Пайка суперсплавів
(1) Характеристики паяння. Суперсплави можна розділити на три категорії: на основі нікелю, заліза та кобальту. Вони мають добрі механічні властивості, стійкість до окислення та корозії за високих температур. Нікелевий сплав є найбільш широко використовуваним у практичному виробництві.
Суперсплав містить більше Cr, і під час нагрівання на поверхні утворюється оксидна плівка Cr2O3, яку важко видалити. Нікелеві суперсплави містять Al та Ti, які легко окислюються при нагріванні. Тому основною проблемою під час паяння є запобігання або зменшення окислення суперсплавів під час нагрівання та видалення оксидної плівки. Оскільки бура або борна кислота у флюсі можуть спричинити корозію основного металу за температури паяння, бор, що виділився після реакції, може проникнути в основний метал, що призведе до міжкристалічної інфільтрації. Для литих нікелевих сплавів з високим вмістом Al та Ti ступінь вакууму в гарячому стані під час паяння повинен бути не менше 10⁻² ~ 10⁻³Па, щоб уникнути окислення поверхні сплаву під час нагрівання.
Для нікелевих сплавів, зміцнених розчином та дисперсійним зміцненням, температура паяння повинна відповідати температурі нагрівання під час обробки на розчин, щоб забезпечити повне розчинення елементів сплаву. Температура паяння занадто низька, і елементи сплаву не можуть повністю розчинитися; якщо температура паяння занадто висока, зерно основного металу зростатиме, і властивості матеріалу не відновлюватимуться навіть після термічної обробки. Температура твердого розчину литих базових сплавів висока, що зазвичай не впливає на властивості матеріалу через занадто високу температуру паяння.
Деякі суперсплави на основі нікелю, особливо дисперсійно зміцнені сплави, мають схильність до розтріскування під напругою. Перед паянням необхідно повністю зняти напругу, що утворюється в процесі, а термічну напругу під час паяння слід мінімізувати.
(2) Припійний матеріал на основі нікелю можна паяти зі срібною основою, чистою міддю, нікелевим припоєм та активним припоєм. Коли робоча температура з'єднання невисока, можна використовувати матеріали на основі срібла. Існує багато видів припоїв на основі срібла. Щоб зменшити внутрішню напругу під час нагрівання при паянні, найкраще вибирати припій з низькою температурою плавлення. Флюс Fb101 можна використовувати для пайки зі срібним присадним металом. Флюс Fb102 використовується для пайки дисперсійно зміцнених суперсплавів з найвищим вмістом алюмінію, до яких додається 10% ~ 20% силікату натрію або алюмінієвого флюсу (наприклад, fb201). Коли температура пайки перевищує 900 ℃, слід вибирати флюс fb105.
Під час паяння у вакуумі або захисній атмосфері як присадний метал можна використовувати чисту мідь. Температура паяння становить 1100 ~ 1150 ℃, і з'єднання не призведе до розтріскування від напруги, але робоча температура не повинна перевищувати 400 ℃.
Припій на основі нікелю є найпоширенішим припійним металом у суперсплавах завдяки його хорошим характеристикам за високих температур та відсутності розтріскування від напруги під час паяння. Основними легуючими елементами в припої на основі нікелю є Cr, Si, B, а невелика кількість припою також містить Fe, W тощо. Порівняно з ni-cr-si-b, припій b-ni68crwb може зменшити міжкристалічна інфільтрація B в основний метал та збільшити температурний інтервал плавлення. Це припійний метал для паяння високотемпературних робочих частин та лопаток турбін. Однак, плинність припою, що містить W, погіршується, і важко контролювати зазор між з'єднаннями.
Присадний метал для активної дифузії не містить кремнію та має чудову стійкість до окислення та вулканізації. Температуру паяння можна вибрати від 1150 ℃ до 1218 ℃ залежно від типу припою. Після паяння, після дифузійної обробки при 1066 ℃, можна отримати паяне з'єднання з такими ж властивостями, як і основний метал.
(3) Процес паяння нікелевих сплавів може включати паяння в захисній атмосфері печі, паяння у вакуумі та перехідне рідкофазне з'єднання. Перед паянням поверхню необхідно знежирити та видалити оксид за допомогою полірування наждачним папером, полірування фетровим кругом, очищення ацетоном та хімічного очищення. Вибираючи параметри процесу паяння, слід зазначити, що температура нагрівання не повинна бути занадто високою, а час паяння має бути коротким, щоб уникнути сильної хімічної реакції між флюсом та основним металом. Щоб запобігти розтріскуванню основного металу, холоднооброблені деталі повинні бути зняті з напруження перед зварюванням, а нагрівання зварювання має бути максимально рівномірним. Для дисперсійно зміцнених суперсплавів деталі спочатку піддаються обробці твердим розчином, потім паянню при температурі трохи вищій, ніж обробка зміцнення старінням, і, нарешті, обробці старінням.
