Определение бора в припоях на основе никеля ВПр24 и ВПр27

Введение

Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ) является крупнейшим материаловедческим центром России. Сотрудниками института разработано и внедрено в изделия авиационно-космической техники ~96% «летающих» материалов. Стратегические направления развития материалов авиационно-космического назначения на период до 2030 г. изложены в работах [1–6].

Разработка и производство новых материалов авиационного назначения, многие из которых используются в качестве конструкционных, требуют решения проблем получения неразъемных соединений. Эти задачи реализуются с помощью сварки и пайки [7–11].

Основные направления разработок припоев для сплавов на различных основах представлены в работах [12–16].

Сварка и пайка принадлежат к тем технологическим процессам, которые широко используются в самых различных отраслях промышленности, в том числе авиационной. При производстве современных воздушных лайнеров, вертолетов, изделий космической техники сварку и пайку применяют для изготовления фюзеляжей, панелей, крыльев, двигателей, топливных баков, трубопроводов, узлов шасси, деталей приборов и радиоаппаратуры и т. п.

Припои на основе никеля обычно применяются, когда нужна устойчивость к коррозии и/или к экстремально высоким температурам. Они идеальны для пайки низколегированной стали и сплавов на основе никеля. Эти припои чаще всего находят применение в авиационно-космической и металлургической промышленностях, в алмазных инструментах. Припои могут быть в форме порошка и пасты. Пайка обычно происходит в защитной среде или в вакууме.

Припои ВПр24 и ВПр27 на никелевой основе при использовании современной технологии пайки обеспечивают:

– жаростойкость паяных соединений на уровне жаростойкости основного материала;

– жаропрочность стыковых соединений на уровне 0,7–0,9 от жаропрочности основного материала;

– совмещение пайки с термообработкой основного материала;

– пайку тонкостенных конструкций с минимальной эрозией основного материала;

– возможность ремонта литых деталей из жаропрочных никелевых сплавов, включая монокристаллические сплавы.

На рис. 1 представлены лопатки турбины с использованием паяных соединений.

Рис. 1. Лопатки турбины с использованием паяных соединений

В состав припоев на основе никеля входят в качестве основных различные легирующие элементы, содержание которых представлено в таблице.

Химический состав припоев на основе Ni

Каждый из элементов, введенных в состав припоев, выполняет свою положительную роль, влияя на качество процесса сварки или пайки: образование монолитной, однородной композиции сварного шва; отсутствие трещин в самом шве и околошовной зоне; образование неразъемного соединения после окончания сварки или пайки и др. Поэтому очень важны инструментальные методы для определения содержания легирующих элементов в составе припоев различных марок.

Исследованию химического состава припоев на различных основах посвящены, в частности, работы [17, 18].

Для фотометрического определения содержания бора в никелевых припоях при выборе реагента руководствуются следующими соображениями:

– реакция должна протекать в водной среде без использования концентрированных минеральных кислот;

– необходимо по возможности избегать экстракции органическими растворителями;

– реакция должна быть селективной – мешающие определению бора ионы должны маскироваться в ходе анализа.

После проведения ряда экспериментов установлено, что вышеизложенным требованиям в основном удовлетворяет реагент Н-резорцин. При этом реакция протекает в слабокислой среде, образующийся комплекс не требуется экстрагирования. Установлено также, что один из компонентов сплава – ниобий – взаимодействует с Н-резорцином. С целью исключения влияния ниобия на результаты определения содержания бора опробовали различные комплексанты: винная и щавелевая кислоты, перекись водорода, комплексон III. В результате эксперимента выявлено, что наиболее эффективное действие на этот процесс оказывает комплексон III, который и был выбран в качестве маскирующего реагента для мешающих ионов.

Структурная и 3D-формулы Н-резорцина представлены на рис. 2.

Рис. 2. Структурная (а) и 3D-формула (б) Н-резорцина

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 2.1. «Фундаментально-ориентированные исследования» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Для проведения исследований и разработки анализа на содержание бора в никелевых припоях применяются следующие материалы:

– смесь кислот хлористоводородной и азотной в соотношении 3:1;

– кислота фосфорная разбавленная (1:1);

– гидроксид натрия – 20%-ный водный раствор;

– кислота борная;

– кислота уксусная (1 М раствор);

– стандартный раствор бора;

– комплексон III – 15%-ный водный раствор;

– ацетатный буферный раствор с рН=4,55;

– Н-резорцин – 0,065%-ный водный раствор.

