RU2464143C1 - Amorphous copper-based strip solder - Google Patents

Amorphous copper-based strip solder Download PDF

Info

Publication number
RU2464143C1
RU2464143C1 RU2011110773/02A RU2011110773A RU2464143C1 RU 2464143 C1 RU2464143 C1 RU 2464143C1 RU 2011110773/02 A RU2011110773/02 A RU 2011110773/02A RU 2011110773 A RU2011110773 A RU 2011110773A RU 2464143 C1 RU2464143 C1 RU 2464143C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solder
copper
tungsten
alloys
soldering
Prior art date
Application number
RU2011110773/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Александрович Калин (RU)
Борис Александрович Калин
Алексей Николаевич Сучков (RU)
Алексей Николаевич Сучков
Владимир Тимофеевич Федотов (RU)
Владимир Тимофеевич Федотов
Олег Николаевич Севрюков (RU)
Олег Николаевич Севрюков
Игорь Всеволодович Мазуль (RU)
Игорь Всеволодович Мазуль
Алексей Николаевич Маханьков (RU)
Алексей Николаевич Маханьков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Общество с ограниченной ответственностью "МИФИ-АМЕТО"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Общество с ограниченной ответственностью "МИФИ-АМЕТО" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Priority to RU2011110773/02A priority Critical patent/RU2464143C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2464143C1 publication Critical patent/RU2464143C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: process engineering.
SUBSTANCE: invention relates to soldering, particularly, to development of solder optimum shape, release and composition used in soldering tungsten and its alloys with copper and its alloys, for example, energy-intensive assemblies on nuclear power engineering. Proposed solder represents a flexible tape with amorphous structure from copper-based alloy containing in wt %: titanium - 25-31, beryllium - 0.1-3, copper making the rest. Said flexible tape features width of 10-40 mm and thickness of 40-50 mcm and unlimited length. It is made by superfast quenching at the rate of 104-106 deg. C/s to produce amorphous structure of alloy.
EFFECT: higher quality and thermo mechanical properties.
4 cl, 3 tbl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к пайке, к разработке оптимальной формы выпуска припоя, используемого при пайке изделий из вольфрама и его сплавов с изделиями из меди и ее сплавов, и может найти применение, например, при изготовлении энергонапряженных узлов для ядерной и термоядерной энергетики, в частности при реализации проекта международного экспериментального термоядерного реактора (International Thermonuclear Experimental Reactor) далее ИТЭР.The invention relates to soldering, to the development of an optimal form for the release of solder used when soldering products from tungsten and its alloys with products from copper and its alloys, and can find application, for example, in the manufacture of energy-intensive units for nuclear and thermonuclear energy, in particular in the implementation the project of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).

Одним из самых энергонапряженных узлов в термоядерном реакторе ИТЭР является система дивертора. Дивертор представляет собой устройство, предназначенное для разгрузки первой стенки камеры реактора от прямого воздействия плазмы. Основным назначением дивертора является обеспечение утилизации энергии заряженных частиц, выходящих из основной плазмы, откачка нейтрального газа и гелиевой золы и контроль примесей. Конструкция дивертора состоит из облицовочного материала первой стенки, обращенного к плазме, соединенного с теплоотводящей основой. В процессе эксплуатации реактора материалы дивертора подвергаются мощным тепловым и корпускулярным потокам нейтронов, ионов водорода, дейтерия, гелия, распыленных атомов материалов и др. Энергетические нагрузки на пластины дивертора, в случае срывов плазменного шнура, могут достигать значений 5-10 МВт/м2 в стационарном режиме и еще более высокие нагрузки, отвечающие импульсным событиям, что вызывает значительные градиенты температур и термические напряжения элементов конструкции. Нейтронное облучение, кроме изменения свойств соединяемых материалов, может приводить к ухудшению свойств соединений за счет резкого усиления диффузионных процессов и к дополнительному увеличению напряжений в конструкции за счет неравномерного распухания материалов.One of the most energy-intensive units in the ITER fusion reactor is a divertor system. A divertor is a device designed to unload the first wall of the reactor chamber from direct exposure to plasma. The main purpose of the divertor is to ensure the utilization of the energy of charged particles leaving the main plasma, the pumping of neutral gas and helium ash and the control of impurities. The design of the divertor consists of the facing material of the first wall facing the plasma connected to the heat sink base. During the operation of the reactor, the divertor materials are subjected to powerful heat and particle fluxes of neutrons, hydrogen ions, deuterium, helium, atomized atoms of materials, etc. Energy loads on the divertor plates, in the event of a plasma cord breakdown, can reach values of 5-10 MW / m 2 stationary mode and even higher loads corresponding to pulsed events, which causes significant temperature gradients and thermal stresses of structural elements. Neutron irradiation, in addition to changing the properties of the materials being joined, can lead to a deterioration in the properties of compounds due to a sharp increase in diffusion processes and to an additional increase in stresses in the structure due to uneven swelling of the materials.

Основным режимом работы дивертора предполагается режим с полуоторванной плазмой, температура которой составляет десятки электрон-вольт. Энергия большинства частиц, попадающих на приемные пластины дивертора, находится ниже порога распыления вольфрама (~180 эВ для ионов дейтерия), поэтому его эрозия будет иметь место только при срывах плазмы. Это обстоятельство, наряду с удаленностью диверторного объема от основной плазмы, высокой температурой плавления, позволяет использовать вольфрам для облицовки дивертора.The main mode of operation of the divertor is assumed to be a mode with semi-detached plasma, the temperature of which is tens of electron-volts. The energy of most particles incident on the receiving plates of the divertor is below the sputtering threshold of tungsten (~ 180 eV for deuterium ions); therefore, its erosion will occur only when plasma breaks. This circumstance, along with the remoteness of the divertor volume from the main plasma, high melting point, allows the use of tungsten for facing the divertor.

Как показано на фиг.1, в качестве материала дивертора, обращенного к плазме, выбран углеродный материал (1) для облицовки в области сепаратрисы и вольфрам (2) в остальной его части. В качестве массивной основы выбрана бронза (3) - сплав на основе меди, имеющий высокие механические и теплофизические свойств. В качестве технологии соединения облицовки с теплоотводящей основой используется пайка.As shown in figure 1, as the divertor material facing the plasma, a carbon material (1) was selected for facing in the separatrix region and tungsten (2) in the rest of it. Bronze (3), an alloy based on copper having high mechanical and thermal properties, was chosen as a massive base. As a technology for connecting the lining with the heat sink base, soldering is used.

При пайке деталей из указанных разнородных материалов необходимо учитывать:When soldering parts from these heterogeneous materials, it is necessary to consider:

- степень различия их свойств: температурных коэффициентов линейного расширения (КТР), теплопроводности, температуры плавления;- the degree of difference in their properties: temperature coefficients of linear expansion (CTE), thermal conductivity, melting point;

- характеристику смачиваемости различными припоями;- wettability characteristics of various solders;

- возможность и условия образования интерметаллидных прослоек.- the possibility and conditions for the formation of intermetallic layers.

Наиболее сложной проблемой при получении паяного соединения разнородных материалов является существенное различие коэффициентов термического расширения (КТР). В табл.1 показаны КТР и другие физико-механические свойства вольфрама и меди, как материалов дивертора, различие которых в процессе термического цикла пайки может привести к образованию и росту трещины в соединении.The most difficult problem in obtaining a brazed joint of dissimilar materials is the significant difference in the thermal expansion coefficients (CTE). Table 1 shows the KTP and other physicomechanical properties of tungsten and copper, as divertor materials, the difference of which during the thermal soldering cycle can lead to the formation and growth of cracks in the joint.

Основными требованиями к энергонапряженным биметаллическим соединениям ИТЭР являются следующие:The main requirements for energy-intensive bimetallic compounds of ITER are the following:

- надежный механический контакт;- reliable mechanical contact;

- высокая термостойкость и теплопроводность соединений;- high heat resistance and thermal conductivity of the compounds;

- технологичность и возможность ремонта;- manufacturability and the possibility of repair;

- высокая стойкость к циклическим изменениям температуры, обусловленным импульсным режимом работы реактора в первый период работы;- high resistance to cyclic temperature changes due to the pulsed mode of operation of the reactor in the first period of operation;

- радиационная стойкость соединения под нейтронными и ионными потоками.- radiation resistance of the compound under neutron and ion fluxes.

