201308_PSpaw_21ds.pdf 28 Przegląd sPawalnictwa 8/2013 Andrzej Winiowski Maciej Różański Lutowanie twarde stopów na osnowie aluminidków Brazing of alloys based on aluminides r in . ndrzej Winiowski, prof. , dr in . Maciej ański – Instytut Spawalnictwa, Gliwice. stract Properties and application of alloys based on inter- metallic phase titanium, nickel and iron with aluminum. The methods of joining alloys based on this phases. The results of technological researches on brazing of TiAl, ni3Al, and Fe3Al based alloys, conducted in Insti- tute of Welding in Gliwice. Mechanical and structural properties of brazed joints. treszczenie W artykule omówiono właściwości i zastosowanie stopów na osnowie faz międzymetalicznych tytanu, ni- klu i żelaza z aluminium oraz metody łączenia stopów na osnowie tych faz. Przedstawiono wyniki badań technolo- gicznych nad lutowaniem twardym stopów na osnowie faz TiAl, ni3Al, i Fe3Al, prowadzonych w Instytucie Spawalnic- twa w Gliwicach, a także właściwości mechaniczne i bada- nia strukturalne połączeń lutowanych. Wstęp W ciągu ostatnich lat coraz większym zainteresowa- niem, jako nowoczesne materiały konstrukcyjne o spe- cjalnych właściwościach, cieszą się stopy na osnowie uporządkowanych faz międzymetalicznych, zawierają- cych aluminium, tzw. aluminidki. Stopy te tworzą nową generację materiałów, tzw. intermetali, intermetalików, łączących cechy metali i ceramiki inżynierskiej. Do- tychczasowe badania właściwości eksploatacyjnych takich stopów, modyfikowania ich odpowiednimi pier- wiastkami chemicznymi celem podwyższenia tych wła- ściwości, a także postęp w zakresie metod ich wytwa- rzania pozwoliły uznać za najbardziej perspektywiczne stopy na osnowie faz międzymetalicznych z układów Ti-Al, ni-Al oraz Fe-Al. Stosunkowo duża zawartość metalu lekkiego – aluminium (gęstość 2,7•103 kg/m3) sprawia, że stopy na osnowie faz międzymetalicz- nych z tym pierwiastkiem wykazują również stosun- kowo małą gęstość. Tworząca się na ich powierzchni pasywacyjna, trwała chemicznie warstewka tlenku aluminium Al2O3 zapewnia z kolei ich doskonałą od- porność na korozję, w tym również korozję gazową (utlenianie, nawęglanie), nawet w temperaturze prze- kraczającej 1000oC. Oprócz wysokiej odporności koro- zyjnej i odporności na pełzanie oraz rekrystalizację, co wynika z uporządkowania struktury (mały współczynnik samodyfuzji), dodatkowymi, korzystnymi technicznie właściwościami stopów na osnowie faz międzymeta- licznych z aluminium są: wysoka przewodność cieplna, żarowytrzymałość, odporność na zmęczenie cieplne, a także, jak już wcześniej wspomniano, mała gęstość. niestety wadą tych stopów jest niewielka plastyczność i ciągliwość oraz stosunkowo duża twardość. Można te cechy nieco ograniczyć, wprowadzając do nich dodatek odpowiednich pierwiastków chemicznych. Stopy o mo- dyfikowanym tak składzie chemicznym są już obecnie produkowane i w zastosowaniach praktycznych zastę- pują one „klasyczne” stopy niklu (nadstopy). Podstawo- we ich zastosowanie to: wirniki turbosprężarek, zawory i gniazda zaworów, denka tłoków oraz elementy ukła- dów wydechowych w silnikach samochodowych, pod- zespoły silników lotniczych i rakietowych, łopatki turbin gazowych w energetyce i lotnictwie, elementy kotłów i palników, filtry gazowe, wymienniki ciepła, rury, ekrany w przemyśle energetycznym, części maszyn hutni- czych (np. rolki podające części do obróbki cieplno- chemicznej) i urządzeń w przemyśle petrochemicz- nym (np. rury, pojemniki, zbiorniki), czy też elementy aparatury chemicznej (np. wymienniki ciepła) odporne 29Przegląd sPawalnictwa 8/2013 