Пайка никеля и его сплавов имеет много сходного с пайкой сплавов на железной основе. Различие определяется особенно­стями основы сплавов. На поверхности чистого никеля при всех температурах нагрева в окислительной среде образуется только оксид NiO. При наличии в никеле железа и марганца может обра­зоваться оксид (Ni, Mn, Fe)0 на основе NiO.

Легирование никеля хромом (нихромом), алюминием, титаном вызывает образование оксидов трех структурных типов: 1) МЄ2О3 (изоморфных О2О3), где Me — Fe, Cr, Mn, Ni, Al; 2) МеТіОз (изоморфных №ТіОз), где Me — Fe, Ni; 3) шпинели типа ГчІіО-МегОз. Структуры МЄ2О3 и МеТіОз изоморфны.

При низких температурах (до ~500 °С) на поверхности спла­вов на основе нихрома образуется оксид NiO; при более высокой температуре в зависимости от легирования образуется два других структурных типа (самостоятельно или совместно); внутренние слои окалины обогащены легирующими элементами. При темпе­ратуре 1200 °С и выше на поверхности легированных никелевых сплавов образуется рекристаллизованный оксид NiO, свидетельст­вующий о потере жаростойкости (Н. Ф. Лашко и И. А. Пони - зовская).

Из-за трудности удаления оксида механическим путем поверх­ность никелевых сплавов чаще всего подвергают травлению в спе­циальных ваннах не более чем за 24 ч перед пайкой. Один из тра­вильных растворов, например, имеет состав: 1000 см3 Н20; 1500 см3 H2S04 (1,87 г/см3); 2250 см3 HN03 (1,36 г/см3) и 36 г NaCl. Деталь перед травлением выдерживают в горячей воде, затем погружают в травильную ванну на 5—10 с, промывают в горячей воде, нейтрализуют остатки кислот в 1 %-ном растворе аммиака и просушивают, например, в опилках.

Детали из сплава ХН77ТЮР и других высоколегированных сплавов травят в растворе, содержащем 150 см3 NH3, 50 г NaF, 850 см2 Н2О. Процесс травления длится 10 мин при температуре 20 °С; затем детали промывают в горячей воде (60—70 °С) и про­сушивают (60—70 °С). Поверхности небольших деталей перед пайкой также зачищают шлифовальной шкуркой с последующей промывкой в спирте или трихлорэтане.

Для предотвращения образования слоя оксидов на паяемом металле в процессе пайки детали нагревают в восстановительных средах, вакууме или с применением солевых флюсов.

Большинство никелевых сплавов предназначены для работы при высоких температурах, поэтому пайка их легкоплавкими при­поями применяется редко. В этом случае пригодны оловян­но-свинцовые припои, содержащие 50 и 60 % Sn и флюсы 38Н и другие, используемые для пайки коррозионно-стойких сталей. Детали из никелевых сплавов, работающие при температуре до 350—500 °С, паяют серебряными припоями. В этом случае для пайки сплавов нимоник 75 и нимоник 80 (соответствующих спла­вам ХН78Т и ХН77ТЮ) рекомендуются припои следующих со­ставов (%): 1) 60 Ag, 15 Си, 25 Zn (/Пл = 674-^677 °С); 2) 66,7 Аг, 23,3 Си, 10 Zn, (*пл = 7054-723 °С); 3) 61 Ag, 28,5 Си, 10,5Zn (/пл = 720^-746 °С); 4) 85Agnl5Mn (*пл = 970-^980 °С) [34]. При более высокой температуре могут работать детали, паян­ные серебряными припоями системы Ag—Pd—Мп, например, припоем, содержащим 75 % Ag, 20 % Pd, 5 % Mn (tn = 1120 °С). При повышенных требованиях к коррозионной стойкости паяных соединений используют припои с содержанием ^50 % Ag.

При пайке никеля медью паяемый металл значительно раство­ряется в припое, и поэтому необходимы строгая дозировка при­поя, более близкое расположение его к зазору или укладка в за­зор и пайка без перегрева.

