Вакуумная пайка разнородных материалов на примере соединения интерметаллида TiAl с никелевым жаропрочным сплавом

Вступление

Вакуумная пайка является сейчас основным методом создания неразъёмных соединений разнородных высокотемпературных материалов. Актуальность таких соединений обусловлена задачами аэрокосмической промышленности, где сочетание лёгкости (обеспечиваемой TiAl) и высокой жаропрочности (характерной для Ni-сплавов) позволяет значительно снизить массу конструкций при сохранении их работоспособности в экстремальных условиях.

Представьте деталь, которая должна быть одновременно легкой, как авиационный титан, и жаропрочной, как лопатка турбины реактивного двигателя. Создать такой "гибрид" — одна из сложнейших задач современных материаловедов. Сварка тут не пойдёт, а вот вакуумная пайка — позволяет соединить несовместимые материалы.

Примечание: Статья является адаптированным и структурированным изложением основных аспектов технологии, взятых из оригинальных и проверенных материалов. Текст адаптирован для общего ознакомления с технологией и не содержит доказательную и подробную описательную часть.

Цель публикации: Дать специалисту начальное понимание технологии на базе конкретного Российского оборудования с акцентом на критически важных нюансах работы с российскими материалами (сплавы типа ЭП648 и ВТИ) и предоставить чёткие практические выводы.

Если предоставленной информации вам недостаточно - внизу имеется библиографический список использованных материалов для самостоятельного изучения.

Российские аналоги изучаемых сплавов

GH536

Обозначение КНР. Его прямой международный аналог — это сплав Hastelloy X (США) или NiCr22Fe18Mo (Европа, Werkstoff Nr. 2.4665). Относится к классу никелевых сплавов, упрочняемых твердым раствором

Наиболее близким по назначению и принципу упрочнения российским аналогом является жаропрочный никелевый сплав ЭП648. Однако существует важный нюанс: сплавы под этой маркой могут иметь различный химический состав в зависимости от модификации и технических условий (ТУ).

• Классическая (базовая) композиция ЭП648 (часто встречающаяся в литературе как ХН60ВТ): Ni — основа, Cr (~ 20-23%), Fe (~ 17-20%), Mo (~ 8-10%). Этот состав действительно близок к GH536/Hastelloy X.
• Современная высоколегированная модификация ЭП648-ВИ (ХН50ВМТЮБ-ВИ): Согласно ТУ, содержит Cr 32-35%, Mo 2.3-3.3%, W 4.3-5.3%, Al, Ti и другие элементы, при этом железа (Fe) — не более 4%. Этот состав существенно отличается от GH536.

Назначение: Независимо от модификации, сплавы типа ЭП648, как и GH536, используются для изготовления лопаток газовых турбин, камер сгорания, теплообменников и других высокотемпературных узлов.

Технологическое следствие для пайки: При переносе технологии, отработанной для GH536, на российский сплав необходимо в первую очередь учитывать конкретный химический состав выбранной марки ЭП648.

• Если состав близок к базовому (Cr ~20-23%, Fe ~18%), параметры пайки могут потребовать лишь незначительной корректировки.
• Если используется высоколегированная модификация (например, ЭП648-ВИ с Cr 32-35% и W), процесс потребует существенной адаптации. Высокое содержание хрома формирует более стойкие поверхностные оксиды, а наличие вольфрама и отсутствие большого количества железа приведут к формированию иной микроструктуры шва. Оптимальные параметры (1170°C, 10 мин, охлаждение 10 °C/мин) в этом случае являются лишь отправной точкой для технологических экспериментов.

Сплавы типа Ti-Al-Nb

ВТИ-0, ВТИ-1, ВТИ-4, ВТИ-6

Не совсем чистый γ-TiAl, а сплавы на основе Ti₂AlNb, которые также относятся к интерметаллидным титановым сплавам. Они обладают лучшей пластичностью и технологичностью, чем классические γ-TiAl, но рабочая температура у них несколько ниже (до 650-750°C против 750-900°C у продвинутых γ-TiAl).

ВТИ-сплавы — это основной (хоть и не совсем прямой) российский ответ на задачу создания жаропрочных титановых интерметаллидов.

Таблица 1. Таблица аналогов

*Сплавы на основе γ-TiAl — это общее название класса, а не конкретная российская марка.

