[1]Изобретение относится к области машиностроения, а именно к высокотемпературным припоям на основе титана, которое может найти применение при изготовлении паяных деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД).
[2]Создание «чистого» газотурбинного двигателя (ГТД) с малым уровнем эмиссии оксидов азота и углерода, а также низким удельным расходом топлива является чрезвычайно важной экологической задачей. Для решения данной задачи необходимо повышение температуры газа в ГТД и соответственно применение материалов с повышенной рабочей температурой. Современные никелевые жаропрочные сплавы (НЖС) для литья монокристаллических лопаток ГТД достигли предельных рабочих температур 1100-1150°С, что составляет 80-85% от их температуры плавления. Поэтому был разработан новый жаропрочный сплав на основе интерметаллида ниобия с естественно композиционной структурой. Его рабочая температура может достигать 1350°С, что существенно может поднять КПД двигателя в целом. Однако для его широкого применения необходима разработка припоя для пайки бондажных полок неохлаждаемых лопаток и пайки заглушек знаковых отверстий рабочих лопаток с внутренней системой охлаждения. Также перспективно применение технологии высокотемпературной пайки для устранения некоторых литейных дефектов отливок лопаток и пайки износостойких материалов на торцы рабочих лопаток. При этом припой должен обеспечивать стойкость к окислению при температуре 1350°С, сопоставимую со стойкостью к окислению сплава, и иметь температуру полного расплавления не выше 1500°С для исключения оплавления микроструктуры сплава при пайке. Припои на основе ниобия имеют температуру плавления выше 1600°С, что делает невозможным их применения для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия. Использование никелевых припоев для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия также не представляется возможным из-за значительного эрозионного повреждения сплава при пайке. Применение бинарных припоев типа Pd-Ni также не перспективно, т.к. припои данного класса не могут обеспечить достаточный уровень стойкости к окислению. Наиболее перспективны для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия припои на основе интерметаллидов титана ввиду металлургической совместимости основы припоя и сплава. Припой на основе интерметаллидов титана также может найти свое применение при пайке высокожаропрочных интерметаллидных титановых сплавов и тугоплавких сплавов на основе таких металлов как Mo, W, Та.
[3]Известен припой на основе титана (патент РФ 2235008, опубл. 27.08.2004), имеющий следующий химический состав в мас.%:
[4]| Цирконий | 19,0-26,0 |
| Никель | 11,0-18,0 |
| Медь | 13,0-20,0 |
| Гафний | 0,1-0,3 |
| Титан | Остальное |
[5]Недостатком этого припоя являются низкая температура плавления (820-840°С), что делает невозможным его работоспособность при температуре 1350°С.
[6]Известен сплав на основе интерметаллида титана (Патент РФ 2405849, опубл. 10.12.2010), имеющий следующий химический состав в мас.%:
[7]| Алюминий | 10,5-12,5 |
| Ниобий | 38,0-42,0 |
| Цирконий | 1,5-2,5 |
| Молибден | 0,3-0,6 |
| Вольфрам | 0,5-1,0 |
| Кремний | 0,1-0,25 |
| Углерод | 0,03-0,08 |
| Тантал | 0,7-1,5 |
| Титан | Остальное |
[8]Недостатком этого сплава являются невысокая стойкость к окислению при температурах свыше 700°С.
[9]Известен сплав на основе интерметаллида титана (патент РФ 2396366, опубл. 10.08.2010), имеющий следующий химический состав в мас.%:
[10]| Алюминий | 5,0-7,5 |
| Цирконий | 3,0-5,0 |
| Вольфрам | 5,0-7,5 |
| Гафний | 0,005-0,2 |
| Титан | Остальное |
[11]Недостатком этого припоя являются невысокая стойкость к окислению при температурах свыше 780°С.
[12]Известен припой на основе титана для пайки сплава на основе ниобия с температурой плавления не ниже 1350°С, содержащий алюминий, хром, титан, тантал, ниобий, гафний бор и кремний (ЕР 2343150 А2, В23K 35/28, опубл. 13.07.2011).
[13]Недостатками данного припоя являются невозможность формирования качественного паяного соединения с малой величиной сборочных зазоров (менее 100 мкм) и невысокая жаропрочность паяных соединений, полученных при температуре пайки ниже 1500°С. В качестве легкоплавкой композиции с температурой плавления ниже 1500°С предлагается применение композиций, представляющие собой бинарные сплавы Ti-Si, Si-Cr, Ti-Cr, Hf-Cr соответственно (примеры №№12, 13, 14, 16).
[14]Данные композиции не могут обеспечить высоких значений жаропрочности и жаростойкости паяных соединений вблизи выходной галтели.
[15]Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (патент РФ №2517096, опубл. 17.05.2013 г.), является припой на основе титана-циркония следующего состава, в мас.%:
[16]| Алюминий | 0,5-1,5 |
| Цирконий | 45,0-50,0 |
| Бериллий | 2,5-4,5 |
| Титан | Остальное |
[17]Недостатком припоя, известного из прототипа, является его невысокий уровень жаростойкости, низкая температура плавления и высокая эрозионная активность по отношению к сплаву на основе интерметаллида ниобия.
[18]Техническая задача заявленного изобретения состояла в повышении стойкости к окислению припоя при температуре 1350°С, обеспечении температуры полного расплавления не ниже 1350°С и обеспечении величины эрозионной активности по отношению сплаву на основе интерметаллида ниобия не более 50 мкм.
[19]Техническим результатом настоящего изобретения является разработка состава припоя для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия с температурой плавления не ниже 1350°С, обеспечивающего привес при температуре 1350°С, не выше чем у сплава на основе интерметаллида ниобия и величину эрозионной активности по отношению сплаву на основе интерметаллида ниобия не более 50 мкм при температуре 1500°С.
