CC BY
145
УДК 621.762:669.24
Е.Н. Каблов, А.Г. Евгенов, В.С. Рыльников, А.Н. Афанасьев-Ходыкин
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ ПРИПОЕВ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОЙ ВАКУУМНОЙ ПАЙКИ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ АТОМИЗАЦИИ РАСПЛАВА
Исследованы порошки припоев марок ВПр24, ВПр36, ВПр44 и ВПр50 для вакуумной диффузионной пайки гранулометрическим составом менее 40 мкм, изготовленные методом атомизации расплава на установке HERMIGA10/100VI. Показано, что полученные при распылении холодным и горячим газом мелкодисперсные порошки имеют низкое содержание кислорода, хорошую смачиваемость и растекаемость в исследованном диапазоне гранулометрического состава, а также обеспечивают высокие прочностные характеристики паяных соединений на уровне 0,8-0,9 от основного металла.
E-mail: admin@viam.ru
Ключевые слова: атомайзер, атомизация, аморфизация, диффузионная пайка, припой, гранулы, порошки, распыление, гранулометрический состав.
Во ФГУП «ВИАМ» разработана целая гамма припоев для высокотемпературной вакуумной диффузионной пайки жаропрочных (в том числе нового поколения) сплавов и коррозионно-стойких сталей: ВПр24, ВПр27, ВПр36, ВПр37, ВПр42, ВПр44, ВПр50 и др. Припои находят применение при пайке знаковых отверстий лопаток, блоков сопловых лопаток, дефлекторов, сотовых уплотнительных и пористо-волокнистых истираемых материалов. В СССР припои для вакуумной пайки производили методом газоструйного распыления, так как применение метода распыления вращающегося электрода было невозможно ввиду низкой технологичности материала: отдельные марки припоев содержат суммарно до 10 % кремния и бора [1]. Порошки отличались достаточно высоким качеством, однако большой разброс (50...400 мкм) в ряде случаев создавал проблемы с точностью дозировки припоя. Альтернативный процесс - получение порошков размолом аморфных лент (фрагментов) является исключительно трудоемким и, следовательно, дорогостоящим. Отличительная особенность обоих способов - невозможность использования тонкой (менее 40 мкм) фракции из-за высокого газонасыщения или наволакивания мелющего инструмента.
ФГУП «ВИАМ» в 2010 г. ввел в эксплуатацию современный атомайзер последнего поколения HERMIGA10/100VI фирмы PSI (Великобритания). Основной рабочий диапазон установки 10.100 мкм,
она предназначена для серийного производства порошков припоев для высокотемпературной пайки. Сама технология атомизации отличается от классического газоструйного распыления повышенным соотношением газ/расход металла. Так в отечественных газоструйных машинах диаметр металлопровода для слива металла составлял 4.. .8 мм при давлении расплыления 4.. .10 бар [2]. При распылении в атомайзере НЕКМЮЛ10/100У1 разливка металла осуществляется через подогреваемую керамическую трубку диаметром 1.2 мм при давлении распыления 30.70 бар. Такие параметры позволяют получать средний размер гранул (параметр ё50) для припоев на никелевой основе, равный 45.35 мкм. Благодаря наличию системы подогрева газа за счет увеличения начальной скорости на выходе из форсунки до 2 МАХ средний размер частиц достигает 17.25 мкм. Получение годных порошков такого гранулометрического состава открывает широкие перспективы для производства готовых полуфабрикатов: припоев в виде самоклеющихся лент на органическом связующем. Изготовленные методом атомизации порошки отличаются высокой однородностью гранулометрического состава, а присутствие дисперсных частиц размером 30.10 мкм обеспечивает высокую плотность упаковки и за счет этого уменьшение количества органического связующего. Кроме того, возможно производство особо тонких (до 200 мкм) лент из любых, даже не аморфизируемых марок припоев. Такие ленты в дальнейшем смогут заменить аморфные ленты припоев.
Данная работа посвящена исследованию свойств и структуры наиболее дисперсных порошков припоев на никелевой основе.
Методика проведения исследований. В качестве объекта исследования приняты порошки припоев на никелевой основе марок ВПр24, ВПр36, ВПр44, ВПр50, предназначенные для пайки жаропрочных сплавов типа «нихром» (ВПр24), монокристаллических и НК - жаропрочных сплавов (ВПр36, ВПр44), коррозионно-стойких сталей (ВПр50).
