Пайка ниобия и его сплавов

Высокие коррозионная стойкость в сильных кислотах и в расплавленных щелочных металлах, стойкость при облучении, сверхпроводимость и другие свойства делают ниобий и его сплавы весьма ценными конструкционными материалами для ракетостроения, химического аппаратостроения и других областей техники. Предел прочности ниобия σ_в = 400 МПа, относительное удлинение δ= 30 %, Т_пл = 2500 °С.

При высокотемпературном отжиге ниобия (1450 °С и выше) отмечается собирательная рекристаллизация, т.е. интенсивный рост зерна и появление выделений по границам зерен ударная вязкость ниобия при этом снижается примерно в 20 раз.

При нагреве на воздухе выше 200 °С ниобий заметно окисляется; с повышением температуры окисляемость сильно возрастает. Резкое повышение окисляемости ниобия при 1000 °с и выше связано не только с увеличением скорости диффузии кислорода, но и с качественными изменениями, происходящими в структуре оксидной пленки. При температуре 1000...1100 °С происходит переход низкотемпературной модификации оксида α-Nb₂O₅ в высокотемпературную модификацию β-Nb₂O₅, сопровождающийся значительным увеличением объема (в 2,7 раза), что приводит к возникновению внутренних напряжений и локальным разрушениям пленки и ее отслоению. Последнее и вызывает резкое повышение окисляемости ниобия.

При нагреве ниобия наряду с его окислением происходят диффузия и растворение газов в металле. Предельная растворимость кислорода в ниобии (массовые доли) составляет: при 500 °С - 0,25 %, при 1916 °С - 0,72 %; азота при 300 °С - 0,003 %, при 1500 °С - 0,07 %. Образование газонасыщенного слоя приводит к резкому повышению твердости и снижению пластичности ниобия. Значительно более высокими свойствами, чем ниобий, обладают сплавы на его основе.

Для получения высокопрочных и пластичных паяных соединений целесообразно для пайки ниобия применять чистые металлы: титан, ванадий, цирконий, которые образуют с ниобием неограниченные твердые растворы. На основе указанных металлов можно получить пластичные припои и жаропрочные паяные соединения, однако все они слишком тугоплавки и требуют оборудования, позволяющего производить пайку в высоком вакууме при температурах 1600...1900 °С. При вакуумной пайке ниобия титаном (1750 °С), цирконием (1900 °С) и ванадием (1950 °С) при выдержке 5 мин образуются качественные соединения, но из-за роста зерна в паяемом металле падают его прочность и пластичность.

Для пайки ниобия при более низких температурах используют бинарные сплавы Ti-Zr и Ti-V, имеющие минимум на линии ликвидус (1620 °С). Снижение температуры пайки до близкой к вторичной кристаллизации ниобия (1000 °С) в сплавах Ti-Zr, Ti-V и Zr-V достигается за счет легирования их бериллием до 5 % или железом до 15 %. Припои состава (в %): 48Ti-48Zr-4Be и 45Ti-40Zr-15Fe имеют температуру пайки 1050 "С, а припой состава 67Zr-29V-4Fe - 1300 °С. При пайке этими припоями в швах образуются хрупкие интерметаллидные фазы, которые снижают прочность соединений. Толщина интерметаллидной фазы и прочность соединения зависят от величины сборочного зазора. При пайке ниобия с зазором 0,075 мм припоем состава (в %): 48Ti-48Zr-4Be предел прочности на срез соединения равен 248 МПа, а при пайке с большим зазором (0,127 мм) - 184 МПа. Во многом свойства паяных соединений зависят и от состава припоя. Так, соединения ниобия, паянные припоем 48Ti-48Zr-4Be, остаются работоспособными после 500 термоциклов (815...371 °С ) и после старения при 815 °С в течение 100 ч. В то же время при применении припоев 45Ti-40Zr-15Fe и 67Zr-29V-4Fe в швах после таких испытаний появляются трещины.

Ниобиевый сплав Д36 (Nb-10Ti-5Zr) работает при температурах до 1650 °С. Пайку его можно осуществлять в вакууме при температуре 1470 °С припоем Ti-ЗЗСr и при температуре 1280 °С припоем Ti-30V-4Be. Длительный отжиг при температуре 1310 °С в течение 16 ч обеспечивает жаростойкость соединений до 1815 °С.

При пайке припоем Ti-ЗЗСr не происходит эрозии паяемого металла, а микроструктура шва состоит из твердого раствора Ti и Сr в ниобии, содержащего внутри и по границам зерен частицы интерметаллида TiCr₂. После диффузионного отжига частицы TiCr₂ равномерно распределяются, а твердый раствор Nb-Ti-Cr обогащается ниобием и становится пластичнее.

При пайке ниобиевого сплава припоем Ti-30V-4Be при температуре 1288 °С, выдержке 2 мин и диффузионной обработке (4 ч при температуре 1124 °С и 16 ч при 1316 °С) эрозии паяемого металла и хрупких фаз в шве не образуется, если величина сборочного зазора не превышает 0,05 мм. При сборочных зазорах более 0,05 мм в центре шва кристаллизуется хрупкая фаза, ослабляющая шов.

Жаропрочность при температуре 1371 °С соединений ниобиевого сплава CL-3, паянного припоем Ti-ЗЗCr, выше (31,8 МПа), чем при применении припоя Ti-40V-4Be (18,3 МПа).

Припой Ti-33Сr применяется и при пайке ниобиевого сплава (Nb-1%Zr) для соединений узлов энергоустановок с высокотемпературными жидкометаллическими теплоносителями (Na К, Li).

Для пайки ниобия в вакууме применяют и припой на основе меди, содержащий 30 % Ni-1...2 % Fe; 1...2 % Si; 0,2 % В и после длительной выдержки при температуре пайки (1500 °С) обеспечивающий получение достаточно прочных паяных соединений.

Для пайки ниобия в среде аргона с точкой росы -70 °С можно использовать сплавы системы Cr-Pd-Ge. Рекомендованы два сплава:

1)    50 % Сr; 30 % Pd; 20 % Ge, температура пайки 1450 °С, выдержка 5 мин; предел прочности соединения на срез при 1093 °С 58 МПа;

2)    50 % Сr; 35 % Pd; 15 % Ge; температура пайки 1450 °С, выдержка 5 мин; предел прочности соединения на срез при 1093 °С 74 МПа.

Рекомендуется также. припой для пайки ниобия, состоящий из 17 % Nb; 10 % V; 8 % Сr, 2,3 % Al; Ti - основа Временное сопротивление при растяжении а, соединения равно 800 МПа, относительное удлинение 5 = 4%.

По материалам: "Справочник по пайке". Под ред. И.Е. Петрунина. -М., Машиностроение, 2003