Способ диффузионной сварки сплавов на основе никелида титана с титаном и его сплавами

Авторы патента:

B23K20/22 - с учетом свойств свариваемых материалов

B23K103/14 - Пайка или распаивание; сварка; плакирование или нанесение покрытий пайкой или сваркой; резка путем местного нагрева, например газопламенная резка; обработка металла лазерным лучом (изготовление изделий с металлическими покрытиями экструдированием металла B21C 23/22; нанесение облицовки или покрытий литьем B22D 19/08; литье погружением B22D 23/04; изготовление составных слоистых материалов путем спекания металлического порошка B22F 7/00; устройства для копирования и регулирования на металлообрабатывающих станках B23Q; покрытие металлов или материалов металлами, не отнесенными к другим классам C23C; горелки F23D)

Владельцы патента RU 2539247:

Федеральное государственное Бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ-Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского" (МАТИ) (RU)

Изобретение относится к способу диффузионной сварке сплава на основе никелида титана с титаном или его сплавом. Изобретение может быть использовано в различных областях промышленности при получении термомеханических устройств, имплантируемых конструкций, например, применяемых в медицине и т.д. Осуществляют очистку поверхностей соединяемых изделий от оксидов. Устанавливают промежуточную прослойку из ниобия в виде фольги, листа или напыленного слоя с последующим нагревом в вакууме или защитной атмосфере. При этом сначала изделие из сплава на основе никелида титана соединяют только с прослойкой из ниобия, нагревают до температуры 1170-1190˚C и выдерживают в течение 1-15 минут. Затем изделие охлаждают и приводят в контакт со вторым изделием из титана или его сплавов стороной, содержащей слой ниобия. Затем нагревают до температуры 850-950˚C в защитной атмосфере или вакууме, прикладывают давление 1-15 МПа, выдерживают в течение 5-60 минут и охлаждают. Техническим результатом изобретения является сохранение физико-механических свойств и микроструктуры соединяемых сплавов на основе титана за счет снижения температуры диффузионной сварки. 1 табл.

Изобретение относится к способам неразъемного соединения изделий из сплавов на основе никелида титана (TiNi, нитинол) с изделиями из титана и его сплавов, и представляет собой диффузионную сварку с использованием промежуточной прослойки. Способ может применяться в различных областях промышленности при получении термомеханических устройств, имплантируемых конструкций, применяемых в медицине и т.д.

Известен способ соединения сплавов на основе никелида титана (Ti-54,2% Ni) и титанового сплава ВТ6 с помощью диффузионной сварки при температуре 850-950°C [Сенкевич К.С. и др. Особенности формирования диффузионного соединения TiNi - ВТ6// Металловедение и термическая обработка металлов, 2013, №8]. Недостатком его является формирование в зоне сварки хрупких интерметаллидов, обогащенных титаном (Ti₂Ni), которые снижают прочность соединения. Максимальная прочность соединения составляет 170 МПа.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ-прототип соединения сплавов на основе никелида титана с использованием промежуточной прослойки из ниобия (US 20110009979). Способ позволяет получать соединение за счет формирования в зоне соединения твердых растворов титана и никеля с ниобием. Способ-прототип может позволить соединять сплавы на основе никелида титана с различными материалами, в том числе титановыми сплавами. Применение промежуточной прослойки из ниобия позволяет образовывать прочное сварное соединение за счет образования промежуточной диффузионной зоны, состоящей из твердых растворов титана и никеля с ниобием. Недостатком этого способа является высокая температура процесса соединения (1170-1275°C), при которой происходит радикальное изменение микроструктуры титана и его сплавов - интенсивный рост зерна, формирование пластинчатой микроструктуры из-за превышения температуры полиморфного превращения в титане (около 890°C) и титановых сплавах (980-1000°C), из-за чего происходит существенное снижение их механических свойств.

Задачей изобретения является получение высокопрочного неразъемного соединения сплавов на основе никелида титана с титаном и его сплавами.

