Особенности Формирования Микроструктуры Паяных Соединений Жароупрочных Никелевых Сплавов с Иридием

Введение

В настоящее время в России для газотурбинных двигателей (ГТД) используются свечи зажигания с электродами из жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС). Данные свечи относительно просты в изготовлении, однако имеют ограниченный срок службы из-за электроэрозионного износа. При эксплуатации свечи рабочие поверхности электродов выгорают, что вызывает увеличение межэлектродного зазора и соответствующее повышение пробивного напряжения [1, 2]. При этом снижается стабильность работы свечи, повышается нагрузка на аппарат зажигания, что приводит к выходу свечи зажигания из строя. 

Ведущие иностранные производители свечей зажигания, такие как Champion Spark Plug Co (США), Unison Industries (США), NGK Spark Plug Co (Япония), используют в качестве материала электродов иридий. Данный элемент обладает более высокой стойкостью к электроэрозионному износу по сравнению с ЖНС, что обеспечивает увеличение ресурса работы свечей зажигания более чем в 2 раза. Из-за высокой стоимости иридия электроды изготавливают из двух составных частей:

– контактодержатель из ЖНС, обеспечивающий конструкционную прочность и герметичность свечи зажигания, а также подвод электрической энергии к рабочему контакту;

– контакт из иридия в виде цилиндра диаметром 1–4 мм или кольца, обеспечивающий стабильное дугообразование в течение длительного времени.

Одним из методов соединения иридиевых контактов с контактодержателем или корпусом свечи зажигания является сварка (контактная, электронно-лучевая, лазерная) [3, 4]. Данные методы широко применяют при изготовлении свечей зажигания двигателей внутреннего сгорания. Сварка обеспечивает высокую производительность процесса изготовления свечей зажигания, но вызывает образование зоны термического влияния в иридиевом контакте, что приводит к его охрупчиванию и снижению устойчивости к термоциклическим нагрузкам. Проблема особенно актуальна при производстве свечей зажигания ГТД, где электроды имеют значительные геометрические размеры и работают в условиях повышенной эксплуатационной нагрузки. Увеличение размеров контактов требует большего тепловложения при сварке, что, в свою очередь, вызывает расширение зоны термического влияния.

В зарубежной практике производства свечей зажигания ГТД для соединения иридиевых контактов с контактодержателем широко применяется технология высокотемпературной пайки. В отличие от традиционных методов сварки плавлением, этот подход исключает локальный высокотемпературный нагрев и быстрое охлаждение. Благодаря этому в иридиевых контактах не формируются рекристаллизованные закалочные структуры, которые могли бы привести к их охрупчиванию [3–8].

Для пайки иридиевых контактов с ЖНС наиболее перспективными являются сложнолегированные припои на основе никеля [5–9]. Они обладают высокой жаростойкостью (вплоть до 1150 °С) и необходимым сродством с материалом контактодержателя. В качестве депрессантов припоев (элементов, снижающих температуру плавления припоя) на основе никеля наиболее часто используются такие элементы, как марганец, фосфор, палладий, бор и кремний. Марганец и фосфор снижают жаростойкость припоев на основе никеля и используются в системах легирования припоев с относительно невысокой рабочей температурой (≤800 °С). Никелевые припои с палладием обладают относительно высокой пластичностью, что положительно сказывается на устойчивости паяных соединений к термоциклированию. Однако такие припои требуют введения значительного количества палладия (≥30 %), что значительно увеличивает стоимость изделий, изготовленных с его применением. Жаропрочные никелевые припои, в которых в качестве депрессантов используются бор и кремний, обладают высокой жаростойкостью и обеспечивают высокую прочность паяных соединений ЖНС. Однако при взаимодействии с иридием на границе раздела «паяный шов–иридиевый контакт» они могут формировать интерметаллидные хрупкие включения на основе силицидов и боридов иридия, которые могут негативно сказаться на стойкости паяного соединения к термоциклированию, особенно после длительных выдержек при высоких температурах (1000 °С) [10, 11]. Поэтому для пайки иридиевых контактов целесообразно использовать припои с ограниченным содержанием бора и кремния. Помимо перечисленных элементов для снижения температуры плавления жаропрочных никелевых припоев применяют также молибден, ниобий и титан.

Жаростойкость никелевых припоев достигается за счет добавления хрома и алюминия. Хром, улучшая жаростойкость, снижает температуру плавления, но одновременно уменьшает жидкотекучесть и способность припоя заполнять протяженные зазоры. Алюминий также эффективно повышает жаростойкость, однако снижает пластичность и жидкотекучесть припоя.

Конструкция паяного соединения иридиевого контакта, как правило, представляет собой соединение типа «втулка–шайба» с глухой заделкой одного конца. Для такого соединения требуется припой с высокой жидкотекучестью, что накладывает ограничения на его состав. Содержание хрома необходимо ограничить до 25 % (по массе), а алюминий следует полностью исключить.