na korozję gazową, działanie siarki itp. [1, 2]. Stano- wią one również osnowę materiałów kompozytowych o podobnym zastosowaniu [1, 3]. Te stosunkowo nowe stopy na osnowie aluminidków są jednak bardzo trudne do łączenia metodami spawal- niczymi [4, 13, 27]. Decydują o tym: znaczna zawartość w nich aluminium i skłonność do intensywnego tworze- nia na powierzchni bardzo trwałego tlenku tego me- talu (Al2O3), mała ciągliwość zarówno w wysokiej, jak i niskiej temperaturze, skłonność do tworzenia pęknięć spawalniczych: krystalizacyjnych, likwacyjnych i ich kombinacji oraz pęknięć powstających w podwyższonej temperaturze. Łączenie ich może odbywać się za po- mocą spawania skoncentrowaną wiązką energii (spa- wanie laserowe, elektronowe), zgrzewania tarciowego, dyfuzyjnego oraz lutowania twardego (dyfuzyjnego). Zaletą stosowania lutowania twardego, a zwłaszcza lu- towania dyfuzyjnego dla tych stopów jest to, że utrudnia- jąca ich spawanie, a także zgrzewanie mała ciągliwość w temperaturach pokojowych nie stanowi w tym przypadku bariery ograniczającej stosowanie procesu łączenia i uzyskiwania połączeń dobrej jakości. Ponad- to obecność na powierzchni stopów ciągłej warstew- ki trwałego tlenku Al2O3 nie jest podczas lutowania głównym problemem technologicznym, jak w przypad- ku np. zgrzewania dyfuzyjnego [18]. W kraju prowadzone były dotychczas badania nad spawaniem stopów Ti-Al oraz Fe-Al wiązką elektronów oraz nad łączeniem ich przez zgrzewanie dyfuzyjne i tarciowe ze stalami niestopowymi [14÷17]. W Insty- tucie Spawalnictwa w Gliwicach przeprowadzono w ostatnim okresie badania nad lutowaniem twardym (wysokotemperaturowym – dyfuzyjnym) stopów na osnowie faz międzymetalicznych typu TiAl, ni3Al oraz Fe3Al [11, 12, 22, 27]. Wyniki badań własnych na tle przeglądu osiągnięć zagranicznych w tym zakresie przedstawiono w niniejszej pracy. Lutowanie stop w na osnowie faz iędzy etalicznych Ti- l Od połowy lat 90. ub.w. dużym zainteresowaniem cieszą się stopy tytanu na osnowie uporządkowanych faz międzymetalicznych z układu Ti-Al, w szczególno- ści Ti3Al (α2) i TiAl (γ) oraz tzw. stopy dupleks, oparte na obydwu tych fazach. Osnowę tych stopów stano- wi najbardziej popularna faza TiAl (γ). Charakteryzuje się ona wysoką temperaturą topnienia (1460OC), sto- sunkowo małą gęstością (3,8•103 kg/m3), dużą wytrzy- małością względną, dobrą odpornością na pełzanie i utlenianie oraz brakiem skłonności do samozapło- nu, niekorzystnej dla tytanu. Wykazuje ona również dużą twardość i małą plastyczność. Jej wydłużenie w temperaturze pokojowej wynosi zaledwie 1÷3% i znacząco maleje w obecności nawet niewielkich ilości zanieczyszczeń. Dodatkowo faza TiAl (γ) ulega silne- mu rozrostowi ziaren podczas przeróbki plastycznej, co praktycznie bardzo utrudnia lub wręcz uniemożliwia tę obróbkę. W celu poprawy tych właściwości do stopów na jej osnowie dodaje się zwykle trzy grupy pierwiast- ków: podwyższające plastyczność (chrom, mangan, wanad), zwiększające żarowytrzymałość i odporność na korozję gazową oraz utlenienie (niob, tantal, wolfram i molibden) oraz powodujące rozdrobnienie ziarna (bor, węgiel, krzem, tlen oraz metale ziem rzadkich) [1, 2]. Lutowanie stopów tytanu na osnowie faz między- metalicznych TiAl (γ) i TiAl3(α2) w dostępnej litera- turze przedstawiono na przykładach lutowania ich z zastosowaniem następujących spoiw: Ag, Ag72Cu, AgCu26,5Ti3, Al, AlSi12Cu, TiZr35ni15Cu15, niCr- 8Si5B2Fe2, Cu, CuP [5÷10]. Złącza próbne wyko- nano zarówno przy stosowaniu krótkich (klasyczne lutowanie twarde), jak i długich (lutowanie dyfuzyjne) czasów lutowania. W większości