Lutowanie nadstopów

Lutowanie nadstopów

(1) Charakterystyka lutowania nadstopów można podzielić na trzy kategorie: na bazie niklu, na bazie żelaza i na bazie kobaltu.Posiadają dobre właściwości mechaniczne, odporność na utlenianie i korozję w wysokich temperaturach.W praktycznej produkcji najczęściej stosowany jest stop na bazie niklu.

Nadstop zawiera więcej Cr, a podczas ogrzewania na powierzchni tworzy się trudny do usunięcia film tlenkowy Cr2O3.Nadstopy na bazie niklu zawierają Al i Ti, które łatwo utleniają się po podgrzaniu.Dlatego głównym problemem podczas lutowania jest zapobieganie lub ograniczanie utleniania nadstopów podczas ogrzewania oraz usuwanie warstwy tlenkowej.Ponieważ boraks lub kwas borowy w topniku mogą powodować korozję metalu nieszlachetnego w temperaturze lutowania, bor wytrącony po reakcji może wnikać w metal nieszlachetny, 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, aby uniknąć utleniania powierzchni stopu podczas ogrzewania.

W przypadku stopów na bazie niklu wzmocnionych przez przesycenie i wzmocnionych wydzieleniowo temperatura lutowania powinna być zgodna z temperaturą nagrzewania przesycania, aby zapewnić pełne rozpuszczenie pierwiastków stopowych.Temperatura lutowania jest zbyt niska, a pierwiastki stopowe nie mogą być całkowicie rozpuszczone;Jeśli temperatura lutowania jest zbyt wysoka, ziarno metalu nieszlachetnego wzrośnie, a właściwości materiału nie zostaną przywrócone nawet po obróbce cieplnej.Temperatura roztworu stałego stopów bazowych odlewanych jest wysoka, co na ogół nie wpływa na właściwości materiału ze względu na zbyt wysoką temperaturę lutowania.

Niektóre nadstopy na bazie niklu, zwłaszcza stopy wzmocnione wydzieleniowo, mają tendencję do pękania naprężeniowego.Przed lutowaniem należy całkowicie usunąć powstałe w procesie naprężenia, a podczas lutowania zminimalizować naprężenia termiczne.

(2) Lut na bazie stopu niklu może być lutowany na bazie srebra, czystej miedzi, na bazie niklu i aktywnego lutu.Gdy temperatura robocza złącza nie jest wysoka, można zastosować materiały na bazie srebra.Istnieje wiele rodzajów lutów na bazie srebra.W celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych podczas nagrzewania lutu, najlepiej wybrać lut o niskiej temperaturze topnienia.Topnik Fb101 może być używany do lutowania lutem na bazie srebra.Topnik Fb102 służy do lutowania nadstopu wzmocnionego wydzieleniowo o najwyższej zawartości glinu, z dodatkiem 10% ~ 20% krzemianu sodu lub topnika aluminium (takiego jak fb201).Gdy temperatura lutowania przekroczy 900 ℃, należy dobrać topnik fb105.

Podczas lutowania w próżni lub atmosferze ochronnej jako spoiwo lutownicze można stosować czystą miedź.Temperatura lutowania wynosi 1100 ~ 1150 ℃, a złącze nie spowoduje pęknięć naprężeniowych, ale temperatura robocza nie powinna przekraczać 400 ℃.

Spoiwo do lutowania twardego na bazie niklu jest najczęściej stosowanym spoiwem do lutowania twardego w superstopach ze względu na jego dobrą wydajność w wysokich temperaturach i brak pęknięć naprężeniowych podczas lutowania twardego.Głównymi pierwiastkami stopowymi w lutowiu na bazie niklu są Cr, Si, B, a niewielka ilość lutowia zawiera również Fe, W, itp. W porównaniu z ni-cr-si-b, spoiwo do lutowania twardego b-ni68crwb może zmniejszyć przenikanie międzykrystaliczne B do metalu nieszlachetnego i zwiększyć przedział temperatury topnienia.Jest spoiwem do lutowania twardego, przeznaczonym do lutowania wysokotemperaturowych części roboczych i łopatek turbin.Jednak płynność lutowia zawierającego W pogarsza się i trudno jest kontrolować szczelinę złącza.

Aktywny spoiwo dyfuzyjne do lutowania twardego nie zawiera pierwiastka Si i ma doskonałą odporność na utlenianie i wulkanizację.Temperaturę lutowania można wybrać od 1150 ℃ do 1218 ℃ w zależności od rodzaju lutu.Po lutowaniu lutowane złącze o takich samych właściwościach jak metal nieszlachetny można uzyskać po obróbce dyfuzyjnej 1066℃.

(3) Proces lutowania stopu na bazie niklu może przyjmować lutowanie w piecu z atmosferą ochronną, lutowanie próżniowe i przejściowe połączenie fazy ciekłej.Przed lutowaniem powierzchnia musi być odtłuszczona i odtleniona poprzez polerowanie papierem ściernym, polerowanie tarcz filcowych, szorowanie acetonem i czyszczenie chemiczne.Przy doborze parametrów procesu lutowania należy zwrócić uwagę, aby temperatura nagrzewania nie była zbyt wysoka, a czas lutowania krótki, aby uniknąć silnej reakcji chemicznej pomiędzy topnikiem a metalem podstawowym.Aby zapobiec pękaniu metalu rodzimego, elementy obrabiane na zimno powinny być odprężone przed spawaniem, a nagrzewanie spawania powinno być jak najbardziej równomierne.W przypadku nadstopów wzmocnionych wydzieleniowo części należy najpierw poddać obróbce w roztworze stałym, następnie lutować w temperaturze nieco wyższej niż obróbka wzmacniająca starzeniem, a na końcu obróbka starzeniowa.

