Impact of conditions and parameters of brazing of stainless steel and titanium on mechanical and structural properties of joints

• Autorzy: Winiowski A.

Warianty tytułu

PL

Wpływ warunków i parametrów lutowania twardego stali nierdzewnej z tytanem na własności mechaniczne i strukturalne połączeń

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Joining of materials having diversified physical and chemical properties by means of welding methods and obtaining joints characterised by good operation properties constitutes today a significant problem in relation to research and technology. The issue concerns also the joining of stainless steels with titanium as well as with titanium-based alloys and composites. Apart from specialised welding technologies, brazing is one of the basic methods applied for joining such material combinations in the production of systems and heat exchangers for chemical industry as well as subassemblies of nuclear reactors and aircraft engines and accessories. Similarly as in case of welded joints of stainless steel and titanium, the mechanical properties of brazed joints of the aforesaid materials are connected with the occurrence of hard and brittle intermetallic phases appearing in the form of continuous layers on braze boundaries. This work reports testing of strength properties and investigation of structures of vacuum-brazed joints of stainless chromium-nickel steel (X6CrNiTi18-10) and titanium (Grade 2) at 820�€900.C for 5�€40 min by means of silver brazing filler metal (B-Ag72Cu-780). The structural tests were conducted taking advantage of optical microscopy; by means of a scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and and energy-dispersion spectrometer (EDS). The test results enabled the identification of phases in brazes and their diffusion zones and proved that strength properties of joints depend on brittle and very hard layers of intermetallic phases such as Cr13Fe35Ni3Ti7, CuTi2, CuFeTi2 and CuTi types (with significant content of Fe) formed on the steel side. The determination of the kinetics of qualitative and geometrical changes in joint structures depending on temperature and brazing times allowed to specify the most convenient brazing parameters of the tested material system from the mechanical properties point of view.

PL

Łączenie metodami spawalniczymi materiałów o zróżnicowanych własnościach fizycznych i chemicznych oraz uzyskiwanie połączeń o wymaganych dobrych własnościach eksploatacyjnych stanowi ważny i aktualny problem badawczy oraz technologiczny. Dotyczy to między innymi połączeń stali nierdzewnych z tytanem a także stopami i materiałami kompozytowymi na osnowie tego metalu. Lutowanie twarde obok specjalistycznych metod spawania i zgrzewania jest jedną z podstawowych metod łączenia takich układow materiałowych w produkcji instalacji oraz wymiennikow ciepła dla przemysłu chemicznego, a także podzespołów reaktorów nuklearnych oraz osprzętu i silników lotniczych. Własności mechaniczne połączeń lutowanych stal nierdzewna-tytan, podobnie jak połączeń spawanych i zgrzewanych tych materiałów, są związane z występowaniem twardych i kruchych faz międzymetalicznych, wydzielających się w postaci ciągłych warstw na granicach lutowin. W niniejszej pracy przeprowadzono badania własności wytrzymałościowych oraz badania struktur połączeń stali nierdzewnnej chromowo-niklowej X6CrNiTi18-10 z tytanem Grade 2 lutowanych pro.niowo w temperaturach 820-900°C i czasach 5-40min lutem srebrnym B-Ag72Cu-780. Badania strukturalne prowadzono z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej, mikroskopów elektronowych: skaningowego (SEM) i transmisyjnego (TEM) oraz spektrometru dyspersji energii (EDS). Wyniki badań pozwoliły na identyfikację faz w lutowinach i ich strefach dyfuzyjnych a także wykazały, że za własności wytrzymałościowe połączeń odpowiedzialne są powstające od strony stali kruche i bardzo twarde warstwy faz międzymetalicznych typu Cr13Fe35Ni3Ti7. CuTi2, CuFeTi2, i CuTi (z dużą zawartością Fe). Określenie kinetyki zmian jakościowych i geometrycznych w strukturach połączeń w zależności od temperatur i czasów lutowania pozwoliło na ustalenie najkorzystniejszych ze względu na własności mechaniczne parametrow lutowania badanego układu materiałowego.

Słowa kluczowe

EN

brazing; vacuum brazing; stainless steel; titanium; intermetallic phases; mechanical properties of brazed joints; brazing parameters

PL

lutowanie; lutowanie twarde; stal nierdzewna; tytan; fazy międzymetaliczne; własności mechaniczne połączeń lutowanych; parametry lutowania

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, iss. 4
• Strony: 593--608
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Winiowski A.

