Lutowanie superstopów
(1) Właściwości lutowania: superstopy można podzielić na trzy kategorie: na bazie niklu, na bazie żelaza i na bazie kobaltu. Charakteryzują się one dobrymi właściwościami mechanicznymi, odpornością na utlenianie i korozję w wysokich temperaturach. Stop na bazie niklu jest najszerzej stosowany w produkcji.
Nadstop zawiera więcej Cr, a podczas nagrzewania na jego powierzchni tworzy się trudna do usunięcia warstwa tlenku Cr2O3. Nadstopy na bazie niklu zawierają Al i Ti, które łatwo utleniają się podczas nagrzewania. Dlatego głównym problemem podczas lutowania twardego jest zapobieganie lub ograniczanie utleniania nadstopów podczas nagrzewania oraz usuwanie warstwy tlenku. Ponieważ boraks lub kwas borowy w topniku mogą powodować korozję metalu bazowego w temperaturze lutowania twardego, bor wytrącony po reakcji może wnikać w metal bazowy, powodując infiltrację międzykrystaliczną. W przypadku odlewanych stopów na bazie niklu o wysokiej zawartości Al i Ti, stopień próżni w stanie gorącym nie powinien być mniejszy niż 10-2 ~ 10-3 Pa podczas lutowania twardego, aby uniknąć utleniania powierzchni stopu podczas nagrzewania.
W przypadku stopów na bazie niklu, wzmacnianych roztworowo i wydzieleniowo, temperatura lutowania powinna być zgodna z temperaturą nagrzewania podczas obróbki cieplnej, aby zapewnić całkowite rozpuszczenie pierwiastków stopowych. Zbyt niska temperatura lutowania uniemożliwia całkowite rozpuszczenie pierwiastków stopowych. Zbyt wysoka temperatura lutowania powoduje rozrost ziarna metalu bazowego, a właściwości materiału nie zostaną przywrócone nawet po obróbce cieplnej. Temperatura roztworu stałego stopów na bazie odlewanej jest wysoka, co zazwyczaj nie wpływa na właściwości materiału z powodu zbyt wysokiej temperatury lutowania.
Niektóre superstopy na bazie niklu, zwłaszcza stopy wzmacniane wydzieleniowo, mają tendencję do pękania naprężeniowego. Przed lutowaniem należy całkowicie usunąć naprężenia powstałe w procesie, a naprężenia termiczne zminimalizować podczas lutowania.
(2) Materiał lutowniczy na bazie niklu może być lutowany na bazie srebra, czystej miedzi, na bazie niklu i lutem aktywnym. Gdy temperatura robocza połączenia nie jest wysoka, można stosować materiały na bazie srebra. Istnieje wiele rodzajów lutów na bazie srebra. Aby zmniejszyć naprężenia wewnętrzne podczas lutowania, najlepiej wybrać lut o niskiej temperaturze topnienia. Topnik Fb101 można stosować do lutowania z lutem spoiwem na bazie srebra. Topnik Fb102 jest stosowany do lutowania superstopów wzmocnionych wydzieleniowo o najwyższej zawartości aluminium, z dodatkiem 10%–20% krzemianu sodu lub topnika aluminiowego (takiego jak Fb201). Gdy temperatura lutowania przekracza 900°C, należy wybrać topnik Fb105.
Podczas lutowania w próżni lub atmosferze ochronnej, jako spoiwo można użyć czystej miedzi. Temperatura lutowania wynosi 1100–1150°C, a połączenie nie będzie pękać naprężeniowo, ale temperatura robocza nie powinna przekraczać 400°C.
Lut na bazie niklu jest najczęściej stosowanym spoiwem do lutowania superstopów ze względu na jego dobre właściwości w wysokich temperaturach i brak pęknięć naprężeniowych podczas lutowania. Głównymi składnikami stopowymi w lutach na bazie niklu są Cr, Si, B, a niewielka ilość lutu zawiera również Fe, W itp. W porównaniu z Ni-Cr-Si-B, lut B-Ni68CrWB może zmniejszyć międzykrystaliczną infiltrację B w metal bazowy i wydłużyć przedział temperatur topnienia. Jest to spoiwo do lutowania części pracujących w wysokich temperaturach i łopatek turbin. Jednak lut zawierający W pogarsza płynność, a szczelina w spoiwie jest trudna do kontrolowania.
Aktywny lut dyfuzyjny nie zawiera pierwiastków krzemu i charakteryzuje się doskonałą odpornością na utlenianie i wulkanizację. Temperaturę lutowania można dobrać w zakresie od 1150°C do 1218°C, w zależności od rodzaju lutu. Po lutowaniu, po obróbce dyfuzyjnej w temperaturze 1066°C, można uzyskać połączenie lutowane o takich samych właściwościach jak materiał bazowy.
(3) Proces lutowania twardego stopów na bazie niklu może obejmować lutowanie w piecu z atmosferą ochronną, lutowanie próżniowe oraz przejściowe połączenie fazy ciekłej. Przed lutowaniem powierzchnia musi zostać odtłuszczona i usunięta z niej tlenki poprzez polerowanie papierem ściernym, polerowanie tarczą filcową, szorowanie acetonem i czyszczenie chemiczne. Przy doborze parametrów procesu lutowania należy zwrócić uwagę na to, aby temperatura nagrzewania nie była zbyt wysoka, a czas lutowania krótki, aby uniknąć silnej reakcji chemicznej między topnikiem a materiałem bazowym. Aby zapobiec pękaniu materiału bazowego, elementy obrabiane na zimno należy odprężyć przed spawaniem, a nagrzewanie podczas spawania powinno być możliwie jak najbardziej równomierne. W przypadku nadstopów wzmacnianych wydzieleniowo, elementy należy najpierw poddać obróbce w roztworze stałym, następnie lutowaniu w temperaturze nieco wyższej niż obróbka wzmacniająca starzenie, a na końcu starzeniu.