Порошки изготовляли распылением в атомайзере НЕКМЮЛ10/100У1, оснащенном индукционным плавильным блоком с донным сливом. Шихтовую заготовку для распыления выплавляли в вакуумной плавильной установке УППФ-3М с использованием специальной разливочной оснастки, обеспечивающей получение электродов диаметром 20 и 30 мм; перед загрузкой поверхность подвергали пескоструйной обработке. Шихтовую заготовку загружали в керамический тигель вертикально слоями, плавку начинали при остаточном давлении в камерах не выше 5-10 мм рт. ст., по расплавлении шихты камеры установки наполняли аргоном до атмосферного давления. После создания в плавильной камере избыточного давления осуществляли слив металла через подогреваемую ведущую трубку с наконечни-
ком диаметром 1 и 2 мм. Распыление струи металла вели холодным и подогретым до 450 °С газом с использованием соответствующих сменных форсунок.
Гранулометрический состав полученных порошков определяли с помощью виброгрохота Analizzette 3 Spartan (Германия) с комплектом сит 25.200 мкм и штатного газодинамического сепаратора (классификатора) установки HERMIGA10/100VI, имеющего рабочий диапазон 1.75 мкм при производительности до 50 кг/ч. Первичную калибровку классификатора проводили на оптическом металлографическом комплексе AxioImager A1 фирмы Carl Zeiss при увеличениях х(100-200) со съемкой изображений цифровой камерой (3 мегапиксела) и обработкой изображений в программе Vestra.
Микроструктуру поверхности и поперечных срезов гранул припоев исследовали с помощью растрового электронного микроскопа JSM-840. Растекаемость и смачиваемость припоев оценивали по ГОСТ 20486-75. Газовый анализ проводили без дополнительной обработки полученных порошков. Кратковременную прочность (св, 8) оценивали на паяных образцах при комнатной и повышенной (975 °С для припоя ВПр24, 1000 °С для припоя ВПр36, 1100 °С для припоя ВПр44) температурах: для припоя ВПр50 - на плоских образцах из стали 12Х18Н10Т при нахлесточном соединении, для припоев ВПр24, ВПр36 и ВПр44 - на круглых образцах из сплавов ЖС6У, ЖС26МОНО и ЖС36МОНО соответственно, паяных встык. Для пайки использовали порошок припоя гранулометрическим составом менее 40 мкм, который наносили в виде самоклеющихся лент на органическом связующем, изготовленных по технологии ФГУП «ВИАМ».
Результаты исследований и их обсуждение. Исследование гранулометрического состава и микроструктуры порошков припоев, полученных методом атомизации. Гранулометрический состав, помимо параметров атомизации (давления распыления, избыточного давления над зеркалом расплава, температуры расплава), во многом определяется химическим составом распыляемых материалов: жид-котекучестью и вязкостью расплава (влияет на расход металла) и его поверхностным натяжением. Для припоев с высоким содержанием аморфизаторов характерно получение более тонких порошков по сравнению с высокотемператуными припоями типа ВПр44. При распылении холодным газом на установке HERMIGA10/100VI средний диаметр (d50) частиц для припоя ВПр24 составляет 42.30 мкм, а для припоя ВПр44 - 65.50 мкм. Размер d50 для припоя ВПр24 при распылении горячим газом достигает 18 и даже 13 мкм с минимальным расходом металла при атомизации. Для высокотемпературных припоев (ВПр36, ВПр44) получить средний диаметр частиц менее
33 мкм не удалось, что обусловлено склонностью данных материалов к образованию сателлитов.
Фракционный состав порошка припоя в зависимости от режима распыления приведен на рис. 1, на котором видно, что основная фракция при распылении холодным газом составляет 63.20 мкм. При переходе на распыление горячим газом уменьшение среднего диаметра частиц происходит главным образом за счет фракции 20.10 мкм (ее содержание увеличивается с 21,5 до 35,3 %) при пропорциональных изменениях по остальным фракциям. Процент пылевой фракции (менее 10 мкм) при распылении горячим газом увеличивается незначительно (см. рис. 1).
Гранулы припоев ВПр36 и ВПр44 имеют выраженное дендритное строение (рис. 2, а) практически во всем диапазоне гранулометрического состава. В соответствии с данными работы [3] по величине дендритного параметра скорость охлаждения при кристаллизации для гранул размером 100.50 мкм можно оценить как 105 °С/с, для более тонких частиц, очевидно, скорость охлаждения достигается значительно выше. Гранулы размером менее 6.4 мкм находятся в аморфном состоянии.