Трудность соединения вольфрама с медными сплавами обусловлена еще тем, что вольфрам и медь не взаимодействуют ни в твердом, ни в жидком состоянии, кроме того, прочность ряда медных сплавов, например бронз, обусловлена наличием в их структуре дисперсионно-твердеющих упрочняющих фаз, стабильность которых не должна ухудшаться в термическом цикле пайки.The difficulty of combining tungsten with copper alloys is also due to the fact that tungsten and copper do not interact in either solid or liquid state, in addition, the strength of a number of copper alloys, such as bronzes, is due to the presence of dispersion hardening hardening phases in their structure, the stability of which does not should deteriorate in the thermal soldering cycle.

При комнатной температуре вольфрам обладает высокой химической стойкостью, но при нагревании выше 400°C окисляется с образованием трехокиси вольфрама WO3. Поэтому перед пайкой поверхность вольфрама должна быть подвергнута тщательной очистке механическим путем или травлением в кислотах.At room temperature, tungsten has high chemical resistance, but when heated above 400 ° C it is oxidized to form tungsten trioxide WO 3 . Therefore, before soldering, the tungsten surface must be thoroughly cleaned mechanically or by etching in acids.

Вольфрам паяют в защитных и восстановительных средах, а также в вакууме, так как при этом получают наиболее плотные швы.Tungsten is soldered in protective and reducing environments, as well as in vacuum, as this produces the most dense seams.

В работе «Проблемы получения узлов дивертора реактора термоядерного синтеза с помощью пайки» (С.В.Максимова, В.Ф.Хорунов, В.Р.Барабаш. «Сварочное производство». 1994, №5. С.6-9) для пайки W с дисперсионно-упрочненной бронзой БрХЦрМг применяли припои систем Cu-Ag, Cu-Ti, Cu-Mn и чистый титан. Пайку осуществляли радиационным нагревом и прохождением тока в вакууме 10-3 Па с приложением давления 1 МПа из-за необходимости получения швов большой протяженностью с минимальным количеством дефектов применительно к изготовлению дивертора. Припои использовали в виде лент (фольги) толщиной 0,02-0,3 мм. С припоем Cu-Ti использовали метод контактно-реактивной вакуумной пайки, основанный на взаимодействии (при нагреве) титановой фольги с медью, результатом которого является образование адгезионно-активного припоя, хорошо смачивающего вольфрам.In the work “Problems of Obtaining Divertor Assemblies of a Thermonuclear Fusion Reactor Using Soldering” (S.V. Maksimova, V.F. Khorunov, V.R. Barabash. “Welding Production”. 1994, No. 5. P.6-9) for solders W with dispersion hardened bronze BrKhTsrMg used solders systems Cu-Ag, Cu-Ti, Cu-Mn and pure titanium. The soldering was carried out by radiation heating and the passage of current in a vacuum of 10 -3 Pa with the application of a pressure of 1 MPa due to the need to obtain long seams with a minimum number of defects in relation to the manufacture of the divertor. Solders were used in the form of tapes (foil) 0.02-0.3 mm thick. With Cu-Ti solder, a contact-reactive vacuum brazing method was used, based on the interaction (upon heating) of a titanium foil with copper, the result of which is the formation of an adhesive-active solder that wetts tungsten well.

Другим аналогом заявленного припоя является припой на основе меди, который содержит компоненты в следующем соотношении (в мас.%):Another analogue of the claimed solder is a copper based solder, which contains components in the following ratio (in wt.%):

ТитанTitanium 36-5136-51 БериллийBeryllium 0,5-120.5-12 МедьCopper остальноеrest

(Авторское свидетельство СССР 470382).(USSR author's certificate 470382).

Припой позволяет получить паяное соединение керамики с металлом, хорошо смачивает поверхности пайки, однако представляет собой хрупкий, недеформируемый сплав, что в ряде случаев затрудняет его использование. Кроме того, нет сведений о применении данного припоя для пайки вольфрама.Solder allows you to get a brazed joint of ceramics with metal, well wetts the surface of the solder, however, it is a brittle, non-deformable alloy, which in some cases makes it difficult to use. In addition, there is no information on the use of this solder for brazing tungsten.

Последнее время широкое применение нашли аморфные и микрокристаллические ленточные припои толщиной 20-80 мкм, полученные сверхбыстрой закалкой из жидкого металлического расплава. Из-за уникальности свойств такие припои используют при пайке меди и медных сплавов, никеля и его сплавов, коррозионно-стойких сталей, титана и его сплавов, циркония, бериллия, тугоплавких металлов, твердых сплавов, оксидной керамики, графита и др. («Применение аморфного ленточного припоя СТЕМЕТ 1101 для бесфлюсовой пайки меди». Тезисы докладов. Межд. научно-практическая конференция по использованию достижений науки и техники в развитии городов, посвященная 850-летию основания Москвы, М.: Инженер, 1996, ч.1, с.282-283).Recently, amorphous and microcrystalline tape solders 20-80 microns thick, obtained by ultrafast quenching from liquid metal melt, have been widely used. Due to their unique properties, such solders are used for soldering copper and copper alloys, nickel and its alloys, corrosion-resistant steels, titanium and its alloys, zirconium, beryllium, refractory metals, hard alloys, oxide ceramics, graphite, etc. ("Application amorphous tape solder STEMET 1101 for flux-free brazing of copper. "Abstracts. International scientific and practical conference on the use of science and technology in urban development, dedicated to the 850th anniversary of the founding of Moscow, Moscow: Engineer, 1996, part 1, p. 282-283).

Наиболее близким аналогом заявленного припоя является припой на основе меди марки «СТЕМЕТ 1204», содержащий компоненты в следующем соотношении: титан 28 мас.%, медь - остальное (см. http://www.stemet.ru/s1203).The closest analogue of the claimed solder is a solder based on copper of the STEMET 1204 brand, containing components in the following ratio: titanium 28 wt.%, Copper - the rest (see http://www.stemet.ru/s1203).

Указанный припой изготавливается в виде фольги или ленты по технологии быстрого затвердевания расплава на вращающемся барабане-холодильнике и относятся к типу припоев, полученных в аморфном структурном состоянии. В соответствии с информацией на указанном сайте припой СТЕМЕТ 1204 предназначен для пайки изделий из оксидной и нитридной керамики, а также керамики с металлами, например меди с керамикой Al2O3. Температура плавления припоя СТЕМЕТ 1204 составляет 875°C. Припой СТЕМЕТ 1204 выпускается в виде аморфной гибкой ленты толщиной 0,025-0,06 мм, шириной 5-50 мм. Однако в уровне техники нет сведений о применении припоя СТЕМЕТ 1204 для пайки вольфрама или его сплавов.The specified solder is made in the form of foil or tape according to the technology of rapid solidification of the melt on a rotating drum-cooler and refers to the type of solders obtained in an amorphous structural state. According to the information on the specified site, STEMET 1204 solder is intended for brazing products from oxide and nitride ceramics, as well as ceramics with metals, such as copper with Al 2 O 3 ceramics. The melting point of STEMET 1204 solder is 875 ° C. STEMET 1204 solder is produced in the form of an amorphous flexible tape with a thickness of 0.025-0.06 mm and a width of 5-50 mm. However, in the prior art there is no information on the use of STEMET 1204 solder for brazing tungsten or its alloys.

На сегодняшний день физико-химические и технологические особенности пайки быстрозакаленными припоями (БЗП) изучены недостаточно. Существует возможность оптимизации составов и разработки новых ленточных БЗП, совершенствования свойств припоев и технологических режимов пайки.To date, the physicochemical and technological features of soldering with quick-hardened solders (BZP) have not been sufficiently studied. There is the possibility of optimizing the composition and development of new tape BZP, improving the properties of solders and technological soldering conditions.

Изобретение направлено на решение задачи по разработке новых ленточных аморфных (быстрозакаленных) припоев для пайки конструктивных элементов энергетических установок, в частности для пайки вольфрамовой облицовки к бронзовой основе дивертора термоядерного реактора.The invention is aimed at solving the problem of developing new tape amorphous (quick-quenched) solders for brazing structural elements of power plants, in particular for brazing a tungsten cladding to the bronze base of the diverter of a thermonuclear reactor.

Техническим результатом является снижение температуры при повышении качества пайки, формирование паяного шва без интерметаллидов при отсутствии непропаев, пор и других дефектов соединения, вследствие чего повышаются термомеханические характеристики паяных соединений деталей на основе меди и на основе вольфрама.The technical result is a decrease in temperature with an increase in the quality of soldering, the formation of a solder joint without intermetallic compounds in the absence of non-solders, pores and other defects in the connection, resulting in an increase in the thermomechanical characteristics of soldered joints of parts based on copper and based on tungsten.

