Введение

К современным газотурбинным двигателям (ГТД) для военной и специальной техники предъявляются повышенные требования по удельным эксплуатационным характеристикам, таким как тяга, расход топлива и т. д. Перспективные направления повышения удельных характеристик ГТД – снижение массы деталей и повышение рабочей температуры двигателя. Для этих целей наиболее подходит деформируемый титановый сплав марки ВТ20 системы Ti–Al–Мо–V, принадлежащий к категории однофазных псевдо-α-сплавов.

Титановый сплав ВТ20 системы Ti–Al–Zr–Mo–V обладает высокой прочностью и жаропрочностью благодаря содержанию в составе алюминия. Этот сплав обладает также хорошей пластичностью при обработке давлением и может поставляться в различных формах – включая поковки, штамповки, прутки, плиты и листы. В связи с этим сплав ВТ20 – востребованный материал для производства сварных колец, компонентов турбин, компрессоров и других элементов воздушных и космических двигателей, работающих в условиях высоких температур и давлений [1–5]. Поэтому процесс соединения титановых компонентов (особенно с помощью пайки при температуре ниже температуры α↔β-превращения) имеет первостепенное значение. Такой подход обеспечивает сохранение исходной микроструктуры сплава и свойств основного материала. Низкотемпературная пайка, необходимая для тонкостенных аэрокосмических конструкций и теплообменников, снижает риск чрезмерного образования интерметаллидных соединений на границе соединения. Однако сродство титана к кислороду создает значительные трудности в достижении качественного соединения основных материалов друг с другом, что требует принятия защитных мер против окисления при температурах >650 °C.

Два основных типа припоев – сложнолегированные на основе систем Ti–Cu–Ni и Ti–Zr–Cu–Ni, а также припои на основе серебра, позволяют подобрать основу под требуемые свойства конечного изделия. Так, в работе [6] показано, что цирконий, входящий в состав припоя, оказывает значительное влияние на характеристики пайки – например, температуру, смачиваемость и прочность. Авторами исследовано различное содержание циркония в составе припоя и установлено, что его небольшое содержание приводит к ухудшению смачиваемости припоя, а высокое содержание – к снижению прочности из-за образования хрупких интерметаллидных соединений (Ti₂Cu, Ti₂Ni, TiNi₃ и Zr₂Cu), которые являются нежелательной фазой, снижающей прочность соединения. Определили, что содержание циркония ~18 % (по массе) позволило достичь требуемой прочности при сохранении высокой смачиваемости и необходимой температуры плавления припоя.

Сложнолегированные припои выделяются высокой прочностью при повышенных температурах, что делает их предпочтительными в условиях интенсивных нагрузок, в то время как припои на основе серебра обеспечивают отличную смачиваемость и растекаемость.

Сложнолегированные припои на основе титана обеспечивают высокую жаростойкость и коррозионную стойкость паяных соединений на уровне соединяемых материалов. Припои на основе серебра имеют значительно более низкую жаростойкость паяных соединений и рабочую температуру паяных соединений <400 °С [7, 8]. Паяные соединения титановых сплавов, выполненные серебряными припоями, имеют невысокую коррозионную стойкость, особенно при воздействии ионов хлора.

При разработке и оптимизации режимов пайки особое внимание уделяют выбору последующей гомогенизационной термической обработки (ГТО), поскольку она имеет существенное значение для формирования конечной микроструктуры неразъемного соединения и определяет его механические свойства и долговечность изделия при эксплуатации. Эта стадия позволяет достичь равномерного распределения элементов сплава в зоне соединения, улучшая его прочностные характеристики и устойчивость к коррозии за счет происходящих диффузионных процессов на границе раздела «припой–основной материал». Согласно проведенным в работах [9–12] исследованиям, длительность процесса диффузионной пайки с использованием эвтектики систем Ті–Ni или Сu–Ті существенно зависит от толщины прослойки жидкого припоя. Этот фактор может существенно варьироваться и оказывает прямое влияние на качество и прочность паяного соединения. Например, при оптимальной температуре пайки время, необходимое для образования качественного соединения, может колебаться от нескольких минут (при условии, что толщина слоя припоя составляет всего несколько микрометров) до нескольких часов, когда толщина прослойки увеличивается до сотен микрометров. Это обусловлено тем, что при увеличении толщины слоя припоя увеличивается время, необходимое для диффузии элементов припоя в соединяемые материалы, что требует более длительного воздействия для достижения равномерного распределения этих элементов в зоне соединения. Подбор оптимальной толщины прослойки припоя и соответствующих режимов термической обработки имеет важное значение при формировании микроструктуры соединения, влияет на механические свойства, а также на общую надежность и долговечность изделия.

Однако подбор режима пайки для разных конструкций может занимать продолжительное время, поскольку ширина сборочного зазора может варьироваться в зависимости от допусков при изготовлении конструкции или качества сборки, поэтому возможность подбирать режим пайки под изготавливаемый сборочный зазор существенно упростит задачу при создании новых конструкций.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 10.9. «Припои и технологии высокотемпературной диффузионной пайки с компьютерным управлением технологическими параметрами для формирования оптимальной структуры паяного соединения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [13].

