لحیم کاری سوپرآلیاژها

لحیم کاری سوپرآلیاژها

(1) ویژگی‌های لحیم‌کاری سخت سوپرآلیاژها را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: پایه نیکل، پایه آهن و پایه کبالت. آن‌ها خواص مکانیکی خوب، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی در دماهای بالا دارند. آلیاژ پایه نیکل پرکاربردترین آلیاژ در تولید عملی است.

سوپرآلیاژ حاوی کروم بیشتری است و در حین حرارت دادن، لایه اکسید Cr2O3 که حذف آن دشوار است، روی سطح تشکیل می‌شود. سوپرآلیاژهای پایه نیکل حاوی Al و Ti هستند که هنگام حرارت دادن به راحتی اکسید می‌شوند. بنابراین، جلوگیری یا کاهش اکسیداسیون سوپرآلیاژها در حین حرارت دادن و حذف لایه اکسید، مشکل اصلی در حین لحیم کاری است. از آنجایی که بوراکس یا اسید بوریک موجود در فلاکس می‌تواند باعث خوردگی فلز پایه در دمای لحیم کاری شود، بور رسوب کرده پس از واکنش می‌تواند به داخل فلز پایه نفوذ کند و منجر به نفوذ بین دانه‌ای شود. برای آلیاژهای پایه نیکل ریخته‌گری شده با محتوای Al و Ti بالا، درجه خلاء در حالت داغ نباید کمتر از 10-2 ~ 10-3pa در حین لحیم کاری باشد تا از اکسیداسیون سطح آلیاژ در حین حرارت دادن جلوگیری شود.

برای آلیاژهای پایه نیکل تقویت‌شده با محلول و تقویت‌شده با رسوب، دمای لحیم‌کاری سخت باید با دمای گرمایش عملیات محلول‌سازی سازگار باشد تا از انحلال کامل عناصر آلیاژی اطمینان حاصل شود. دمای لحیم‌کاری سخت بسیار پایین است و عناصر آلیاژی نمی‌توانند به طور کامل حل شوند. اگر دمای لحیم‌کاری سخت بسیار بالا باشد، دانه‌های فلز پایه بزرگ می‌شوند و خواص ماده حتی پس از عملیات حرارتی نیز بازیابی نمی‌شوند. دمای محلول جامد آلیاژهای پایه ریخته‌گری بالا است که عموماً به دلیل دمای لحیم‌کاری سخت بسیار بالا، بر خواص ماده تأثیری نمی‌گذارد.

برخی از سوپرآلیاژهای پایه نیکل، به ویژه آلیاژهای مقاوم‌سازی شده با رسوب، تمایل به ترک خوردگی ناشی از تنش دارند. قبل از لحیم‌کاری سخت، تنش ایجاد شده در فرآیند باید به طور کامل حذف شود و تنش حرارتی در حین لحیم‌کاری سخت به حداقل برسد.

(2) آلیاژ پایه نیکل مواد لحیم کاری را می‌توان با پایه نقره، مس خالص، پایه نیکل و لحیم فعال لحیم کاری کرد. هنگامی که دمای کار اتصال بالا نباشد، می‌توان از مواد پایه نقره استفاده کرد. انواع مختلفی از لحیم‌های پایه نقره وجود دارد. برای کاهش تنش داخلی در حین گرمایش لحیم کاری، بهتر است لحیمی با دمای ذوب پایین انتخاب شود. می‌توان از فلاکس Fb101 برای لحیم کاری با فلز پرکننده پایه نقره استفاده کرد. فلاکس Fb102 برای سوپرآلیاژ تقویت شده با رسوب لحیم کاری با بالاترین محتوای آلومینیوم استفاده می‌شود و 10٪ ~ 20٪ سیلیکات سدیم یا فلاکس آلومینیوم (مانند fb201) اضافه می‌شود. هنگامی که دمای لحیم کاری از 900 ℃ بیشتر شود، فلاکس fb105 باید انتخاب شود.

هنگام لحیم کاری در خلاء یا اتمسفر محافظ، می‌توان از مس خالص به عنوان فلز پرکننده لحیم کاری استفاده کرد. دمای لحیم کاری 1100 تا 1150 درجه سانتیگراد است و اتصال ترک خوردگی ناشی از تنش ایجاد نمی‌کند، اما دمای کار نباید از 400 درجه سانتیگراد تجاوز کند.

