Титаново-циркониевый сплав
Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно к сплавам на основе титана, используемым в промышленности, в частности, для пайки титана, циркония и их сплавов, а также для соединения керамики. Техническим эффектом изобретения является снижение температуры плавления сплавов, повышение активности припоя при пайке, в первую очередь, разнородных материалов и обеспечение возможности изготовления из них пластичной ленты методом спиннингования на воздухе. Для реализации эффекта сплав дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов мас.%: медь - 15,0 - 30,0, цирконий - 5,0 - 50,0, железо - 10,0 - 20,0, титан - остальное. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно к сплавам на основе титана, используемым в промышленности, в частности для пайки титана, циркония и их сплавов, для соединения керамики, а также, в силу своих специфических свойств, может применяться в качестве конструкционных и износостойких материалов, упругих элементов, катализаторов для различных химико-технологических процессов, геттеров и адсорбентов, для изготовления различных видов высокопрочного режущего инструмента и нанесения кооррозионно-стойких покрытий.
Ввиду высокой температуры плавления титана (1760oC) для пайки обычно используют двойные эвтектические сплавы титана, например, с медью, никелем, марганцем, железом. Для того, чтобы упростить пайку, некоторые припои изготавливают в виде гибкой пластичной аморфной ленты методом литья расплава на вращающийся металлический диск (метод спиннингования расплава). Известны аморфные эвтектические сплавы систем Ti-Cu, Ti-Ni, Zr-Ni, полученные в виде тонких аморфных лент толщиной до 30 мкм (см. например "Быстрозакаленные металлические сплавы: материалы пятой международной конференции. М. "Металлургия", 1969, с. 67, Physical Rev. B 19, р. 3943). Однако известные сплавы имеют относительно высокие температуры плавления (более 1000oC), что обуславливает высокую температуру пайки и сильное взаимодействие с соединяемыми материалами. К тому же, аморфные ленты из этих сплавов не могут быть получены спиннингованием на воздухе. Наиболее близким по своей технической сути является сплав на основе титана ВПР-28 выпускаемый по ТУ 48-05-72-6-249/Э91 имеющий следующее соотношение ингредиентов, мас. цирконий 9 13 никель 18 24 медь 10 14 титан остальное до 100 Этот сплав предназначен для пайки деталей из титана и титановых сплавов при температуре свыше 980oС в вакууме или защитной атмосфере. Этот сплав имеет температур плавления 900 950oС и может быть изготовлен в вакууме в виде аморфной пластичной ленты толщиной до 40 мкм. Однако, относительно высокая температура плавления не позволяет получать пластичную ленту на воздухе. Сплав предназначен для пайки титана и его сплавов и мало пригоден для соединения титана с другими материалами. Высокая температура пайки данного сплава (свыше 980oC) приводит к сильному взаимодействию с соединяемыми пайкой материалами. Основной технической задачей настоящего изобретения является повышение качества пайки за счет повышения активности припоя при пайке в первую очередь разнородных материалов при одновременном снижении температуры плавления сплава и обеспечении возможности изготовления из них пластичной ленты методом спиннингования на воздухе. Для решения поставленной задачи в титаново-циркониевом сплаве, содержащем медь и цирконий, изменено содержание меди и циркония, а также никель заменен железом при следующем соотношении компонентов, проценты массовые: медь 15,0 30,0 цирконий 5,0 50,0 железо 10,0 20,0 титан со случайными примесями остальное Более того, в состав сплава дополнительно введена активирующая добавка, выбранная из ряда элементов в суме или по отдельности: кремний, ниобий, молибден, германий, бор, олово, никель, кобальт, алюминий, ванадий, хром, марганец, бериллий при следующем соотношении компонентов, проценты массовые:медь 15,0 30,0
цирконий 5,0 50,0
железо 10,0 20,0
активирующая добавка 0,2 5,0
титан со случайными примесями остальное
При разработке сплава было решено в качестве основной структурной составляющей сплава зафиксировать фазу с решеткой типа CuA12. Этот тип решетки обладает широкой областью гомогенности. Для этого в сплав вместо никеля добавлено железо. В результате образовалась сложная фаза (Ti, Zr)2(Cu, Fe) со структурой типа CuA12, где железо почти наполовину замещает медь, а цирконий
