Jak wykonuje się lutowanie twarde tytanu z aluminium, stalą, miedzią lub ceramiką?

Lutowanie twarde tytanu z aluminium

Konstrukcje aluminiowo-tytanowe łączą w sobie niski koszt, wysoką wytrzymałość właściwą oraz odporność na korozję, jednak ich niedopasowanie właściwości fizycznych powoduje powstawanie naprężeń szczątkowych oraz kruchych związków międzymetalicznych TiAl. Materiał wypełniający musi zwilżać obie powierzchnie, wypełniać szczelinę oraz sprzyjać reakcji wieloskładnikowej, która ogranicza tworzenie się TiAl.

Do lutowania próżniowego czystego tytanu z czystym aluminium w temperaturze 600–620°C wykorzystano stopy wypełniające Al30Ag10Cu, Al10Cu8Sn oraz Al10Si1Mg. Na ich granicach faz powstaje TiAl₃ z Ag₂Al lub CuAl₂, albo Ti₇Al₅Si₁₂. Spoiwo Al-Si-Mg zapewniło najwyższą odnotowaną w tym porównaniu wytrzymałość na ścinanie, wynoszącą 70 MPa. Dodanie La i Pr do stopu Al8,4Si20Cu10Ge umożliwiło lutowanie próżniowe w piecu stopu Ti-6Al-4V z aluminium 6061 w temperaturze 530°C oraz zwiększyło wytrzymałość na rozciąganie do 51 MPa.

Lutowanie twarde tytanu ze stalą nierdzewną

Należy stosować próżnię lub argon, aby zapobiec wchłanianiu gazów i utlenianiu. Węgiel, chrom i nikiel zawarte w stali nierdzewnej mogą reagować z tytanem, tworząc związki TiC, TiCr i TiNi. Należy dobrać materiał spawalniczy o temperaturze topnienia niższej od temperatury przemiany tytanu oraz unikać nadmiernych dodatków powodujących tworzenie się faz kruchych. W przypadku połączenia Ti-6Al-4V ze stalą nierdzewną 304 spośród stopów 40Ti-20Zr-20Cu-20Ni, Ag-5Pd, BNi2 i BNi7 najlepsze zwilżanie wykazał stop BNi7; wyższa zawartość niklu ograniczała również wzrost fazy beta. W powietrzu wypełniacz srebrny z topnikiem CuCl-AgCl oraz niewielkim dodatkiem LiF może poprawić zwilżanie.

Lutowanie twarde tytanu z miedzią

Lutowanie próżniowe stopu Ti-6Al-4V z brązem chromowym QCr0,8 przy użyciu stopu AgCu28 prowadzi do powstania roztworów stałych srebra i miedzi oraz związków międzymetalicznych CuTi. Przy temperaturze 890 °C przez 10 minut odnotowana maksymalna wytrzymałość na ścinanie wyniosła 449 MPa. Spoiwo Ti-Ni-Zr-Cu umożliwia łączenie cienkościennego Ti-6Al-4V z beztlenową miedzią TU2; powłoka niklowa o grubości 10–20 μm może ograniczać rozpuszczanie tytanu. Spawanie lutowane kieruje ciepło w stronę miedzi o niższej temperaturze topnienia, co ogranicza topnienie tytanu i tworzenie się związków TiCu.

Lutowanie twarde tytanu z ceramiką

Ceramika jest odporna na wysoką temperaturę, zużycie i korozję, ale jest trudna w obróbce i charakteryzuje się niską wytrzymałością. Łączenie metodą lutowania twardego pozwala połączyć ją z wytrzymałymi konstrukcjami tytanowymi, jednak należy rozwiązać dwa problemy: słabe zwilżanie metalurgiczne spowodowane wiązaniami jonowymi lub kowalencyjnymi oraz naprężenia szczątkowe wynikające z niedopasowania współwystępowania rozszerzalności cieplnej. Należy poddać ceramikę metalizacji wstępnej lub dodać aktywny pierwiastek wypełniający, a także zmniejszyć naprężenia poprzez zastosowanie wzmocnienia o niskiej rozszerzalności, warstwy pośredniej lub odpowiedniego projektu geometrii połączenia.

Powszechnie stosuje się aktywne wypełniacze typu Ag-Cu-Ti i Ag-Ti. Wypełniacz Ag-Cu-Ti skutecznie zwilża ceramikę w temperaturze około 850–1 000 °C i umożliwia wiązanie obu podłoży; powyżej 1 000 °C jego zdolność do zwilżania ceramiki znacznie spada.