• Institute of Welding, 44-100 Gliwice, Bł. Czesława 16/18 Str., Poland

Bibliografia

• [1] Joint publication, Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo. T. 1 i 2. WNT, Warszawa 2004/2005 (in Polish).
• [2] M. Schwartz, Brazing. Ed. 2, ASM International, Materials Park, Ohio, 107-117 (2003).
• [3] Joint publication, Brazing Handbook. AWS, Miami, 359-379 (1991).
• [4] W. Müller, J. U. Müller, Löttechnik. DVS, Düseldorf, 1995 (in German).
• [5] N. F. Łaško, S. V. Łaško, Pajka metałłov. Maginostrojenie, Moskva 338-353, 1984 (in Russian).
• [6] Praca Zbiorowa: Spravothik po pajkie. Mašinostrojenie, Moskva 281-284, 2003 (in Russian).
• [7] V. Ruża, Pajeni. SMTL-Alfa, Praha, 355-359, 1988 (in Czech).
• [8] R. Messler, Joining of advanced materials. Butterworth-Heinemann, Boston 397-400, 417-419 (1993).
• [9] I. E. Pietrunin i inni, Metałłoviedienie pajki. Metallurgia, Moskva, 19-20, 1976 (in Russian).
• [10] V. I. Dybkov, Reaction diffusion and solid state chemical kinetics. IPMS Publications, Kijev 2002.
• [11] L. S. Kireev, V. V. Pegkov, Joining titanium to steel. 11/2. Harwood Academic Publishers 1998.
• [12] L. S. Kireev, V. N. Zamkov, Fusion welding of titanium to steel (reviev). Titanium. E.O. Paton Electric Welding Institute, NASU, 156-160, (2006).
• [13] L. S. Kireev, V. N. Zamkov, Solid-state joining of titanium to steel (review). Titanium. E.O. Paton Electric Welding Institute, NASU, 151-157 (2006).
• [14] N. Kahraman, B. Gulenc, F. Findik, Joining of titanium/stainless steel by explosive welding and effect on interface. Journal of Material Processing Technology 169, 127-133 (2005)
• [15] A. Shapiro, A. Rabinkin, State of art of titanium based brazing filler metals. Welding Journal 10, 36-43 (2003).
• [16] W. N. Jeremienko, J. Bujanov, N. M. Paščenko, Obłast rasstojenia w żidkom sostojanii w sistemie Izd. A.N. USSR, nr 5, 1969 (in Russian).
• [17] J. W. Najdič, W. S. Żuravlev, N. J. Frumina, Razrabotka i ispytanie robočich parametrov spajevokonno go tipa iz sapfira. Adgezja Rasplavov i Pajka Materialov 56-58, nr 7/1981 (in Russian).
• [18] T. Noola, T. Shimizu, M. Okabc, T. Iikubo, Joining of TiAI and steel by induction brazing. Materials Science and Engineering A 239-240, 607-618 (1997).
• [19] R. K. Shiue, S. K. Wu, S. Y. Chen, Infrared brazing of TiAI intermetallic using BAg-8 braze alloy. Acta Materialia 51, 1191-2004 (2003).
• [20] K. Matsu, Y. Miyazawa, Y. Totsuka, T. Ariga, Brazing of CP-Ti to stainless steel. Lectures of International Conference "Brazing, high temperature brazing and diffusion welding", Aachen, 57-60 (2004).
• [21] W. Qu. Zuang, A. Khan, Y. Yang, Brazing titanium alloy and stainless steel with copper-based filler metal. Lectures of International Conference "Brazing, high temperature brazing and diffusion welding", Aachen, 317-321 (2004).
• [22] F. W. Bach i inni, Flussmittelfreies Lötten von Lichtmetall — Stahl Verbindun gen. Lectures of International Conference "Brazing, high temperature brazing and diffusion welding", Aachen, 206-210, 1998 (in German).
• [23] T. B. Massalski, Binary alloy phase diagrams. ASM International, Materials Park, Ohio 1991.
• [24] P. Villars, A. Prince, H. Okamoto, Handbook of tenary alloy phase diagrams. T. 7 i 8. ASM International, Materials Park, Ohio 1995.
• [25] A. Winiowski, J. Niagaj, Badania technologiczne lutowania materiałów trudno lutowalnych lutowanych opracowanie nowych materiałów spawalniczych (Investigation of brazing technology of materials hard to braze and development of new welding consumables). Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa w gliwicach (Research output of Institute of Welding-Gliwice) nr Gn-12/ST-195/2002 (no published).
• [26] A. Winiowski, B. Rams, Określenie wpływu technologii lutowania na właściwości połączeń aluminium z innymi metalami oraz badanie szkodliwości materiałów lutowniczych (Description of influence brazing technology on characteristics aluminum joints with another metals and investigation of brazing consumables harmful). Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach (Research output of Institute of Welding-Gliwice) nr Cc-49/ST-180/2001 (no published).