Профессиональные производители вакуумных печей покажут вам, как оптимизировать вакуумную пайку титановых сплавов

---

Титановые сплавы широко используются в аэрокосмической, медицинской и химической промышленности благодаря своей высокой прочности, низкой плотности и превосходной коррозионной стойкости. Однако высокая химическая активность титановых сплавов позволяет им легко реагировать с кислородом, азотом и т. д. при высоких температурах с образованием хрупких соединений, поэтому вакуумная пайка становится одним из предпочтительных процессов соединения титановых сплавов. В процессе вакуумной пайки скорость нагрева и время выдержки являются двумя ключевыми параметрами процесса, которые напрямую влияют на плавление, смачивание, диффузию припоя, а также на микроструктуру и механические свойства сварного шва. В данной статье подробно рассматриваются роль, факторы влияния и стратегии оптимизации скорости нагрева и времени выдержки при вакуумной пайке титановых сплавов.

Эффекты и влияния скорости нагрева
Скорость нагрева — это скорость нагрева от комнатной температуры до температуры пайки, которая обычно выражается в °С/мин. При вакуумной пайке титанового сплава выбор скорости нагрева должен сбалансировать эффективность и качество. Его основные функции и влияния включают:

Плавление и смачивание припоя
Более медленная скорость нагрева (например, 5–10 °C/мин) способствует постепенному расплавлению припоя и равномерному смачиванию поверхности подложки, что позволяет избежать локального перегрева или разбрызгивания припоя, вызванного быстрым нагревом. Слишком высокая скорость нагрева (например, более 20 °C/мин) может привести к преждевременному расплавлению припоя до того, как он полностью смочит подложку, что приведет к неравномерному смачиванию или дефектам сварки (например, порам).

Контроль окисления поверхности субстрата
Хотя вакуумная среда значительно снизила парциальное давление кислорода, на поверхности титановых сплавов все еще могут присутствовать следовые количества оксидов (например, TiO₂). Более медленная скорость нагрева позволяет восстановить эти оксиды активными элементами (такими как Ti и Zr) в припое при более низкой температуре, тем самым улучшая качество соединения интерфейса. Быстрый нагрев может помешать оксиду со временем разложиться и непосредственно захватить сварной шов, образовав хрупкую фазу.

Термическое напряжение и деформация
Титановые сплавы имеют низкий коэффициент теплового расширения, но быстрый нагрев может привести к большим градиентам температуры внутри заготовки, что может вызвать термические напряжения и риски деформации, особенно в сложных конструкциях, таких как тонкостенные или детали специальной формы. Соответствующее замедление скорости нагрева может эффективно снизить термическую нагрузку и сохранить геометрическую точность заготовки.

Роль и влияние времени выдержки
Время выдержки — это время, в течение которого заготовка находится при температуре пайки, обычно измеряемое в минутах. Продолжительность времени выдержки напрямую влияет на взаимодействие припоя с подложкой. К ее основным эффектам и влияниям относятся:

Диффузия припоя и реакция на границе раздела
Соответствующее время выдержки (например, 10–30 минут) может способствовать диффузии между элементами в припое (например, Ag, Cu, Ti) и подложкой из титанового сплава, образуя стабильную металлургическую связь. Например, обычно используемый припой Ag-Cu-Ti будет генерировать соединения Ti-Cu или Ti-Ag посредством активации Ti в период изоляции, тем самым повышая прочность сварного шва. Слишком короткое время выдержки (например, менее 5 минут) может привести к недостаточной диффузии и слабому соединению интерфейса; слишком длительное время выдержки (например, более 60 минут) может вызвать чрезмерную диффузию, образуя толстый и хрупкий слой интерметаллического соединения (например, Ti₂Cu), что снижает прочность сварного шва.

Заполнение паяных швов и удаление пузырьков
Время выдержки должно быть достаточно длительным, чтобы расплавленный припой полностью заполнил паяное соединение и удалил пузырьки за счет капиллярного эффекта. Высокое поверхностное натяжение титанового сплава делает этот процесс относительно медленным, обычно требуя 13905275926 минут выдержки для обеспечения целостности паяного шва. Недостаточное время выдержки может привести к образованию остаточных пузырьков или неполному заполнению паяных швов, что повлияет на герметичность и прочность.

