Статьи

 




УДК 621.791
В. С. Рыльников, А. Н. Афанасьев-Ходыкин, М. И. Красиков
Исследование ремонтной технологии исправления дефектов паяных соединений топливных коллекторов

Приведено исследование дефектов паяных соединений топливных коллекторов из сплавов ЭП410 и 12Х18Н10Т, выполненных припоем ВПр4. Исследовано взаимодействие припоев ВПр4 и ВПр1 в процессе подпайки газовой горелкой топливных коллекторов припоем ВПр1, а также влияние температуры подпайки на микроструктуру паяных соединений топливных коллекторов после ремонта. Определена эффективность подпайки припоем ВПр1 топливных коллекторов в части устранения дефектов паяных соединений.

Ключевые слова: пайка, припой, нержавеющая сталь, дефект, ремонт, коллектор, форсунка.

Топливные коллекторы состоят из 96 паяемых элементов секций с форсунками, выполняемые печной пайкой припоем ВПр4 [1–4]. Соединения форсунок топливного коллектора из стали ЭП410 с секциями коллектора в виде трубок диаметром 6 и 12 мм с толщиной стенки 1 мм из стали 12Х18Н10Т и сплава ВЖ98 выполняются пайкой припоем ВПр4 [5–15]. Пайка производится при печном нагреве в контейнере. Температура пайки составляет 1050+10°С, выдержка при этой температуре 18+3 мин. В процессе одновременной пайки столь большого числа паяемых элементов иногда возникают дефекты паяных соединений.

Печная повторная пайка припоем ВПр4 производится, если количество дефектных мест пять и более. Повторная пайка припоем ВПр4 при печном нагреве проводится по тому же режиму, что и первая пайка. Такая ремонтная пайка не всегда гарантирует исправление дефектов паяных соединений, а иногда и способствует появлению новых дефектов.

Поэтому опробована подпайка газовой горелкой припоем ВПр1. Подпайка припоем ВПр1 устраняет дефекты пайки, но ввиду того, что температура пайки припоем ВПр1 почти на 130–150°С выше, чем у припоя ВПр4, возникает ряд вопросов, решению которых в основном и посвящена данная работа. Прежде всего, необходимо выяснить, каким образом газопламенная подпайка припоем ВПр1 устраняет дефекты паяных соединений топливного коллектора, выполненных пайкой в печи припоем ВПр4.

Для сравнительной оценки структур паяных соединений форсунок топливного коллектора выполнена пайка модельных образцов по следующим технологиям:

– пайка в печи припоем ВПр4;

– пайка в печи припоем ВПр4 + подпайка газовой горелкой припоем ВПр1;

– пайка в печи припоем ВПр4 + подпайка газовой горелкой припоем ВПр1 с перегревом и увеличенной выдержкой при пайке.

Для изготовления шлифов соединений трубок с форсунками выбраны образцы, запаянные в печи припоем ВПр4, после ремонтной пайки припоем ВПр1 с нагревом газовой горелкой, в том числе и с перегревом. Шлифы изготовлялись вдоль по образующим трубок таким образом, чтобы в плоскость шлифа попали одновременно две трубки, а плоскость шлифа проходила через оси трубок.

Анализ структур соединений, выполненных печной пайкой припоем ВПр4, показывает, что в галтелях паяных соединений присутствует усадочная пористость, в середине зазора присутствуют отдельные поры. После печной подпайки с укладкой дополнительного количества припоя также встречаются аналогичные дефекты. Это указывает на низкую эффективность печной подпайки, когда дополнительно уложенный припой не приводит к гарантированному устранению пористости в зазоре и расходуется на пополнение галтелей и облуживание поверхностей соединяемых деталей. Изображение структуры зазора в характеристическом излучении марганца показывает, что марганец распределен равномерно в галтели и по зазору (см. рисунок, а).

 

Паяный шов в характеристическом излучении марганца соединения, выполненного припоем ВПр4 (а), после подпайки припоем ВПр1 (б) и после подпайки ВПр1 с перегревом и увеличенной выдержкой при пайке (в)

 

Определение содержания элементов в паяном шве производилось микрорентгеноспектральным анализом. Кристаллизация припоя ВПр4 начинается с образования прослоек твердого раствора на основе меди на соединяемых поверхностях основного материала, которые увеличиваются по мере охлаждения после пайки. В середину зазора оттесняется жидкость с меньшей температурой плавления. В припое ВПр4 – это эвтектика, состоящая из твердого раствора на основе меди и силицидов и боридов марганца и никеля. В припое ВПр1 содержатся те же элементы, что и в припое ВПр4 (см. таблицу), но в припое ВПр4, в отличие от припоя ВПр1, содержатся дополнительно в существенных количествах марганец и кобальт. Поэтому анализ взаимодействия припоев при подпайке оценивался именно по содержанию этих элементов.