При проведении исследований используется спектрофотометр ПЭ-5400В.

Результаты

Подготовка проб к исследованию

Разложение проб (0,1–0,2 г) проводили в 20 мл смеси хлористоводородной и азотной кислот в соотношении 3:1. Раствор помещали в конические колбы вместимостью 125 мл без холодильников и с холодильниками с ловушкой летучих фракций у основания, которые соединяли с горлом колбы с помощью шлифа. В качестве исследуемых проб использовали припои соответствующих марок с известным содержанием бора.

При разложении проб в течение 15, 30 и 60 мин (с холодильником) потерь бора не обнаружено. Разложение тех же проб без использования холодильников (в открытых колбах) приводило к потерям бора на ~20% вследствие летучести компонентов с парами воды и кислот.

Для предотвращения этого явления использовали добавки различных веществ, предотвращающих потери бора при разложении проб. В качестве добавок попытались ввести в раствор пробы:

– маннита (1 г);

– 2,5 мл фосфорной кислоты;

– маннита (1 г) с 2,5 мл фосфорной кислоты.

В результате детального изучения влияния добавок на потери бора в процессе разложения проб установлено, что наиболее перспективной и эффективной является добавка фосфорной кислоты: на каждые 20 мл смеси хлористоводородной и азотной кислот рекомендуется вводить 2 мл фосфорной кислоты в соотношении 1:1.

Построение градуировочного графика

Для построения градуировочного графика использовали навески аналогичного сплава, не содержащего бор, в которые перед растворением вводили стандартный раствор бора. Готовили 5 навесок сплава массой 1 г и помещали их в конические колбы вместимостью 125 мл. В каждую из колб добавляли стандартный раствор бора, мл: 1,25; 2,50; 3,75; 5,00; 6,25. Добавляли 2 мл фосфорной кислоты, 20 мл смеси кислот, закрывали колбы воздушным холодильником. Далее процесс проводили по следующей схеме.

Выполнение анализа

Навеску материала массой 0,1 г помещали в коническую колбу вместимостью 125 мл. Добавляли 2 мл фосфорной кислоты (1:1), 20 мл нагретой до кипения смеси кислот. Колбу закрывали воздушным холодильником и осторожно нагревали на теплой плите. Процесс растворения продолжался 25–30 мин. Затем раствор охлаждали, переводили в мерную колбу вместимостью 50 мл, разбавляли водой до метки и перемешивали. Далее раствор фильтровали, отбирали аликвотную часть фильтрата (1 мл) в стакан емкостью 50 мл. К аликвотной части раствора добавляли 5 мл буферного раствора, 10 мл раствора комплексона III; рН раствора устанавливали в интервале 4,55–4,65. После этого раствор переводили в мерную колбу емкостью 50 мл, добавляли 5 мл раствора Н-резорцина, разбавляли до метки водой, перемешивали и проводили фотометрирование. Массовую долю бора вычисляли по градуировочному графику.

Обсуждение и заключения

В результате проведенных исследований и экспериментов найдены оптимальные условия определения содержания бора по его фотометрической реакции с Н-резорцином в припоях на основе никеля ВПр24 и ВПр27. Установлено, что мешающее влияние ниобия на результаты анализа устраняется введением в анализируемый раствор реагента комплексон III. При подготовке пробы к анализу необходимо добавлять фосфорную кислоту для предотвращения потерь бора при растворении навески.

Итогом работы стала методика определения содержания бора в интервале концентраций 0,1–3,0% (по массе) в припоях на основе никеля ВПр24 и ВПр27.

Благодарности

Автор выражает благодарность ведущему научному сотруднику, к.х.н Николаю Валерьевичу Гундобину и ведущему инженеру Людмиле Васильевне Пилипенко, чьи рабочие материалы были использованы при подготовке статьи.