فلز پرکننده لحیم کاری پایه نیکل به دلیل عملکرد خوب در دمای بالا و عدم ترک خوردگی ناشی از تنش در حین لحیم کاری، رایج ترین فلز پرکننده لحیم کاری در سوپرآلیاژها است. عناصر آلیاژی اصلی در لحیم پایه نیکل Cr، Si، B هستند و مقدار کمی از لحیم نیز حاوی Fe، W و غیره است. در مقایسه با ni-cr-si-b، فلز پرکننده لحیم کاری b-ni68crwb می تواند نفوذ بین دانه ای B به فلز پایه را کاهش داده و فاصله دمای ذوب را افزایش دهد. این یک فلز پرکننده لحیم کاری برای لحیم کاری قطعات کاری با دمای بالا و پره های توربین است. با این حال، سیالیت لحیم حاوی W بدتر می شود و کنترل شکاف اتصال دشوار است.

فلز پرکننده لحیم‌کاری سخت فعال نفوذی حاوی عنصر سیلیسیم نیست و مقاومت اکسیداسیون و ولکانیزاسیون عالی دارد. دمای لحیم‌کاری سخت را می‌توان بسته به نوع لحیم از 1150 تا 1218 درجه سانتیگراد انتخاب کرد. پس از لحیم‌کاری سخت، اتصال لحیم‌کاری شده با خواص مشابه فلز پایه را می‌توان پس از عملیات نفوذی 1066 درجه سانتیگراد به دست آورد.

(3) آلیاژ پایه نیکل فرآیند لحیم کاری می‌تواند لحیم کاری در کوره اتمسفر محافظ، لحیم کاری در خلاء و اتصال فاز مایع گذرا را اتخاذ کند. قبل از لحیم کاری، سطح باید چربی زدایی و اکسید آن با پرداخت با کاغذ سنباده، پرداخت با چرخ نمدی، شستشوی استون و تمیز کردن شیمیایی حذف شود. هنگام انتخاب پارامترهای فرآیند لحیم کاری، باید توجه داشت که دمای گرمایش نباید خیلی بالا باشد و زمان لحیم کاری باید کوتاه باشد تا از واکنش شیمیایی قوی بین روان ساز و فلز پایه جلوگیری شود. به منظور جلوگیری از ترک خوردگی فلز پایه، قطعات فرآوری شده سرد باید قبل از جوشکاری تنش زدایی شوند و گرمایش جوشکاری باید تا حد امکان یکنواخت باشد. برای سوپرآلیاژهای تقویت شده با رسوب، قطعات ابتدا باید تحت عملیات محلول جامد قرار گیرند، سپس در دمایی کمی بالاتر از عملیات تقویت پیرسازی و در نهایت عملیات پیرسازی لحیم کاری شوند.

۱) لحیم‌کاری در کوره اتمسفر محافظ لحیم‌کاری در کوره اتمسفر محافظ نیاز به خلوص بالای گاز محافظ دارد. برای سوپرآلیاژهایی با w (AL) و w (TI) کمتر از ۰.۵٪، نقطه شبنم هنگام استفاده از هیدروژن یا آرگون باید کمتر از -۵۴ درجه سانتیگراد باشد. هنگامی که محتوای Al و Ti افزایش می‌یابد، سطح آلیاژ هنگام گرم شدن همچنان اکسید می‌شود. اقدامات زیر باید انجام شود: مقدار کمی روان‌ساز (مانند fb105) اضافه کنید و فیلم اکسید را با روان‌ساز بردارید. پوششی به ضخامت ۰.۰۲۵ تا ۰.۰۳۸ میلی‌متر روی سطح قطعات آبکاری شود. لحیم را از قبل روی سطح ماده‌ای که قرار است لحیم‌کاری شود اسپری کنید. مقدار کمی گاز روان‌ساز مانند تری‌فلورید بور اضافه کنید.