Техническим результатом является сохранение физико-механических свойств и микроструктуры соединяемых сплавов на основе титана за счет снижения температуры диффузионной сварки сплавов на основе никелида титана и титана.

Для решения поставленной задачи поверхности изделий из сплавов на основе никелида титана, ниобия и титана или его сплавов, очищают от оксидов, после чего изделие из сплава на основе никелида титана соединяют только с прослойкой из ниобия, нагревают до температуры 1170-1190°C, выдерживают в течение 1-15 минут, охлаждают и приводят в контакт со вторым изделием из титана или его сплава стороной, содержащей слой ниобия, нагревают до температуры 850-950°C в защитной атмосфере или вакууме, прикладывают давление 1-15 МПа, выдерживают в течение 5-60 минут и охлаждают.

На первом этапе изделие из никелида титана и промежуточную прослойку (в виде фольги, листа или напыленного слоя ниобия, полученного различными способами напыления покрытий) устанавливают друг на друга в камере вакуумной установки диффузионной сварки или вакуумной печи, создают вакуум или защитную среду из инертных газов, нагревают до температур 1170-1190°C, выдерживают в течение 1-15 минут и охлаждают. Температура соединения выбирается с учетом выделения жидкой фазы при взаимодействии TiNi с Nb при температуре выше 1170°C. Для предотвращения избыточного выделения жидкой фазы она не должна превышать 1190°C. При данных температурах не происходит существенных изменений в микроструктуре и физико-механических свойствах сплавов на основе никелида титана.

Время выдержки не должно быть меньше 1 минуты, достаточной для прогрева соединяемых изделий и выделения жидкой фазы, и не должно превышать 15 минут для предотвращения избыточного выделения жидкой фазы.

Прослойка из ниобия может быть в виде фольги или листа. Прослойка может быть нанесена на образцы из сплавов на основе никелида титана различными методами напыления покрытий. Прослойка должна расходоваться на образование жидкой фазы в контактной зоне со сплавом на основе никелида титана, и далее оставшейся слой соединяется с титаном/титановым сплавом в твердой фазе. Минимальная толщина прослойки для обеспечения вышеперечисленных условий должна быть не менее 50 мкм. Для минимизации содержания свободного ниобия в зоне сварки, желательно, чтобы прослойка не превышала 500 мкм.

На втором этапе соединенную пару сплав на основе никелида титана, содержащий слой из ниобия, и изделие из титана/титанового сплава устанавливают в камере установки диффузионной сварки или вакуумной печи друг на друга, так, чтобы слой ниобия контактировал с поверхностью титана/титанового сплава. При этом предварительно свободная сторона промежуточной прослойки дополнительно подготавливается механически и/или химически для удаления оксидов на поверхности. После нагрева до температуры 850-950°C прикладывается давление 1-15 МПа, и осуществляют выдержку в течение 5-60 минут, затем проводят охлаждение. При температуре 850-950°C титан и сплавы на его основе обладают достаточной пластичностью, обеспечивающей формирование физического контакта между соединяемыми поверхностями, и обеспечивается развитие диффузионных процессов, способствующих формированию промежуточной диффузионной зоны. Выше температуры 950°C возможны сильный рост зерен в титане/титановом сплаве, а также неконтролируемая деформация из-за повышенной пластичности. Время диффузионной сварки должно обеспечивать полное протекание диффузионных процессов и залечивание пор и в зависимости от температуры сварки может составлять 5-60 минут. Сварочное давление должно обеспечивать максимально полный контакт за счет деформации микровыступов на соединяемых поверхностях. В зависимости от выбранной температуры диффузионной сварки оно должно составлять не менее 1 МПа и не более 15 МПа для избежания избыточной деформации соединяемых изделий.

Предлагаемые температурные режимы диффузионной сварки сплавов на основе никелида титана и титана/титанового сплава (850-950°C) ниже используемых в способе-прототипе (1170-1275°C), что позволяет избежать существенных изменений в микроструктуре и свойствах титана и его сплавов.