1) Lutowanie w piecu z atmosferą ochronną Lutowanie w piecu z atmosferą ochronną wymaga wysokiej czystości gazu osłonowego.Dla nadstopów o w (AL) iw (TI) mniejszych niż 0,5%, punkt rosy powinien być niższy niż -54 ℃, gdy używany jest wodór lub argon.Gdy zawartość Al i Ti wzrasta, powierzchnia stopu nadal utlenia się po podgrzaniu.Należy podjąć następujące środki;Dodaj niewielką ilość topnika (np. fb105) i usuń warstwę tlenku za pomocą topnika;Powłoka o grubości 0,025 ~ 0,038 mm jest powlekana na powierzchni części;Rozpyl lut na powierzchnię lutowanego materiału;Dodaj niewielką ilość strumienia gazu, takiego jak trifluorek boru.

2) Lutowanie próżniowe Lutowanie próżniowe jest szeroko stosowane w celu uzyskania lepszego efektu ochrony i jakości lutowania.W tabeli 15 podano właściwości mechaniczne typowych złączy nadstopów na bazie niklu.W przypadku nadstopów o w (AL) iw (TI) mniejszym niż 4%, lepiej jest pokryć galwanicznie warstwę niklu 0,01 ~ 0,015 mm na powierzchni, chociaż zwilżanie lutowia można zapewnić bez specjalnej obróbki wstępnej.Gdy w (AL) iw (TI) przekraczają 4%, grubość powłoki niklowej powinna wynosić 0,020,03 mm.Zbyt cienka powłoka nie ma działania ochronnego, a zbyt gruba powłoka zmniejszy wytrzymałość połączenia.Spawane części można również umieścić w pudle do lutowania próżniowego.Pudełko powinno być wypełnione getterem.Na przykład Zr absorbuje gaz o wysokiej temperaturze, który może tworzyć lokalną próżnię w skrzynce, zapobiegając w ten sposób utlenianiu powierzchni stopu.

Tabela 15 Właściwości mechaniczne złączy lutowanych próżniowo typowych nadstopów na bazie niklu

Mikrostruktura i wytrzymałość lutowanego złącza Superalloy zmieniają się wraz ze szczeliną lutowniczą, a obróbka dyfuzyjna po lutowaniu dodatkowo zwiększy maksymalną dopuszczalną wartość szczeliny lutowniczej.Biorąc za przykład stop Inconel, maksymalna szczelina złącza Inconel lutowanego b-ni82crsib może osiągnąć 90um po obróbce dyfuzyjnej w temperaturze 1000 ℃ przez 1 godzinę;Jednak dla złączy lutowanych b-ni71crsib maksymalna szczelina po obróbce dyfuzyjnej w temperaturze 1000℃ przez 1h wynosi około 50um.

3) Przejściowe połączenie w fazie ciekłej Przejściowe połączenie w fazie ciekłej wykorzystuje stop międzywarstwowy (o grubości około 2,5 ~ 100um), którego temperatura topnienia jest niższa niż metalu podstawowego jako spoiwa.Pod małym ciśnieniem (0 ~ 0,007 mpa) i odpowiedniej temperaturze (1100 ~ 1250 ℃) materiał międzywarstwowy najpierw topi się i nawilża metal podstawowy.Ze względu na szybką dyfuzję pierwiastków na złączu dochodzi do krzepnięcia izotermicznego, tworząc złączkę.Ta metoda znacznie zmniejsza wymagania dotyczące dopasowania powierzchni metalu podstawowego i zmniejsza ciśnienie spawania.Głównymi parametrami nieustalonego połączenia fazy ciekłej są ciśnienie, temperatura, czas utrzymywania i skład międzywarstwy.Stosuj mniejszy nacisk, aby utrzymać dobry kontakt spawanej powierzchni elementu spawanego.Temperatura i czas nagrzewania mają duży wpływ na działanie spoiny.Jeżeli połączenie ma być tak mocne jak metal nieszlachetny i nie wpływa na właściwości metalu nieszlachetnego, parametry procesu łączenia w wysokiej temperaturze (np. ≥ 1150 ℃) i długim czasie (np. 8 ~ 24h) powinny być przyjęty;Jeśli jakość połączenia złącza jest obniżona lub metal podstawowy nie może wytrzymać wysokiej temperatury, należy zastosować niższą temperaturę (1100 ~ 1150 ℃) i krótszy czas (1 ~ 8h).Warstwa pośrednia powinna przyjąć połączoną kompozycję metalu nieszlachetnego jako podstawową kompozycję i dodać różne elementy chłodzące, takie jak B, Si, Mn, Nb itp. Na przykład skład stopu Udimet to ni-15cr-18.5co-4.3 al-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 oczywisty.Ponadto wysoki współczynnik dyfuzji B może szybko ujednorodnić stop międzywarstwowy i metal podstawowy.