При взаимодействии никеля с серой в процессе нагрева по границам его зерен образуется легкоплавкая эвтектика, вызы­вающая охрупчивание металла. Поэтому содержание серы в за­щитных и восстановительных газах при пайке никеля и его спла­вов не должно превышать 0,40 мг/л; остатки масел, красок, сма­зочных материалов и других веществ, содержащих серу, тща­тельно удаляют с поверхности деталей перед пайкой. Подобное же действие на никель и его сплавы оказывают свинец, висмут, мышьяк и некоторые другие легкоплавкие металлы.

Никелевые сплавы типа нихром и монель склонны к охрупчи­ванию в контакте с жидкими припоями, особенно содержащими серебро, кадмий, цинк. Для предотвращения хрупкого разрушения под напряжением детали из этих сплавов паяют в отожженном состоянии и при отсутствии внутренних и внешних растягивающих напряжений. Нагрев под пайку осуществляют в электропечах, индукционным способом, в солевых ваннах, в пламени газовых горелок и т. п.

Возросла роль пайки в создании конструкций из высокожаро­прочных никелевых сплавов. Сварка плавлением деталей из таких сплавов весьма усложняется в связи с большой склонностью по­следних к образованию кристаллизационных трещин, а также к образованию трещин в процессе нагрева после сварки в интер­вале температур 700—800 °С (из-за больших остаточных напря­жений, образующихся при охлаждении после сварки).

Применение пайки развивалось в четырех направлениях, опре­деляемых выбором и способом образования припоев на никеле­вой основе с относительно невысокой температурой плавления, условиями пайки в вакууме и использованием давления.

Снижение температуры плавления никелевых припоев дости­галось введением депрессантов — кремния, бора, марганца, угле­рода, фосфора (табл. 56).

Эти припои пригодны для пайки никелевых жаропрочных сплавов при относительно невысоких температурах; они смачивают их, растекаются и затекакуг в зазор. Припои, содержащие бор, вызывают, кроме того, межзеренную химическую эрозию паяемого металла, которую можно уменьшить или подавить, применяя по­верхностное никелирование сплавов. Такое никелирование к тому же защищает сплав от образования оксидной пленки, образую­щейся в связи с легированием паяемых сплавов алюминием и ти­таном. Характеристики прочности соединений никелевых сплавов, паянных этими припоями, невысоки, так как в паяном шве обра­зуются хрупкие соединения боридов, силицидов и карбидов.

Пайку припоями, легированными бериллием и особенно бором, необходимо проводить, тщательно соблюдая температурный и временной режим, чтобы предотвратить интенсивную химическую эрозию никелевых сплавов в жидких припоях. Процесс пайки ведут возможно быстрее И'без перегрева.

Особенно интенсивной/химической эрозии в борсодержащих припоях подвержены никелевые сплавы, легированные бором^ Тонкостенные конструкции из никелевых сплавов паять такими припоями не рекомендуется.

Припои с кремнием слабее растворяют никелевые сплавы, чем припои с бором или бериллием; поэтому пайку ими можно вести даже с небольшим перегревом (до 40 °С). Одйако при значитель - 338

ных выдержках (свыше 15—30 мин, особенно при температуре выше 1220 °С) может произойти заметное развитие локальной и общей химической эрозии паяемого металла, что в некоторых случаях сопровождается заметным увеличением величины зерна припоя и ухудшением его жидкотекучести.