Другим техническим результатом является повышение эксплуатационных характеристик припоя путем обеспечения стабильности аморфной структуры, однородного фазового состава, высокой диффузионной, адгезионной и капиллярной активности его компонентов.Another technical result is to increase the operational characteristics of the solder by ensuring the stability of the amorphous structure, a homogeneous phase composition, high diffusion, adhesive and capillary activity of its components.

При разработке изобретения неожиданно было обнаружено, что введение бериллия в заявленный припой обеспечивает возможность пайки с вольфрамом таких медных сплавов, как дисперсно-упрочненные бронзы, без снижения их прочности, за счет того, что более низкая температура пайки позволяет полностью сохранить их дисперсионное упрочнение.When developing the invention, it was unexpectedly discovered that the introduction of beryllium into the claimed solder makes it possible to solder copper alloys such as dispersion hardened bronzes with tungsten, without reducing their strength, due to the fact that the lower temperature of the solder allows you to completely save their dispersion hardening.

Химическая и фазовая однородность компонентов аморфного припоя обеспечивает равномерное плавление припоя по всему объему, формирование при затвердевании непрерывного и однородного по структуре паяного шва. Кроме того, повышенная диффузионная активность припоя приводит к лучшему смачиванию, к более быстрой диффузии легирующих элементов припоя в основной металл и к полному отсутствию интерметаллидов в паяном шве.The chemical and phase homogeneity of the components of the amorphous solder ensures uniform melting of the solder throughout the volume, the formation of a continuous and uniform solder joint during solidification. In addition, the increased diffusion activity of the solder leads to better wetting, faster diffusion of the alloying elements of the solder into the base metal, and to the complete absence of intermetallic compounds in the brazed joint.

Для решения поставленной задачи заявлен аморфный ленточный припой для пайки вольфрама и его сплавов с медью и ее сплавами, выполненный в виде гибкой ленты аморфной структуры из сплава на основе меди, содержащего титан. Припой дополнительно содержит бериллий при следующем соотношении компонентов (в мас.%):To solve this problem, an amorphous tape solder for brazing tungsten and its alloys with copper and its alloys, made in the form of a flexible tape of an amorphous structure from an alloy based on copper containing titanium, is claimed. The solder additionally contains beryllium in the following ratio of components (in wt.%):

Титан 25-31Titanium 25-31

Бериллий 0,1-3Beryllium 0.1-3

Медь - остальное.Copper is the rest.

Дополнительное введение бериллия позволило значительно стабилизировать аморфную структуру припоя, снизить температуру плавления, улучшить механические свойства металлической ленты припоя.The additional introduction of beryllium made it possible to significantly stabilize the amorphous structure of the solder, reduce the melting point, and improve the mechanical properties of the metal strip of solder.

Заявленный аморфный ленточный припой на основе меди выполнен в виде гибкой ленты шириной 10-40 мм, толщиной 40-50 мкм неограниченной длины. Припой изготовлен сверхбыстрой закалкой из жидкого металлического расплава со скоростью 104-106 °С/с с получением аморфной структуры сплава.The claimed amorphous copper-based tape solder is made in the form of a flexible tape with a width of 10-40 mm, a thickness of 40-50 microns of unlimited length. The solder is made by ultrafast quenching from a liquid metal melt at a rate of 10 4 -10 6 ° C / s to obtain an amorphous alloy structure.

Разработанный аморфный ленточный припой выполнен с обеспечением возможности пайки вольфрамовой облицовки к бронзовой основе дивертора термоядерного реактора (ТЯР).The developed amorphous tape solder is made with the possibility of soldering the tungsten cladding to the bronze base of the fusion reactor divertor (TNR).

Изобретение иллюстрируется фиг.1-10.The invention is illustrated in figures 1-10.

На фиг.1 показан фрагмент разреза дивертора, изготовленного с использованием заявленного припоя.Figure 1 shows a fragment of a section of a divertor made using the claimed solder.

На фиг.2 показана схема установки "Кристалл-702" для получение сплавов-припоев методом сверхбыстрой закалки.Figure 2 shows a diagram of the installation "Crystal-702" for producing alloys-solders by ultrafast hardening.

На фиг.3 показан изготовленный аморфный ленточный припой.Figure 3 shows the manufactured amorphous tape solder.

На фиг.4 показано проведение пайки с использованием заявленного припоя.Figure 4 shows the soldering using the claimed solder.

На фиг.5 показано исследование термостойкости готового паяного соединения.Figure 5 shows a study of the heat resistance of the finished solder joint.

На фиг.6 показано испытание паяных образцов W-БрХЦр на трехточечный изгиб.Figure 6 shows a three-point bend test of soldered W-BrHCr samples.

На фиг.7 показаны фотографии микроструктуры паяного соединения вольфрам - бронза БрНХК (слева - бронза, справа - вольфрам), полученные при различной температуре и времени выдержки.Figure 7 shows photographs of the microstructure of the soldered connection of tungsten - bronze BrNHK (left - bronze, right - tungsten), obtained at different temperatures and holding times.

На фиг.8 показаны фотографии поверхности области пайки после облучения высокотемпературной плазмой.On Fig shows photographs of the surface of the soldering region after irradiation with high-temperature plasma.

На фиг.9, 10 показаны графики, иллюстрирующие результаты механических испытаний методом трехточечного изгиба до и после облучения паяных образцов.Figures 9 and 10 are graphs illustrating the results of mechanical tests by the three-point bending method before and after irradiation of soldered samples.

Так как дивертор ТЯР представляет собой устройство, эксплуатируемое при высоком вакууме (10-6…10-7 Па), то в материалах, входящих в его состав, не должно находиться элементов с высоким давлением пара.Since the TNR diverter is a device operated under high vacuum (10 -6 ... 10 -7 Pa), then the materials included in its composition should not contain elements with high vapor pressure.

Из представленной в справочниках зависимости давления паров химических элементов в вакууме от температуры можно следующим образом распределить элементы по степени их летучести: Cr, Ge, Si, Cu, Sn, Ni, Ag, Ga, Mn, In, Pb, Mg, Zn, Cd, P. Такие элементы как P, Cd, Zn, Mg и Pb обладают высокими давлениями паров, и применение данных элементов в конструкции дивертора крайне нежелательно. Припои, содержащие серебро, также не применимы в условия работы ТЯР из-за образования под воздействием нейтронного облучения летучего кадмия. Оставшиеся элементы обладают удовлетворительными летучими характеристиками и применение их в качестве легирующих добавок в припоях на основе меди допустимо. Однако припои из указанного набора элементов либо получаются только в виде порошков, либо у них слишком высокие температуры плавления, широкие интервалы расплавления, либо в процессе пайки формируются сложные неоднородные швы, которые существенно влияют на теплопередачу от облицовочного материала теплоотводящей бронзе.From the temperature dependences of the vapor pressure of chemical elements in vacuum on the temperature, the elements can be distributed as follows according to their volatility: Cr, Ge, Si, Cu, Sn, Ni, Ag, Ga, Mn, In, Pb, Mg, Zn, Cd , P. Elements such as P, Cd, Zn, Mg and Pb have high vapor pressures, and the use of these elements in the design of the divertor is highly undesirable. Solders containing silver are also not applicable to the operating conditions of TNR due to the formation of volatile cadmium under the influence of neutron irradiation. The remaining elements have satisfactory volatile characteristics and their use as alloying additives in solders based on copper is permissible. However, solders from the indicated set of elements are either obtained only in the form of powders, or they have too high melting points, wide melting intervals, or complex non-uniform seams are formed during the soldering process, which significantly affect the heat transfer from the facing material to the heat-transfer bronze.

При выборе легирующих элементов учтено их взаимодействие не только с медью, но и с вольфрамом. Установлено, что наиболее целесообразно проводить легирование припоя элементами, которые не образуют с вольфрамом интерметаллидов, но которые образуют с ним ряд твердых растворов, кроме того, легирующие элементы должны быть активными для обеспечения наилучшей адгезии.When choosing alloying elements, their interaction was taken into account not only with copper, but also with tungsten. It has been established that it is most expedient to alloy the solder with elements that do not form intermetallic compounds with tungsten, but which form a series of solid solutions with it, in addition, alloying elements must be active to ensure the best adhesion.