przypadków dobrą jakość i właściwości mechaniczne złączy uzyskano, stosując stosunkowo szybkie nagrzewanie i krótki czas (do kilku minut) wytrzymania elementów łączonych w temperaturze lutowania. na uwagę zasługują prowadzone w tym zakresie ba- dania w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach, których celem było określenie wpływu materiałowo–technolo- gicznych warunków lutowania stopu na osnowie fazy TiAl na strukturę i właściwości mechaniczne połączeń i w efekcie opracowanie najkorzystniejszych warunków technologicznych łączenia tego stopu [11,12]. Bada- niom poddano stop na osnowie fazy TiAl(γ) o nomi- nalnym składzie chemicznym TiAl48Cr2nb2, wykona- ny w warunkach laboratoryjnych w Katedrze nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej w postaci odlewanych wałków. Jako spoiwo (warstwę pośrednią w procesie lutowania dyfuzyjnego) do lutowania tego materiału za- stosowano: spoiwo srebrne B-Ag72Cu-780 (Ag 272 wg Pn-En ISO 17672) i miedź. Wszystkie próbki lutowa- no w piecu próżniowym S 16 firmy TORVAC w próżni w zakresie 10-4÷10-5 mbarów. Złącza próbne lutowane spoiwem miedzianym wykonywano w temperaturze lu- towania 1000 i 1050OC, a spoiwem srebrnym – w tem- peraturze 850, 900 i 950OC. Czas wytrzymania złączy w każdej temperaturze wynosił odpowiednio 1÷30 min. Uzyskane złącza poddano próbom wytrzymałości na ścinanie oraz badaniom strukturalnym z użyciem mi- kroskopii świetlnej i elektronowej (skaningowej) wraz ze spektrometrią dyspersji energii (EDS). najwięk- szą wytrzymałością (149 MPa) charakteryzowały się złącza lutowane spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 900OC i czasie 1 min. Wydłużenie cza- su do 5 min spowodowało spadek tej wytrzymałości do 69 MPa. Złącza wykonane w temperaturze 950OC i przy takich samych czasach (1 i 5 min) wykazały wy- trzymałość na ścinanie odpowiednio: 21,7 i 12 MPa, a lutowane w temperaturze 850OC odpowiednio: 137 i 87,7 MPa. Badania metalograficzne połączeń lutowa- nych przy dłuższych czasach wytrzymania wykazały wzrost szerokości ich stref dyfuzyjnych, zdominowa- nych przez kruche złożone fazy Cu-Al-Ti (AlCuTi, Al- Cu2Ti), wraz ze wzrostem temperatury i czasu (rys. 1). 30 Przegląd sPawalnictwa 8/2013 W przypadku zastosowania miedzi jako spoiwa wytrzy- małość na ścinanie złączy wykonanych w temperaturze 10000C i czasie 1 min nie przekraczała 31 MPa, a dla czasu wytrzymania 5 min – 18 MPa. Złącza wykonane w temperaturze 1050OC wykazały większą wytrzyma- łość. Wynosiła ona 95 MPa dla czasu 1 min i 78 MPa dla 5 min. Zastosowanie dłuższego niż kilka minut czasu (np. 30 min) powodowało całkowite przereago- wanie spoiwa z podłożem materiału podstawowego i utworzenie twardej, bardzo kruchej lutowiny o wy- trzymałości na ścinanie nieprzekraczającej kilku MPa. Lutowanie stop w na osnowie faz iędzy etalicznych Ni- l Praktyczne, przemysłowe zastosowanie spośród faz międzymetalicznych typu ni–Al znalazły fazy niAl-β i ni3Al-γ’. Faza ni–Al występuje w postaci roztwo- ru stałego tworzącego się w temperaturze 1638OC i wykazuje małą gęstość (5,9•103 kg/m3), większą od stopów niklu i kobaltu przewodność cieplną (80 W/m•K) oraz odporność na korozję (do 1400OC) i zmęczenie cieplne (żarowytrzymałość do 1200OC). W temperatu- rze pokojowej charakteryzuje się bardzo małą plastycz- nością (wydłużenie względne 0÷3%) zwiększającą się wraz ze wzrostem temperatury (nawet do 6%). Ze wzro- stem temperatury obniża się natomiast wytrzymałość tego materiału na pełzanie. Poprawę tych właściwości mechanicznych można uzyskać przez wprowadzenie do stopów na osnowie fazy ni–Al dodatku