Het solderen van superlegeringen

Het solderen van superlegeringen

(1) De soldeereigenschappen van superlegeringen kunnen worden onderverdeeld in drie categorieën: op nikkelbasis, op ijzerbasis en op kobaltbasis. Ze hebben goede mechanische eigenschappen, oxidatieweerstand en corrosiebestendigheid bij hoge temperaturen. Legeringen op nikkelbasis worden het meest gebruikt in de praktijk.

De superlegering bevat meer chroom (Cr), waardoor tijdens het verhitten een moeilijk te verwijderen Cr2O3-oxidefilm op het oppervlak ontstaat. Nikkelbasis-superlegeringen bevatten aluminium (Al) en titanium (Ti), die gemakkelijk oxideren bij verhitting. Het voorkomen of verminderen van oxidatie van superlegeringen tijdens verhitting en het verwijderen van de oxidefilm is daarom een ​​cruciaal probleem bij het solderen. Omdat borax of boorzuur in het vloeimiddel corrosie van het basismetaal kan veroorzaken bij de soldeertemperatuur, kan het na de reactie neergeslagen boor in het basismetaal doordringen, wat leidt tot intergranulaire infiltratie. Voor gegoten nikkelbasis-legeringen met een hoog Al- en Ti-gehalte moet de vacuümgraad in hete toestand tijdens het solderen minimaal 10⁻² tot 10⁻³ Pa bedragen om oxidatie van het legeringsoppervlak tijdens verhitting te voorkomen.

Bij oplossingsversterkte en precipitatieversterkte nikkellegeringen moet de soldeertemperatuur overeenkomen met de opwarmtemperatuur van de oplossingsbehandeling om een ​​volledige oplossing van de legeringselementen te garanderen. Een te lage soldeertemperatuur zorgt ervoor dat de legeringselementen niet volledig oplossen; een te hoge soldeertemperatuur leidt tot korrelgroei van het basismetaal, waardoor de materiaaleigenschappen zelfs na warmtebehandeling niet hersteld worden. De oplossingstemperatuur van gegoten basislegeringen is hoog, waardoor een te hoge soldeertemperatuur over het algemeen geen invloed heeft op de materiaaleigenschappen.

Sommige nikkellegeringen, met name precipitatieversterkte legeringen, hebben de neiging tot spanningsscheuren. Vóór het solderen moet de tijdens het proces ontstane spanning volledig worden verwijderd en moet de thermische spanning tijdens het solderen tot een minimum worden beperkt.

(2) Soldeermateriaal op nikkelbasis kan worden gesoldeerd met soldeer op zilverbasis, zuiver koper, nikkelbasis en actief soldeer. Wanneer de werktemperatuur van de verbinding niet hoog is, kunnen materialen op zilverbasis worden gebruikt. Er zijn veel soorten soldeer op zilverbasis. Om de interne spanning tijdens het solderen te verminderen, is het het beste om soldeer met een laag smeltpunt te kiezen. Fb101-flux kan worden gebruikt voor solderen met vulmetaal op zilverbasis. Fb102-flux wordt gebruikt voor het solderen van precipitatieversterkte superlegeringen met het hoogste aluminiumgehalte, waaraan 10% ~ 20% natriumsilicaat of aluminiumflux (zoals fb201) wordt toegevoegd. Wanneer de soldeertemperatuur hoger is dan 900 ℃, moet fb105-flux worden gekozen.

Bij solderen in vacuüm of een beschermende atmosfeer kan zuiver koper als soldeermateriaal worden gebruikt. De soldeertemperatuur ligt tussen 1100 en 1150 °C, waarbij geen spanningsscheuren in de verbinding ontstaan, maar de werktemperatuur mag niet hoger zijn dan 400 °C.

Nikkelhoudend soldeermetaal is het meest gebruikte soldeermetaal in superlegeringen vanwege de goede prestaties bij hoge temperaturen en het ontbreken van spanningsscheuren tijdens het solderen. De belangrijkste legeringselementen in nikkelhoudend soldeer zijn Cr, Si en B, en een kleine hoeveelheid soldeer bevat ook Fe, W, enz. In vergelijking met Ni-Cr-Si-B kan B-Ni68Crwb soldeermetaal de intergranulaire infiltratie van B in het basismetaal verminderen en het smelttemperatuurbereik vergroten. Het is een soldeermetaal voor het solderen van onderdelen die bij hoge temperaturen worden gebruikt, zoals turbinebladen. De vloeibaarheid van W-houdend soldeer wordt echter slechter en de spleetbreedte van de verbinding is moeilijker te controleren.

Het actieve diffusiesoldeermetaal bevat geen silicium en heeft een uitstekende oxidatie- en vulkanisatiebestendigheid. De soldeertemperatuur kan, afhankelijk van het type soldeer, worden gekozen tussen 1150 ℃ en 1218 ℃. Na het solderen kan een soldeerverbinding met dezelfde eigenschappen als het basismetaal worden verkregen na een diffusiebehandeling bij 1066 ℃.

(3) Het soldeerproces van nikkellegeringen kan bestaan ​​uit solderen in een beschermende atmosfeeroven, vacuümsolderen en het verbinden van een tijdelijke vloeibare fase. Vóór het solderen moet het oppervlak worden ontvet en moeten oxiden worden verwijderd door middel van schuren met schuurpapier, polijsten met een viltwiel, reinigen met aceton en chemische reiniging. Bij het kiezen van de parameters voor het soldeerproces moet erop worden gelet dat de verwarmingstemperatuur niet te hoog mag zijn en de soldeertijd kort moet zijn om een ​​sterke chemische reactie tussen het vloeimiddel en het basismetaal te voorkomen. Om scheuren in het basismetaal te voorkomen, moeten de koudverwerkte onderdelen vóór het lassen spanningsvrij worden gemaakt en moet de lasverwarming zo gelijkmatig mogelijk zijn. Voor precipitatieversterkte superlegeringen moeten de onderdelen eerst een oplossingsbehandeling ondergaan, vervolgens worden gesoldeerd bij een temperatuur die iets hoger ligt dan de temperatuur van de verouderingsbehandeling, en ten slotte een verouderingsbehandeling.