Рост зерна и структурные изменения
Длительная высокотемпературная изоляция приведет к росту зерен подложки из титанового сплава, особенно в α+β титановых сплавах (таких как Ti-6Al-4V), которые могут трансформироваться из мелких равноосных кристаллов в более крупные зерна β-фазы, что снизит пластичность и усталостные свойства материала. Кратковременное сохранение тепла помогает сохранить первоначальную микроструктуру субстрата и сохранить его механические свойства. Взаимодействие между скоростью нагрева и временем выдержки Скорость нагрева и время выдержки не являются изолированными параметрами, между ними существует тесное взаимодействие: Быстрый нагрев и кратковременная выдержка: подходят для небольших деталей из титанового сплава простой конструкции, могут повысить эффективность производства, но могут привести к некоторому снижению качества сварки. Медленный нагрев и длительное сохранение тепла: подходит для сложных или больших деталей, может обеспечить достаточное смачивание и диффузию припоя, но следует следить за ростом зерна и термической деформацией подложки. Поэтапный нагрев и умеренное сохранение тепла: компромиссное решение, например, использование более высокой скорости нагрева (15 °C/мин) в низкотемпературной секции (от комнатной температуры до 600 °C), замедление до 5–10 °C/мин в высокотемпературной секции (от 600 °C до температуры пайки) и поддержание тепла в течение 15–20 минут, что учитывает как эффективность, так и качество.

Производители вакуумных печей представляют стратегии оптимизации и примеры процессов
Скорость нагрева и время выдержки при вакуумной пайке титановых сплавов необходимо оптимизировать в зависимости от конкретного материала, припоя и конструкции заготовки. Вот несколько ключевых факторов и типичных примеров процессов:

Типы припоев для вакуумной пайки
Для припоя с низкой температурой плавления (например, Ag-Cu-Ti, температура плавления около 780–850 °C) рекомендуется контролировать скорость нагрева на уровне 8–12 °C/мин, а время выдержки — на уровне 15–25 минут. Для припоя с высокой температурой плавления (например, Ti-Zr-Cu-Ni, температура плавления около 900–1000 °C) скорость нагрева может быть немного снижена до 5–10 °C/мин, а время выдержки может составлять 20–30 минут, чтобы адаптироваться к более высокой реакционной способности. Толщина и форма заготовки Тонкостенные детали (толщиной <2 мм): скорость нагрева 5-8°С/мин, поддержание тепла в течение 10-15 минут для снижения термического напряжения и деформации. Толстостенные детали (толщина >5 мм): скорость нагрева 10-15°С/мин, поддержание тепла в течение 20-30 минут для обеспечения равномерности температуры.

Степень вакуума и атмосфера
Степень вакуума обычно должна превышать 10⁻⁴ Па, чтобы уменьшить воздействие остаточного кислорода на титановый сплав. При этом условии диапазон регулировки скорости нагрева и времени выдержки может быть немного уже, однако все равно следует избегать локального перегрева, вызванного слишком быстрым нагревом.

Примеры процесса вакуумной пайки:
Пайка припоем Ti-6Al-4V (припой Ag-Cu-Ti): Стадия нагрева: от комнатной температуры до 600°C, 10°C/мин; от 600°C до 820°C, 5°C/мин. Стадия выдержки: 820°C, выдержка 20 минут. Результаты: прочность сварного шва на сдвиг превышает 350 МПа, а на границе раздела явной хрупкой фазы не наблюдается.

Резюме производителей вакуумных печей
В процессе вакуумной пайки титановых сплавов основными параметрами, влияющими на качество сварки, являются скорость нагрева и время выдержки. Разумная скорость нагрева может обеспечить смачивание припоя и контроль термического напряжения, в то время как соответствующее время выдержки обеспечивает диффузионную сварку и заполнение паяного соединения, избегая при этом ухудшения свойств подложки. Благодаря всестороннему учету свойств припоя, конструкции заготовки и условий процесса стратегия поэтапного нагрева и умеренной изоляции часто позволяет достичь наилучшего баланса между эффективностью и качеством. С расширением областей применения титановых сплавов эти параметры в будущем можно будет дополнительно оптимизировать с помощью численного моделирования и технологии мониторинга в реальном времени, что будет способствовать разумному и эффективному развитию процесса вакуумной пайки.