molibdenu, żelaza (nieznaczne podwyższenie plastyczności) oraz chromu, molibdenu, renu, boru i tytanu (podwyższe- nie odporności na pełzanie) [1, 8÷10]. Faza ni3Al jest roztworem stałym wtórnym, tworzącym się w wyniku przemiany perytektycznej (w temperaturze 1390OC). Gęstość jej wynosi 7,4•103 kg/m3, wydłużenie względ- ne w temperaturze pokojowej od kilku do 50%. Mak- symalna temperatura pracy stopów na jej osnowie nie przekracza 800÷1150OC. Charakterystyczną cechą tej fazy jest podatność na odkształcenia plastyczne przez poślizg wskutek tzw. superdyslokacji, składającej się z pary dyslokacji jednoimiennych całkowitych, której krytyczne naprężenie poślizgu zwiększa się wraz z tem- peraturą, a tworzenie się domen antyfazowych (między jednoimiennymi dyslokacjami) decyduje o umocnieniu fazy i jej wysokiej wytrzymałości na pełzanie w pod- wyższonej temperaturze. Stopy na osnowie fazy ni3Al, oprócz dobrej odporności na korozję do 800÷11500C (w tym odporności na utlenianie i nawęglanie w at- mosferach utleniających i redukujących), stosunkowo wysokiej wytrzymałości doraźnej i na pełzanie oraz granicy plastyczności na ściskanie charakteryzują się wzrastającą wraz z temperaturą bardzo dobrą odpor- nością na ścieranie w temperaturze wyższej niż 6000C. Dlatego też są wykorzystywane również do wykonywa- nia powłok na elementach ze stopów niklu, pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych w podwyższo- nych temperaturach. Monokryształy ni3Al wykazują też dobrą plastyczność, lecz stopy polikrystaliczne są już znacznie mniej plastyczne. Może w nich występować w atmosferze powietrza, w temperaturze pokojowej, skłonność do transkrystalicznego przełomu w wyniku oddziaływania wodoru atomowego, tzw. kruchość wo- dorowa. Do stopów na osnowie fazy ni3Al wprowadza się często jako dodatki stopowe: chrom, cyrkon, hafn, molibden i bor [1]. Dostępne w literaturze opracowania z zakresu luto- wania omawianych stopów [24÷27] dotyczyły lutowa- nia dyfuzyjnego (w ograniczonym zakresie parametrów temperaturowych i czasowych) stopów na osnowie fazy ni–Al (poli- i monokrystalicznego) z użyciem przekład- ki ze spoiwa niklowego Bni-3 wg AWS (niSi4,5B3,2 – temperatura topnienia 984÷1054oC), czystej miedzi i czystego aluminium, a w przypadku stopu na osnowie fazy ni3Al lutowania jedynie z zastosowaniem spoiwa aluminiowego. Badania z użyciem spoiwa niklowego i miedzianego poszerzono o próby lutowania stopu na osnowie fazy ni–Al z niklem i nadstopem MM-247. Procesy lutowania prowadzono w próżni, stosując a ys. 1. Struktury połączeń stopu TiAl48Cr2nb2 lutowanych spo- iwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 950OC i czasie 1 min (a) oraz 30 min (b). Traw. odcz. Buehlera ig. 1. Structures of TiAl48Cr2nb2 alloy joints brazed with B-Ag72Cu-780 silver filler metal at temperature 950OC and hold- ing time 1 min (a) and 30 min (b). Etch. Buehler 31Przegląd sPawalnictwa 8/2013 nagrzewanie oporowe – bezpośrednie, indukcyjne i oporowe piecowe (zróżnicowane szybkości nagrze- wania próbek do temperatury lutowania). We wszyst- kich opracowaniach przedstawiono wyniki badań strukturalnych wyjaśniających mechanizmy tworzenia połączeń lutowanych. Autorzy nie przedstawili jednak wyników badań właściwości (zwłaszcza właściwości mechanicznych) tych połączeń [18÷21]. Badania nad lutowaniem stopu na osnowie fazy ni3Al - γ’ (ni87Al13 – wykonanego w Katedrze Inży- nierii Stopów i Kompozytów Odlewanych na Wydziale Odlewnictwa w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krako- wie) prowadzono również w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach [22]. Celem tych badań było, podobnie jak w przypadku stopu na osnowie fazy Ti-Al, określenie wpływu materiałowo-technologicznych warunków pro- cesu lutowania na właściwości mechaniczne i struktu- ralne połączeń lutowanych, a w efekcie opracowanie najkorzystniejszych warunków technologicznych łą- czenia tego stopu. Jako spoiwo w przeprowadzonych badaniach zastosowano czyste aluminium oraz czystą miedź, a także lut srebrny B-Ag72Cu-780. Wszystkie próbki lutowano w piecu próżniowym S 16 firmy TORVAC w próżni w zakresie 10-3÷10-5 mbarów. Procesy lutowa- nia złączy próbnych prowadzono zarówno przy stosowa- niu krótkich (klasyczne lutowanie), jak i długich (lutowa- nie dyfuzyjne) czasów lutowania. Parametry lutowania stopu wynosiły odpowiednio: w przypadku spoiwa aluminiowego – temperatura lutowania 1000÷1150OC, czas 10÷120 min, w przypadku spoiwa miedzianego – temperatura lutowania 1150°C, czas 60÷180 min., a w przypadku spoiwa srebrnego B-Ag72Cu-780 – tem- peratura lutowania 1000÷1150OC, czas 30÷180 min. Dla uzyskanych w tych warunkach technologicznych złączy próbnych przeprowadzono próby wytrzymałości na ścinanie oraz badania metalograficzne i struktural- ne z zastosowaniem mikroskopii świetlnej i elektrono- wej (skaningowej) wraz z analizą faz przy użyciu spek- trometru dyspersji energii (EDS). Statystyczna próba na ścinanie wykazała najkorzystniejsze wyniki dla złą- czy wykonanych spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 (165 MPa), przy stosowaniu najniższych parametrów temperaturowo-czasowych lutowania (1000OC/30 min). Ze wzrostem temperatury i czasu wytrzymałość ta ule- gała zmniejszeniu, bardzo znacznemu już w tempe- raturze 1150OC (3÷5 MPa). Wyjaśniły to w znacznym stopniu badania strukturalne, wskazujące na tworzenie się w złączu dużej ilości kruchych roztworów na osno- wie fazy ni3Al oraz niezgodności typu pustki (rys. 2). Dla połączeń wykonanych spoiwem miedzianym wytrzymałość określono jedynie w przypadku za- stosowania czasu 180 min. Wyniosła ona 110 MPa, a strukturę złącza stanowiły roztwory stałe typu Cu-ni. Złącza próbne wykonane tym spoiwem przy krótszych czasach (60 i 120 min) wykazywały znaczne braki zwil- żenia powierzchni łączonej i ulegały rozdzieleniu bez przyłożenia większych sił. Stosunkowo najmniejszą wytrzymałość na ścinanie wykazały połączenia wykonane spoiwem aluminio- wym. największą wartość tej wytrzymałości (28 MPa) uzyskano dla połączeń lutowanych w najniższej tem- peraturze (1000OC) i najkrótszym czasie (10 min). W dalszych badaniach stwierdzono, że ze wzrostem temperatury i czasu lutowania ta wytrzymałość maleje. Lutowanie stop w na osnowie faz iędzy etalicznych e- l Żelazo z aluminium tworzy układ równowagi fazowej z licznymi fazami międzymetalicznymi. Jednak tylko fazy Fe3Al i FeAl stanowią użytkową osnowę stopów konstrukcyjnych. Stopy takie oprócz odporności na korozję gazową (na utlenianie, nawęglanie i działa- nie siarki), na korozję w wodzie morskiej i stopionych solach oraz odporności na ścieranie, erozję i kawitację, charakteryzują się wysoką rezystywnością elektryczną, przewyższająca nawet o 50% rezystancję elektrycz- ną stopów, powszechnie stosowanych na elementy grzejne. Wykazują one wprawdzie nieco większą gę- stość niż np. fazy z układu Ti-Al (FeAl – 5,3•103 kg/m3, Fe3Al – 6,7•10 3 kg/m3), lecz charakteryzują się stosun- kowo niską ceną w porównaniu z innymi stopami na osnowie faz międzymetalicznych. Ich wadą jest mała plastyczność i skłonność do kruchego pękania w tem- peraturze pokojowej, w atmosferze powietrza oraz pary a ys. 2. Struktury połączeń stopu ni87Al13 