Главная проблема - существенная различие физико-химических свойств материалов:

• Высокая химическая активность титана и никеля, приводящая к образованию хрупких интерметаллических фаз (Ti-Ni) на границе соединения.
• Значительная разница в коэффициентах теплового расширения, что провоцирует возникновение термических напряжений и трещин при охлаждении.

Стратегической целью на дальнейшее развитие является разработка технологии и присадочного материала, которые обеспечат подавление роста хрупких фаз и формирование качественного переходного слоя с приемлемыми механическими свойствами.

Оборудование

Вакуумная печь с контролируемым охлаждением и подачей инертного газа.

Камера:

Двухстенная камера с внешним водоохлаждаемым кожухом с внутренними многослойными тепловыми экранами из молибденовой или танталовой фольги (если нагрев графитовый) или из нержавеющей стали (для более низкотемпературных режимов).

Вакуумная система:

Предельный вакуум: 1.33×10⁻² Па (~1×10⁻⁴ мбар или ~10⁻⁴ торр). Уровень высокого вакуума, необходимый для предотвращения окисления титана, алюминия, циркония и других активных элементов при высоких температурах.

Состав вакуумной системы: Форвакуумный насос (пластинчато-роторный), Высоковакуумный насос, датчики, уплотнения.

Система газоподачи

Система подачи инертного газа до давления выше атмосферного.

Пример промышленного решения: вакуумная печь СНВС-3.3/15-И6

Для практической реализации описанного процесса пайки TiAl/GH536 требуется оборудование, гарантирующее точное соблюдение параметров: высокий вакуум, стабильность температуры до 1170°C и контролируемую скорость охлаждения в заданном диапазоне (например, 10 °C/мин в интервале 1170–870°C).

В качестве технически соответствующего примера можно рассмотреть промышленную вакуумную печь СНВС-3.3/15-И6.

Таблица 2. Соответствие характеристик печи требованиям процесса

Система подачи газа и контроля давления — отдельная тема для печей с контролируемым охлаждением. Здесь много нюансов. Требующих огромного опыта изготовителя. Начиная от диапазонов измерения и поведения вакуумных датчиков в условиях быстро изменяющихся параметров, до специальной, адаптированной именно под такие условия системы управления.

Представленная для сравнения модель, это готовая и адаптированная под рассматриваемую технологию промышленная вакуумная печь, обеспечивающая выполнение столь требовательных процессов, как вакуумная пайка разнородных жаропрочных сплавов.

Технология процесса

На основе исследования можно выделить следующую поэтапную технологию вакуумной пайки соединения TiAl/GH536.

1.Подготовка материалов и припоя:

Основные материалы: TiAl (химический состав: Al ~43.7 at.%, Ti — основа) и никелевый сплав GH536 (Ni — основа, Cr ~25.7 at.%, Fe ~18.5 at.%).

Присадочный материал: Разработанный аморфный (металлическое стекло) припой сложного состава Ti-23.5Zr-19Cu-14Ni-3Co-2Mo-0.5B (мас.%). Его преимущества:

• Аморфность обеспечивает однородность химического состава и предсказуемое растекание.
• Zr повышает жидкотекучесть и способствует подавлению образования хрупких интерметаллидов Ti-Ni.
• Cu и Ni снижают температуру плавления.
• Co и Mo легируют шов, улучшая его жаропрочность и коррозионную стойкость.
• B является модификатором структуры и плавкопонижающим элементом.

Роль каждого элемента:

• Ti, Zr: Основы припоя. Zr — ключевой элемент: повышает жидкотекучесть, подавляет активное взаимодействие Ti с Ni, снижая количество Ti-Ni интерметаллидов.
• Cu, Ni: Плавкопонижающие элементы. Обеспечивают приемлемую температуру пайки (1170°C).
• Co, Mo: Легирующие элементы для шва. Повышают жаропрочность, стойкость к ползучести и коррозии готового соединения. Распределяются в образующихся фазах, способствуя их упрочнению.
• B (Бор): Вводится в малых количествах, как типичный для подобных припоев элемент, способствующий снижению температуры плавления и формированию аморфной структуры фольги.

Форма: Фольга толщиной 40 мкм

Подготовка поверхностей: Поверхности образцов шлифуются до чистоты 800 grit, обезжириваются в ультразвуковой ванне с абсолютным этанолом.