Материалы и методы

Для исследования в качестве основного материала выбран сплав ВТ20, в качестве припоя – припой системы Ti–Zr–Cu–Ni марки ВПр16 с рекомендуемой температурой пайки от 930 до 960 °С и выдержкой при заданной температуре.

С целью оценки влияния режимов ГТО на динамику изменения микроструктуры паяного шва и для более глубокого понимания процессов, происходящих во время пайки, изготовили клиновые образцы с переменным зазором. Это позволило осуществить детальное изучение изменений в структуре паяного шва в зависимости от зазора между соединяемыми элементами. С применением оптического микроскопа (с возможностью увеличения от ×50 до ×500) проведена тщательная оценка величины зазора, при которой наблюдаются ключевые изменения в структуре паяного соединения.

Проведены также исследования с использованием растровой электронной микроскопии, позволившие выявить особенности формирования различных фаз в паяном шве, а также детально исследовать микроструктуру. Применение метода микрорентгеноспектрального анализа, позволило определить изменение содержания основных химических элементов, таких как титан (Ti), цирконий (Zr), алюминий (Al), никель (Ni) и медь (Cu), в составе отдельных фаз и участков микроструктуры паяных соединений, а также в диффузионной зоне основного материала – сплава ВТ20.

Результаты и обсуждение

Анализ паяных образцов из сплава ВТ20 с применением припоя ВПр16 после пайки и с последующим применением ГТО выявил идентичные места перехода от одного типа наблюдаемой микроструктуры к другому. Различие наблюдалось только в ширине сборочного зазора между основным материалом. К таким зонам относятся: начало появления в паяном шве ячеистой структуры при кристаллизации, возникновение эвтектической прослойки припоя ВПр16 и явное развитие направленных дендритных форм роста (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктуры паяного образца из сплава ВТ20 с припоем ВПр16 после пайки:
а – проявление ячеистой кристаллизации; б – возникновение эвтектической прослойки; в – развитие дендритных форм роста

Построение панорамных снимков паяных клиновых образцов из сплава ВТ20 с припоем ВПр16 позволило измерить ширину наблюдаемого зазора в местах изменения микроструктуры паяного шва (рис. 2).

Рис. 2. Панорамный снимок паяного образца из сплава ВТ20 с припоем ВПр16, выполненного по режиму 2

Полученные измерения точек перехода микроструктуры в паяном шве представлены в таблице. Первый образец исследовали без применения ГТО, остальные образцы упорядочены в соответствии с увеличением продолжительности проведения последующей ГТО при температуре на 50 °С ниже температуры пайки, длительностью от 30 до 360 мин.

Для выявления закономерностей и построения уравнений линейной регрессии выбраны средние значения в полученных измерениях ширины зазора. Полученные уравнения ширины паяного шва (Y, мкм) при изменении микроструктуры в паяном шве в зависимости от продолжительности выдержки при ГТО (t, мин) принимают следующий вид:

– уравнение расчета предельной ширины зазора – до проявления ячеистой структуры припоя (Y₁) – от продолжительности ГТО:

Y₁ = 0,64t + 141,67;

– уравнение появления эвтектической структуры в паяном шве (Y₂) – от продолжительности ГТО:

Y₂ = 0,84t + 176,03;

– уравнение начала развития дендритных форм роста эвтектических структур в паяном шве (Y₃) – от продолжительности ГТО:

Y₃ = 1,78t + 241,86.

Основные точки перехода микроструктуры паяного образца из сплава ВТ20

при разной гомогенизационной термической обработке (ГТО)

Достоверность аппроксимации для полученных уравнений R² > 0,95, что позволяет сделать вывод об их надежности, а также о продолжительности выдержки при ГТО. Так, наиболее распространенная величина зазора при сборке изделий под пайку составляет от 50 до 150 мкм, в редких случаях превышает 200 мкм. Исходя из проведенных измерений, моменту появления эвтектических структур, способных привести к резкому разупрочнению соединяемых материалов при величине зазора, близкой к 200 мкм, соответствует продолжительности выдержки по режиму 2.

Исследование динамики формирования основных фаз в паяном шве проводили на образце, изготовленном по режиму 2 (рис. 3).

При величине сборочного зазора от 0 до 188–191 мкм происходит изотермическая кристаллизация, в результате которой во всем объеме паяного шва формируется однородная структура твердого раствора без явных границ в центральной части и на стыках кристаллов (рис. 3, а). Тонкая прослойка жидкого припоя и обширная контактная поверхность с паяемым металлом способствуют глубокому взаимодействию с соединяемыми материалами. Содержание алюминия в паяном шве варьируется от 2,73 в центре до 6,22 % (по массе) на границе с основным материалом. Содержание меди и циркония равномерно распределено, но с увеличением к краям шва содержание меняется. Никель, проникающий из основного материала, образует локальные зоны с концентрацией от 1,5 до 2,5 % (по массе) вблизи основного материала.