۲) لحیم‌کاری خلاء لحیم‌کاری خلاء به طور گسترده برای دستیابی به اثر حفاظتی بهتر و کیفیت لحیم‌کاری استفاده می‌شود. برای خواص مکانیکی اتصالات سوپرآلیاژ پایه نیکل معمولی به جدول ۱۵ مراجعه کنید. برای سوپرآلیاژهایی با w (AL) و w (TI) کمتر از ۴٪، بهتر است یک لایه نیکل ۰.۰۱ تا ۰.۰۱۵ میلی‌متری روی سطح آبکاری شود، اگرچه خیس شدن لحیم را می‌توان بدون پیش تصفیه ویژه تضمین کرد. هنگامی که w (AL) و w (TI) از ۴٪ بیشتر شوند، ضخامت پوشش نیکل باید ۰.۰۲۰.۰۳ میلی‌متر باشد. پوشش خیلی نازک هیچ اثر حفاظتی ندارد و پوشش خیلی ضخیم استحکام اتصال را کاهش می‌دهد. قطعاتی که قرار است جوش داده شوند را می‌توان در جعبه لحیم‌کاری خلاء نیز قرار داد. جعبه باید با گیرنده پر شود. به عنوان مثال، Zr در دمای بالا گاز را جذب می‌کند که می‌تواند یک خلاء موضعی در جعبه ایجاد کند و در نتیجه از اکسیداسیون سطح آلیاژ جلوگیری کند.

جدول 15 خواص مکانیکی اتصالات لحیم‌کاری شده در خلأ سوپرآلیاژهای پایه نیکل معمولی

ریزساختار و استحکام اتصال لحیم‌کاری شده با سوپرآلیاژ با تغییر فاصله لحیم‌کاری تغییر می‌کند و عملیات نفوذی پس از لحیم‌کاری، حداکثر مقدار مجاز فاصله اتصال را بیشتر افزایش می‌دهد. به عنوان مثال، با در نظر گرفتن آلیاژ اینکونل، حداکثر فاصله اتصال اینکونل لحیم‌کاری شده با b-ni82crsib می‌تواند پس از عملیات نفوذی در دمای 1000 درجه سانتیگراد برای 1H به 90 میکرومتر برسد. با این حال، برای اتصالات لحیم‌کاری شده با b-ni71crsib، حداکثر فاصله پس از عملیات نفوذی در دمای 1000 درجه سانتیگراد برای 1H حدود 50 میکرومتر است.

۳) اتصال فاز مایع گذرا اتصال فاز مایع گذرا از آلیاژ لایه میانی (با ضخامت حدود ۲.۵ تا ۱۰۰ میکرومتر) که نقطه ذوب آن کمتر از فلز پایه است، به عنوان فلز پرکننده استفاده می‌کند. تحت فشار کم (۰ تا ۰.۰۰۷ مگاپاسکال) و دمای مناسب (۱۱۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد)، ماده لایه میانی ابتدا فلز پایه را ذوب و مرطوب می‌کند. به دلیل انتشار سریع عناصر، انجماد ایزوترمال در محل اتصال رخ می‌دهد تا اتصال تشکیل شود. این روش الزامات تطابق سطح فلز پایه را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و فشار جوشکاری را کاهش می‌دهد. پارامترهای اصلی اتصال فاز مایع گذرا عبارتند از فشار، دما، زمان نگهداری و ترکیب لایه میانی. فشار کمتری اعمال کنید تا سطح جوش در تماس خوبی باشد. دما و زمان گرمایش تأثیر زیادی بر عملکرد اتصال دارند. اگر لازم باشد اتصال به اندازه فلز پایه محکم باشد و بر عملکرد فلز پایه تأثیر نگذارد، پارامترهای فرآیند اتصال شامل دمای بالا (مانند ≥ 1150 ℃) و زمان طولانی (مانند 8 ~ 24 ساعت) باید در نظر گرفته شود. اگر کیفیت اتصال اتصال کاهش یابد یا فلز پایه نتواند دمای بالا را تحمل کند، باید از دمای پایین‌تر (1100 ~ 1150 ℃) و زمان کوتاه‌تر (1 ~ 8 ساعت) استفاده شود. لایه میانی باید ترکیب فلز پایه متصل شده را به عنوان ترکیب پایه در نظر بگیرد و عناصر خنک‌کننده مختلفی مانند B، Si، Mn، Nb و غیره را به آن اضافه کند. به عنوان مثال، ترکیب آلیاژ Udimet، ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo است و ترکیب لایه میانی برای اتصال فاز مایع گذرا، b-ni62.5cr15co15mo5b2.5 است. همه این عناصر می‌توانند دمای ذوب آلیاژهای Ni Cr یا Ni Cr Co را به کمترین حد کاهش دهند، اما اثر B آشکارترین است. علاوه بر این، سرعت بالای نفوذ B می‌تواند به سرعت آلیاژ بین لایه‌ای و فلز پایه را همگن کند.