Таблица 3. Сводная резюмирующая таблица по материалам и припоям

2.Параметры процесса пайки:

Термический цикл:

• Нагрев до 200°C со скоростью 10 °C/мин (вероятно, для удаления остатков связующих и выравнивания температуры).
• Нагрев до температуры пайки 1170 °C со скоростью 20 °C/мин.
• Выдержка при 1170 °C в течение 10 минут для обеспечения полного проплавления припоя, диффузии и формирования межфазных слоёв.
• Контролируемое охлаждение — основная стадия. Образцы охлаждаются до 870 °C с различными скоростями (печное охлаждение ~12.5 °C/мин, 10, 7.5, 5 °C/мин), после чего следует охлаждение в печи до комнатной температуры.

Подробно об ускоренном охлаждении

Чтобы добиться таких скоростей охлаждения (особенно 10 °C/мин в диапазоне 1170...870°C) в вакууме, где теплоотвод только излучением, очень сложно и энергозатратно (нужно активно "отбирать" тепло).

Поэтому на этой стадии используется продувка камеры инертным газом (обычно высокочистый аргон, реже азот или гелий).

Сразу после начала этапа контролируемого охлаждения, в камеру подается инертный газ до давления выше атмосферного (например, 500-1000 мбар).

Газ действует как теплоноситель, конвективно отбирая тепло от образцов и внутренностей печи, что позволяет легко достигать и поддерживать заданную скорость охлаждения.

Газ подается после завершения высокотемпературной выдержки в вакууме, чтобы не мешать процессу смачивания и растекания припоя.

3.Формирующаяся микроструктура соединения (пример для оптимального режима):

При оптимальных параметрах (1170°C, 10 мин, охлаждение до 870°C со скоростью 10°C/мин) формируется многослойная структура без пор и трещин. Со стороны TiAl к шву:

1.Слой I (B₂): Тонкий непрерывный слой на основе β-фазы (Ti, Al), легированной стабилизаторами (Cr, Nb). 2.Слой II (τ₃ - Al₃NiTi₂): Изотермически затвердевший слой. Определяется как самая хрупкая зона, где впоследствии происходит разрушение. 3.Слой III (τ₄ - AlNi₂Ti): Более богатый никелем интерметаллид. 4.Слой IV (Центральный шов): Гетерогенная смесь фаз:

• Белая матрица: Твёрдый раствор на основе хрома Cr-rich (Cr, Ni, Fe)ₛₛ.
• Серые включения: TiNi₃, τ₄ (AlNi₂Ti) и твёрдый раствор на основе никеля Ni-rich (Ni, Cr, Fe)ₛₛ.

4.Влияние скорости охлаждения (ключевой параметр):

• Слишком быстрое охлаждение (~12.5 °C/мин): Ведёт к высоким термическим напряжениям и образованию микротрещин между слоями I и II. Прочность снижается.
• Слишком медленное охлаждение (7.5 и 5 °C/мин): Увеличивает время высокотемпературной выдержки, что приводит к чрезмерному растворению и диффузионному взаимодействию компонентов припоя с основными материалами. Шов становится тоньше, фазы в слое IV укрупняются, а остаточные напряжения возрастают, что также снижает прочность.
• Оптимальное охлаждение (10 °C/мин): Обеспечивает баланс между временем для полноценной диффузионной реакции (подавление трещин) и минимизацией уноса припоя. Приводит к формированию бестрещинного соединения с максимальной прочностью на срез 252 Мпа. Прочность может варьироваться в зависимости от геометрии соединения и метода испытаний.

То есть, охлаждать нужно не абы как, а с ювелирной точностью. Слишком быстро — материал потрескается. Слишком медленно — «перестоит» и станет хрупким.

Выводы (практические примеры из исследования)

• Контроль скорости охлаждения в интервале высоких температур (выше 870°C) является более критичным параметром, чем просто температура пайки, для управления термическими напряжениями и составом шва.
• Оптимизированный состав аморфного припоя (Ti-Zr-Cu-Ni-Co-Mo-B) позволяет успешно соединять трудносвариваемые материалы, формируя сложную, но управляемую многослойную структуру.
• Прочность соединения лимитируется хрупкой интерметаллидной фазой τ₃ (Al₃NiTi₂). Дальнейшее улучшение свойств должно быть направлено на модификацию или уменьшение толщины этого слоя.
• Данная технология вакуумной пайки с контролируемым термоциклом демонстрирует воспроизводимый результат и является перспективной для создания ответственных узлов аэрокосмической техники.
• Для аэрокосмических применений важна не только начальная прочность, но и поведение при длительном нагреве (ползучесть, окисление).