При разработке припоя на основе меди, склонного к аморфизации, среди легирующих добавок, образующих с медью эвтектику с невысокой температурой плавления, из всех возможных элементов был выбран Ti. Из диаграммы состояния системы сплавов Cu-Ti видно, что система Cu-Ti содержит в себе несколько эвтектик. Наиболее легкоплавкая эвтектика (Тпл.=887°C) представляет собой сплав с содержанием 28% Ti (мас.), состоящая из Cu7Ti3пл.=903°C) и Cu7Ti (Тпл.=908°C). Таким образом, в составе разработанного припоя с учетом погрешности его изготовления оптимальное содержание титана находится в интервале 25-31 мас.%.When developing a solder based on copper, which is prone to amorphization, among alloying elements forming a eutectic with copper at a low melting point, Ti was selected from all possible elements. From the state diagram of the Cu-Ti alloy system, it can be seen that the Cu-Ti system contains several eutectics. The most fusible eutectic (T pl. = 887 ° C) is an alloy with a content of 28% Ti (wt.), Consisting of Cu 7 Ti 3 (T pl. = 903 ° C) and Cu 7 Ti (T pl. = 908 ° C). Thus, in the composition of the developed solder, taking into account the error of its manufacture, the optimal titanium content is in the range of 25-31 wt.%.

Из диаграммы состояния систем сплавов Ti-W установлено, что в системе образуется непрерывный ряд твердых растворов между βTi и W. Со стороны титана при 740°C протекает монотектоидное превращение, сопровождающееся расслоением твердого раствора (βTi,W) на твердые растворы β1 и β2.From the state diagram of Ti-W alloy systems, it was found that a continuous series of solid solutions is formed between βTi and W. A monotectoid transformation occurs at the 740 ° C side of titanium, accompanied by the separation of the solid solution (βTi, W) into solid solutions β 1 and β 2 .

Авторами изобретения предложено легирование припоя бериллием, даже низкое содержание которого приводит к существенному понижению температуры плавления сплава.The inventors have proposed alloying of solder with beryllium, even a low content of which leads to a significant decrease in the melting point of the alloy.

Растворимость Be в Cu при эвтектоидной температуре 600°C составляет 10 ат.%, а при перетектической температуре 866°C - 16,5 ат.%. Кроме твердых растворов на основе чистых металлов в системе существуют следующие фазы: β (Cu2Be), γ (CuBe) и δ (Cu3Be+Cu2Be). При содержании Be в количестве 2,6% (мас.) температура плавления меди снижается на 120°C и составляет около 960°C.The solubility of Be in Cu at a eutectoid temperature of 600 ° C is 10 at.%, And at a retelectic temperature of 866 ° C - 16.5 at.%. In addition to solid solutions based on pure metals, the following phases exist in the system: β (Cu 2 Be), γ (CuBe), and δ (Cu 3 Be + Cu 2 Be). When the content of Be in the amount of 2.6% (wt.) The melting point of copper decreases by 120 ° C and is about 960 ° C.

Для предотвращения образования в паяном шве химических соединений с бериллием, учитывая низкую растворимость Be в Ti, проведено оптимальное легирование системы Cu - 28% Ti бериллием в количестве 1 мас.%. С учетом погрешности допускается отклонение от оптимального содержания бериллия в припое в интервале не более чем 0,1÷3,0 мас.%.In order to prevent the formation of chemical compounds with beryllium in the soldered joint, taking into account the low solubility of Be in Ti, the Cu system was optimally doped with 28% Ti in the amount of beryllium in the amount of 1 wt.%. Taking into account the error, deviation from the optimum beryllium content in the solder is allowed in the range of not more than 0.1 ÷ 3.0 wt.%.

Выплавку слитков осуществляли в дуговой печи МИФИ-9 в среде аргона.Ingots were smelted in an MIFI-9 arc furnace in argon medium.

Дуговая печь МИФИ-9 содержит вольфрамовый нерасходуемый электрод и позволяет перемешивать дугой образовавшийся расплав для равномерного распределения легирующих компонентов по объему слитка. Процесс плавки осуществляется по принципу автотигля: расплавленный образец отделен от медного пода, охлаждаемого водой, тонкой твердой прослойкой материала образца.The MIFI-9 arc furnace contains a tungsten non-consumable electrode and allows the resulting melt to be mixed with an arc to evenly distribute alloying components throughout the ingot volume. The melting process is carried out according to the principle of auto-crucible: the molten sample is separated from the copper hearth, cooled by water, a thin solid layer of sample material.

В качестве шихтовых материалов применяли:As the charge materials used:

- титан металлический, йодидный (ТУ 48-4-282-86);- titanium metal, iodide (TU 48-4-282-86);

- бериллий горячепрессованный чистотой 99,98%;- hot-pressed beryllium with a purity of 99.98%;

- медь МО (ГОСТ 546-79).- copper MO (GOST 546-79).

Для упрощения процесса равномерного распределения легирующих компонентов в слитке в качестве шихтовых материалов применяли заранее выплавленную лигатуру Ti - 5 мас.% Be. Шихту загружали в водоохлаждаемый под и подвергали сплавлению. После каждого переплава слиток переворачивали и повторяли процедуру переправления.To simplify the process of uniform distribution of alloying components in the ingot, preliminarily melted Ti - 5 wt.% Be alloy was used as charge materials. The mixture was loaded into a water-cooled under and subjected to fusion. After each remelting, the ingot was turned over and the transfer procedure was repeated.

Химический состав полученных слитков определяли методом микрорентгеноспектрального анализа на установке энергодисперсионного спектрометра INCA 350 x-act (Oxford Instruments).The chemical composition of the obtained ingots was determined by X-ray microanalysis using an INCA 350 x-act energy dispersive spectrometer (Oxford Instruments).

Получение сплавов-припоев в виде гибких лент осуществляли методом сверхбыстрой закалки на вращающийся диск-холодильник на модернизированной установке "Кристалл-702". Данная установка позволяет получать сплавы-припои в аморфном (наноструктурированном) или нанокристаллическом состоянии закалкой из расплава со скоростями охлаждения ~104-106 К/с в виде лент толщиной 20…100 мкм и шириной от 1,2 до 55 мм. Максимальное количество получаемой ленты за один технологический цикл составляло (0,3…0,5) кг. Схема установки "Кристалл-702" представлена на фиг.2.The production of alloys-solders in the form of flexible tapes was carried out by the method of ultrafast hardening on a rotating disk-cooler on the modernized Crystal-702 installation. This setup allows to obtain alloys-solders in an amorphous (nanostructured) or nanocrystalline state by quenching from melt with cooling rates of ~ 10 4 -10 6 K / s in the form of tapes with a thickness of 20 ... 100 microns and a width of 1.2 to 55 mm. The maximum amount of tape obtained per one technological cycle was (0.3 ... 0.5) kg. The installation diagram "Crystal-702" is presented in figure 2.

На установке «Кристалл-702» из выплавленных слитков были получены припои составов Cu - 28,0 мас.% Ti (СТЕМЕТ 1204 - прототип) и модифицированный бериллием припой Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Be в виде лент шириной 20 мм и толщиной 50 мкм.At the Crystal-702 installation, the solders of the Cu - 28.0 wt.% Ti compositions (STEMET 1204 prototype) and the beryllium-modified Cu solder - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be were obtained from the melted ingots. in the form of tapes 20 mm wide and 50 microns thick.

Установка «Кристалл-702» включает в себя пульт управления 4; высокочастотный генератор 5; баллон с инертным газом 6; систему напуска газа 7; прибор регулирующего типа 8; потенциометр 9; корпус вакуумной камеры 10; кварцевый тигель 11; термопару 12; высокочастотный индуктор 13; расплав 14; закалочный медный диск 15; лентосъемник 16; вакуумную систему 17 с термопарным вакуумметром ВТ-2А; вакуумный агрегат 18; лентоприемник 19; (быстрозакаленную) аморфную ленту припоя 20.The Crystal-702 installation includes a control panel 4; high frequency generator 5; inert gas cylinder 6; gas inlet system 7; control device type 8; potentiometer 9; the housing of the vacuum chamber 10; quartz crucible 11; thermocouple 12; high frequency inductor 13; melt 14; quenching copper disk 15; tape stripper 16; vacuum system 17 with a VT-2A thermocouple vacuum gauge; vacuum unit 18; tape receiver 19; (rapidly quenched) amorphous solder tape 20.

