» » Новые направления применения пайки с использованием быстрозакаленных припоев
18.01.2016

Перспективы развития термоядерной энергетики в значительной степени определяются созданием материалов многослойной первой стенки разрядной камеры и дивертора термоядерного реактора, непосредственно контактирующих с плазмой, а также технологии их надежного соединения с теплоотводящей панелью и элементами опорной силовой конструкции. Воздействие поверхностного термического удара и термоциклирование определяют, в частности, способы решения проблемы присоединения бериллиевой облицовки к теплоотводящей панели.
Применение обычной пайки сопровождается образованием на границе соединения бериллия с подложкой из медного сплава интерметаллидного слоя, толщина которого существенно влияет на долговечность соединения.
Применение новой технологии быстрой пайки бериллия (при высоких скоростях нагрева) с использованием высокотемпературных быстрозакаленных припоев позволяет получить надежное соединение, характеризующееся минимальной толщиной интерметаллидного слоя или его отсутствием и рекордными показателями работоспособности паяных соединений при термоциклических испытаниях.
Калиброванные по толщине ленты высокотемпературных быстрозакаленных аморфных или микрокристаллических припоев CTEMET характеризуются однородным химическим и фазовым составом. Отличительной особенностью быстрозакаленных припоев является сравнительно узкий температурный интервал плавления, высокая диффузионная подвижность атомов и малое время пайки.
Эти особенности обеспечивают высокую способность заполнения припоем капиллярных зазоров между соединяемыми материалами, отсутствие дефектов паяного шва (пор, трещин), экономию припоя и аккуратный внешний вид соединения.
Смачиваемость расплавленным припоем поверхности соединяемых деталей достигается введением в состав припоя таких активных элементов, как Mn, Ti, Zr, Nb и др.
Применение быстрозакаленных припоев вместо припоев на основе серебра при пайке изделий электротехнической промышленности экономически эффективно, обеспечивает более однородное распределение элементов (рис. 18.3), что способствует повышению прочности и надежности соединений.
Новые направления применения пайки с использованием быстрозакаленных припоев

Пайкой с использованием высокотемпературных быстрозакаленных припоев получены соединения таких разнородных материалов, как медь — графит, молибден — графит, ванадий — бериллий, жаропрочные стали — бериллий и др.
Повышение качества пайки с применением быстрозакаленных припоев CTEMET осуществляется благодаря:
— микролегированию припоя с целью повышения прочности и улучшения литейных свойств;
— совершенствованию метода выплавки слитков, используемых для получения лент быстрозакаленных припоев;
— применению термовременной обработки расплава перед осуществлением быстрой закалки расплава;
— тщательному контролю динамических параметров процесса высокоскоростного охлаждения расплава при получении припоя.
Основные требования к быстрозакаленным припоям, применяемым для пайки фрагментов первой стеки и дивертора экспериментального термоядерного реактора:
— способность смачивать поверхность паяемых материалов;
— выбор припоя и соединяемых материалов с учетом факторов внешнего воздействия;
— обеспечение необходимой прочности и теплового контакта;
— хорошая текучесть при температуре пайки.
Исследования микроструктуры, изменения состава в зоне паяного соединения, его прочности показали перспективность применения пайки быстрозакаленными припоями для изготовления элементов первой стенки и дивертора термоядерного реактора ИТЕР.
Применение быстрозакаленного микрокристаллического припоя CTEMET 1108 для пайки элементов (шашек) бериллия с медью обеспечивает формирование в области соединения зоны взаимодействия без образования интерметаллидных выделений, пор, трещин.
Высокая физико-химическая активность быстрозакаленных припоев позволяет проводить быструю пайку (~1 мин), благодаря чему существенно уменьшается отрицательное воздействие термического цикла пайки на механические, коррозионные и другие свойства соединяемых материалов.
Технология быстрой пайки с использованием быстрозакаленного микрокристаллического припоя CTEMET 1108 в виде ленты толщиной 50 мкм заключается в быстром электронно-лучевом нагреве до температуры 780 °С со скоростью — 160—180 К/мин, скорость охлаждения составляет — 20 К/мин (рис. 18.4). Время пайки при этом существенно меньше, чем при традиционном нагреве в печи сопротивления.
Новые направления применения пайки с использованием быстрозакаленных припоев

