Результат интеллектуальной деятельности: Способ высокотемпературной пайки деталей из алюминиевых термоупрочняемых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности, может использоваться для получения паяных изделий из термоупрочняемых алюминиевых сплавов для изготовления корпусных конструкций.

Известен способ получения паяных конструкций из алюминия и его сплавов (патент Российской Федерации №2443522), включающий нагрев деталей до температуры пайки, выдержку при температуре пайки и последующее охлаждение с контролируемой скоростью до температуры на 5÷40°С выше температуры неравновесного солидуса применяемого припоя, выдержку при этой температуре в течение 10÷100 минут, а затем последующее окончательное охлаждение до комнатной температуры.

Недостатком данного способа является то, что паяные соединения обладают недостаточно высокими прочностными характеристиками, поскольку термическая обработка применяется для растворения неравновесных эвтектик в паяном шве и не учитывает процесс термообработки основного металла.

Известен способ получения паяных конструкций, включающий пайку и последующую термообработку, заключающийся в проведении после пайки дополнительной термообработки: охлаждении после пайки до комнатной температуры, нагреве до температуры термообработки ниже температуры солидуса, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении (А. Сланский и др. «Капиллярная пайка» М. Машгиз, 1963 г.), прототип. Недостатком данного способа является то, что при пайке термически упрочняемых алюминиевых сплавов на стадии охлаждения формируется неоднородная структура, что требует применения длительного отжига при последующей термообработке и существенно увеличивает трудоемкость изготовления изделия.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик, расширение номенклатуры паяных соединений из алюминиевых сплавов и увеличение срока службы изделий.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочности паяных соединений из алюминиевых сплавов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе пайки деталей из алюминиевых сплавов, включающем пайку и последующую термообработку, пайку и термообработку осуществляют за один цикл нагрева-охлаждения изделия, причем температура пайки должна быть не более чем на 5÷10°С выше предельной температуры нагрева под закалку и не менее чем на 10÷15°С ниже температуры солидуса паяемого алюминиевого сплава, а закалку на стадии охлаждения осуществляют за счет обдува изделия холодным воздухом до комнатной температуры.

После закалки спаянная конструкция может также подвергаться искусственному старению.

Для изготовления паяных конструкций в настоящее время среди промышленно выпускаемых термически упрочняемых сплавов наиболее широкое распространение находят сплавы типа «авиалей», легированные кремнием, магнием и медью. Для обеспечения высоких механических свойств полуфабрикаты из данных сплавов, как правило, подвергаются термической обработке, включающей закалку и искусственное старение. Однако на стадии нагрева под пайку происходит растворение закалочных структур и резкое снижение механических свойств паяных конструкций, что требует проведения после пайки дополнительной термической обработки для увеличения прочности. Другой проблемой при пайке данных сплавов является склонность некоторых марок к самозакаливанию на воздухе. В результате при охлаждении больших корпусных конструкций происходит неравномерный теплоотвод от различных участков, формирование областей с закалочными структурами и возникновение внутренних напряжений, что может приводить к короблению конструкции. Для устранения коробления конструкции требуются достаточно длительная операция термической обработки для снятия напряжений и выравнивания структурного состава сплава, механическое исправление дефекта и последующая термическая обработка на требуемые механические свойства.

В связи с этим для устранения отдельной операции термообработки и уменьшения вероятности коробления конструкции предлагается совместить операцию термообработки с циклом «нагрев-охлаждение» при пайке. Для этого температура нагрева под пайку выбирается с учетом теплофизических свойств основного материала, и должна быть не более чем на 5÷10°С выше предельной температуры нагрева под закалку и не менее чем на 10÷15°С ниже температуры солидуса паяемого алюминиевого сплава.

Нагрев выше предельной температуры под закалку связан с тем, что с учетом термодинамических свойств больших воздушных печей для пайки, по ее объему возможен перепад температуры порядка 10°С, поэтому требуется небольшой перегрев конструкции для равномерного прогрева конструкции.

Превышение температуры солидус сплава в процессе пайки приводит к появлению дефекта типа «пережог», который снижает механические свойства паяной конструкции. Поскольку в процессе пайки возможно неравномерное распределение температур на поверхности изделия, то для полного исключения перегрева конструкции необходимо чтобы температура солидус сплава была как минимум на 10÷15°С выше температуры пайки.

Отличительной особенностью сплавов типа «авиалей» является относительно низкие скорости охлаждения при закалке. В связи с этим для обеспечения процесса закалки можно производить охлаждение холодным воздухом через специально сделанные форсунки в камере печи. Для обеспечения максимальных механических свойств конструкции после пайки обычно производится естественное и искусственное старение при определенной температуре.

Пример

Из алюминиевого термоупрочняемого сплава ТПС-2 (системы Al-Mg-Si-Cu, ТУ1813-011-02066500-2013), с температурой солидуса не менее 600°С и максимальной температурой нагрева под закалку 550°С, печной пайкой с использованием припоя Ал12Г и флюса ФПА-1 были получены 20 образцов. Пайка проводилась в воздушной печи при температуре 580÷585°С, время выдержки 5÷15 мин, по следующему циклу - нагрев до температуры пайки, выдержка, охлаждение с печью до температуры 550°С, охлаждение с помощью обдува холодным воздухом до температуры 100÷150°С, охлаждение с печью до комнатной температуры. После пайки все образцы подвергались чистке в ультразвуковой ванне.

Десять образцов подвергались естественному старению при вылеживании при комнатной температуре в течение 7 дней, десять других - искусственному старению после при 160°С в течение 12 часов.

Механические испытания проводились на типовой разрывной машине Instron. Результаты проведенных испытаний показали, что предел прочности паяных соединений, выполненных по режиму «закалка+естественное старение», находится в диапазоне 178÷194 МПа. Прочность образцов, выполненных по режиму «закалка+искусственное старение», составляет 194÷217 МПа.

Микроструктурные исследования паяных образцов не выявили наличие крупных неравновесных фаз после термообработки, следов коррозионного поражения не обнаружено.