Предварительно выплавленные в дуговой печи МИФИ-9 слитки сплава припоя помещали в кварцевый тигель 11, имеющий сопло. Тигель 11 со слитками размещали внутри высокочастотного индуктора 13. Токами высокой частоты с помощью высокочастотного генератора 5 и индуктора 13 слитки нагревали до необходимой температуры, выше температуры плавления сплава. Расплав припоя 14 под действием давления эжекции инертного газа гелия, подаваемого через систему напуска газа 7, подавали через сопло тигля 11 на быстровращающийся закалочный медный диск 15 шириной 50 мм и диаметром 300 мм (12). При этом площадь поверхности расплава, контактирующего с диском, многократно возрастала и, соответственно, достигалась высокая скорость отвода тепла из расплава в диск. Происходило практически мгновенное затвердевание расплава. Затвердевший расплав припоя отделяется от диска под действием термических напряжений и центробежной силы или срезался с помощью лентосъемника 16. Полученная лента припоя 20 попадала в лентоприемник 19. Процесс изготовления быстрозакаленных аморфных лент осуществляли в контролируемой газовой среде гелия, создаваемой с помощью вакуумной системы 17 и системы напуска инертного газа 7.Preliminarily melted in the MIFI-9 arc furnace, the solder alloy ingots were placed in a quartz crucible 11 having a nozzle. The crucible 11 with ingots was placed inside the high-frequency inductor 13. By high-frequency currents using the high-frequency generator 5 and inductor 13, the ingots were heated to the required temperature above the melting point of the alloy. The melt of solder 14 under the influence of ejection pressure of an inert helium gas supplied through a gas inlet system 7 was supplied through a nozzle of a crucible 11 to a rapidly rotating quenching copper disk 15 with a width of 50 mm and a diameter of 300 mm (12). In this case, the surface area of the melt in contact with the disk increased many times and, accordingly, a high rate of heat removal from the melt to the disk was achieved. Almost instant solidification of the melt occurred. The hardened solder melt is separated from the disk under the influence of thermal stresses and centrifugal force or cut off using a stripper 16. The resulting solder tape 20 fell into the tape receiver 19. The process of manufacturing rapidly quenched amorphous ribbons was carried out in a controlled helium gas medium created using a vacuum system 17 and an admission system inert gas 7.

В процессе изготовления быстрозакаленных аморфных лент регулировали ряд технологических параметров, таких как скорость нагрева, температура процесса разливки расплава, избыточное давление газа в тигле, скорость вращения закалочного диска, расстояние "сопло-диск", газовая среда и ее давление, ширина сопла, масса расплавляемого слитка и другие. Ширина ленты припоя регулировалась длиной сопла тигля. Толщину ленты припоя изменяли рядом параметров: избыточным давлением газа при инжекции расплава, скоростью вращения закалочного диска, вязкостью расплава, температурой разливки, расстоянием "сопло-диск" и др.In the process of manufacturing rapidly quenched amorphous tapes, a number of technological parameters were regulated, such as the heating rate, the temperature of the melt casting process, the excess gas pressure in the crucible, the speed of the quenching disk, the nozzle-disk distance, the gas medium and its pressure, the width of the nozzle, and the mass of the melt ingot and others. The width of the solder ribbon was controlled by the length of the crucible nozzle. The thickness of the solder ribbon was changed by a number of parameters: excess gas pressure during injection of the melt, speed of rotation of the quenching disk, melt viscosity, casting temperature, nozzle-disk distance, etc.

Полученный аморфный ленточный припой показан на фиг.3.The obtained amorphous tape solder is shown in figure 3.

Определение температурных характеристик: температуры кристаллизации из аморфного состояния, температуры плавления и температуры кристаллизации полученных сплавов-припоев проводили на дифференциальном термическом анализаторе STA 409 CD фирмы «Netzsch» со скоростью нагрева и охлаждения 20°С/мин в атмосфере гелия.Determination of temperature characteristics: crystallization temperature from an amorphous state, melting temperature, and crystallization temperature of the obtained alloys-solders was carried out on a Netzsch STA 409 CD differential thermal analyzer with a heating and cooling rate of 20 ° C / min in a helium atmosphere.

Экзотермический пик кристаллизации в интервале температур 425 - 435°C для сплава Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Be, полученный на кривой высокотемпературного дифференциально-термического анализа (ВДТА), свидетельствуют о том, что сплав имеет аморфную структуру.The exothermic crystallization peak in the temperature range 425 - 435 ° C for the Cu alloy - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be, obtained on the curve of high-temperature differential thermal analysis (VDTA), indicates that the alloy has amorphous structure.

Следует отметить, что модифицированный бериллием сплав Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Be имеет термостабильную аморфную структуру, о чем свидетельствует высокая температура его кристаллизации.It should be noted that the beryllium-modified alloy Cu - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be has a thermostable amorphous structure, as evidenced by the high temperature of its crystallization.

Температуры солидуса и ликвидуса заявленного припоя определяли при нагреве и при охлаждении полученного сплава со скоростью 20°С/мин. Для сплава Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Be - Tsolid (при нагреве) = 840°C, Tsolid (при охлаждении) = 830°C, Tliquid (при нагреве) = 875°C, Tliquid (при охлаждении) = 865°C.The solidus and liquidus temperatures of the claimed solder were determined by heating and cooling the resulting alloy at a rate of 20 ° C / min. For Cu alloy - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be - Tsolid (when heated) = 840 ° C, Tsolid (when cooled) = 830 ° C, Tliquid (when heated) = 875 ° C, Tliquid (when cooled) = 865 ° C.

Перед проведением процесса пайки с использованием полученного припоя осуществляли предварительную подготовку образцов из сплавов на основе меди и из вольфрама. Для проведения пайки были вырезаны образцы из монокристаллического и поликристаллического вольфрама диаметром 10 мм и толщиной 2 мм и из медных сплавов 15×15×10 мм. Для проведения реакторных и механических испытаний были вырезаны образцы из поликристаллического вольфрама 25×5×1,5 мм, из БрХЦр 40×25×4,5 мм. Поверхность образцов подвергали шлифовке и полировке, в случае с вольфрамом - электрополировке (для снятия внутренних напряжений).Before carrying out the brazing process using the obtained solder, preliminary preparation of samples from copper-based alloys and from tungsten was carried out. For soldering, samples were cut from monocrystalline and polycrystalline tungsten with a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm and from copper alloys 15 × 15 × 10 mm. For carrying out reactor and mechanical tests, samples were cut from polycrystalline tungsten 25 × 5 × 1.5 mm, from BrKhCr 40 × 25 × 4.5 mm. The surface of the samples was subjected to grinding and polishing; in the case of tungsten, it was electropolished (to relieve internal stresses).

Химический состав и свойства паяемых материалов представлены в таблице 2.The chemical composition and properties of soldered materials are presented in table 2.

Для пайки образцов использовали вакуумную печь с резистивным нагревом СШВ-1.2,5/25М-04, которая позволяет осуществлять пайку в вакууме 1,3×10-3 Па. В качестве нагревателей использовали вольфрамовые прутки и графитовую пластину.For soldering the samples, a vacuum furnace with resistive heating СШВ-1.2.5 / 25М-04 was used, which allows soldering in a vacuum of 1.3 × 10 -3 Pa. Tungsten rods and a graphite plate were used as heaters.

При проведении пайки, как показано на фиг.4, припой 21 укладывали в один слой на шлифованную сторону Cu образца 22 в виде отрезков ленты по размерам паяемых материалов и закрепляли каждый отрезок с помощью точечной конденсаторной электросварки. Затем на поверхность припоя укладывали W образец 23 шлифованной стороной к припою и закрепляли сборку грузом 24 с размещением сборки в кондукторе 25 из тантала на подложке 26 таким образом, чтобы в ходе термического цикла пайки было обеспечено давление 0,25-0,5 кгс/см2.When carrying out soldering, as shown in figure 4, the solder 21 was laid in one layer on the polished side of Cu sample 22 in the form of pieces of tape according to the size of the materials to be soldered and each piece was fixed using spot welding. Then, W sample 23 was placed on the surface of the solder with the polished side to the solder and the assembly was fixed with a load of 24 with the assembly placed in a tantalum conductor 25 on the substrate 26 so that a pressure of 0.25-0.5 kgf / cm was provided during the thermal soldering cycle 2 .