1) Lutowanie w piecu z atmosferą ochronną. Lutowanie w piecu z atmosferą ochronną wymaga wysokiej czystości gazu osłonowego. W przypadku nadstopów o zawartości w (AL) i w (TI) poniżej 0,5%, temperatura punktu rosy powinna być niższa niż -54°C, jeśli używany jest wodór lub argon. Wraz ze wzrostem zawartości Al i Ti, powierzchnia stopu nadal utlenia się po nagrzaniu. Należy podjąć następujące kroki: Dodać niewielką ilość topnika (np. fb105) i usunąć warstwę tlenku za pomocą topnika; Na powierzchnię elementów nanieść powłokę o grubości 0,025–0,038 mm; Na powierzchnię lutowanego materiału nanieść wcześniej lut; Dodać niewielką ilość topnika gazowego, np. trifluorku boru.
2) Lutowanie próżniowe Lutowanie próżniowe jest szeroko stosowane w celu uzyskania lepszego efektu ochrony i jakości lutowania. Zobacz tabelę 15, aby zapoznać się z właściwościami mechanicznymi typowych połączeń superstopów na bazie niklu. W przypadku superstopów o w (AL) i w (TI) poniżej 4%, lepiej jest galwanizować warstwę niklu o grubości 0,01 ~ 0,015 mm na powierzchni, chociaż zwilżenie lutu może być zapewnione bez specjalnego przygotowania. Gdy w (AL) i w (TI) przekraczają 4%, grubość powłoki niklowej powinna wynosić 0,020,03 mm. Zbyt cienka powłoka nie ma efektu ochronnego, a zbyt gruba powłoka zmniejszy wytrzymałość połączenia. Części do spawania można również umieścić w komorze do lutowania próżniowego. Komora powinna być wypełniona getterem. Na przykład Zr pochłania gaz w wysokiej temperaturze, co może utworzyć lokalną próżnię w komorze, zapobiegając w ten sposób utlenianiu powierzchni stopu.
Tabela 15 Właściwości mechaniczne złączy lutowanych próżniowo typowych superstopów na bazie niklu
Mikrostruktura i wytrzymałość lutowanego złącza superstopu zmieniają się wraz ze zmianą szczeliny lutowniczej, a obróbka dyfuzyjna po lutowaniu dodatkowo zwiększa maksymalną dopuszczalną wartość szczeliny. Biorąc za przykład stop Inconel, maksymalna szczelina złącza Inconel lutowanego stopem B-Ni82crsib może osiągnąć 90 µm po obróbce dyfuzyjnej w temperaturze 1000°C przez 1 godzinę. Natomiast w przypadku złączy lutowanych stopem B-Ni71crsib, maksymalna szczelina wynosi około 50 µm po obróbce dyfuzyjnej w temperaturze 1000°C przez 1 godzinę.
3) Przejściowe połączenie fazy ciekłej Przejściowe połączenie fazy ciekłej wykorzystuje stop międzywarstwowy (o grubości około 2,5 ~ 100um), którego temperatura topnienia jest niższa niż temperatura topnienia metalu podstawowego jako spoiwa. Pod niewielkim ciśnieniem (0 ~ 0,007mpa) i odpowiedniej temperaturze (1100 ~ 1250℃) materiał międzywarstwowy najpierw topi się i nawilża metal podstawowy. Ze względu na szybką dyfuzję pierwiastków, w złączu następuje izotermiczne krzepnięcie, tworząc złącze. Ta metoda znacznie zmniejsza wymagania dotyczące dopasowania powierzchni metalu podstawowego i zmniejsza ciśnienie spawania. Głównymi parametrami przejściowego połączenia fazy ciekłej są ciśnienie, temperatura, czas trzymania i skład międzywarstwy. Należy zastosować mniejszy nacisk, aby utrzymać dobry kontakt stykających się powierzchni spoiny. Temperatura i czas nagrzewania mają duży wpływ na wydajność złącza. Jeśli wymagane jest, aby połączenie było tak wytrzymałe jak metal podstawowy i nie wpływało na jego właściwości, należy przyjąć parametry procesu łączenia: wysoką temperaturę (np. ≥ 1150 ℃) i długi czas (np. 8 ~ 24 godz.); jeśli jakość połączenia połączenia jest obniżona lub metal podstawowy nie wytrzymuje wysokiej temperatury, należy zastosować niższą temperaturę (1100 ~ 1150 ℃) i krótszy czas (1 ~ 8 godz.). Warstwa pośrednia powinna przyjąć skład połączonego metalu podstawowego jako skład podstawowy i dodać różne elementy chłodzące, takie jak B, Si, Mn, Nb itp. Na przykład skład stopu Udimet to ni-15cr-18,5co-4,3al-3,3ti-5mo, a skład warstwy pośredniej dla przejściowego połączenia fazy ciekłej to b-ni62,5cr15co15mo5b2,5. Wszystkie te pierwiastki mogą obniżyć temperaturę topnienia stopów Ni-Cr lub Ni-Cr-Co do najniższej, ale efekt B jest najbardziej widoczny. Ponadto, wysoka szybkość dyfuzji B może szybko ujednorodnić stop międzywarstwowy i metal bazowy.
Czas publikacji: 13 czerwca 2022 r.