Усовершенствование технологии вакуумной пайки пластинчато-ребристых теплообменников из титанового сплава

Конкретный пример усовершенствования процесса многослойной вакуумной пайки пластинчато-ребристого теплообменника из 70-слойного титанового сплава (Ti-6Al-4V). Структура из 70 слоев значительно усложняет теплопередачу, повышает требования к однородности паяного шва и проблемы контроля деформации, поэтому требует более сложного оборудования, инструментов и оптимизации термического цикла.
Сценарий применения вакуумной пайки пластинчато-ребристого теплообменника из 70-слойного титанового сплава (Ti-6Al-4V) Описание заготовки: пластины Ti-6Al-4V (толщина 0,5 мм) и ребра (толщина 0,2 мм), уложенные друг на друга 70 слоев, общий размер около 300×200×150 мм (высота слоя увеличена примерно до 140–150 мм). Припой: аморфная фольга B-Ti50CuZr (Ti-50Cu-25Zr, толщина 0,05 мм, интервал плавления 950-980°C). Цель: Достичь 70 слоев равномерных паяных швов, прочности на разрыв ≥ 750 МПа, деформации < 0,15 мм и соответствия условиям работы в условиях высоких температур и высокого давления, характерных для аэрокосмической отрасли.

1. Оборудование для вакуумной пайки
Оригинальный процесс: вакуумная печь, механический насос + насос Рутса + диффузионный насос.
Улучшенный процесс: Вакуумная система: механический насос (предел 0,1 Па) + насос Рутса + двухступенчатый турбомолекулярный насос (предел 10⁻⁸ Па), рабочая степень вакуума 10⁻⁶ Па. Установите охлаждаемую ловушку с жидким азотом (-196°C) для улавливания летучих веществ (таких как влага, пары меди) и поддержания чистоты печи. Система нагрева: Используются нагревательные стержни SiC (6 зон: верхняя, нижняя, левая, правая, передняя и задняя), каждая зона имеет независимую регулировку температуры, мощность 20 кВт/зона. Теплоизоляционный слой: молибденовый отражающий экран (8 слоев) + высокочистый алюмооксидный керамический войлок (толщина 25 мм) для снижения теплопотерь.
Система измерения и контроля: Инфракрасный термометр (6-точечный мониторинг, точность ±1℃) охватывает поверхность заготовки. В заготовку были встроены десять термопар типа S (Pt-Rh), по одной на каждые 15 слоев, для контроля разницы температур между слоями (целевое значение <5°C). Усовершенствованный алгоритм PLC+AI динамически регулирует однородность мощности и температуры с точностью ±2°C. Улучшенные преимущества: двухступенчатый турбомолекулярный насос увеличивает степень вакуума до 10-6 Па, 6-зонный обогрев решает проблему распределения тепла на 70 этажах, а многоточечное измерение температуры обеспечивает постоянство.

2. Термический цикл вакуумной пайки
Первоначальный процесс: постепенно повышать температуру, поддерживать тепло, а затем охлаждать газом. Улучшенный процесс: Вакуумирование и предварительный нагрев: используйте механический насос для вакуумирования до 10 Па, поднимите температуру до 200 °C (4 °C/мин) и поддерживайте тепло в течение 20 минут для удаления влаги и летучих веществ ПММА. Включите турбомолекулярный насос на 10-6 Па, поднимите температуру до 500°С (6°С/мин), поддерживайте тепло в течение 15 минут и удалите остаточный газ. Равномерная температура и вакуумная пайка: Поднимите температуру до 900 ℃ (8 ℃/мин), поддерживайте тепло в течение 25 минут и убедитесь, что 70 слоев полностью равномерно прогреты (разница температур при проверке термопарой <5 ℃). Быстро поднимите температуру до 1010 ℃ (12 ℃/мин, что немного выше температуры ликвидуса 980 ℃) и поддерживайте ее в течение 25 минут, чтобы припой расплавился, смочил и заполнил 70-слойные паяные соединения.
Охлаждение: пропустите аргон высокой чистоты (99,999%) под давлением 15 бар и быстро охладите до 400°C (скорость 180°C/мин) для снижения термического напряжения. После снижения температуры до 200°C давление постепенно снижали до 2 бар и медленно охлаждали до комнатной температуры (скорость 20°C/мин) для контроля деформации. Улучшенные параметры: Температура пайки: 1010 ℃ (для адаптации к задержке теплопередачи в многослойных соединениях). Степень вакуума: 10-6 Па (для предотвращения окисления Ti и улетучивания Cu). Время изоляции: 25 минут (убедитесь, что все 70 слоев заполнены равномерно). Скорость нагрева: замедлить начальную скорость и усилить стадию выравнивания температуры. Улучшенные преимущества: Увеличенное время усреднения температуры для обеспечения толщины 70 слоев, закалка газом под давлением 15 бар + медленное охлаждение в два этапа для контроля деформации и высокий вакуум для подавления улетучивания.

3. Постобработка вакуумной пайки
Первоначальный процесс: механическое удаление ингибитора текучести, термическая обработка по желанию. Улучшенный процесс: Удаление барьеров потока: струйная обработка сухим льдом CO₂ (давление 7 бар, расстояние 15 см), 8 минут для удаления остатков BN+ZrO₂. Контроль качества: Для проверки целостности 70 слоев паяных швов (разрешение 0,03 мм) применялось ультразвуковое С-сканирование (частота 15 МГц). Для проверки внутренних пор (цель <0,2 мм, доля <0,5%) была проведена рентгеновская компьютерная томография (разрешение 10 мкм). Деформацию измеряли с помощью лазерного интерферометра (цель < 0,15 мм). Термическая обработка: отжиг в вакуумной печи, охлаждение до 850°С, выдержка в тепле в течение 3 часов для снятия остаточных напряжений. Затем ввели аргон под давлением 8 бар и охладили смесь до комнатной температуры (скорость 100 °C/мин). Улучшенные преимущества: Увеличенное время струйной обработки сухим льдом для устранения многослойных остатков, КТ высокого разрешения для обеспечения внутреннего качества и увеличенный отжиг для оптимизации распределения напряжений.

4. Ожидаемые результаты процесса
Характеристики соединения: прочность на разрыв ≥750 МПа, коррозионная стойкость выдержана в течение 2000 часов в соляном тумане. Качество паяного шва: заполняемость>97%, пористость<0,5%, 70 слоев с высокой плотностью. Контроль деформации: общая деформация <0,12 мм, соответствует авиационным стандартам. Эффективность производства: Полный цикл составляет около 150 минут, а эффективность на 10% выше традиционной.

Вакуумная паяльная печь