В качестве паяемых материалов использован вольфрам монокристаллический, как кандидатный материал для облицовки дивертора ИТЭР и бронзы различных типов: БрНХК, БрХЦр. Составы медных сплавов приведены в табл.2. Наибольший практический интерес представляет пайка бронзы БрХЦр, так как этот сплав отвечает всем требованиям, предъявленным к материалам ИТЭР. Сплав БрНХК исследовали в сравнительных целях.Monocrystalline tungsten was used as soldered materials, as a candidate material for facing the ITER divertor and various types of bronze: BrNHK, BrHTsr. The compositions of copper alloys are given in table.2. The greatest practical interest is the soldering of bronze BrHTsr, since this alloy meets all the requirements for ITER materials. BrNKhK alloy was investigated for comparative purposes.

Пайку серии образцов осуществляли в вакууме с остаточным давлением не хуже 10-5 мм рт.ст. со скоростью нагрева (15÷20)°C/мин до температуры пайки, при которой осуществлялась изотермическая выдержка. Затем температуру снижали до комнатной со скоростью (15÷20)°C/мин. Температура пайки и время выдержки исследуемых образцов приведены в таблице 3.Soldering a series of samples was carried out in vacuum with a residual pressure of no worse than 10 -5 mm Hg. with a heating rate of (15 ÷ 20) ° C / min to the soldering temperature at which isothermal holding was carried out. Then the temperature was lowered to room temperature at a rate of (15 ÷ 20) ° C / min. The soldering temperature and the exposure time of the test samples are shown in table 3.

На фиг.7 показана микроструктура паяных соединений монокристаллический вольфрам - БрНХК, припой Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Be (слева - бронза, справа - вольфрам): А) Т=900°C, выдержка 2 мин; Б) Т=950°C, выдержка 2 мин; С) Т=950°C, выдержка 30 мин.Figure 7 shows the microstructure of soldered joints of single crystal tungsten - BrNKhK, solder Cu - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be (left - bronze, right - tungsten): A) T = 900 ° C, exposure 2 minutes; B) T = 950 ° C, holding for 2 minutes; C) T = 950 ° C, holding 30 min.

При исследовании микроструктур паяных соединений установлено, что с увеличением времени выдержки при пайке происходит более интенсивное растворение титана в медной матрице бронзы и уменьшение его концентрации в паяном шве. Однако в процессе взаимодействия расплавленного припоя и бронзы происходит некоторое растворение последней, в результате чего в расплав попадают легирующие элементы Cr, Ni и Si. Из результатов микрорентгеноспектрального анализа установлено значительное присутствие кремния. В зоне шва были обнаружены выделения ограненной формы. Увеличение температуры и времени выдержки пайки сопровождается уменьшением концентрации этих выделений и увеличением их размеров. Содержание кремния и титана в этих выделениях достигает значений 15-23 мас.% и 33-64 мас.% соответственно. Тем самым в этих образованиях соотношение кремния и титана можно представить как 1:3 и 1:4. Из анализа диаграммы состояния Ti-Si такому концентрационному соотношению соответствует область гомогенности интерметаллида Ti5Si3 с максимальной температурой плавления 2130°C и повышенной твердостью. Такой процесс тормозит диффузию титана в бронзовую матрицу.In the study of the microstructures of soldered joints, it was found that with an increase in the holding time during soldering, titanium more intensively dissolves in the bronze copper matrix and decreases its concentration in the brazed joint. However, during the interaction of the molten solder and bronze, a certain dissolution of the latter occurs, as a result of which alloying elements Cr, Ni, and Si fall into the melt. From the results of X-ray microspectral analysis, a significant presence of silicon was established. Faceted discharge was found in the seam area. An increase in temperature and soldering holding time is accompanied by a decrease in the concentration of these precipitates and an increase in their size. The content of silicon and titanium in these precipitates reaches 15-23 wt.% And 33-64 wt.%, Respectively. Thus, in these formations, the ratio of silicon to titanium can be represented as 1: 3 and 1: 4. From the analysis of the Ti-Si state diagram, this concentration ratio corresponds to the homogeneity region of the Ti 5 Si 3 intermetallic compound with a maximum melting point of 2130 ° C and increased hardness. Such a process inhibits the diffusion of titanium into a bronze matrix.

Наряду с этим происходит незначительное растворение монокристалла вольфрама (его содержание в шве достигает значений 4-5 мас.%). Значительной эрозии монокристаллического вольфрама обнаружено не было (глубина эрозии порядка 2-3 мкм).Along with this, a slight dissolution of the tungsten single crystal occurs (its content in the weld reaches 4-5 wt.%). No significant erosion of single-crystal tungsten was detected (erosion depth of the order of 2-3 microns).

Понижение температуры пайки заявленным припоем до 900°C приводит к тому, что титан даже при выдержке 2 мин интенсивно растворяется в бронзе, без каких-либо значительных выделений в области паяного шва, интенсивнее чем при 950°C и выдержке 30 мин. Сам паяный шов имеет незначительные размеры (около 10 мкм, при толщине припоя 40 мкм). Это можно объяснить тем, что при 900°C происходит незначительное растворение бронзы и, соответственно, переход в расплав легирующих элементов бронзовой подложки. Поэтому титан, содержащийся в припое, не связывается в соединения и интенсивно диффундирует в медную матрицу бронзы.Lowering the soldering temperature by the declared solder to 900 ° C leads to the fact that titanium, even after holding for 2 minutes, is intensively soluble in bronze, without any significant precipitation in the area of the soldered joint, more intense than at 950 ° C and holding for 30 minutes. The soldered seam itself has small dimensions (about 10 microns, with a solder thickness of 40 microns). This can be explained by the fact that at 900 ° C a slight dissolution of bronze occurs and, accordingly, the alloying elements of the bronze substrate transfer to the melt. Therefore, the titanium contained in the solder does not bind to the compounds and diffuses intensively into the bronze copper matrix.

Из результатов измерения микротвердости было выявлено снижение прочности (микротвердости) в паяных соединениях на расстоянии порядка 80-100 мкм от границы раздела паяного шва и вольфрама на величину ≅7-15% от величины микротвердости бронзовой матрицы. Это связано с тем, что при высоких температурах (950°C) и больших временах выдержки в приповерхностном слое бронзы происходит изменение структурно-фазового состояния, связанного с эрозией и растворением легирующих элементов в расплаве припоя. Вблизи границы с вольфрамом микротвердость увеличилась в 2-2,5 раза, что связано с образованием тугоплавких твердых силицидов титана.From the results of microhardness measurements, a decrease in strength (microhardness) in brazed joints at a distance of about 80-100 μm from the interface between the soldered seam and tungsten by на7-15% of the microhardness of the bronze matrix was revealed. This is due to the fact that at high temperatures (950 ° C) and long exposure times in the surface layer of bronze, a change in the structural-phase state occurs, associated with erosion and dissolution of alloying elements in the solder melt. Near the boundary with tungsten, the microhardness increased by a factor of 2–2.5, which is associated with the formation of refractory solid titanium silicides.

Проведенные исследования показывают, что при пайке при 950°C, 30 мин происходит полное растворение легирующих элементов припоя в медной матрице бронзы, что приводит к формированию равномерного паяного шва.Studies show that when soldering at 950 ° C, 30 min, the alloying elements of the solder are completely dissolved in the bronze copper matrix, which leads to the formation of a uniform soldered seam.

Для проведения внутриреакторных и механических испытаний за один технологический цикл пайки было получено паяное соединение поликристаллического вольфрама 25×5×1,5 мм с бронзой БрХЦр 40×25×4,5. Далее это соединение разрезали на образцы (шириной по 4 мм в поперечном относительно вольфрама направлении).To conduct intra-reactor and mechanical tests in one technological soldering cycle, a soldered connection of polycrystalline tungsten 25 × 5 × 1.5 mm with bronze BrKhtsr 40 × 25 × 4.5 was obtained. Then this compound was cut into samples (4 mm wide in the transverse direction relative to tungsten).

Исследование термостойкости паяных соединений проводили путем облучения паяных образцов W-БрХЦр потоками высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы (ВТИП) в импульсной плазменной установке типа Z-пинч «Десна-М».The study of the heat resistance of soldered joints was carried out by irradiating soldered W-BrHCr samples with high-temperature pulsed deuterium plasma (VTIP) flows in a pulsed plasma device of the Desna-M Z-pinch type.