 

Состав и температуры плавления и пайки припоев ВПр1 и ВПр4

Припой

Система элементов

Температура, °С

плавления

пайки

ВПр1

Cu–Ni–Si

1080–1120

1180–1210

ВПр4

Cu–Ni–Mn–Co–Si

940–980

1050–1080

 

Микроструктура в отраженных электронах различных участков соединений, выполненных припоем ВПр4 с подпайкой припоем ВПр1 по используемой на заводе технологии, включает изображение в характеристическом излучении марганца. В структуре паяного соединения, выполненного с подпайкой припоем ВПр1, видно, что пористость в зазоре наблюдается вблизи выходной галтели. У входной галтели в месте подпайки пористость отсутствует. Содержание марганца в галтели приблизительно в 2 раза меньше, чем в галтели соединения, выполненного припоем ВПр4, но уже в зазоре содержание марганца возвращается к значениям, характерным для соединений, выполненных припоем ВПр4. Изображение зазора в характеристическом излучении марганца показывает, что припой ВПр1 проник в зазор не более чем на 1,5 мм (см. рисунок, б).

Для того, чтобы более наглядно представить механизм формирования соединений при подпайке припоем ВПр1, был опробован режим пайки газовой горелкой с перегревом в процессе пайки. В структуре такого соединения видно, что происходит образование пористости в середине шва и вытекание эвтектической составляющей из выходной галтели, приводящее к деградации галтели. По составу припой во входной галтели гораздо ближе к составу припоя ВПр1, чем к ВПр4. Распределение марганца, показанное в характеристическом излучении на рисунке, в, в соединении в месте, где входная галтель находится между двумя трубками, показывает, что галтель и значительные участки в зазоре заполнены припоем по составу, близким к припою ВПр1.

Очевидно, что при подпайке припоем ВПр1 соединений, ранее запаянных припоем ВПр4, устранение пористости в соединениях происходит из-за движения эвтектической составляющей припоя ВПр4 к расплаву припоя ВПр1, находящегося во входной галтели. Такое движение выталкивает пузырьки газа из зазора во входную галтель. При перегреве в процессе подпайки припоем ВПр1 происходит расплавление припоя ВПр4 и продвижение припоя ВПр1 в зазор. Устранение пористости в местах, близких к входной галтели, при подпайке припоем ВПр1 может приводить к деградации выходных галтелей и образованию пористости вблизи выходных галтелей.

Печная подпайка припоем ВПр4 неэффективна для устранения дефектов в ранее запаянных этим припоем соединениях. Подпайка припоем ВПр4 газопламенным нагревом не рекомендуется из-за интенсивного разбрызгивания припоя при таком нагреве.

Таким образом, исследована технология подпайки припоем ВПр1 соединений, первоначально запаянных припоем ВПр4. Определено, что при подпайке припоем ВПр1 эффективно устраняются дефекты в контролируемых участках соединения вблизи входной галтели. Устранение дефектов паяных соединений топливных коллекторов, выполненных припоем ВПр4 пайкой в печи, при подпайке припоем ВПр1 происходит за счет встречного движения эвтектической составляющей припоя ВПр4, выводящего пузырьки газов из зазора. Состав галтелей после подпайки припоем ВПр1 является промежуточным между составами припоев ВПр1 и ВПр4 и определяется соотношением количеств припоев, смешивающихся при подпайке, и переходом эвтектической составляющей припоя ВПр4 из зазора в расплавленную галтель.