Пайка нихрома, сплава инконель и никелевых сплавов, содер­жащих алюминий и титан, требует достаточно активных флюсов. Для этого пригодны флюсы 200, 201. Однако при применении бо - ридных флюсов такого типа существует опасность (особенно при печном нагреве) эрозионного поражения поверхности паяемого металла из-за образования легкоплавкой боридной эвтектики Ni— В. Поэтому пайку никеля и его сплавов типа нихром при темпе­ратуре 1000—1250 °С в печах иногда проводят в атмосфере су­хого водорода с точкой росы — 40-= 70 °С. Сплавы, легирован­

ные алюминием и титаном, паяют в вакууме (р= 1,33-10~ 1 Па) в смесях нейтральных газов с газовыми флюсами BF3 или NH4C1. При использовании более низкого вакуума (р= 1 -=-6,65) 10“2 Па паяемую поверхность предварительно покрывают электролитиче­ским никелем, медью или наносят на нее тонкий слой солевых флюсов.

При диффузионной пайке жаропрочных никелевых сплавов в вакууме, инертной или восстановительной атмосфере для предотвращения роста зерен (вторичной рекристаллизации) в за­зор закладывают припой в виде фольги, содержащий 77 % Ni, 13% Сг, 10 % Р с температурой плавления 890 °С, покрытой порошком состава (%): 84 Ni, 12 Сг, 4 Мо. Нагрев при пайке происходит при 1050 °С в течение 60 мин при давлении 5 МПа. Жидкая фаза расплавившегося сплава Ni—Сг—Р проникает между частицами порошка и диффундирует одновременно в паяе­мый материал. Иногда припой системы Ni—В—Сг изготовляют без бора в виде ленты фольги, а затем его насыщают бором до требуемого содержания. При контактно-реактивной диффузион­ной пайке содержание бора в шве понижается в результате его диффузии в основной материал. Возможна контактно-реактивная диффузионная пайка никелевых сплавов после насыщения бором их поверхности [39].

Диффузионная пайка припоями на основе никеля (В Ni-2, В Ni-5 и В Pd-Зб) сопровождается интенсивной рекристаллиза­цией сплава AlSi-316 при температуре выше 1050 °С. В инконеле скорость диффузии бора выше, чем в сплаве AlSi-316. Скорость диффузии бора во всех случаях возрастает с повышением тем­пературы.

Контактно-реактивная пайка жаропрочных никелевых сплавов возможна также путем прокладки между ними фольги ниобия, титана, ванадия с последующим нагревом до температуры плав­ления эвтектики в вакууме (р = 1,33• 10~2 Па), активных газах или с флюсом. Пайка производится при приложении давления на соединяемые детали.

Для пайки никеля и его сплавов в качестве припоев пригодна также медь.

Характерно, что применение медных припоев и нанесение мед­ных покрытий на холоднотянутые отожженные листы сплавов типа инконель приводит к ухудшению процесса смачивания, рас­текания и затекания в зазор. Медные припои легко окисляются, в связи с этим они нашли весьма ограниченное применение для пайки никелевых сплавов. Причем медные припои не должны со­держать фосфора, так как'в паяном соединении могут образо­ваться прослойки хрупких фосфидов никеля (№зР).

Никелевые сплавы в контакте с жидким серебром или сереб­ряными припоями легко охрупчиваются и разрушаются под дейст­вием растягивающих напряжений.

Припои на основе алюминия, магния, титана, цинка образуют на никелевых сплавах хрупкие швы и поэтому не применяются.

Припои системы Ni—Мп—Сг почти не вызывают химической эрозии никелевых сплавов при пайке. Однако при сильных пере­гревах и длительном контакте жидкого припоя с паяемым метал­лом может развиться заметная химическая эрозия последнего. Никелевые сплавы меньше всего поражаются эрозией при пайке палладиевыми припоями систем Pd—Ni и Pd—Ni—Сг с темпера­турой плавления до 1250 °С; образующиеся паяные швы жаро­стойки до 500—800 °С.

Пайка жаропрочных никелевых сплавов палладиевыми при­поями может быть осуществлена в вакууме или в аргоне, активи­рованном фтористым бором (BF3) или фтористым водородом (HF). Ширина зазоров при пайке с флюсами 0,005—0,12 мм, а при пайке в защитных и восстановительных средах примерно 0,015 мм. Припои Ni—Мп—Сг обычно применяют при пайке в смесях Ar + BF3 или Ar + HF; пайка в вакууме припоями, содержащими значительные количества марганца, может сопровождаться интен­сивным испарением последнего, что способствует повышению коррозионной стойкости паяных соединений.