Для исследования термостойкости готового паяного соединения (модели тайла) его разрезали примерно пополам на искровом станке, полировали и облучали с торца, как показано на фиг.5. Исследование термостойкости паяных соединений, полученных при температуре 950°C с выдержкой 30 мин, припоем Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Be, проводили путем облучения высокотемпературной дейтериевой импульсной плазмой (ВТИП) при фиксированной удельной мощности потока W=5 МВт/см2 и числе импульсов N=2 (длительность импульса ~20 мкс).To study the heat resistance of the finished solder joint (tile model), it was cut approximately in half on a spark machine, polished and irradiated from the end, as shown in Fig. 5. The study of the heat resistance of soldered joints obtained at a temperature of 950 ° C for 30 min, solder Cu - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be, was carried out by irradiation with high-temperature deuterium pulsed plasma (VTIP) at a fixed specific power flow W = 5 MW / cm 2 and the number of pulses N = 2 (pulse duration ~ 20 μs).

Анализ полученных результатов показал, что начиная с воздействия первых импульсов потоков ВТИП в режимах облучения на уровне переходного от умеренного к жесткому (W=5 МВт/см2) торцевая поверхность напаянной вольфрамовой пластины трескается и плавится во всех случаях не зависимо от состава материала припоя и подложки. Теплоотводящий материал (подложка) на основе меди (бронза) во всех случаях подвержен интенсивному плавлению и кипению, о чем свидетельствуем развитый рельеф в виде волн застывшего расплава, капель, кратеров и пор.An analysis of the results showed that starting from the first pulses of the VTIP flows in the irradiation regimes at the transition from moderate to hard (W = 5 MW / cm 2 ), the end surface of the brazed tungsten plate cracks and melts in all cases, regardless of the composition of the solder material and the substrate. In all cases, copper-based heat transfer material (substrate) (bronze) is subject to intense melting and boiling, as evidenced by the developed relief in the form of waves of solidified melt, drops, craters and pores.

Поверхность области пайки под облучением ведет себя не однозначно. Слой припоя на паяных соединениях вольфрама с бронзой БрХЦр не подвержен растрескиванию. Шов однороден по длине, средняя толщина слоя по длине паяного соединения составляет около 20 мкм (см. фиг.8).The surface of the soldering area under irradiation behaves ambiguously. The solder layer on the brazed joints of tungsten with bronze BrHCr is not subject to cracking. The seam is uniform in length, the average thickness of the layer along the length of the soldered joint is about 20 μm (see Fig. 8).

При облучении потоками импульсной дейтериевой плазмы торцевой поверхности паяных градиентных соединений пластин вольфрама с теплоотводящим материалом на основе меди в жестком режиме (W=5 МВт/см2) установлено, что наилучшей термостойкостью обладает соединение монокристаллического вольфрама с бронзой марки БрХЦр припоем Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Be.When irradiating with the pulsed deuterium plasma flows the end surface of the soldered gradient joints of tungsten plates with a copper-based heat sink material in hard mode (W = 5 MW / cm 2 ), it was found that the connection with single crystal tungsten with BrXCr bronze solder Cu - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be.

Испытания паяных образцов W-БрХЦр на трехточечный изгиб (см. фиг.6) осуществляли как в облученном состоянии, так и без него. Облучение образцов проводили при температуре 200°C, нейтронами с энергией более 0,1 МэВ в течение 5 эф. сут., флюенсом 1,8·1020 н/см2.Tests of soldered W-BrHCr samples for three-point bending (see Fig. 6) were carried out both in the irradiated state and without it. The samples were irradiated at a temperature of 200 ° C with neutrons with an energy of more than 0.1 MeV for 5 ef. days., with a fluence of 1.8 · 10 20 n / cm 2 .

В процессе испытания паяных образцов на трехточечный изгиб проводилась фотосъемка. Было выявлено, что до и после облучения характер разрушения испытуемых образцов не меняется. В обоих случаях процесс разрушения начинался сначала с галтельного участка места спая, в котором зарождалась трещина под углом 45° к плоскости паяного шва и распространялась вглубь бронзы. Затем в процессе увеличения нагрузки образовывалась другая трещина в теле вольфрама под углом 45° к поверхности раздела материалов, которая распространялась до области спая. Затем разрушение распространялось вдоль границы раздела вольфрам - бронза. Дальнейшее увеличение нагрузки приводило к деформации бронзы.In the process of testing soldered samples for three-point bending, photography was carried out. It was found that before and after irradiation, the nature of the destruction of the test samples does not change. In both cases, the fracture process started first from the fillet portion of the junction site, in which a crack was generated at an angle of 45 ° to the plane of the soldered seam and spread deep into the bronze. Then, in the process of increasing the load, another crack was formed in the tungsten body at an angle of 45 ° to the material interface, which propagated to the junction area. Then, the destruction spread along the tungsten – bronze interface. A further increase in load led to the deformation of bronze.

Исходя из результатов, можно сделать вывод, что при трехточечном изгибе паяного соединения разрушение зарождается в зоне концентрации напряжений (галтельный участок паяного шва), а при развитии пластической деформации бронзовой основы трещина распространяется вдоль паяного шва. Развитие трещины вдоль паяного шва сопровождается интенсивной пластической деформацией бронзы. Опираясь на это, можно заключить, что увеличение предела текучести в результате нейтронного облучения приводит к повышению прочности паяного соединения в целом.Based on the results, it can be concluded that with a three-point bend of the solder joint, fracture arises in the stress concentration zone (fillet portion of the solder joint), and with the development of plastic deformation of the bronze base, the crack propagates along the solder joint. The development of cracks along the brazed joint is accompanied by intense plastic deformation of the bronze. Based on this, it can be concluded that an increase in the yield strength as a result of neutron irradiation leads to an increase in the strength of the soldered joint as a whole.

Механические испытания методом трехточечного изгиба до и после облучения (флюенс 1,8·1020 н/см2 с энергией нейтронов более 0,1 МэВ, при 200°C) показали, что нейтронное облучение приводит к упрочнению паяного соединения. В процессе облучения происходит увеличение предела текучести соединения с 330 МПа до 540 МПа (см. фиг.9-10), а предел прочности практически не изменяется и составляет 600 МПа.Mechanical tests using the three-point bending method before and after irradiation (fluence 1.8 · 10 20 n / cm 2 with neutron energy more than 0.1 MeV, at 200 ° C) showed that neutron irradiation leads to hardening of the soldered joint. During the irradiation process, the yield strength of the compound increases from 330 MPa to 540 MPa (see Figs. 9-10), and the tensile strength remains virtually unchanged at 600 MPa.

Таким образом, приведенный в описании пример получения аморфного ленточного припоя состава Cu-28Ti-1Be (мас.%) и получения паяного соединения образца монокристаллического вольфрама с бронзой марки БрХЦр показал, что в зоне пайки вольфрама с медью происходит интенсивное растворение легирующих элементов припоя в медной основе изделия, поэтому формируется паяный шов без интерметаллидов, непропаев и пор.Thus, the example given in the description of the preparation of an amorphous strip solder of the composition Cu-28Ti-1Be (wt.%) And the preparation of a brazed joint of a single-crystal tungsten sample with BrHCr grade bronze showed that in the soldering zone of tungsten with copper there is an intensive dissolution of alloying elements of solder in copper the basis of the product, therefore, a soldered seam is formed without intermetallic compounds, nepropathy and pores.

Механические испытания, проведенные до и после нейтронного облучения соединений вольфрам - бронза, спаянных ленточным БЗП на основе меди, показали высокий уровень механических свойств паяных соединений.The mechanical tests carried out before and after the neutron irradiation of tungsten-bronze compounds soldered by tape BZP based on copper showed a high level of mechanical properties of soldered joints.

Заявленный припой пригоден для прецизионной пайки материалов современной техники: вольфрама с медными сплавами применительно к изготовлению дивертора термоядерного реактора ИТЭР.The claimed solder is suitable for precision brazing of materials of modern technology: tungsten with copper alloys as applied to the fabrication of the divertor of the ITER fusion reactor.