lutowanych spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 10000C i czasie 30 min (a) oraz temperaturze 10000C i czasie 180 min (b). Traw. 10 ml HnO3 + 20 ml HCl + 30 ml gliceryny. ig. 2. Structures of ni87Al13 alloy joints brazed with B-Ag72Cu-780 silver filler metal at temperature 10000C and holding time 30 min (a) as well as at temperature 10000C and holding time 180 min (b). Etch. 10 ml HnO3 + 20 ml HCl + 30 ml glycerol 32 Przegląd sPawalnictwa 8/2013 wodnej. Wykazują one anormalność wytrzymałości na rozciąganie w funkcji temperatury (wzrasta w zakresie 300÷600OC, a następnie znacznie obniża się). Pod- wyższenia ich plastyczności i odporności na kruche pękanie dokonuje się przez odpowiedni dobór składu chemicznego, modyfikację mikrostruktury, zmniejsze- nie stopnia uporządkowania atomów oraz stosowanie powłok ochronnych [1]. Znalezione w literaturze specjalistycznej opraco- wania z zakresu lutowania dyfuzyjnego (z nagrzewa- niem promiennikami podczerwieni w próżni) stopów na osnowie faz z układu Fe-Al dotyczyły tylko stopów na osnowie fazy Fe3Al i obejmowały stosowanie spo- iw–przekładek ze spoiwa niklowego Bni-2 wg AWS 5.8 (niCr8Si5B3 o temperaturze topnienia 971÷999OC), spoiwa złotego AuCu20 (roztwór stały z min. punktem topnienia 910OC), czystego aluminium i czystej miedzi [23÷26]. Autorzy przedstawili wyniki badań struktural- nych złączy, wyjaśniające mechanizm ich powstawa- nia, a także w niektórych przypadkach podali właściwo- ści wytrzymałościowe połączeń. W przypadku połączeń wykonanych spoiwem niklowym Bni-2 najkorzystniej- szą wytrzymałość na ścinanie 291 MPa uzyskano dla temperatury lutowania 1100OC i czasu 300 s [26]. Badania nad lutowaniem stopu na osnowie fazy Fe3Al (Fe86Al14 – wykonany w Katedrze Inżynierii Stopów i Kompozytów Odlewanych na Wydziale Od- lewnictwa w Akademii Górniczo–Hutniczej w Krako- wie) prowadzono również w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach [27]. Jako spoiwa zastosowano: luty mie- dziano–niklowe B-Cu95ni, a także 1085/1120 oraz B- Cu90ni – 1100/1140 oraz stosowany z powodzeniem we wcześniejszych pracach do łączenia stopów Ti-Al oraz ni-Al lut srebrny typu Ag-Cu–B-Ag72Cu-780. W badaniach dążono do określenia wpływu materiało- wych i technologicznych warunków procesu lutowania na właściwości mechaniczne i strukturalne połączeń i ustalenia najkorzystniejszych warunków technolo- gicznych lutowania stopu Fe86Al14. Złącza próbne wykonano w piecu próżniowym S 16 firmy TORVAC w próżni w zakresie 10-4÷10-5 mbar, stosując następują- ce parametry procesu: w przypadku spoiw Cu-ni tem- peratura lutowania 1170÷1200OC, czas 30÷180 min, w przypadku spoiwa srebrnego B-Ag72Cu-780 tem- peratura lutowania 1000÷1150OC, czas 30÷300 min. Dla uzyskanych w tych warunkach technologicznych złączy próbnych przeprowadzono próby wytrzymałości na ścinanie oraz badania strukturalne z wykorzysta- niem mikroskopii świetlnej i elektronowej (skaningo- wej) wraz z analizą przy użyciu spektrometru dyspersji energii (EDS). największą wytrzymałością na ścina- nie charakteryzowały się połączenia wykonane lutami miedziano-niklowymi B-Cu90ni-1100/1140 (233 MPa) i B-Cu95ni-1120/1085 (202 MPa) w temperaturze luto- wania 1200OC i czasie 60 min. Mniejszą wytrzymałość połączeń (130 MPa) uzyskano przy lutowaniu lutem srebrnym B-Ag72Cu-780 dla parametrów lutowania: 1000OC/300 min i 1150OC/120 min. Badania struk- turalne złączy wykazały, że w złączach wykonanych spoiwami miedziano-niklowymi powstają dyspersyjne wydzielenia fazy o składzie chemicznym odpowiadającym fazie Fe3Al, które wraz ze wzrostem temperatury