Примеры реализации заявленного способа

1. Листовые образцы из сплава на основе никелида титана марки ТН1 (Ti-54,2% Ni) соединялись с образцами из титанового сплава ВТ6 через прослойку из листа ниобия толщиной 0,3 мм по двухступенчатому режиму: 1) образцы из сплава на основе никелида титана и прослойку из ниобия механически полировали, протравливали в водном растворе соляной и азотной кислоты, устанавливали в камере вакуумной печи, вакуумировали, осуществляли нагрев до температуры 1185°C, выдерживали в течение 1 минут, охлаждали до комнатной температуры; 2) образцы из соединенной пары сплав на основе никелида титана-ниобий и образцы из сплава ВТ6 механически полировали, протравливали в водном растворе соляной и азотной кислоты, помещали в камеру установки диффузионной сварки так, чтобы слой ниобия контактировал с поверхностью титанового сплава, вакуумировали, осуществляли нагрев до температуры 900°C, прикладывали давление 10 МПа, выдерживали в течение 60 минут, охлаждали до комнатной температуры. Прочность сварного соединения на сдвиг составила 435 МПа.

2. Листовые образцы из сплава на основе никелида титана марки ТНМЗ (Ti-48,2% Ni-2,5% Cu) соединялись с образцами из титана марки ВТ-1-0 через прослойку из фольги ниобия толщиной 50 мкм по двухступенчатому режиму: 1) образцы из сплава на основе никелида титана и прослойку из ниобия механически полировали, протравливали в водном растворе соляной и азотной кислоты, устанавливали в камере вакуумной печи, вакуумировали, осуществляли нагрев до температуры 1179°C, выдерживали в течение 5 минут, охлаждали до комнатной температуры; 2) образцы из соединенной пары сплав на основе никелида титана-ниобий и образцы из сплава ВТ6 механически полировали, протравливали в водном растворе соляной и азотной кислоты, помещали в камеру установки диффузионной сварки так, чтобы слой ниобия контактировал с поверхностью титана, вакуумировали, осуществляли нагрев до температуры 850°C, прикладывали давление 10 МПа, выдерживали в течение 20 минут, охлаждали до комнатной температуры. Прочность сварного соединения на сдвиг составила 416 МПа.

3. Листовые образцы из сплава на основе никелида титана марки ТН1 (Ti-54,2% Ni) соединялись с образцами из титанового сплава ВТ6 через прослойку из напыленного слоя ниобия толщиной 0,1 мм по двухступенчатому режиму: 1) образец из сплава на основе никелида титана механически полировали, протравливали в водном растворе соляной и азотной кислоты, после чего наносили на него слой из ниобия методом плазменного напыления, загружали в камеру вакуумной печи, вакуумировали, осуществляли нагрев до температуры 1170°C, выдерживали в течение 1 минут, охлаждали до комнатной температуры; 2) образцы из соединенной пары сплав на основе никелида титана-ниобий и образцы из сплава ВТ6 механически полировали, протравливали в водном растворе соляной и азотной кислоты, помещали в камеру установки диффузионной сварки так, чтобы слой ниобия контактировал с поверхностью титанового сплава, вакуумировали, осуществляли нагрев до температуры 900°C, прикладывали давление 10 МПа, выдерживали в течение 60 минут, охлаждали до комнатной температуры. Прочность сварного соединения на сдвиг составила 430 МПа.

Заявленный способ позволяет сохранить исходный высокий уровень механических свойств титана и его сплавов за счет проведения процесса сварки при температуре ниже полиморфного превращения (Ас₃). Исследование механических свойств сварных соединений, полученных по заявленному способу диффузионной сварки, осуществляемому при температуре ниже температуры полиморфного превращения, и при пайке через ниобий при температуре 1170°C, соответствующей выбранному способу-прототипу, показало преимущество заявленного способа (см. таблицу). Испытания проводили на листовых полуфабрикатах, соединенных внахлест, при этом площадь сварки существенно превышала площадь сечения соединяемых полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6, в результате чего разрушение происходило по основному материалу. Установлено, что механические свойства соединяемых со сплавом на основе никелида титана по заявленному способу полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6 значительно выше, чем соединенных по способу-прототипу. Это связано с тем, что при сварке по заявленному способу не происходит существенных изменений в микроструктуре соединяемых полуфабрикатов из титана и его сплавов, в отличие от соединения по способу-прототипу, при котором происходит образование крупнозернистой пластинчатой микроструктуры, наличие которой снижает прочностные свойства и пластичность сплавов.