Таблица 1.Table 1. Механические и теплофизические свойства соединяемых материалов (при 20°C)Mechanical and thermophysical properties of the materials to be joined (at 20 ° C) СплавыAlloys α, 10-6, К-1 α, 10 -6 , K -1 Е, ГПаE, GPa σВ, МПаσ V , MPa δ,%δ,% Коэффициент Пуассона, νPoisson's ratio, ν W (99,9) поликристаллическийW (99.9) polycrystalline 4.3 (5.0)4.3 (5.0) 342-400342-400 600-900600-900 0-50-5 0,26-0,350.26-0.35 W (монокристалл)*W (single crystal) * 4,34.3 390-420390-420 960960 2-182-18 0,24-0,260.24-0.26 CuCu 16,816.8 110-130110-130 200-240200-240 50fifty

Таблица 2.Table 2. Химический состав и свойства паяемых материаловThe chemical composition and properties of soldered materials Паяемый материалSoldered material Химический состав, мас.%Chemical composition, wt.% Бронза БрНХКBronze BrNHK Cu - основа (2,2…2,8)% Ni, (0,5…1,0)% Cr, (0,4…0,8)% Si, <0,01% Pb, <0,08% Sn, <0,1% Fe, <0,15% ZnCu - base (2.2 ... 2.8)% Ni, (0.5 ... 1.0)% Cr, (0.4 ... 0.8)% Si, <0.01% Pb, <0.08 % Sn, <0.1% Fe, <0.15% Zn Бронза БрХЦр (CuCrZr)Bronze BrHCr (CuCrZr) Cu - основа, 0,6% Cr, 0,08% Zr, примеси <0,1%Cu - base, 0.6% Cr, 0.08% Zr, impurities <0.1% Вольфрам монокристаллическийTungsten single crystal ТУ 48-0531-220-80, кристалл №119TU 48-0531-220-80, crystal No. 119

Таблица 3.Table 3. Режимы пайки образцов вольфрам - бронзаTungsten Soldering Modes - Bronze Режим пайки, °СSoldering mode, ° C 900 °C, 2 мин900 ° C, 2 min 920 °C, 2 мин920 ° C, 2 min 950 °C, 2 мин950 ° C, 2 min 950 °C, 10 мин950 ° C, 10 min 950 °C, 30 мин950 ° C, 30 min W-БрНХК
Cu - 28,0 мас.% Ti
W-BrNHK
Cu - 28.0 wt.% Ti
++ ++ ++ ++
W-БрНХК
Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Be
W-BrNHK
Cu - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be
++ ++ ++
W-БрХЦр
Cu - 28,0 мас.% Ti
W-BrHCR
Cu - 28.0 wt.% Ti
++ ++
W-БрХЦр
Cu - 28,0 мас.% Ti - 1,0 мас.% Ве
W-BrHCR
Cu - 28.0 wt.% Ti - 1.0 wt.% Be
++ ++

Claims (4)

1. Аморфный ленточный припой для пайки вольфрама и его сплавов с медью и ее сплавами, в частности с бронзой, выполненный в виде гибкой ленты с аморфной структурой из сплава на основе меди, содержащего титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Титан 25-31
Бериллий 0,1-3
Медь остальное
1. Amorphous tape solder for brazing tungsten and its alloys with copper and its alloys, in particular with bronze, made in the form of a flexible tape with an amorphous structure from an alloy based on copper containing titanium, characterized in that it additionally contains beryllium in the following ratio components, wt.%:
Titanium 25-31
Beryllium 0.1-3
Copper rest
2. Припой по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде гибкой ленты с аморфной структурой шириной 10-40 мм и толщиной 40-50 мкм, при этом аморфная структура сплава получена сверхбыстрой закалкой из жидкого металлического расплава со скоростью 104-106 град. С/с.2. The solder according to claim 1, characterized in that it is made in the form of a flexible tape with an amorphous structure with a width of 10-40 mm and a thickness of 40-50 microns, while the amorphous structure of the alloy is obtained by ultrafast quenching from a liquid metal melt at a speed of 10 4 - 10 6th hail. C / s 3. Аморфный ленточный припой для пайки вольфрама и его сплавов с медью и ее сплавами, выполненный в виде гибкой ленты с аморфной структурой из сплава на основе меди, содержащего титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Титан 28,0
Бериллий 1,0
Медь остальное
3. Amorphous tape solder for brazing tungsten and its alloys with copper and its alloys, made in the form of a flexible tape with an amorphous structure from an alloy based on copper containing titanium, characterized in that it additionally contains beryllium in the following ratio of components, wt.% :
Titanium 28.0
Beryllium 1.0
Copper rest
4. Припой по п.3, отличающийся тем, что он используется для пайки вольфрамовой облицовки к бронзовой основе дивертора термоядерного реактора. 4. The solder according to claim 3, characterized in that it is used for brazing the tungsten cladding to the bronze base of the divertor of the thermonuclear reactor.
RU2011110773/02A 2011-03-22 2011-03-22 Amorphous copper-based strip solder RU2464143C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011110773/02A RU2464143C1 (en) 2011-03-22 2011-03-22 Amorphous copper-based strip solder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011110773/02A RU2464143C1 (en) 2011-03-22 2011-03-22 Amorphous copper-based strip solder

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2464143C1 true RU2464143C1 (en) 2012-10-20

Family

ID=47145356

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011110773/02A RU2464143C1 (en) 2011-03-22 2011-03-22 Amorphous copper-based strip solder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2464143C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2767920C1 (en) * 2021-03-30 2022-03-22 Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации" Method for creating a copper coating on steel foil for the receiving plate of a tokamak divertor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU470382A1 (en) * 1973-07-17 1975-05-15 Предприятие П/Я М-5539 Solder for brazing of ceramics with metal
US4448853A (en) * 1981-04-15 1984-05-15 Bbc Brown, Boveri & Company, Limited Layered active brazing material and method for producing it

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU470382A1 (en) * 1973-07-17 1975-05-15 Предприятие П/Я М-5539 Solder for brazing of ceramics with metal
US4448853A (en) * 1981-04-15 1984-05-15 Bbc Brown, Boveri & Company, Limited Layered active brazing material and method for producing it

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ТУ 1825-052-13293050-06. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2767920C1 (en) * 2021-03-30 2022-03-22 Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации" Method for creating a copper coating on steel foil for the receiving plate of a tokamak divertor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Microstructure and hardness of fiber laser deposited Inconel 718 using filler wire
Zhang et al. Microstructure and bonding strength of diffusion welding of Mo/Cu joints with Ni interlayer
Mai et al. Characterisation of dissimilar joints in laser welding of steel–kovar, copper–steel and copper–aluminium
Chen et al. Effect of electromigration on intermetallic compound formation in line-type Cu/Sn/Cu interconnect
Farahani et al. A comparative study on direct and pulsed current gas tungsten arc welding of alloy 617
Shang et al. Eliminating the crack of laser 3D printed functionally graded material from TA15 to Inconel718 by base preheating
Zhang et al. Tensile properties of laser additive manufactured Inconel 718 using filler wire
CN112570732B (en) Method for reducing hot cracking sensitivity of laser additive manufacturing nickel-based high-temperature alloy
Sang et al. Microstructure and mechanical properties of electron beam welded joints of tantalum and GH3128
CA3035696A1 (en) Method for generating a component by a powder-bed-based additive manufacturing method and powder for use in such a method
CN102632347B (en) Aluminium matrix composite, brazing filler metal for aluminium alloy and brazing method
Jing et al. Influence of rapid solidification on microstructure, thermodynamic characteristic and the mechanical properties of solder/Cu joints of Sn–9Zn alloy
CN107378248B (en) The pulse laser welding method of molybdenum and molybdenum alloy banjo fixing butt jointing based on waveform modulated
Luo et al. Brazing SiC ceramics and Zr with CoCrFeNiCuSn high entropy alloy
KR20010040138A (en) Liquid metal cooled directional solidification process
Tian et al. Microstructure characterization and grain morphology of alloy 625 with 0.4 wt% boron modification manufactured by laser wire deposition
Taheri et al. Effect of Nd: YAG pulsed-laser welding parameters on melting rate of GTD-111 superalloy joint
Lv et al. Characteristics of laser-offset-TIG hybrid welding of AZ31Mg alloy with 6061Al alloy via Zn filler
KR20160146490A (en) A ductile boron bearing nickel based welding material
CA2763153C (en) Brazing method for joining using amorphous sputtered coating layer as filler and amorphous brazing filler for the brazing method
RU2464143C1 (en) Amorphous copper-based strip solder
LI et al. Dissolution behavior of Cu in Cu-Ag and Cu-P brazing alloys using weld brazing
Zoeram et al. Characterization the microstructure of pulsed Nd: YAG welding method in low frequencies; correlation with tensile and fracture behavior in laser-welded nitinol joints
RU2625924C2 (en) Process of obtaining quick-resistant boron-free solder nickel brazing products from corrosive-steel, solder, peak connection and method of its obtaining
Kalin et al. Application of rapidly quenched ribbon-type filler metals for brazing of the high-heat-flux elements of ITER

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160323