Таким образом, для повышения жаростойкости паяных соединений целесообразно применять сложнолегированные припои на основе никеля. Однако из-за сложного химического состава подобные припои являются недеформируемыми и не могут быть получены традиционными методами в виде полос, фольги или прутков. Для их производства применяется метод газоструйного распыления, позволяющий получать металлические гранулы сферической формы с небольшим интервалом размеров частиц порошка и минимальным содержанием газов. Для повышения удобства использования и точности дозировки порошка припоя применяют специально разработанные полуфабрикаты в виде лент и паст на основе органического связующего [12–18].

В России припои и технологии пайки для соединения иридия с ЖНС, обеспечивающие работоспособность паяных соединений в условиях эксплуатации свечей зажигания ГТД, отсутствуют. Для создания научных основ пайки иридиевых контактов свечей зажигания с ЖНС с использованием припоев на основе никеля проведена работа по опробованию для этих целей серийных и опытных припоев.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 10.9. «Припои и технологии высокотемпературной диффузионной пайки с компьютерным управлением технологическими параметрами для формирования оптимальной структуры паяного соединения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [19].

Материалы и методы

Для изготовления центральных электродов свечей зажигания ГТД широко применяется сплав ХН60ВТ. Поэтому данный сплав выбран в качестве материала электрододержателя для перспективных свечей зажигания ГТД с иридиевыми контактами.

При температуре нагрева >200 °С в иридии протекают рекристаллизационные процессы, которые снижают его механические характеристики. Для пайки иридия с никелевым сплавом ХН60ВТ выбран припой ВПр50, используемый для соединений ЖНС с рабочими температурами до 1000 °C. Испытаны также экспериментальные никелевые припои с пониженным содержанием кремния и ниобия, дополнительно легированные титаном. Внешний вид проб на растекаемость при выборе температуры пайки представлен на рис. 1.

Выплавку припоев осуществляли в электродуговой печи с медным водоохлаждаемым кристаллизатором, что обеспечивает минимальную зависимость процесса от состава и температуры плавления припоев. Такой подход позволяет проводить выплавку в широком диапазоне температур (от 800 до 1500 °C) без значительных изменений технологических параметров. Использование медного кристаллизатора предотвращает контакт расплава с тиглем, исключая изменения химического состава припоев в процессе выплавки.

Для обеспечения равномерного сплавления всех компонентов шихты и однородного состава по всему объему слитка применялся повторный переплав. Анализ химического состава показал, что отклонения от расчетных значений не превышают 5 % (по массе).

Микроструктуру паяных соединений изучали с использованием растрового электронного микроскопа, оснащенного приставкой для электронно-зондового микроанализа.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Микроструктура паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ, выполненного припоем ВПр50, после пайки представлена на рис. 2. Припой в процессе пайки взаимодействует с иридием, в результате чего основные элементы припоя (кобальт, никель и хром) активно проникают в иридий на глубину до 20 мкм. В свою очередь иридий, растворяясь в припое, насыщает паяный шов до содержания 20 % (по массе) (рис. 3). Такое интенсивное насыщение иридием может быть обусловлено только его растворением припоем. В паяном соединении отчетливо видны крупные эвтектические включения на основе боридов хрома и молибдена, а также силицидов никеля. Силициды и бориды в паяном соединении являются нежелательными структурными составляющими, так как они значительно отличаются по физико-механическим характеристикам от соединяемых материалов и при термоциклических нагрузках будут являться концентраторами напряжений и центрами зарождения усталостных трещин, которые в последующем приведут к хрупкому разрушению паяного соединения.

Микроструктура паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ, выполненного припоем ВПр50, после термической обработки представлена на рис. 4, химический состав различных зон – на рис. 5 и в табл. 1. При термической обработке при температуре 1000 °C в течение 300 ч, имитирующей работу паяного соединения при повышенной температуре, в результате диффузионных процессов кобальт и никель из паяного соединения практически полностью вытесняются иридием и диффундируют в соединяемые материалы (иридий и сплав ХН60ВТ). Глубина диффузии легирующих элементов припоя в иридий достигает 75 мкм, а иридия в сплав ХН60ВТ: 100 мкм. При этом содержание иридия в паяном шве составляет 80–90 % (по массе). Кремний также диффундирует в соединяемые материалы, образуя зоны по двум сторонам паяного шва, содержащие до 2,5 % (по массе) кремния. Молибден полностью диффундирует в околошовную зону сплава ХН60ВТ. В результате длительной выдержки паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ при температуре 1000 °С паяный шов трансформируется в сплав состава Ir–4Ni–8Cr. Интерметаллидные соединения и эвтектические структуры в паяном шве и околошовных зонах не обнаружены.

Микроструктура паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ, выполненного опытным припоем 6, после пайки представлена на рис. 6 и 7. Припой в процессе пайки взаимодействует с иридием, в результате чего кобальт, никель и хром проникают в иридий на глубину до 8 мкм. Иридий растворяется в припое и насыщает паяный шов. Содержание иридия в паяном шве достигает 20 % (по массе). Меньшая глубина проникновения легирующих элементов в иридий, по-видимому, обусловлена зоной на границе с иридием, обогащенной титаном (до 4 % (по массе)), которая ограничивает скорость взаимодействия припоя с иридием. В паяном соединении отчетливо видны эвтектические включения на основе боридов хрома и молибдена. Включения силицидов никеля в паяном шве содержатся в незначительном количестве. Включения боридов хрома и молибдена в паяном соединении, выполненном опытным припоем 6, в отличие от паяного соединения, выполненного припоем ВПр50, имеют меньший размер и менее плотно топологически упакованы, что снижает их негативное влияние на сопротивление усталости паяного соединения при повышенной температуре. Соединения титана представлены равномерно распределенными мелкими выделениями и не должны оказывать существенного негативного влияния на механические свойства паяного соединения.