i wydłu- żeniem czasu procesu ulegają koagulacji, a składniki spo- iwa reagują z materiałem łączonym, tworząc kruche strefy dyfuzyjne (rys. 3). W złączach tych stwierdzono występowanie nieznacz- nych ilości niezgodności w postaci pustek, charaktery- stycznych dla połączeń lutowanych dyfuzyjnie (tzw. efekt Kirkendalla). Struktury połączeń wykonanych przy użyciu lutu B-Ag72Cu-780 wykazywały roztworzenie lutu eutektycz- nego i wydzielenie roztworów stałych w postaci dwóch niekoherentnych faz o dużej zawartości srebra i miedzi. Pomiędzy tymi fazami występowały niekiedy pęknięcia w lutowinach, które jednak zanikały wraz z wydłużeniem czasu lutowania. ys. 3. Struktury połączeń stopu Fe86Al14 lutowanych spoiwem miedziano-niklowym B-Cu90ni-1100/1140 w temperaturze 12000C i czasie 60 min (a) oraz 180 min (b). Traw. 10 ml HnO3 + 20 ml HCl + 30 ml gliceryny ig. 3. Structures of Fe86Al14 alloy joints brazed with B-Cu- 90ni-1100/1140 copper - nickel filler metal at temperature 12000C and holding time 60 min (a) and 180 min (b). Etch. 10 ml HnO3 + 20 ml HCl + 30 ml glycerol a 33Przegląd sPawalnictwa 8/2013 Podsu owanie Wobec trudności metalurgicznych i technologicz- nych podczas spawania nowoczesnych stopów na osnowie faz międzymetalicznych z układów Ti-Al, ni-Al i Fe-Al, zastępujących w wielu zastosowaniach „klasyczne” stopy tytanu i niklu, twarde lutowanie dyfuzyjne jest alternatywną, korzystną technicznie metodą ich łączenia. Przeprowadzone dotychczas badania w tym zakresie z zastosowaniem spoiw ni- klowych, miedzianych, srebrnych itp. wykazały, że największą wytrzymałość uzyskuje się dla krótszych czasów lutowania. Złącza takie charakteryzują się jednak stosunkowo małą żaroodpornością. Z kolei złącza uzyskane dla długich czasów wytrzymania, poddane przemianom dyfuzyjnym i charakteryzują- ce się w ich efekcie strukturą złożoną z żaroodpor- nych, wyżej topliwych, lecz kruchych faz, wykazują dużą żaroodporność i stosunkowo małą wytrzyma- łość. W niektórych publikacjach, zwłaszcza dotyczą- cych lutowania stopów na osnowie faz ni-Al, aspekt wytrzymałości połączeń był wręcz pomijany [18÷21]. Wśród prowadzonych dotychczas badań materia- łowo-technologicznych w tym zakresie na uwagę zasługują wyniki badań wykonanych w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach. Dotyczyły one lutowania twardego (wysokotemperaturowego) dyfuzyjnego stopów na osnowie faz międzymetalicznych Ti-Al, ni3Al oraz Fe3Al spoiwami B-Ag72Cu-780, Cu, Al, B-Cu95ni – 1085/1120 oraz B-Cu90ni – 1100/1140. Badania te potwierdziły w dużej mierze przedsta- wione powyżej spostrzeżenia, uzupełniając przyczy- ny obniżenia wytrzymałości połączeń dyfuzyjnych, uzyskanych przy stosowaniu długich czasów pro- wadzenia procesu, o pustki Kirkendalla. Pozwala to wnioskować, że dobór temperaturowo-czasowych parametrów lutowania dla poszczególnych przypad- ków zastosowań przedmiotowych stopów na osnowie aluminidków powinien wynikać z wymagań dotyczą- cych żaroodporności i żarowytrzymałości połączeń. Literatura [1] Praca zbiorowa pod red. Z. Bojara i W. Przetakiewicza: Ma- teriały metalowe z udziałem faz międzymetalicznych. BEL Studio, Warszawa 2006. [2] Szkliniarz W.: Stopy na osnowie faz międzymetalicznych z układu Ti-Al. