Композиционные припои имеют гетерофазную структуру псевдосплава и состоят из наполнителя и матрицы

Наполнитель композиционного припоя в виде порошка, сетки, волокон образует разветвленный капилляр,удерживающий основную часть жидкой фазы, которой является расплав припоя (матрица).

Наполнитель обеспечивает основные физико–механические характеристики паяных соединений, в частности их прочность. Матрица может вводиться в припой в виде порошков или покрытия, которое наносят на паяемые поверхности. Основное требование к матрице сводится к обеспечению качественного смачивания наполнителя и поверхности паяемого материала. Матрица должна быть инертна к наполнителю, иметь достаточный уровень пластичности и вязкости; не образовывать хрупких соединений при взаимодействии с паяемыми материалами; иметь более низкий модуль упругости по - сравнению с наполнителем и температуру плавления, превышающую температуру работы изделия.

По способу введения в зазор композиционные припои подразделяются на четыре вида:

- применяются в виде многослойных покрытий;

- используется в виде фасонных или простых профилей – фольг, лент, втулок, получаемых методами порошковой или волокнистой металлургии в сочетании с обработкой давлением (прокатка, штамповка после пропитки матрицей порошков или волокон);

- методами нанесения покрытий на профили;

- применяются в виде смеси порошков или паст, которые вводят в зазор непосредственно перед пайкой;

-комбинированные способы – сочетание приведенных выше способов.

Композиционная структура в шве может быть получена за счет применения композиционного припоя; за счет диспергирования паяемых материалов или в процессе диффузионной пайки; при образовании твердого раствора.

В настоящее время определены следующие способы применения композиционных припоев и получения композиционной структуры паяемых швов:

1) при применении припоя, сохраняющего композиционную структуру в шве после пайки. Обычно методами волокнистой металлургии получают губчато-образную сетку, состоящую из стальных волокон диаметром 0,13 мм и более (длина волокна в 20 раз больше диаметра), сетку спекают и пропитывают расплавом припоя и прокатывают до нужной толщины δ=0,05мм и более. Объемная доля волокна больше 10 – 20 %.

Полученную ленту припоя укладывают на соединяемые поверхности, которые собирают с зазором или без зазора и производят пайку. В качестве припоя используют сплавы 70 % Pb + 30 % Sn. Сетку волокна можно помещать в зазор а > 1мм, с последующей операцией частичного спекания, или без нее. Припой (матрица) укладывается около зазора и в процессе пайки пропитывает пористый материал.

Подобным образом производят пайку с использованием смеси порошков.

Применение смеси порошков позволяет паять материалы с большими зазорами и, что особенно важно, соединять разнородные материалы с резко различающимися значениями ТКЛР, снижать напряжения в шве при пайке инструмента, регулировать степень растекания припоя, паять пористые материалы с компактными, тонкостенные конструкции, исключая эрозию паяемых материалов.

В качестве наполнителя применяют порошки Cu, Fe, Ni, Co, Al₂O₃, ТiC, матрицей служит припои стандартных составов, например, системы Pb – Sn, Cu – Ni – Mn; Ni – Cr – Si, др.

Наполнитель обеспечивает основные механические, в частности, прочностные свойства. Матрица может вводиться в припой в виде порошков или покрытий, которые наносятся на паяемые поверхности.

Наполнитель, как и матрицу, выбирают исходя из эксплуатационных требований.

Порошковые припои могут быть изготовлены механическим смешением порошков компонентов припоя, порошков из слитков, выплавленных из компонентов припоя, порошка из слитков и остальных компонентов. Порошки припоев могут быть изготовлены дроблением, распылением расплава, термоцентробежным распылением в инертном газе. В зависимости от назначения припоя порошок применяют в виде гранул размером 10 – 200 мкм

Для удобства порошковые припои используют в виде паст. Пасты для низкотемпературной пайки состоят из трех частей – порошкообразного припоя, флюса и загустителя. В качестве флюса может быть использован любой флюс, применяемый для пайки изделия непорошковым припоем, обычно это хлористый цинк или канифоль. Для придания пасте колллоидного состояния вводят крахмал, декстрин, ланелин, воск, поливиниловый спирт.

Например, используется паста следующего состава: 6 % канифоли; 6 % нашатырного спирта; 13 % SnCl₂; 20 % ZnCl₂; 13 % глицерина; 27 % порошка цинка; 9 % порошка Sn; 6 % порошка Pb.