титан. В результате усложнения структуры снижается температура плавления сплава и уменьшается его окисляемость на воздухе. Это дает возможность изготовления пластичной ленты методом спиннингования на воздухе. При пайке разнородных материалов для лучшего смачивания паяемых материалов и повышения активности припоя при уменьшении взаимодействия припоя с паяемым материалом необходимо присутствии в сплаве элементов, входящих в состав паяемых материалов. Так, например, при пайке титана с ванадием, необходимо присутствие в сплаве некоторой доли ванадия. Однако при этом не должна меняться температура плавления и структура сплава. В нашем случае, благодаря широкой области гомогенности, в фазе (Zr, Ti)2(Fe, Cu) может растворяться вместе или по отдельности до 5 процентов кремния, ниобия, молибдена, германия, бора, олова, никеля, кобальта, алюминия, ванадия, хрома, марганца, бериллия. Усложнение структуры данной фазы за счет элементов приводит к увеличению энергии смешения и снижению температуры плавления сплава, что в общем облегчает получение сплавов в виде пластичной ленты. Так, например, температура начала плавления сплава согласно изобретению 820 840oС, что на 60 80 градусов ниже, чем у известных сплавов. Сплав согласно изобретению хорошо смачивает поверхность разнородных материалов, затекает в узкие зазоры под действием капиллярных сил и может соединять разнородные материалы, в том числе керамику. Сопоставительный анализ с известными решениями позволяет сделать вывод, что состав сплава согласно изобретению отличается от известных введением нового элемента железа вместо никеля и новым содержанием циркония и меди, а также введением кремния, ниобия, молибдена, германия, бора, олова, никеля, кобальта, алюминия, ванадия, хрома, марганца, бериллия. Вышеизложенное позволяет утверждать о соответствии настоящего изобретения требованиям критерия "новизна". Известно введение в титан железа с целью снижения температуры плавления. Однако температура плавления сплава при этом превышает1100 градусов Цельсия, что на 180 градусов выше, чем у сплава согласно изобретению. К тому же известные сплавы не могут быть использованы для соединения разнородных материалов, в том числе керамики. Образование в сплаве согласно изобретению сложной фазы (Ni, ZR)2(Fe, Cu) с большой областью растворимости и низкой температурой плавления придали сплаву новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения требованиям критерия "уровень техники". Примеры конкретной реализации изобретения. Сплавы согласно изобретению изготавливали в запаянных кварцевых ампулах. Температуру плавления сплавов определяли методом ДТА. Структуру сплавов изучали с помощью рентгено-структурного и металлографического методов. Пластичную ленту получали методом спиннингования расплава на воздухе. Толщину ленты устанавливали путем регулирования окружности скорости вращения диска, которую изменяли в интервале от 15 до 20 м/с. Образцы для пайки представляли собой титановые трубки со вставляемыми в них стержнями из различных металлов или керамики. Качество пайки определяли по появлению припоя в шве и по герметичности шва. Пластичность ленты определяли путем ее изгиба по радиусу 0,5 мм. Составы сплавов и результаты их испытаний сведены в таблицу. Как видно из таблицы, сплавы согласно изобретению имеют более низкие по сравнению с известными сплавами температуры плавления, что при учете более низкой окисляемости по сравнению с окисляемостью на воздухе известных сплавов, позволяет получать пластичные ленты методом спиннингования на воздухе, а не в среде инертного газа или в вакууме. Более того, добавки кремния, ниобия, молибдена, германия, бора,олова, никеля, кобальта, алюминия, ванадия, хрома, марганца, а также бериллия в количестве не превышающем 5 процентов по массе не изменяют структуры плавления, а лишь повышают качество пайки разнородных по химическому составу материалов. Снижение концентрации железа в составе сплава ниже 10 процентов или меди ниже 15 процентов приводит к резкому повышению температуры плавления и, следовательно, к повышению температуры спиннингования расплава, а также к интенсивному окислению ленты из сплава на воздухе. Снижение концентрации циркония в составе сплава ниже 5 процентов также приводит к интенсивному окислению ленты из сплава на воздухе. Увеличение концентрации железа более 20 процентов, меди более 30 процентов и циркония более 50 процентов приводит к повышению температуры плавления сплава и снижению жидкотекучести сплава, что снижает качество пайки и приводит к необходимости использования более высоких температур при пайке. Увеличение концентрации кремния, ниобия, молибдена, германия, бора, олова, никеля, кобальта, алюминия, ванадия, хрома, марганца, а также бериллия свыше 5 массовых процентов приводит к качественным изменениям структуры сплава, и как следствие к снижению качества пайки. Сплав согласно изобретению в силу своих специфических свойств может применяться в качестве конструкционных и износостойких материалов, упругих элементов, катализаторов для различных химико-технологических процессов, геттеров и адсорбентов, а также для изготовления различных видов высокопрочного режущего инструмента и нанесения коррозионно-стойких покрытий.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1