1) Пайка в захисній атмосфері печі. Пайка в захисній атмосфері печі вимагає високої чистоти захисного газу. Для суперсплавів з w (AL) та w (TI) менше 0,5% точка роси повинна бути нижчою за -54 ℃ при використанні водню або аргону. Навіть при збільшенні вмісту Al та Ti поверхня сплаву все одно окислюється при нагріванні. Необхідно вжити таких заходів: додати невелику кількість флюсу (наприклад, fb105) та видалити оксидну плівку за допомогою флюсу; нанести шар товщиною 0,025 ~ 0,038 мм на поверхню деталей; попередньо розпорошити припій на поверхню матеріалу, що паяється; додати невелику кількість флюсу, наприклад, трифториду бору.
2) Вакуумне паяння широко використовується для досягнення кращого захисного ефекту та якості паяння. Див. таблицю 15 для механічних властивостей типових з'єднань суперсплавів на основі нікелю. Для суперсплавів з w (AL) та w (TI) менше 4% краще наносити гальванічним способом шар нікелю 0,01 ~ 0,015 мм на поверхню, хоча змочування припою можна забезпечити без спеціальної попередньої обробки. Коли w (AL) та w (TI) перевищують 4%, товщина нікелевого покриття повинна становити 0,020,03 мм. Занадто тонке покриття не має захисного ефекту, а занадто товсте покриття зменшить міцність з'єднання. Деталі, що зварюються, також можна помістити в камеру для вакуумного паяння. Камера повинна бути заповнена геттером. Наприклад, Zr поглинає газ за високої температури, що може утворювати локальний вакуум у коробці, запобігаючи окисленню поверхні сплаву.
Таблиця 15 Механічні властивості вакуумних паяних з'єднань типових суперсплавів на основі нікелю
Мікроструктура та міцність паяного з'єднання суперсплаву змінюються зі збільшенням зазору паяння, а дифузійна обробка після паяння ще більше збільшить максимально допустиме значення зазору з'єднання. Взявши за приклад сплав Inconel, максимальний зазор з'єднання Inconel, паяного з b-ni82crsib, може досягати 90 мкм після дифузійної обробки при 1000 ℃ протягом 1 години; однак для з'єднань, паяних з b-ni71crsib, максимальний зазор становить близько 50 мкм після дифузійної обробки при 1000 ℃ протягом 1 години.
3) Перехідне рідкофазне з'єднання. Перехідне рідкофазне з'єднання використовує проміжний сплав (товщиною приблизно 2,5 ~ 100 мкм), температура плавлення якого нижча, ніж у основного металу, як присадний метал. Під невеликим тиском (0 ~ 0,007 МПа) та відповідною температурою (1100 ~ 1250 ℃) проміжний матеріал спочатку плавиться та зволожує основний метал. Завдяки швидкій дифузії елементів у місці з'єднання відбувається ізотермічне затвердіння, утворюючи з'єднання. Цей метод значно знижує вимоги до збігу поверхні основного металу та зменшує тиск зварювання. Основними параметрами перехідного рідкофазного з'єднання є тиск, температура, час витримки та склад проміжного шару. Застосовуйте менший тиск, щоб підтримувати хороший контакт між сполученими поверхнями зварного шва. Температура та час нагрівання мають великий вплив на характеристики з'єднання. Якщо потрібно, щоб з'єднання було таким же міцним, як і основний метал, і не впливало на його характеристики, слід використовувати параметри процесу з'єднання за високої температури (наприклад, ≥ 1150 ℃) та тривалого часу (наприклад, 8 ~ 24 год). Якщо якість з'єднання знижується або основний метал не може витримувати високу температуру, слід використовувати нижчу температуру (1100 ~ 1150 ℃) та коротший час (1 ~ 8 год). Проміжний шар повинен використовувати склад з'єднуваного основного металу як основний склад та додавати різні охолоджувальні елементи, такі як B, Si, Mn, Nb тощо. Наприклад, склад сплаву Udimet - ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo, а склад проміжного шару для перехідного рідкофазного з'єднання - b-ni62.5cr15co15mo5b2.5. Усі ці елементи можуть знизити температуру плавлення сплавів NiCr або NiCrCo до найнижчої точки, але вплив B є найбільш очевидним. Крім того, висока швидкість дифузії B може швидко гомогенізувати міжшаровий сплав та основний метал.
Час публікації: 13 червня 2022 р.