Всероссийский институт авиационных материалов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Москва, Россия:

Н. Д. Щетинина, инженер
И. Бенариеб, инженер, эл. почта: benar1294@gmail.com
Н. В. Дынин, начальник сектора
С. В. Сбитнева, старший научный сотрудник, канд. техн. наук

Повышение качества паяных соединений в конструкции пластинчато-ребристых теплообменников из алюминиевых сплавов является актуальной задачей при создании новых изделий авиационной техники. В работе приведен краткий анализ литературы, посвященной изучению механизма диффузионного взаимодействия жидкого припоя со сплавом основы при пайке алюминиевых сплавов. Данное явление является значимой проблемой, так как снижает паяемость, приводит к эрозии и ухудшению свойств элементов паяного соединения. Методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии исследованы особенности структурно-фазового состояния холоднокатаных листов (состояние Н₂) из нового деформируемого сплава системы Al – Mn – Mg (типа АМц), плакированных сплавом системы Al – Si – Mg (типа силумин), после высокотемпературной вакуумной пайки. Установлено, что структура сплава основы листов при пайке переходит от субзеренной к рекристаллизованной, при этом марганцовистые дисперсоиды α-фазы Al₁₅(Mn,Cr,Fe)₅Si₂ сохраняют свой размер, число и характер распределения в алюминиевой матрице. Изучено влияние температурно-временных параметров процесса имитации пайки на величину эрозионного слоя и механические свойства листов. Высокотемпературный нагрев, имитирующий пайку, приводит к значительному снижению пределов прочности и текучести, а также относительного удлинения вследствие уменьшения деформационного упрочнения и охрупчивающего действия эрозионного слоя. Показано, что величина эрозионного слоя может быть снижена применением определенных режимов пайки и предварительного отжига листов (в исходном состоянии), позволяющими снизить деградацию свойств материала после пайки. Сформулированы факторы, которые следует учитывать для повышения качества паяного соединения: химический состав сплава основы, в том числе содержание железа и кремния; температурно-временные параметры пайки, в особенности продолжительность выдержки; исходное структурное состояние листа, определяющее характер диффундирования кремния в материал сердцевины.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» ФГУП «ВИАМ» в рамках реализации комплексного научного направления «Легкие, высокопрочные коррозионно-стойкие свариваемые сплавы и стали, в том числе с высокой вязкостью разрушения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).
Авторы статьи выражают благодарность специалистам НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ С. В. Самохвалову за научную и консультативную помощь и Е. В. Филонову за вклад в проведенные исследования методом растровой электронной микроскопии и анализ полученных результатов.

1. Каблов Е. Н., Дынин Н. В., Бенариеб И., Щетинина Н. Д., Самохвалов С. В., Неруш С. В. Перспективные алюминиевые сплавы для паяных конструкций авиационной техники // Заготовительные производства в машиностроении. 2021. № 4. C. 179–192.
2. Карабанов В. В., Бохоров И. О. Пайка теплообменников // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. № 4. С. 30–48.
3. Галимов А. Р., Меркулов В. И., Тищенко И. В. Оценка вероятности отказов воздухо-воздушных теплообменников при эксплуатации авиационных систем кондиционирования воздуха // Известия вузов. Машиностроение. 2018. № 11. С. 84–89. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-11-84-89.
4. Степанов В. В., Конкевич В. Ю., Суслов А. А. Перспективы повышения прочности паяных конструкций из алюминиевых сплавов // Сварочное производство. 2006. № 8. С. 37–43.
5. Дынин Н. В., Бенариеб И., Щетинина Н. Д., Сбитнева С. В. Влияние химического состава и высокотемпературного нагрева, имитирующего пайку, на структуру и механические свойства листов из сплава системы Al – Mn (–Mg). Часть 1 // Цветные металлы. 2021. № 12. С. 59–69. DOI: 10.17580/tsm.2021.12.09.
6. Грушко О. Е., Миллер В. С., Шевелева Л. М., Шейн Ю. Ф. Влияние структуры материала сердцевины на паяемость плакированных листов из алюминиевого сплава 3003/4470 // Авиационные материалы и технологии. 2002. № 4. С. 96–103.
7. Woods A. Liquid film migration during aluminum brazing // SAE Technical Paper. 1997. No. 971848.
8. Wittebrood A., Desikan S., Boom R., Katgerman L. Liquid film migration in aluminium brazing sheet // Materials Science Forum. 2006. Vol. 519–521. P. 1151–1156.
9. Wittebrood A., Boom R., Katgerman L. Microstructural changes in brazing sheet due to solid-liquid interaction // Corus Technology. 2009. P. 51–68.
10. Benoit M. J., Whitney M. A., Wells M. A., Jin H., Winkler S. Liquid film migration in warm formed aluminum brazing sheet // Metallurgical and materials transact ions A. 2017. Vol. 48. P. 4645–4654.
11. Benoit M. J. et al. Sagging resistance of warm formed aluminum brazing sheet // Journal of Materials Processing Technology. 2017. Vol. 254. P. 353–360.
12. Benoit M. J. et al. Microstructure evolution of warm deformed multilayered Al alloy sheet durin g brazing // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 281. P. 116639.
13. Jin H., Kozdras M. S., Shalchi Amirkhiz B., Winkler S. L. Liquid–solid interaction in Al – Si/Al – Mn – Cu – Mg brazing sheets and its effects on mechanical properties // Metallurgical and materials transactions A. 2018. Vol. 49. P. 3091–3107.
14. Turriff D. M., Corbin S. F., Kozdras M. Diffusional solidification phenomena in clad aluminum automotive braze sheet // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. P. 1332–1341.
15. Rabkin E., Snapiro I. Wetting of the low-angle grain boundaries // Acta materialia. 2000. Vol. 48, Iss. 18–19. P. 4463–4469.
16. Liu C., Xue X., Chen X. et al. Effect of microstructural evolution on sagging behavior of cold-rolled aluminum foil during the brazing thermal cycle // Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. Vol. 26, Iss. 11. P. 5563–5570.
17. Shimosaka D., Ueno M. Effects of Si and Zr addition on strength and recrystallization behavior of Al – Mn alloy fin stocks for automotive heat exchanger // MATEC Web of Conferences 326, ICAA 17. 2020.
18. Jin X. et al. Effect of Cu and Mg on the corrosion behavior of 4004/Al – Mn/Cu – Mg/4004 aluminum alloy brazing sheet // MATEC Web of Conferences 326, ICAA 17. 2020.
19. Schölin K., Mannerskog B. Corrosion resistant aluminium radiator materials for vacuum and controlled atmosphere brazing // SAE Technical Paper. 1993. No. 931077.
20. Westergård R., Norgren S., Wass S. New high strength, longlife aluminium alloys with excellent sagging resistance for heat exchanger tube applications // SAE. Technical Paper. No. 2005-01-2012. DOI: 10.4271/2005-01-2012.
21. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — Введ. 01.01.1986.
22. Kemsies R. H. et al. In situ DSC investigation into the kinetics and microstructure of dispersoid formation in Al – Mn – Fe – Si (–Mg) alloys // Materials & Design. 2018. Vol. 146. P. 96–107.
23. Гуляев А. С., Скоблова Л. В., Чарухина К. Е. и др. Влияние режима отжига на свойства биметаллической ленты сплав АМц – силумин // Технология легких сплавов. 1971. № 3. С. 70–73.