В Далиан University of Technology получили прочность пайки TC4 и 316L в 360 МПа

Исследователи из Даляньского технологического университета разработали аморфный ленточный припой с добавлением гафния для вакуумной пайки титанового сплава Ti-6Al-4V (TC4) и нержавеющей стали марки SS316L, добившись предела прочности на сдвиг в 360 ± 12 МПа в лабораторных испытаниях, сообщает журнал «中国焊接：英文版» sciencedirect.com中国焊接：英文版sciencedirect.comОткрыть источник ↗. Сварка и пайка титана со сталью обычно ограничены возникновением хрупких интерметаллических фаз TiFe и TiFe₂, которые провоцируют образование трещин при нагрузках.

Для подавления нежелательных фаз авторы изготовили методом спиннингования расплава аморфную ленту состава Ti36,27-Zr12,50-Cu37,48-Ni12,50-Hf1,25 (ат.%). Эксперименты по вакуумной пайке проводились в температурном интервале от 910 до 950 °C при выдержке от 5 до 40 минут. Максимальная прочность соединения на сдвиг составила 360 ± 12 МПа при температуре 910 °C и выдержке 40 минут; близкий результат в 353 ± 9 МПа был зафиксирован уже при 10 минутах выдержки при той же температуре. Превышение температуры 930 °C вызвало ускоренный рост грубых интерметаллических прослоек, что снизило прочность соединения почти на 50%.

Микроструктура зоны контакта и кинетика

Анализ микроструктуры показал наличие трех зон в переходной области: диффузионного слоя (α + β)-Ti с пластинчатым α-Ti около сплава TC4, центрального эвтектического шва с интерметаллидами и контактного слоя, обогащенного железом и хромом, со стороны стали SS316L. По данным авторов, гафний и цирконий локализовались внутри паяного шва, сдерживая рост зерен, тогда как диффузия титана, меди и железа сформировала градиентные переходы.

Кинетические расчеты показали параболическую зависимость роста слоев от времени и аррениусовскую зависимость от температуры sciencedirect.com中国焊接：英文版sciencedirect.comОткрыть источник ↗. Энергия активации диффузии составила 261 кДж/моль на стороне TC4 и 149,6 кДж/моль на стороне стали SS316L, что подтверждает доминирующую роль титановой подложки в диффузионных процессах.

Механика разрушения и фазовый состав

Картирование микротвердости подтвердило, что фазы Ti₂Cu и TiFe выступают ключевыми упрочняющими элементами шва, однако их хрупкость одновременно служит основным источником разрушения. Фрактографический анализ выявил интерметаллический скол со стороны нержавеющей стали и смешанный вязко-хрупкий излом со стороны титанового сплава. Результаты экспериментов определяют технологическое окно около 910 °C, необходимое для удержания баланса между диффузионным сцеплением и ростом хрупких фаз.