Применение припоев на основе силицидов для пайки высокотемпературных материалов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Институт физики твердого тела РАН

Применение припоев на основе силицидов для пайки высокотемпературных материалов

Гнесин И.Б., к.т.н.; Гнесин Б.А. , д.т.н.

ibgnesin@issp.ac.ru, gnesin@issp.ac.ru

Аннотация

Демонстрируются возможности применения расплавов силицидов тугоплавких металлов для получения паяных соединений керметов, тугоплавких металлов и графита в различных сочетаниях.

Ключевые слова: силициды молибдена, паяные соединения, керметы, тугоплавкие металлы, графит

Реферат:

Продемонстрированы возможности создания паяных соединений с помощью припоев на основе силицидных эвтектик (Mo,W)5Si3 - (Mo,W)Si2 и силицида Mo3Si при температурах до 2100-2150°С. Лишенное макроскопических дефектов паяное соединение графита и вольфрама удалось получить с помощью силицидных эвтектик (Mo,W)5Si3 - (Mo,W)Si2. Для получения многослойных соединений на основе керметов на основе карбидов титана и карбидов вольфрама оказались пригодны припои на основе Mo3Si, причем удавалось получать паяные соединения в соединениях кермет - кермет и кермет - тугоплавкий металл. В случае применения силицида Mo3Si в испытаниях при комнатной температуре удалось наблюдать торможение развития магистральной трещины в слое использованного припоя.

Abstract

Gnesin Ivan Borisovich, Gnesin Boris Abramovich,

The possibilities of refractory metals silicides to obtain brazing joints of cermets, refractory metals and graphite in a different combinations are demonstrated.

Key words:

Mo silicides, brazing connections, cermets, refractory metals, graphite

Введение

Возможность получения паянных соединений различных высокотемпературных материалов, потенциально пригодных для работы при температуре выше 1600С имеет принципиальное значение для многих областей техники, в которых требуется работоспособность изделий при столь высоких температурах, например, в мощных источниках рентгеновского излучения, в перспективных двигателях ракетно-космической техники. Расплавы силицидов молибдена и вольфрама могут быть использованы, [1, 2], для создания паяных соединений, поскольку они хорошо смачивают сплавы тугоплавких металлов, большинство тугоплавких карбидов и углеродные материалы. У перечисленных материалов имеются относительно близкие коэффициенты термического расширения в интервале от комнатной температуры до температуры пайки. Кроме того, в области температур выше 900 -1300С силициды молибдена и вольфрама обладают заметной пластичностью [3, 4], что способствует сохранению сплошности спая при охлаждении от температуры пайки до комнатной температуры и при термоциклировании получаемого паяного соединения. Принципиальное отличие использованных припоев на основе силицидов молибдена и вольфрама от припоев содержащих свободный кремний (собственно Si, эвтектика MoSi2+Si) состоит в том, что температура появления жидкой фазы увеличена с 1400°С на 500-600°С, что позволяет практически на такую же величину повысить максимальную допустимую температуру применения полученных паяных соединений. Обусловлено это тем, что уже вблизи температуры появления жидкой фазы, в связи с проявлением эффекта Ребиндера [5], припои не только сами резко теряют жаропрочность, но также резко понижают сопротивление распространению трещин в материалах, которые они смачивают. Например, в случае эвтектики MoSi2-Si, содержащие ее материалы катастрофически теряют прочность на изгиб при 1375-1400°С, [6]. Поэтому для повышения доступных рабочих температур паяных соединений выше 1400°С повышение температуры плавления припоя до температур существенно более высоких, чем 1400°С, является совершено необходимым. расплав припой тугоплавкий металл

В настоящее время основными примерами использования силицидных припоев могут служить высокотемпературные электронагреватели, изделия электронной техники. В качестве материалов для авиационных двигателей перспективны керметы на основе карбидов титана, в том числе многослойные конструкции с относительно пластичными прослойками, например из сплавов тугоплавких металлов. Важно, что подобные материалы могут быть защищены от окисления покрытиями [2], на основе силицидов молибдена и вольфрама.

Данный доклад посвящен экспериментальной оценке возможностей использования силицидных припоев для создания многослойных высокотемпературных материалов на основе керметов и изучению структуры паяного соединения вольфрама с графитом, интересного для применения в мощных источниках рентгеновского излучения.

1. Данные об использованных методиках исследования

С помощью сканирующего электронного микроскопа-микроанализатора Tescan Vega II XMU были проведены исследования структуры и состава паяных соединений на плоских шлифах, полученных с помощью алмазных порошков.

Все использованные в работе силициды были синтезированы в Лаборатории материаловедения ИФТТ РАН из порошков молибдена марки «МЧ» и поликристаллического кремния, уровень чистоты которого соответствовал используемому для получения солнечных батарей. Керметы, использованные в данной работе, были получены в ИФТТ РАН с помощью порошков карбида титана и карбида вольфрама производства Кировградского завода твердых сплавов. В качестве тугоплавкого металла, заполняющего пространство между карбидами, являющимися каркасными элементами керметов, частично их пропитывающего, использовались сплавы молибдена и/или ниобия.

Паяные соединения, обсуждаемые в данной работе, получали в печи с графитной тепловой зоной, максимальная температура в которой достигала 2100-2150°С.

Контроль фазового состава использованных в работе силицидов и карбидов был проведен в характеристическом изучении молибдена на модернизированном рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 с монохроматором на падающем пучке. Химический состав контролировали с помощью рентгеновского микроанализа.