Для сравнения был применен традиционный метод пайки (нагрев в печи сопротивления) с использованием в качестве припоя пластинки из медленно охлажденного слитка сплава CTEMET 1108. Паяный шов в этом случае характеризуется большой шириной (420 мкм). Вблизи шла в бериллии формируется тонкий пористый слой (~10 мкм), образование которого сказано с проявлением эффекта Киркендалла. Соединение имеет невысокую прочность (22 МПа), разрушение происходит по шву.
Технология быстрой пайки с высокоскоростным нагревом и использованием тонкой ленты быстрозакаленного припоя CTEMET 1108 позволила значительно уменьшить ширину зоны паяного соединения (до 20—30 мкм), подавить образование массивных выделений интерметаллидной фазы, устранить формирование тонкого слоя пор. Прочность соединения при испытании на растяжение составляет 125 МПа, при этом разрушение происходит по объему бериллия.
Сравнительные исследования структуры паяных соединений, полученных с использованием припоев CTEMET 1101, CTEMET 1108, CTEMET 1301 в быстрозакаленном и литом (при невысокой скорости охлаждения слитка) состояниях и условиях одинакового режима пайки и толщины прослойки припоя (50 мкм), показали снижение содержания интерметаллидов и других хрупких фаз к соединениях бериллия, сплавов мели и нержавеющей стали, полученных пайкой быстрозакаленным припоем.
В области паяною шва соединения бериллий — медный сплав, выполненного припоем из медленно охлажденного слитка, наблюдается значительное повышение микротвердости, обусловленное образованием бериллидов мели, тогда как при использовании быстрозакаленного припоя оно отсутствует. Ударная вязкость соединений, выполненных с использованием быстрозакаленных припоев, значительно более высокая.
Аналогичные результаты по снижению (вплоть до полного устранения) образования интерметаллидных выделений были получены при сравнительной пайке титана припоями CTEMET 1202, CTEMET 1409 в быстрозакаленном аморфном и обычном литом состояниях.
В табл. 18 6 приведены характеристики быстрозакаленного припоя CTEMET 1108 в сопоставлении со свойствами сплава такого же состава, полученного традиционным методом выплавки с гораздо более низкими скоростями охлаждения расплава, а в табл. 18.7 — условия пайки припоями CTEMET.
Новые направления применения пайки с использованием быстрозакаленных припоев

Установлено смешение интервала плавления быстрозакаленных припоев в сторону меньших температур по сравнению с припоями того же состава, полученными выплавкой с невысокими скоростями охлаждения, что свидетельствует об изменении состояния расплава и существенном влиянии на него аморфизирующих добавок.
Различный характер влияния высокоскоростного охлаждения расплава на температуру начала плавления высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов и быстрозакаленных припоев связан с принципиально различным выбором систем легирования.
Новые направления применения пайки с использованием быстрозакаленных припоев

В качестве быстрозакаленных высокотемпературных припоев применяют сплавы систем с глубокой многокомпонентной эвтектикой, т.е. тех, в которых имеют место минимальные температуры плавления эвтектики при максимальных температурах плавления образующих ее компонентов, что способствует аморфизации быстрозакаленных припоев. В то же время легирующий комплекс жаропрочных никелевых сплавов выбирают с целью максимально возможного повышения температуры образования (γ+γ)-эвтектики.
От состояния расплавленного припоя, его физических и химических свойств существенным образом зависит структура паяных соединений.
Расплавы, полученные при плавлении лент быстрозакаленных аморфных и микрокристаллических припоев и слитков сплавом тою же состава, скорость охлаждения которых при кристаллизации была невысокой, весьма существенно различаются по свойствам.
Таким образом, в расплаве, полученном из медленно охлажденного слитка, наличие устойчивых атомных ассоциатов (кластеров), обусловливающих снижение вязкости но сравнению с расплавом из быстрозакаленных лент, очевидно, затрудняет диффузию атомов припоя в основной металл.
В связи с этим для быстрозакаленных припоев характерна более высокая диффузионная и реакционная способность, чем для припоев, полученных из медленно охлажденного слитка.