКЛАД АВТОРА. BED проведен анализ современного сос-, тояния применения светового'луча в области сварки н пайки. В [2, 4Г описана технология пайки нергасеюцей стали, исследовано-влияние параметров процесса пайки и -конструктивных Факторов на прочность соединений. В [3] исследовано влияние способов, пайки на ' структуру ¡г ¡.¡оханнчс-скуе свойства паяных соединений нержавеющей стели.

АН0ТАЦ1Я.

Шань Цз1го. "Структура та властивост1 паяних з'еднань, одер-каних з використанням св1тлопроменевого нагр1вання". Рукопис. Ди-сертац!я на здобуття вченого ступеню кандидата техн!чиих наук за спец1альн1стю 05.03.06 "Технолог1я та устаткуваннл для зварювання та спор1днених процес1в". 1нститут електрозварювання 1м. е. 0. Па-Тона НАН Укра1ни. K1IB. 1996 р.

' Систематично досл1даен1 характеристики м1цност1 нахлестних Та стикових з'еднань короз1йност1йко! стал!. м1д1, латун1, алюм1-filD. одержаких з використанням припо!в систем Cu-Mn, Cu-Zn. Hl-Hn. Cu-P, Al-Sl. Проведено сп1вставлення Ix з результатами, одержанный при використанн! традиц1йних метод1в нагр1вання. Зд1йснене компьютерне прогнозування поверхн1 л1кв1дусу системи ! Kl-Cr-Zr. Видан1 рекомендацП з використання розроОок.

Ключов! слова: паяння, св1тловий луч, св1тлопроменеве нагр1-вання. нахлесточн1 з'еднання, м1цн1сть, стомлюван1сть, прип1й.

ABSTRACT.

Shan Jlguo. "Structure and properties of brazed Joints produced with the use of light beam heating". Manuscript, plssertation for the degree of Candidate of Sciences (Engineering) 'in speciality 05.03.08 "Technology and Equipment for Welding and Allied Processes". E.' 0. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine. Kyiv. 1996. ...

The strength properties of overlap and butt Joints of corrosion-resistant steel, cooper, brass, and aluminium, produced, pslng-the Cu-Mn, Cu-Zn. Nl-Mn. Cu-P. Al-Sl system braze alloys Jiave been studied in a systematic manner. They were compared with the results, generated when the traditional heating methods were applied. Computer prediction of the liquidus surface of the Ni-Cr-Zr system has been carried out. Recommendations on the application of the developments have been Issued.

Keywords: brazing, light beam, light beam heativig. overlap Joints, strength, fatigue, braze alloy.