Нанесение на паяемый металл никелевого покрытия, а также введение в зазор никелевой фольги или никелевого порошка спо­собствуют лучшему затеканию припоев при пайке никелевых сплавов типа инконель X состава (%): 73 Ni; 15,51 Сг; 7 Fe; 0,04 С; 0,8 А1; 2,5 Ті; 0,3 Si; 0,85 Nb+Ta (табл. 57).

Длительная гомогенизация образцов из сплава ХН77ТЮР, паянных припоями Ni—В—Сг, Ni—Si—Сг, способствует резкому снижению их долговечности; подобное действие гомогенизирую­щего отжига наблюдается и в соединениях, паянных припоями Ni—В и Ni—Be, что, возможно, обусловлено межзеренным про­никновением бора и бериллия в основной металл. Соединения из сплава ХН77ТЮР, паянные, припоями типа Ni—Сг—Мп, могут работать в условиях нагрева до температуры 850 °С, а паянные припоями на основе систем Ni—Si—Сг до температуры 1000 °С.

К основным особенностям способа активированной прессовой

паики жаропрочных сплавов относятся введение жидкого припоя в зазор или образование его путем контактно-реактивного плав­ления с последующим частичным или полным удалением жидкой фазы из зазора в результате приложения давления и дальнейшим соединением металлов по способу диффузионной пайки. Преи­мущества такого способа пайки связаны с активированием по­верхностного слоя соединяемых сплавов при взаимодействии их с жидким припоем в результате диспергации и удаления оксидных пленок с жидкой фазой при выдавливании ее из зазора под дейст­вием приложенного извне давления. При этом облегчается возмож­ность сцепления соединяемых металлов через очень тонкий слой жидкой фазы, при наличии которого проявляется механизм кон­тактного упрочнения или непосредственного схватывания соеди­няемых поверхностей.

Такой способ соединения особенно эффективен, например, для высокотемпературных никелевых или кобальтовых жаропрочных сплавов, которые обычно паяют хрупкими припоями, легирован­ными неметаллическими депрессантами, такими, как кремний, бор, и малопластичным металлическим марганцем. Способ, по данным Дж. С. Хоппина, применен впервые для соединения де­талей авиационных газовых турбин, в частности, лопаток из жа­ропрочных никелевых сплавов системы нимоник в связи с необ­ходимостью устранения склонности металла входных кромок лопаток к образованию межзеренных трещин в результате тер­мической усталости. Этот участок лопаток изготовляют из моно­кристалла, который присоединяют к остальной части лопатки путем пайки по вышеуказанному способу. В качестве припоя - активатора паяемой поверхности для сплава Rene-80 рекомендо­ван припой состава (%): 0,18 С, 1 В, 18 Cr, Ni — остальное.

Большое значение при таком способе пайки придается очень малому давлению на соединяемые детали (0,07—1,27 МПа) в свя­зи с высокой склонностью этого припоя к затеканию по границам

зерен паяемого жаропрочного сплава. Малое давление должно обеспечивать только контакт паяемых металлов с дозой жидкого припоя по активированной поверхности.

Для высокотемпературной пайки сплавов инконель системы Ni—Сг—Fe наиболее пригодны никелевые припои. Содержание в сплавах типа инконель элементов, образующих весьма стойкие оксидные пленки, таких, как алюминий и титан, от 0,5 % и выше (в сумме) заметно ухудшает смачивающую способность их при­поями. В этом случае поверхность паяемого металла должна быть подготовлена перед пайкой шлифованием и травлением, при ко­торых хорошо удаляется слой оксидной пленки и обеспечивается шероховатость поверхности, улучшающая растекаемость припоя. Нанесение никелевого покрытия на такие сплавы также улучшает смачивание их жидкими никелевыми припоями.