Таким образом, использование предложенного технического решения позволит получить высокопрочное неразъемное соединение сплавов на основе никелида титана с титаном и его сплавами с высокими физико-механическими свойствами как сварного соединения, так и свариваемого титанового сплава.


Механические свойства титанового сплава ВТ6
Структурное состояние сплава ВТ6	Механические свойства
σ_b, МПа	σ_0,2, МПа	δ, %
Крупнозернистая пластинчатая структура после сварки при температуре выше Ac₃	970	800	7
Исходная глобулярная структура после сварки при температуре до Ac₃	1000	960	14

Способ сварки сплава на основе никелида титана с титаном или его сплавом, включающий очистку поверхностей соединяемых изделий от оксидов, установку промежуточной прослойки из ниобия в виде фольги, листа или напыленного слоя, с последующим нагревом в вакууме или защитной атмосфере, отличающийся тем, что сначала изделие из сплава на основе никелида титана соединяют только с прослойкой из ниобия, нагревают до температуры 1170-1190˚C, выдерживают в течение 1-15 минут, охлаждают и приводят в контакт со вторым изделием из титана или его сплава стороной, содержащей слой ниобия, нагревают до температуры 850-950˚C в защитной атмосфере или вакууме, прикладывают давление 1-15 МПа, выдерживают в течение 5-60 минут и охлаждают.

Способ может быть использован при изготовлении термомеханических устройств, применяемых в медицине имплантируемых конструкций, хирургического инструмента и т.д.

Способ диффузионной сварки многослойного пакета из стекла и монокристаллического кремния // 2491158

Изобретение относится к приборостроению и может применяться при изготовлении полупроводниковых микромеханических устройств, например, чувствительных элементов интегральных датчиков.

Способ сварки изделий из сплавов на основе никелида титана (варианты) // 2478027

Изобретение относится к способам неразъемного соединения изделий из сплавов на основе никелида титана (TiNi, нитинол) и представляет собой диффузионную сварку с использованием жидкой фазы.

Способ изготовления слоистого композиционного материала титановый сплав-алюминид титана // 2477203

Изобретение относится к области изготовления слоистого композиционного материала посредством диффузионной сварки листовых заготовок. .

Способ соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния // 2433026

Изобретение относится к технологии соединения конструктивных элементов изделий, работающих в условиях высоких термомеханических нагрузок. .

Способ получения многослойных металлических листов со стабильной субмикро- и наноразмерной структурой // 2428289

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления многослойных металлических листов, в том числе с субмикро- и наноразмерной структурой.

Способ сварки давлением заготовок из титанового сплава // 2415738

Изобретение относится к области сварки давлением заготовок из титанового сплава через промежуточную прокладку из титанового сплава с размером зерен менее 1 мкм и может быть использовано в промышленности для изготовления разнообразных изделий, в том числе сложнопрофильных и/или крупногабаритных изделий из отдельных более мелких и/или простых по форме заготовок.

Инструмент и способ соединения металлических деталей // 2357842

Способ диффузионной сварки труб из разнородных материалов // 2301732

Изобретение относится к области диффузионной сварки, а именно к сварке труб из разнородных материалов, обладающих различной пластичностью при температуре сварки. .

Способ диффузионной сварки разнородных сталей // 2231432

Изобретение относится к диффузионной сварке встык коротких толстостенных труб из разнородных сталей. .