Рис. 1. Средний фракционный состав порошков припоя ВПр24 при распылении холодным (а) и горячим (б) газом
Рис. 2. Микроструктура гранул припоев ВПр36 (а), ВПр50 (б), ВПр24, распыление холодным (в) и горячим (г) газом
Для припоев ВПр24 и ВПр50 с высоким содержанием элементов-аморфизаторов (кремния и бора) зачатки дендритного строения наблюдаются на гранулах размером более 40...25 мкм. Более тонкие гранулы полностью или частично аморфизированы, имеют форму практически идеальной сферы (рис. 2, б). Для гранул этих сплавов характерно малое количество сателлитов, что, вероятно, обусловлено высокой температурой стеклования данных сплавов [АМ] и, как следствие, меньшим временем затвердевания гранул по сравнению с гранулами трудноаморфизируемых припоев ВПр36 и ВПр44. Количество дефектных гранул (сателлитов, скрапин и т.п.) растет с увеличением размеров частиц.
Распыление горячим (~450 °С) газом приводит, помимо уменьшения среднего размера частиц, к снижению количества дефектных гранул (рис. 2, в) в сопоставлении с распылением холодным газом (рис. 2, г), что связано, очевидно, с большей начальной скоростью газового потока на выходе из форсунки (до 2 МАХ) и большим диаметром образующегося факела распыляемого металла; это определяет низкую вероятность соударения гранул во время затвердевания (на вылете), являющегося основной причиной возникновения дефектных
гранул при атомизации. Существенных различий в структуре поверхности между гранулами, распыленными холодным и горячим газом, не отмечено: максимальный диаметр аморфизированных частиц, чистота поверхности, дендритный параметр крупных гранул остаются без изменений.
Содержание кислорода и азота в порошках исследованных припоев практически не зависит от режимов распыления и определяется в основном химическим составом припоев. Отмечена тенденция к незначительному (на 0,001-0,002 %) росту содержания кислорода при распылении горячим газом. Содержание азота несколько выше (до 0,005 %) для высокохромистых припоев, что объясняется его большим количеством в исходной шихтовой заготовке.
Исследование влияния фракционного состава на содержание кислорода (рис. 3) в порошках, проведенное на примере припоя ВПр24, показало, что в диапазоне 100.. .20 мкм оно изменяется незначительно (от 0,004 % для фракции 100.80 до 0,006 % для фракции 40.20 мкм). Для фракции 20.0 мкм содержание кислорода составляет 0,013 %, однако следует понимать, что в данном случае речь идет не столько о растворенном в металле, а о адсорбированном поверхностью частиц порошка кислороде. Для определения истинного содержания кислорода в тонких порошках необходимо разработать специальную методику проведения газового анализа, которая бы позволила разделить кислород, содержащийся в окислах, от газа, адсорбированного поверхностью гранул. В целом надо отметить, что даже на таких тонких порошках результаты подтверждают весьма низкое содержание кислорода, что обусловлено получением наиболее тонких частиц порошка в полностью или частично аморфизированном виде и слабым развитием поверхности в условиях сверхбыстрой кристаллизации.
Рис. 3. Содержание кислорода в порошках припоя ВПр24 в зависимости от фракционного состава при распылении холодным и горячим газом
Исследование технологических характеристик порошков припоев и испытания механических свойств паяных соединений. Исследование основных технологических характеристик припоев (смачиваемости и растекаемости) проводили применительно к тонким (менее 40 мкм) порошкам, полученным методом атомизации. Предварительно порошки разделяли на фракции 40.20, 20.10 и менее 10 мкм; для сравнения также исследовали порошок фракции 40.0 мкм без разделения. Параллельно оценивали смачиваемость и растекаемость на фракции 200.100 мкм.
Для фракций 40.20, 20.10 мкм растекаемость и смачиваемость не отличается от показателей для фракции 200.100 мкм. На поверхности припоев не обнаружено шлаков и несплавленных гранул.
Гранулы размером 10.0 мкм для припоев ВПр24, ВПр36, ВПр50 при стандартных температурных режимах спекаются, но не сплавляются. Для обеспечения сплавления температуру пайки пришлось увеличить на 10.15 °С для припоев ВПр36, ВПр50 и на 20 °С - для припоя ВПр24, после чего была достигнута хорошая растекаемость и смачиваемость припоев, соответствующая указанным параметрам для фракции 200.100 мкм. Различие в сплавлении гранул тонких фракций обусловлено развитой поверхностью и протекающими в вакууме процессами ее самоочистки, т. е. расконсервации под тонкой окисной пленкой основного материала за счет начала испарения элементов-депрессантов, скорость которого определяется в первую очередь химическим составом и температурой плавления припоев. Так, для высокотемпературного припоя ВПр44 удовлетворительные рас-текаемость и смачиваемость для фракции 10.0 мкм обеспечиваются уже при стандартном температурном режиме пайки.
Наличие дисперсных (менее 10 мкм) частиц во фракции 40.0 мкм не оказывает какого-либо влияния на характеристики смачиваемости и растекаемости, так как они равномерно распределены в объеме вместе с более крупными гранулами, которые инициируют процесс сплавления частиц в процессе нагрева.