По мере увеличения зазора (при ширине зазора от 191 до 240 мкм) происходит дробление зерен и наблюдается начало формирования ячеистой структуры на границе с основным материалом (рис. 3, б). Алюминий равномерно распределен и его присутствие наблюдается по всему паяному шву при содержании от 2,53 (преимущественно в центре паяного шва) до 7,67 % (по массе) на границе с основным материалом. Элементы, входящие в состав припоя, такие как медь – от 3,31 до 14,32 % (по массе), распределились по всему паяному шву, в то время как цирконий при содержании от 5,88 до 9,76 % (по массе) располагается преимущественно в центре паяного шва, а по границам с основным материалом его содержание практически минимально. Никель также локально формирует зоны с содержанием от 2,76 до 5,2 % (по массе).

Рис. 3. Динамика формирования паяного шва при гомогенизационной термической обработке по режиму 3: а – структура твердого раствора, не имеющая границ в центре шва; б – начало формирования ячеистой структуры на границе с основным материалом; в – появление эвтектической прослойки; г – структура с эвтектикой

При увеличении зазора до 242 мкм в центральной части шва начинает формироваться эвтектическая прослойка, четко проявляющаяся при величине зазора 255 мкм. Химический анализ показывает, что элементы припоя формируют пики в центре шва, что соответствует ширине эвтектической прослойки. Это расширение, пропорциональное увеличению зазора до 380 мкм, приводит к образованию хрупкой структуры, что негативно влияет на прочностные характеристики соединения.

В зоне паяного шва изменение величины зазора оказывает влияние на диффузионную зону основного материала сплава ВТ20. Наиболее характерно это отражается на содержании меди и циркония, входящих в состав припоя. При большой величине зазора первой в диффузионной зоне наблюдается медь – от 0,35 до 0,45 % (по массе), в зоне с началом появления эвтектики ее содержание незначительно увеличивается – с 0,45 до 0,55 % (по массе). При малой величине сборочного зазора, когда твердый раствор не имеет границы в центре шва и границ стыка кристаллов, содержание меди составляет от 0,9 до 1,1 % (по массе), точечно наблюдается цирконий – от 0,6 до 0,7 % (по массе). Подобное изменение в составе основного материала сплава ВТ20 должно незначительно сказываться на прочностных свойствах основного материала при протекании диффузионного взаимодействия.

В процессе формирования микроструктуры паяного соединения особого внимания заслуживает зона между припоем и основным материалом. Именно в этой области – при взаимодействии расплавленного припоя с твердым раствором основного материала – формируется прослойка, состоящая из титана, алюминия и меди (Ti–Al–Cu) [14–27]. Обнаружено, что содержание алюминия и меди в этой прослойке составляет ~4,8 % (по массе), при этом толщина прослойки остается стабильной в диапазоне 35–45 мкм независимо от увеличения зазора между соединяемыми элементами. Появление подобной прослойки свидетельствует о важности контроля зазора и распределения компонентов припоя для формирования оптимальных физико-механических свойств соединения.

Заключения

В данном исследовании идентифицированы основные зоны изменения микроструктуры: начало формирования ячеистой структуры в процессе кристаллизации, появление эвтектической прослойки припоя ВПр16 и развитие направленных дендритных форм роста.

Для анализа изменений микроструктуры построены панорамные снимки паяных клиновых образцов из сплава ВТ20 с припоем ВПр16, что позволило точно измерить ширину зазора в местах изменения микроструктуры. Изучение динамики формирования фаз в паяном соединении показало, что с увеличением ширины зазора наблюдается изменение распределения химических элементов, входящих в состав припоя и основного материала.

Установлено, что наиболее значимым в микроструктуре паяного шва является отсутствие явных границ зерен, что указывает на эффективное протекание диффузионных процессов, способствующих улучшению связи между припоем и основным материалом. Следует подчеркнуть важность тщательного подбора режимов ГТО, особенно в контексте оптимизации продолжительности выдержки, для достижения идеального баланса между прочностью и устойчивостью паяного соединения к деформациям. Последующее сравнение прочности паяных соединений позволит дать численную оценку при сравнении образцов с микроструктурой твердого раствора и микроструктурой, при которой начинает формироваться ячеистая структура на границе с основным материалом.

Исходя из проведенного анализа, можно утверждать, что формирование паяного соединения с оптимальной микроструктурой требует не только выбора соответствующего состава припоя, но и точного соблюдения технологических параметров пайки и последующей термообработки. Разработанное уравнение для расчета оптимальной продолжительности выдержки при ГТО, ограничивающей начало формирования ячеистой структуры припоя, открывает новые возможности для улучшения качества и надежности паяных соединений титановых сплавов, что особенно актуально для изделий авиационной и космической отраслей.