Микроструктура паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ, выполненного опытным припоем 6, после термической обработки представлена на рис. 8 и 9, химический состав различных зон – на рис. 10 и в табл. 2. При термической обработке в результате диффузионных процессов кобальт и никель из паяного соединения практически полностью вытесняются иридием и диффундируют в соединяемые материалы. Глубина диффузии легирующих элементов припоя в иридий достигает 44 мкм, иридия в сплав ХН60ВТ: 53 мкм. При этом содержание иридия в паяном шве составляет 75–80 % (по массе). Кремний диффундирует преимущественно в сплав ХН60ВТ, образуя диффузионную зону с содержанием кремния до 1,5 % (по массе). Молибден полностью диффундирует в околошовную зону сплава ХН60ВТ, в которой его содержание составляет до 2,2 % (по массе). В результате длительной выдержки паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ при температуре 1000 °С паяный шов трансформируется в сплав состава Ir–10Ni–10Cr. Со стороны сплава ХН60ВТ формируется зона с повышенным (до 5 % (по массе)) содержанием титана, обедненная хромом (до 3,3 % (по массе)). Интерметаллидные соединения и эвтектические структуры в паяном шве и околошовных зонах не обнаружены.

Микроструктура паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ, выполненного опытным припоем 8, после пайки представлена на рис. 11 и 12. Припой в процессе пайки взаимодействует с иридием, в результате чего основные элементы припоя проникают в иридий на глубину до 6 мкм, а иридий, растворяясь в припое, насыщает паяный шов до содержания 20 % (по массе). Интенсивность взаимодействия припоя с иридием ограничивается прослойкой с повышенным (до 8 % (по массе)) содержанием титана на границе «иридий–паяный шов». Уменьшению объема взаимодействия также, по-видимому, способствует пониженное содержание кремния в припое. Бориды хрома и молибдена преимущественно выделяются в виде тонких прослоек на границах зерен паяного соединения в середине паяного шва. Такое небольшое количество боридов не оказывает существенного влияния на физико-механические свойства паяного соединения. Мелкодисперсные соединения титана преимущественно распределены на границе «иридий–паяный шов» и в середине паяного соединения и не должны оказывать существенного негативного влияния на механические свойства паяного соединения.

Микроструктура паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ, выполненного опытным припоем 8, после термической обработки представлена на рис. 13 и 14, химический состав различных зон – на рис. 15 и в табл. 3. При термической обработке в результате диффузионных процессов кобальт и никель из паяного соединения практически полностью вытесняются иридием и диффундируют в иридий и сплав ХН60ВТ. Глубина диффузии легирующих элементов припоя в иридий достигает 38 мкм, а иридия в сплав ХН60ВТ: 55 мкм. При этом содержание иридия в паяном шве составляет 75–80 % (по массе). Кремний, кобальт и молибден равномерно распределяются по зонам паяного соединения при содержании меньше значимого порога обнаружения методом рентгеноспектрального анализа. В результате длительной выдержки паяного соединения иридия со сплавом ХН60ВТ при температуре 1000 °С паяный шов трансформируется в сплав состава Ir–16Ni–10Cr. Интерметаллидные соединения и эвтектические структуры в паяном шве и околошовных зонах не обнаружены.

Данные предположения подтверждают результаты исследования микроструктуры галтельных участков паяных соединений иридия со сплавом ХН60ВТ (рис. 16). Анализ показал, что опытные припои 6 и 8 не образуют зону избыточного облуживания на поверхности иридия. Кроме того, галтели, выполненные с использованием этих припоев, демонстрируют высокую устойчивость к газовой коррозии в процессе длительной термической обработки. На галтелях, выполненных опытными припоями 6 и 8, не наблюдаются трещины на стороне иридия, что свидетельствует об их надежности и долговечности.

Заключения

Иридиевые свечи зажигания демонстрируют превосходные эксплуатационные характеристики благодаря высокой коррозионной стойкости и термической устойчивости иридия, что делает их идеальным выбором для двигателей внутреннего сгорания, работающих в сложных условиях. Анализ микроструктуры паяных швов серийного припоя ВПр50 и опытных припоев позволил определить причины разупрочнения при длительной работе свечей зажигания с иридиевыми контактами. При оптимизации состава припоя удается избежать избыточного облуживания паяных изделий и улучшить фазовую стабильность соединений, обеспечивая их долговечность и устойчивость к термоциклическим и коррозионным воздействиям. Полученные результаты подтверждают, что экспериментальные составы припоев открывают перспективы для создания более надежных и долговечных свечей зажигания, способных выдерживать высокие эксплуатационные нагрузки.