Полученные данные имеют важное значение: применение тонких порошков, традиционно считавшихся непригодными к пайке, открывает новые возможности для упрощения нанесения припоев и повышения точности их дозировки. Дисперсные гранулы обеспечивают высокую плотность упаковки порошков и полноту заполнения зазоров. Для наиболее перспективного в серийном производстве полуфабриката припоя в виде самоклеющихся лент на органическом связующем применение дисперсных (менее 40 мкм) порошков позволит получать особо тонкие ленты толщиной до 200 мкм, производство которых на существующих порошках невозможно ввиду малой прочности органического связующего. Такие ленты в дальнейшем заменят
припои в виде аморфных металлических лент, закрепление которых (контактной сваркой) часто связано с опасностью сквозного прожога тонких паяемых конструкций. Также важным аспектом является изготовление лент на органической основе любых марок припоев, в том числе и неаморфизируемых, с низкой температурой стеклования, тогда как в настоящее время аморфные ленты удается получать в основном из высококремнистых низкотемпературных припоев.
Исследование механических свойств паяных соединений (пайка проводилась порошками припоев ВПр24, ВПр50, ВПр36 и ВПр44 гранулометрическим составом менее 40 мкм) показало полное соответствие их пайке более крупными фракциями порошков. Для припоев ВПр24 и ВПр36 предел кратковременной прочности паяного соединения составил соответственно 0,84 и 0,90 от основного металла при температурах испытания 975 °С для припоя ВПр24 и 1000 °С для припоя ВПр36 при стыковом соединении. Для припоя ВПр44 также характерен высокий уровень кратковременной прочности: 0,81 от основного материала при температуре испытаний 1100 °С. Паяное соединение, выполненное припоем ВПр50 при нахлесточном соединении, выдержало испытания при температурах 400, 650 и 800 °С без разрушения (разрушение по основному материалу на всех образцах, рис. 4).
Выводы. Показано, что метод атомизации расплава позволяет получать пригодные для пайки порошки припоев гранулометрическим составом менее 40 мкм при распылении холодным и горячим газом, содержание кислорода в которых не превышает 0,018 % даже для частиц размером менее 10 мкм.
Рис. 4. Внешний вид образцов из стали 12Х18Н10Т, паяных припоем ВПр50, после испытания при 400, 650 и 800 °С
Распыление подогретым до 450 °С газом способствует значительному измельчению порошков и снижает количество дефектных гранул по сравнению с распылением холодным газом. Уменьшение среднего размера частиц при переходе на распыление горячим газом происходит главным образом за счет увеличения числа гранул фракции 20..10 мкм, а количество пылевой фракции (менее 10 мкм) растет незначительно.
Смачиваемость и растекаемость для частиц порошков припоев ВПр24, ВПр50 и ВПр36 размером 40.10 мкм не отличается от данных показателей более крупных гранул. Для сплавления гранул размером менее 10 мкм требуется увеличение температуры пайки на 10.20 °С, что связано с различным протеканием процессов расконсервации тонкой окисной пленки на поверхности частиц в зависимости от химического состава и температуры пайки разных припоев. Наличие в порошке припоя фракции 40.0 мкм частиц размером менее 10 мкм не оказывает влияния на смачиваемость и растекаемость припоев.
Паяные соединения, выполненные с применением порошков гранулометрическим составом менее 40 мкм, имеют высокий уровень кратковременной прочности при повышенных температурах, соответствующий 0,8-0,9 от основного материала.
Мелкодисперсные порошки гранулометрическим составом менее 40 мкм, полученные на установке НЕКМЮА10/100У1, могут быть рекомендованы для пайки ответственных деталей при использовании как в виде порошка, так и в виде лент на органической связке, изготовленных по технологии ФГУП «ВИАМ».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Особенности производства жаропрочных порошковых припоев / П.С. Анучин, А.И. Щербаков, В.А. Калицев и др. // Металлургия гранул: Сб. статей. Вып. 1. ВИЛС, 1983. С. 154-159.
2. Аношкин Н. Ф., Ходкин В. И., Рытов Н. Н. Разработка и внедрение технологии производства гранул высокотемпературных припоев методом струйного распыления для пайки деталей из никелевых сплавов // Металлургия гранул: Сб. статей. Вып. 1. ВИЛС, 1983. С.127-134.
3. Добаткин В. И. Роль кинетических и термодинамических факторов при кристаллизации гранул // Металлургия гранул: Сб. статей. Вып. 1. ВИЛС, 1983. С. 23-33.
4. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимимото К. Аморфные металлы. М.: Металлургия, 1987.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