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007. [3] Ward-Close C.M., Minor R., Doorbar P.J.: Intermetallic – ma- trix composites – a review Intermetalics 4, 1996, s. 217-229. [4] Baeslack W.A., Mascorella T.J., Kelly T.J.: Weldability of tita- nium aluminide. Welding Journal nr 10, 1989, s. 483s-498s. [5] Shine R.K., Wu S.K., Chen S.Y.: Infrared brazing of TiAl inter- metallic using B-Ag8 braze alloy. Acta Materialia nr 51/2003, s. 1991-2004. [6] He P., Feng J.C., Zhou H.: Microstructure and strength of brazed joints of Ti3Al – base alloy with niCrSiB. Materials Characterization nr 4-5/2004, s. 309-318. [7] He P., Feng J.C., Zhou H.: Microstructure and strength of brazed joints of Ti3Al – base alloy with TiZrniCu. Materials Science and Engineering A392, 1-2/2005, s. 81-86. [8] He P., Feng J., Zhou H.: Microstructure and strength of bra- zed joints of Ti3Al – base alloy with Cu-P filler metal. J. Mater. Sci. Technol., vol. 21, nr 4, 2005, s. 493-498. [9] Shiue R.K., Wu S.K., Chen S.Y.: Infrared brazing of TiAl using Al-based alloys. Intermetallics 11, 2003, s. 661-671. [10] Gale W.F.: Applying TLP bonding to the joining of structu- ral intermetallic compounds. Journal of Metals nr 2/1999, s. 49-52. [11] Winiowski A., Różański M.: Diffusive brazing of titanium and its alloys with alumininum in the TiAl phase matrix. Welding International. vol.25, nr 5, 2008, s. 104-110. [12] Mirski Z., Różański M.: Diffusion brazing of titanium alumini- de alloy based on TiAl. Archive of Civil and Mech. Eng. Vol. 13, no. 3/2013. [13] David S.A., Jemian W.A., Liu C.T., Horton J.A.: Welding and weldability of nickel - iron aluminides. Welding Journal nr 1, vol. 64 1985, s. 22s-28s. [14] Adamiec J., Sozańska M., Lasertowa M., Hyspecka L.: Ma- kro i mikrostruktura połączeń spajanych stopu ni3Al z niklem wykonanych wiązką elektronów. Inżynieria Mater. nr 4, 2004. [15] Adamiec J., Grabowski A., Lisowski A.: Joining of an ni-Al alloy by means of laser beam welding. Proceedings of SPIE - The International Society For Optical Engineering, 2002. [16] Włosiński W., Jakubowski J., Krajewski A., Woźniczka M.: Zgrzewanie dyfuzyjne stopów na bazie niAl i ni3Al ze stalą St3S. Przegląd Spawalnictwa nr 2-3, 2005. [17] Włosiński W., Chmielewski T., Kucharczyk M.: Spajanie tar- ciowe stopów niAl i FeAl ze stalą węglową St3S. Przegląd Spawalnictwa nr 1, 2004. [18] Gale W.F.: Diffusion brazing of advanced materials. Mat. Międzynarodowego Kolokwium „Brazing high temperature brazing and diffusion welding”, Achen, 1995, s. 7-11. [19] Gale W.F., Guan Y.: Transient liquid phase bonding in the niAl/Cu/ni system – a microstructural investigation. Metallur- gical and Materials Trans. A, vol. 27A, nr 11, 1996, s. 3621- 3629. [20] Yang T.Y., Wu S.K., Shiue R.K.: Interfacial reaction of infra- red brazed niAl/Al/niAl and ni3Al/Al ni3Al joints. Intermetal- lics 9, 2001, s. 341-347. [21] Orel S.V., Parous L.C., Gale W.L.: Diffusion brazing of nickel aluminides. Welding Journal, nr 9, 1995, s. 319s – 324s. [22] Winiowski A., Różański M.: Brazing of alloys based on inter- metallic phase ni3Al. Metallic Materials, vol.51, nr 2, 2013. [23] Li Z., Shiue R.K., Wu S.K.: Infrared brazing Fe3Al interme- tallics using the Cu filler metal. Intermetallics 18, 2010, s. 422-428. [24] Shiue R.K., Wu S.K., Lee Y.L.: Transient microstructure evo- lution of infrared brazed Fe3Al intermetallics using aluminium foil. Intermetallics 13, 2005, s. 818-826. [25] Shiue R.K., Wu S-K., Li I-H.: Infrared brazing of Fe3Al inter- metallic compound using gold-based braze alloy. Gold Bull, 2011,44-49-56; DOI 10.1007/s13404-011-0007-8. Springer. s. 49-56. [26] Lee Y.L., Shiue R.K., Wu S.K.: The microstructural evoluation of infrared brazed Fe3Al by Bni-2 braze alloy. Intermetallics 11, 2003, s.187-195. [27] Różański M., Winiowski A.: Lutowanie twarde stopów na osnowie faz międzymetalicznych typu Fe-Al. Sprawozdanie z pracy badawczej IS nr Cc-53/1 (ST-307/1), 2012.