В качестве флюса в порошковых припоях для пайки алюминия и магния применяют смеси хлористых и фтористых солей, для высокотемпературной пайки – флюсы, содержащие боридные соединения.

К связующим веществам пастообразных припоев предъявляют следующие требования: в процессе пайки они не должны окислять припой и паяемый металл; при выгорании не оставлять на поверхности деталей сажистого остатка; не препятствовать растеканию припоя; продукты сгорания не должны быть токсичны.

Для связующих компонентов пастообразных припоев используют акриловую смолу, акриловый лак.Например, для пайки никелевых сплавов с зазором 0.5-1.5 мм используют в виде пасты припой ВБр11-40Н. При изготовлении пасты используют 10% раствор акриловой смолы БМ-К. В раствор Р-5, Cr-14-16%; Fe-3-5%; Si 4-5%; B 2-4%, Al – 0.1-1.0%; C- 0.5-0.6%; T_п- 980°. Наполнитель с более высокой, чем у припоя ВБр11 температурой плавления, помещенный в зазор, препятствует вытеканию припоя, повышает коррозионную стойкость паяемого металла.

При пайке пористых материалов используют наполнитель в виде сетки либо порошков, которые удерживают матрицу (припой), не позволяя ей растекаться по поверхности.

Волокна являются наиболее эффективным упрочнителем. Эффективность упрочнения определяется коэффициентом упрочнения, который показывает отношение пределов текучести композиционного к пределу текучести неармированного материала и зависит от отношения длины к диаметру волокна, средней прочности волокна и его объемного содержания.

Матрица действует как среда, передающая напряжение. А эффект упрочнения определяется свойствами волокон.

Коэффициент упрочнения материала частицами зависит от их объемной доли. Равномерности распределения определяется в основном способностью тормозить давление дислокаций. Коэффициент упрочнения, составляющий 5-30 раз, характерен для дисперсных систем с размером частиц d_r<0.1 мкм.

В керметах, состоящих из мелких керамических частиц и металлической матрицы при увеличении размера частиц (d_r=0.1-10 мкм), коэффициент упрочнения изменяется от 5 до 0,5. Упрочнение дисперсными частицами наиболее эффективно при работе изделий при повышенных температурах. Коэффициент относительной жаропрочности (Т_раб/Т_пл) для традиционных никелевых сплавов составляет 0,76 Т_пл, для дисперсно упрочненных никелевых сплавов – не менее 0,9 Т_пл. (Т_раб > 1200 – 1300 ^ОС).

Наибольшая прочность и стабильность структуры при повышенных температурах характерна для материалов, армированных волокнами.

Пайка припоями, обеспечивающими возможность получения в составе структуры твердых растворов, используется при работе изделий в условиях агрессивных сред, циклических нагрузок, сверхнизких температур.

Композиционный припой используется в виде многослойных фольг, покрытий, послойного нанесения порошков, сеток в сочетании с ниточными или порошковыми припоями. Для снижения температуры пайки компоненты слоев подбирают таким образом, чтобы в процессе контактного плавления происходило образование жидкой фазы.

Для пайки титана используют покрытие из сплава системы Cu-Zn, либо Cu-(Co-Ni)-Cu, T_n=950-1000 °C, в течение t=15-60 мин. Введение никеля снижает количество интерметаллидной фазы Ti₃Cu. Шов состоит из альфа-твердого раствора и альфа-титана и равномерно распределяемых включений Ti₃Ni, легированных медью.

Третий способ – получение композиционной структуры в процессе диффузионной пайки или диспергирования, причем исходный припой может не иметь композиционной структуры. Например, в процессе диффузионной пайки некоторых жаропрочных никелевых сплавов в шве выпадает упрочняющая фаза Ni₃(AlTi).

Композиционная структура может быть получена в процессе диспергирования поверхности основного металла при контакте ее с жидким пропоем. Эффект диспергирования в основном исследован для систем с отсутствием взаимной растворимости. Вклад упрочнения шва от диспергирования в два раза выше, чем отдисперсных частиц, вводимых в припой.

Например, при пайке сплава вольфрама W-3Ni-2Cu припоем системы Ni-Mn-Cr-Co. Т_п=1300=1320 °С; t=10-15 мин, зазор 0-0.5 мм. частицы вольфрама размером» 0.01 мм заполняют всю ширину шва.