Успех вакуумной пайки таких разнородных пар определяется не только режимами, но в первую очередь продуманным многокомпонентным составом припоя, где каждый элемент выполняет специфическую технологическую (плавкопонижающую, структурирующую) или эксплуатационную (легирующую) функцию.

Зачем это нужно?

Благодаря этой технологии можно создавать более лёгкие и экономичные турбины для самолётов, что снизит расход топлива.

Это — прямой шаг к новым поколениям аэрокосмической техники, где каждый килограмм на счету. Комбинированные диски или крыльчатки, где лопасти из TiAl присоединены к диску из GH536, позволяют снизить вес и инерцию вращающихся частей.

Конструкции, где одна часть нагревается сильнее другой.

---

Валенцев А.А.

---

Глоссарий

• γ-TiAl: Интерметаллидный сплав на основе титана и алюминия с упорядоченной кристаллической решёткой. Обладает малой плотностью и высокой жаропрочностью.
• GH536 : Никелевый жаропрочный сплав, упрочняемый твёрдым раствором. Ближайшие российские аналоги — сплавы типа ЭП648 (могут иметь различные составы: от близкого к GH536 до высоколегированных марок с Cr до 35%).
• ЭП648-ВИ (ХН50ВМТЮБ-ВИ): Высоколегированная модификация никелевого жаропрочного сплава. Содержит повышенное количество хрома (32-35%) и вольфрама, что требует особого внимания при подборе режимов пайки.
• B₂-фаза: Фаза на основе упорядоченного твёрдого раствора β-Ti(Al), стабилизированная элементами Cr, Nb. Формируется у границы с TiAl.
• τ₃-фаза (Al₃NiTi₂): Хрупкая интерметаллидная фаза в системе Al-Ni-Ti. Является самым слабым звеном соединения.
• τ₄-фаза (AlNi₂Ti): Интерметаллидная фаза в системе Al-Ni-Ti, более богатая никелем по сравнению с τ₃.
• (Cr, Ni, Fe)ₛₛ: Твёрдый раствор (solid solution) на основе хрома, никеля и железа. Обозначение ₛₛ подчёркивает, что это не стехиометрическое соединение, а раствор.
• Аморфный припой (металлическое стекло): Присадочный материал, не имеющий дальнего кристаллического порядка. Обеспечивает однородный химический состав и точное дозирование.

---

Литература

• Wan, B., & Li, X. (2020). Microstructure and brazing mechanism of TiAl/Ni-based superalloy joints using Ti-Zr-Cu-Ni-Co-Mo-B filler metal with different cooling rates. Journal of Physics: Conference Series, 1676, 012035.
• Chen B., Xiong H.P., Mao W., Cheng Y.Y. (2010). Microstructures and properties of Ti₃Al/Ti₃Al and Ti₃Al/GH536 joints using Ti-Zr-Cu-Ni brazing filler. Journal of Aeronautical Materials, 30, 35–38. - Демонстрирует проблему низкой прочности и трещинообразования при пайке TiAl/GH536 более простыми припоями, что определяет актуальность работы.
• Lee M.K., Lee J.G. (2013). Mechanical and corrosion properties of Ti-6Al-4V alloy joints brazed with a low-melting-point 62.7Zr-11.0Ti-13.2Cu-9.8Ni-3.3Be amorphous filler metal. Materials Characterization, 81, 19-27. - Обосновывает применение циркония (Zr) в качестве ключевого компонента припоя для подавления хрупких фаз Ti-Ni.
• Miedema A.R., de Boer F.R., Boom R., Dorleijn J.W.F. (1977). Model predictions for the enthalpy of formation of transition metal alloy. Calphad, 1, 341-359. - Предоставляет термодинамическое обоснование высокой химической активности пары Ti-Ni (ΔH растворения = -170 кДж/моль), являющейся основной технологической проблемой.
• Schuster J.C., Pan Z., Liu S., et al. (2007). On the constitution of the ternary system Al-Ni-Ti. Intermetallics, 15(9), 1257-1267. - Фазовая диаграмма Al-Ni-Ti, использованная для точной идентификации интерметаллических фаз (τ₃, τ₄) в зоне соединения.