[20]Поставленный технический результат достигается тем, что предложен припой на основе титана для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия с температурой плавления не ниже 1350°С, содержащий алюминий, гафний, молибден, кремний и хром, при следующем соотношении компонентов в мас.%:
[21]| Алюминий | 18,0-25,0 |
| Молибден | 1,0-10,0 |
| Кремний | 3,0-6,0 |
| Хром | 10,0-15,0 |
| Гафний | 1,0-5,0 |
| Титан | Остальное |
[22]Предпочтительно, содержание алюминия составляет от 35 до 45% от содержания титана.
[23]Предпочтительно, содержание хрома составляет от 20 до 28% от содержания титана.
[24]Предпочтительно, содержание кремния составляет от 8,0 до 9,5% от содержания титана.
[25]Дополнительно припой может содержать бор в количестве 0,1-3%.
[26]Увеличение содержания алюминия, а также введение кремния в заявленных количествах обеспечивает значительное повышение стойкости к окислению при повышенных температурах за счет образования интерметаллидов Ti5Si3 Ti3Si, TiAl. Также с целью повышения стойкости к окислению в состав припоя введен хром, повышающий плотность окисной пленки, образующейся в процессе окисления. Введение хрома в количестве менее 10% не позволит обеспечить высокую стойкость окисной пленки, а введение свыше 15% хрома приведет к росту температуры плавления припоя свыше 1500°С. Исключение из состава бериллия и циркония, а также введение молибдена и гафния повышает температуру полного расплавления припоя и соответственно рабочую температуру паяного соединения на 30-50°С. Также повышение содержания алюминия и введение молибдена и гафния способствует снижению эрозионной активности припоя по отношению к сплаву на основе интерметаллида ниобия с 200-300 до 17-22 мкм. Также для повышения стойкости к окислению в состав припоя может быть дополнительно введен бор, способствующей упрочнению пленки сложного оксида на поверхности припоя в процессе работы.
[27]Примеры осуществления
[28]Приведенный состав припоя предназначен для пайки сплава на основе интерметаллида ниобия, имеющего следующий средний состав: Nb - 54%, Ti - 8,2%, Hf - 10,3%, Cr - 2,4%, Al - 1,3%, Si - 5,8%, Zr - 5,2%, Mo - 10,8%, Y - 2%. Сплав на основе интерметаллида ниобия предназначен для изготовления лопаток газотурбинных двигателей с повышенной рабочей температурой (до 1350°С). При этом он обладает невысокой температурой плавления, облегчающей получение монокристаллических отливок.
[29]Выплавка предлагаемого припоя и припоя, известного из прототипа производилась в вакуумной дуговой печи гарнисажного типа. Для выплавки слитков использовался медный кристаллизатор с углублением в виде усеченного конуса диаметром от 20 до 35 мм и высотой 30 мм. Масса каждого слитка составила 80 г. После выплавки слитки подвергались обточке на токарном станке для снятия литейной корки.
[30]Для оценки стойкости окислению методом электроэрозионной резки проволокой были вырезаны цилиндры диаметром 5 мм и высотой 10 мм. Исследуемые образцы были подвергнуты нагреву на воздухе при температуре 1350°С в течение 2 часов. Стойкость к окислению оценивалась по относительному привесу образцов до и после нагрева на воздухе (отношению изменения массы образцов к начальной массе образцов).
[31]Для определения температур полного расплавления из слитков предлагаемого припоя и прототипа методом электроэрозионной резки проволокой были вырезаны пластины 2×2×1 мм. Определение температур полного расплавления припоев производилось на дифференциальном сканирующем калориметре DSC 404 F-1.
[32]Для определения величины эрозионной активности припоя по отношению к сплаву на основе интерметаллида ниобия методом электроэрозионной резки проволокой были вырезаны пластины 2×2×1 мм. А из слитка сплава на основе ниобия - пластины 15×15×2 мм. Образцы предлагаемого припоя и припоя прототипа были помещены в центре пластин сплава на основе ниобия и подвергнуты нагреву в вакуумной печи сопротивления при температуре 1500°С при давлении остаточных газов 1·10-5 мм рт.ст. Выдержка при температуре 1500°С при этом составила 5 мин. После охлаждения образцы были разрезаны электроэрозионной резкой проволокой в плоскости перпендикулярной плоскости пластины и проходящей через центр пластины (место укладки образцов припоя). Из полученной половинки образца был изготовлен микрошлиф и исследован на металлографическом микроскопе Olympus GX51. При этом оценивалась глубина слоя сплава на основе интерметаллида ниобия, растворенная припоем в месте его укладки.
[33]Химический состав и свойства припоев приведены в таблице 1.
[34]
[35]
[36]По данным таблицы 1 видно, что предлагаемый припой:
[37]- имеет температуру плавления не ниже 1400°С;
[38]- обеспечивает относительный привес (2,3-3,9%) при температуре 1350°С в 3 раза ниже чем у сплава на основе интерметаллида ниобия (12,3%) и более чем в 22 раза по сравнению с припоем прототипом (90,0%);
[39]- обладает величиной эрозионной активности 17-22 мкм при температуре 1500°С, что более чем в 15 раз меньше чем у припоя прототипа (350 мкм).
[40]Применение предлагаемого припоя при пайке таких деталей горячего тракта ГТД как бондажных полок неохлаждаемых лопаток и заглушек знаковых отверстий рабочих лопаток с внутренней системой охлаждения, изготовленных из сплава на основе ниобий кремний, позволит существенно расширить сферу применения сплава на основе интерметаллида ниобия и обеспечить значительный экономический эффект от увеличения КПД ГТД.