Способ индукционной наплавки // 2537983

Изобретение относится к способу индукционной наплавки внутренних цилиндрических поверхностей и может быть использовано в машиностроении. Изобретение позволяет оптимизировать процесс наплавки и повысить качество наплавленного слоя.

Способ изготовления биметаллических труб пайкой // 2537979

Изобретение может быть использовано при изготовлении пайкой биметаллических труб из сталей и сплавов. Охватывающий элемент изготавливают с внутренним диаметром, который меньше наружного диаметра охватываемого элемента вместе с нанесенным на его поверхность припоем, но при этом больше наружного диаметра охватываемого элемента без припоя.

Способ изготовления биметаллических труб сваркой взрывом // 2537671

Изобретение может быть использовано при изготовлении слоистых структур сложного профиля сваркой взрывом, например тонкостенных цилиндрических и эллиптических оболочек из биметаллов.

Способ изготовления диффузионной сваркой стоистой тонкостенной конструкции из титановых листовых материалов // 2537407

Изобретение может быть использовано при изготовлении слоистых тонкостенных титановых конструкций из листового материала, в частности, выпускных окон энергетических установок для вывода пучка электронов.

Способ электронно-лучевой сварки разнородных металлических материалов // 2534183

Способ электронно-лучевой сварки разнородных металлов или сплавов предназначен для изготовления сварных конструкций больших толщин. Способ включает направление электронного пучка на свариваемый стык с лицевой его стороны.

Способ индукционной наплавки // 2533517

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей изделий. Изобретением решается задача оптимизации процесса наплавки и повышения триботехнических характеристик наплавленной поверхности изделий.

Способ контактной сварки изделий из проволоки, арматуры, труб, длинномерного металлопроката (варианты) и машина контактной точечной сварки с фигурным ходом верхнего электрода (варианты) // 2533067

Способ и машина для контактной точечной сварки с фигурным ходом верхнего электрода могут быть использованы для сварки сеток, каркасов и других изделий из проволоки, арматуры, стержней, труб, полос металла и различного длинномерного металлопроката.

Флюс, образующий нерастворимый паяльный остаток // 2530972

Группа изобретений может быть использована при осуществлении твердой пайки алюминиевых деталей, например теплообменников. Используемый при пайке алюминия флюс содержит основной флюс, используемый для твердой пайки, который включает K2AlF5 или прекурсор, образующий K2AlF5, во время пайки, и Li-соль в количестве, соответствующем значению от 80% до 120% количества, которое стехиометрически необходимо для превращения всего K2AlF5 в K2LiAlF6 во время пайки.

Способ индукционной наплавки // 2529146

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей изделий. Изобретением решается задача оптимизации процесса наплавки внутренних цилиндрических поверхностей.

Способ электродуговой сварки неповоротных кольцевых швов трубопроводов // 2529127

Изобретение относится к дуговой сварке и может быть использовано в различных отраслях промышленности при сварке преимущественно неповоротных кольцевых швов трубопроводов.

Припой для пайки титана и его сплавов и способ пайки титана и его сплавов // 2539286

Изобретения могут быть использованы при пайке титановых соединений, в частности, в автомобильной, авиационной промышленности, приборостроении. Припой для пайки титана и его сплавов выполнен в виде сплава на основе алюминия, содержащего, вес.%: Cu 6,0-9,0; Ti≤1,0; Ni 1,0-2,0; Al - остальное. Температура твердой фазы припоя составляет 540-545°C, жидкой фазы - 635-640°C. Перед пайкой обрабатывают соединяемые поверхности паяемых деталей из титана или его сплавов для придания им шероховатости. Размещают между ними упомянутый припой. Пластически деформируют паяемые детали при давлении, равном напряжению, не менее предела текучести припоя. Нагревают паяемый узел в атмосфере окружающего воздуха в печи или местным нагревом с выдержкой при температуре 645-650°C в течение 9-13 минут. Детали могут иметь форму пластин, труб и колец. Изобретение обеспечивает хорошее качество и высокую прочность паяного шва. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.