Испытания при высокой температуре были проведены в сконструированной и изготовленной в Лаборатории материаловедения печи, установленной на испытательную машину и позволяющей использовать деформирующее и силоизмерительное возможности «Instron 1195».

2. Экспериментальные результаты

В работе были получены паяные соединения с помощью силицидных припоев двух различных типов. Для получения паяного соединения графит - вольфрам использовали припой на основе эвтектик (Mo,W)5Si3 - (Mo,W)Si2, [2], а для паяного соединения керметов на основе карбида титана и карбида вольфрама друг с другом и с молибденом использовали припой состава Mo3Si. В использованных условиях пайки припои хорошо смачивали соединяемые материалы и после их кристаллизации обеспечивали образование паяного соединения.

Основной сложностью при получении лишенного макроскопических трещин и пор паяного соединения вольфрама с графитом является согласование коэффициентов термического расширения припоя и соединяемых материалов, рис. 1.

Рис. 1 Дефекты соединения графит - вольфрам, образующиеся при неоптимальном подборе состава припоя и режима пайки

Обнаруженное нами образование карбидов вольфрама внутри слоя силицидного расплава в данном случае препятствовало получению качественного паяного соединения. Если же химическое взаимодействие вольфрама и графита удается подавить или существенно ограничить за счет выбора состава силицидного припоя и температурно-временного режима пайки, то может быть получен спай лишенный макроскопических дефектов, рис. 2.

Рис. 2 Полученное в рамках работы паяное соединение графит - вольфрам. Отсутствуют макроскопические дефекты

Для пайки керметов на основе карбидов титана и карбидов вольфрама в ИФТТ РАН были опробованы припои на основе Mo3Si, которые по температурам пайки (2050-2100°С) мало отличаются от припоев на основе эвтектик (Mo,W)5Si3 - (Mo,W)Si2. При этом припои на основе Mo3Si имеют более близкие значения линейных коэффициентов температурного расширения к таковым у использованных керметов. Температура возможного проявления катастрофической потери прочности в связи эффектом Ребиндера для этих двух типов силицидных припоев оценивается как 1800°С, т.к. обычно механические свойства начинают снижаться несколько ниже температуры появления жидкой фазы.

Для полученных в ИФТТ РАН керметов на основе карбида вольфрама WC и сплавов молибдена и изгибная прочность при комнатной температуре составляла 290-360 МПа, при температуре около 1350°С она составляла более 220 МПа.

Использование в многослойных композитах паяных соединений - прослоек из сплавов на основе Mo3Si, а не (Mo,W)5Si3 - (Mo,W)Si2, связано с потенциальными возможностями обеспечить более высокий уровень вязкости разрушения в менее богатом кремнием силициде Mo3Si. Иллюстрацией такой возможности является экспериментально наблюдавшееся торможение магистральной трещины, возникшей при изгибе кермета в слое припоя на основе Mo3Si, рис. 3.

Рис. 3 Торможение трещины в соединении кермета с помощью припоя Mo3Si. Слева изображение в отраженных электронах, справа во вторичных

Между темным (на рис. 3) слоем кермета и светлым слоем Mo3Si имеется промежуточный слой толщиной около 200 мкм, образовавшийся в результате взаимодействия кермета и припоя. Развитие трещины прекратилось на границе этого промежуточного слоя и слоя Mo3Si.

Выводы

1. Продемонстрирована возможность получения паяных соединений тугоплавких металлов и сплавов с графитом с помощью силицидных эвтектик (Mo,W)5Si3 - (Mo,W)Si2.

2. Показана возможность получения паяных соединений керметов на основе карбида вольфрама WC и карбида титана между собой и с тугоплавкими металлами используя припой на основе Mo3Si.

3. Температуры пайки для обоих опробованных типов силицидных припоев на основе Mo3Si и на основе эвтектик (Mo,W)5Si3 - (Mo,W)Si2 составляют 2050-2100°С. Температура возможного проявления катастрофической потери прочности в связи эффектом Ребиндера для этих припоев оценивается как 1800°С.

4. Обнаружена способность торможения распространения магистральной трещины в слое припоя на основе Mo3Si.

Литература

1. Cherniak G.B., Elliot A.G. High-Temperature Behavior of MoSi2 and Mo5Si3 // Journal of American Ceramic Society. 1965, v.47, No 3. 136-141 р.

2. Гнесин Б.А., Гуржиянц П.А. Жаростойкий материал. Патент РФ № 2178958, заявлено 17.02.2000, опубликовано 27.01.2002.

3. Yao Zh., Jacob J., Stiglich J.J., Sudarshan T.S. Molybdenum Silicide Based Materials and Their Properties // Journal of Materials Engineering and Performance. 1999. v.8, No 3. 291-304 p.

4. Suzuki Y., Niihara K. Synthesis and mechanical properties of Mo?5Si3C?1 and Mo?5Si3C?1-based composites // Intermetallics. 1998. v. 6, No 1. 7-13 p.

5. Ребиндер П.А. О влиянии изменений поверхностной энергии на спайность, твердость и другие свойства кристаллов // Cъезд русских физиков. Перечень докладов, представленных на съезд, с кратким их содержанием, ГИЗ, М.--Л.: 1928, стр. 29.

6. Mayer S., Heinrich Ju.G. Processing-microstructure properties relationships of MoSi2-SiC composites // Journal of the European ceramic society. 2002. v.22, No 13, 2357-2363 p.

Размещено на Allbest.ru