1) Solderen in een beschermende atmosfeeroven vereist een zeer zuiver beschermgas. Voor superlegeringen met een w(Al)- en w(Ti)-gehalte van minder dan 0,5% moet het dauwpunt lager zijn dan -54 ℃ bij gebruik van waterstof of argon. Wanneer het Al- en Ti-gehalte toeneemt, oxideert het legeringsoppervlak nog steeds bij verhitting. De volgende maatregelen moeten worden genomen: een kleine hoeveelheid vloeimiddel (zoals fb105) toevoegen en de oxidefilm hiermee verwijderen; een coating van 0,025 ~ 0,038 mm dik op het oppervlak van de onderdelen aanbrengen; het soldeer vooraf op het oppervlak van het te solderen materiaal spuiten; een kleine hoeveelheid gasvormig vloeimiddel, zoals boortrifluoride, toevoegen.

2) Vacuümsolderen Vacuümsolderen wordt veel gebruikt om een ​​betere bescherming en soldeerkwaliteit te verkrijgen. Zie tabel 15 voor de mechanische eigenschappen van typische verbindingen van nikkelgebaseerde superlegeringen. Voor superlegeringen met w(AL) en w(TI) minder dan 4% is het beter om een ​​laag nikkel van 0,01 ~ 0,015 mm op het oppervlak te galvaniseren, hoewel de bevochtiging van het soldeer zonder speciale voorbehandeling kan worden gewaarborgd. Wanneer w(AL) en w(TI) meer dan 4% bedragen, moet de dikte van de nikkellaag 0,02 ~ 0,03 mm zijn. Een te dunne laag biedt geen bescherming en een te dikke laag vermindert de sterkte van de verbinding. De te lassen onderdelen kunnen ook in een vacuümkast worden geplaatst voor het vacuümsolderen. De kast moet gevuld zijn met een getter. Zr absorbeert bijvoorbeeld gas bij hoge temperaturen, waardoor een lokaal vacuüm in de kast ontstaat en oxidatie van het legeringsoppervlak wordt voorkomen.

Tabel 15: Mechanische eigenschappen van vacuümgesoldeerde verbindingen van typische nikkelbasis-superlegeringen.

De microstructuur en sterkte van de gesoldeerde verbinding van superlegeringen veranderen met de soldeeropening, en de diffusiebehandeling na het solderen verhoogt de maximaal toelaatbare waarde van de verbindingsopening verder. Neem bijvoorbeeld de Inconel-legering: de maximale opening van een Inconel-verbinding gesoldeerd met b-Ni82CRSIB kan 90 µm bereiken na een diffusiebehandeling bij 1000 °C gedurende 1 uur; voor verbindingen gesoldeerd met b-Ni71CRSIB is de maximale opening echter ongeveer 50 µm na een diffusiebehandeling bij 1000 °C gedurende 1 uur.

3) Transiënte vloeistoffaseverbinding Bij transiënte vloeistoffaseverbinding wordt een tussenlaaglegering (ongeveer 2,5 tot 100 µm dik) met een smeltpunt lager dan dat van het basismetaal als vulmetaal gebruikt. Onder een lage druk (0 tot 0,007 MPa) en een geschikte temperatuur (1100 tot 1250 °C) smelt het tussenlaagmateriaal eerst en bevochtigt het het basismetaal. Door de snelle diffusie van elementen vindt isotherme stolling plaats in de verbinding, waardoor de lasverbinding ontstaat. Deze methode vermindert de eisen aan de aansluiting van het basismetaaloppervlak aanzienlijk en verlaagt de lasdruk. De belangrijkste parameters van transiënte vloeistoffaseverbinding zijn druk, temperatuur, verblijftijd en samenstelling van de tussenlaag. Door een lage druk uit te oefenen, blijft het contactoppervlak van de lasverbinding goed. De temperatuur en de verblijftijd hebben een grote invloed op de prestaties van de verbinding. Als de verbinding even sterk moet zijn als het basismetaal en de prestaties van het basismetaal niet mag beïnvloeden, moeten de verbindingsparameters van hoge temperatuur (zoals ≥ 1150 ℃) en lange tijd (zoals 8 ~ 24 uur) worden toegepast. Als de verbindingskwaliteit daardoor afneemt of het basismetaal de hoge temperatuur niet kan weerstaan, moeten een lagere temperatuur (1100 ~ 1150 ℃) en een kortere tijd (1 ~ 8 uur) worden gebruikt. De tussenlaag moet de samenstelling van het te verbinden basismetaal als basis hebben, waaraan verschillende koelelementen zoals B, Si, Mn, Nb, enz. worden toegevoegd. Bijvoorbeeld: de samenstelling van de Udimet-legering is Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, en de samenstelling van de tussenlaag voor een verbinding met een tijdelijke vloeibare fase is B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Al deze elementen kunnen het smeltpunt van NiCr- of NiCrCo-legeringen tot het laagste niveau verlagen, maar het effect van boor is het meest显著. Bovendien kan de hoge diffusiesnelheid van boor de tussenlaag van de legering en het basismetaal snel homogeniseren.