Разработаны рекомендации по газопламенной подпайке припоем ВПр1 дефектов паяных соединений топливных коллекторов с форсунками из стали ЭП410 и секциями из сплавов 12Х18Н10Т и ВЖ98, выполненных печной пайкой припоем ВПр4.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
2. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–35.
3. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопа-ток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 60–70.
4. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных сплавов с монокристаллической и композиционной структурой //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 3–8.
5. Рыльников В.С., Лукин В.И. Припои, применяемые для пайки материалов авиационного назначения //Труды ВИАМ. 2013. №8 (электронный журнал)
6. Афанасьев-Ходыкин А.Н., Лукин В.И., Рыльников В.С. Высокотехнологичные полуфабрикаты жаропрочных припоев (ленты и пасты на органическом связующем) //Труды ВИАМ. 2013. №9 (электронный журнал).
7. Сорокин Л.И. Свариваемость жаропрочных сплавов, применяемых в авиационных газотурбинных двигателях //Сварочное производство. 1997. №4. С. 4–11.
8. Лукин В.И., Сорокин Л.И., Багдасаров Ю.С. Свариваемость литейных жаропроч-ных никелевых сплавов типа ЖС6 //Сварочное производство. 1997. №6. С. 12–17.
9. Лукин В.И., Семенов В.Н., Старова Л.Л. и др. Образование горячих трещин при сварке жаропрочных сплавов //МиТОМ. 2007. №12. С. 7–14.
10. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия. 1976. 264 с.
11. Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Вопросы теории и технологии пайки. М.: Изд-во Сара-товского ун-та. 1974. 248 с.
12. Лашко Н.Ф., Лашко С.В., Пайка металлов. М.: Машиностроение. 1967. 368 с.
13. Лукин В.И., Рыльников В.С., Афанасьев-Ходыкин А.Н. Особенности получения паяных соединений из сплава ЖС36 //Технология машиностроения. 2010. №5. С. 21–25.
14. Хорунов В.Ф., Максимова С.В. Пайка жаропрочных сплавов на современном этапе //Сварочное производство. 2010. №10. С. 24–27.
15. Лукин В.И., Рыльников В.С., Афанасьев-Ходыкин А.Н., Орехов Н.Г. Особенно-сти пайки монокристаллических отливок из сплава ЖС32 //Сварочное производ-ство. 2012. №5. С. 24–30.
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravleniya razvitiya materialov i tehnologiy ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
2. Ospennikova O.G. Strategiya razvitiya zharoprochnyh splavov i staley spetsial'nogo naznacheniya, zaschitnyh i teplozaschitnyh pokrytiy [Development strategics of high-temperature alloys and special steels, protective and thermoprotective coatings] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 19–35.
3. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Zharostoykie i teplozaschitnye pokrytiya dlya lopatok turbiny vysokogo davleniya perspektivnyh GTD [Heat-resistant and heat-protective coatings for the high pressure turbine blades of advanced GTEs] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 60–70.
4. Kablov E.N., Bondarenko Yu.A., Echin A.B., Surova V.A. Razvitie protsessa napravlennoy kristallizatsii lopatok GTD iz zharoprochnyh splavov s monokristallicheskoy i kompozitsionnoy strukturoy [Advancement of the directional solidification process of GTE blades made of superalloys with single-crystal and compositional structures] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №1. S. 3–8.
5. Ryl'nikov V.S., Lukin V.I. Pripoi, primenyaemye dlya payki materialov aviatsionnogo naznacheniya [Solders used for soldering materials of aeronautical application] //Trudy VIAM. 2013. №8 (elektronnyj zhurnal).
6. Afanas'ev-Hodykin A.N., Lukin V.I., Ryl'nikov V.S. Vysokotehnologichnye polufabrikaty zharoprochnyh pripoev (lenty i pasty na organicheskom svyazuyuschem) [High-technology semi-finished products of heat-resistant solderes (tapes and pastes on an or-ganic binder)] //Trudy VIAM. 2013. №9 (elektronnyj zhurnal).
7. Sorokin L.I. Svarivaemost' zharoprochnyh splavov, primenyaemyh v aviatsionnyh gazoturbinnyh dvigatelyah [Weldability of heat-resistant alloys used in aircraft gas turbine engines] //Svarochnoe proizvodstvo. 1997. №4. S. 4–11.
8. Lukin V.I., Sorokin L.I., Bagdasarov Yu.S. Svarivaemost' liteynyh zharoprochnyh nikelevyh splavov tipa ZhS6 [Weldability of ZhS6-type heat-resistant casting nickel-based alloys] //Svarochnoe proizvodstvo. 1997. №6. S. 12–17.
9. Lukin V.I., Semenov V.N., Starova L.L. i dr. Obrazovanie goryachih treschin pri svarke zharoprochnyh splavov [Hot cracking during welding of heat-resistant alloys] //MiTOM. 2007. №12. S. 7–14.
10. Karakozov E.S. Soedinenie metallov v tverdoy faze [Joining of solid-phase metals]. M.: Metallurgiya. 1976. 264 s.
11. Lashko N.F., Lashko S.V. Voprosy teorii i tehnologii payki [Aspects of soldering theory and technology]. M.: Izd-vo Saratovskogo un-ta. 1974. 248 s.
12. Lashko N.F., Lashko S.V., Payka metallov [Soldering of Metals]. M.: Mashinostroenie. 1967. 368 s.
13. Lukin V.I., Ryl'nikov V.S., Afanas'ev-Hodykin A.N. Osobennosti polucheniya payanyh soedineniy iz splava ZhS36 [Features of Making of ZhS36 alloy soldered joints] //Tehnologiya mashinostroeniya. 2010. №5. S. 21–25.
14. Horunov V.F., Maksimova S.V. Payka zharoprochnyh splavov na sovremennom etape [Present-day soldering of heat-resistant alloys] //Svarochnoe proizvodstvo. 2010. №10. S. 24–27.
15. Lukin V.I., Ryl'nikov V.S., Afanas'ev-Hodykin A.N., Orehov N.G. Osobennosti payki monokristallicheskih otlivok iz splava ZhS32 [Features of soldering of single crystal castings made of ZhS32 alloy] //Svarochnoe proizvodstvo. 2012. №5. S. 24–30.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.