Пайка суперсплавов
(1) Сплавы на основе никеля, железа и кобальта обладают хорошими механическими свойствами, стойкостью к окислению и коррозии при высоких температурах. Сплав на основе никеля наиболее широко используется в практическом производстве.
Суперсплав содержит больше Cr, и при нагреве на поверхности образуется трудноудаляемая оксидная пленка Cr2O3. Суперсплавы на основе никеля содержат Al и Ti, которые легко окисляются при нагревании. Поэтому предотвращение или уменьшение окисления суперсплавов при нагреве и удаление оксидной пленки является основной проблемой при пайке. Поскольку бура или борная кислота в составе флюса могут вызывать коррозию основного металла при температуре пайки, бор, выделяющийся после реакции, может проникать в основной металл, что приводит к межкристаллитной инфильтрации. Для литых сплавов на основе никеля с высоким содержанием Al и Ti степень вакуума в горячем состоянии должна быть не менее 10-2 ~ 10-3 Па во время пайки, чтобы избежать окисления на поверхности сплава при нагреве.
Для никелевых сплавов, упрочнённых раствором и дисперсионно-упрочнённых, температура пайки должна соответствовать температуре нагрева при обработке на твердый раствор, чтобы обеспечить полное растворение легирующих элементов. Слишком низкая температура пайки приводит к невозможности полного растворения легирующих элементов; при слишком высокой температуре пайки зерно основного металла увеличивается, и свойства материала не восстанавливаются даже после термической обработки. Температура перехода в твёрдый раствор литейных сплавов высока, что, как правило, не влияет на свойства материала из-за слишком высокой температуры пайки.
Некоторые суперсплавы на основе никеля, особенно дисперсионно-упрочнённые, склонны к растрескиванию под напряжением. Перед пайкой необходимо полностью снять возникающие в процессе напряжения и минимизировать термические напряжения во время пайки.
(2) Припой на основе никеля можно паять припоем на основе серебра, чистой меди, никеля и активным припоем. При невысокой рабочей температуре соединения можно использовать припои на основе серебра. Существует множество видов припоев на основе серебра. Чтобы уменьшить внутреннее напряжение во время нагрева при пайке, лучше всего выбирать припой с низкой температурой плавления. Флюс Fb101 можно использовать для пайки с присадочным металлом на основе серебра. Флюс Fb102 используется для пайки дисперсионно-упрочненных жаропрочных сплавов с высоким содержанием алюминия, при этом добавляется 10% ~ 20% силиката натрия или алюминиевого флюса (например, Fb201). При температуре пайки выше 900 ℃ следует выбирать флюс Fb105.
При пайке в вакууме или защитной атмосфере в качестве припоя можно использовать чистую медь. Температура пайки составляет 1100–1150 °C, что исключает образование трещин под напряжением, однако рабочая температура не должна превышать 400 °C.
Припой на основе никеля является наиболее распространённым припоем для жаропрочных сплавов благодаря своим хорошим высокотемпературным свойствам и отсутствию трещин под напряжением при пайке. Основными легирующими элементами припоя на основе никеля являются Cr, Si, B, а также небольшое количество припоя содержит Fe, W и др. По сравнению с припоем Ni-Cr-Si-B, припой B-Ni68CrWB может снизить межкристаллитное проникновение B в основной металл и увеличить температурный интервал плавления. Он предназначен для пайки высокотемпературных рабочих деталей и лопаток турбин. Однако припой, содержащий W, обладает пониженной текучестью, что затрудняет контроль зазора между припоями.
Активный припой для диффузионной пайки не содержит Si и обладает превосходной стойкостью к окислению и вулканизации. Температура пайки может быть выбрана от 1150 ℃ до 1218 ℃ в зависимости от типа припоя. После пайки при диффузионной обработке при 1066 ℃ получается паяное соединение с теми же свойствами, что и у основного металла.
(3) Процесс пайки никелевого сплава может включать пайку в печи с защитной атмосферой, вакуумную пайку и соединение в переходной жидкой фазе. Перед пайкой поверхность должна быть обезжирена и удалена оксидная пленка путем полировки наждачной бумагой, полировки войлочным кругом, очистки ацетоном и химической очистки. При выборе параметров процесса пайки следует учитывать, что температура нагрева не должна быть слишком высокой, а время пайки должно быть коротким, чтобы избежать сильной химической реакции между флюсом и основным металлом. Чтобы предотвратить растрескивание основного металла, холоднообработанные детали должны быть сняты с напряжения перед сваркой, а нагрев при сварке должен быть максимально равномерным. Для дисперсионно-упрочненных суперсплавов детали должны быть сначала подвергнуты обработке на твердый раствор, затем спаяны при температуре, немного превышающей температуру упрочнения старением, и, наконец, обработке старением.
1) Пайка в печи с защитной атмосферой. Пайка в печи с защитной атмосферой требует высокой чистоты защитного газа. Для суперсплавов с содержанием w (AL) и w (TI) менее 0,5% точка росы должна быть ниже -54 ℃ при использовании водорода или аргона. При увеличении содержания Al и Ti поверхность сплава продолжает окисляться при нагревании. Необходимо предпринять следующие меры: добавить небольшое количество флюса (например, FB105) и удалить оксидную пленку флюсом; на поверхность деталей наносится покрытие толщиной 0,025 ~ 0,038 мм; предварительно распылить припой на поверхность паяемого материала; добавить небольшое количество газового флюса, например, трифторида бора.
2) Вакуумная пайка Вакуумная пайка широко используется для получения лучшего защитного эффекта и качества пайки. См. таблицу 15 для механических свойств типичных соединений суперсплавов на основе никеля. Для суперсплавов с w (AL) и w (TI) менее 4% лучше нанести на поверхность слой никеля гальваническим способом толщиной 0,01 ~ 0,015 мм, хотя смачивание припоем может быть обеспечено без специальной предварительной обработки. Если w (AL) и w (TI) превышают 4%, толщина никелевого покрытия должна составлять 0,02 0,03 мм. Слишком тонкое покрытие не оказывает защитного эффекта, а слишком толстое покрытие снизит прочность соединения. Свариваемые детали также можно поместить в ящик для вакуумной пайки. Ящик должен быть заполнен геттером. Например, Zr поглощает газ при высокой температуре, что может образовывать локальный вакуум в ящике, тем самым предотвращая окисление поверхности сплава.
Таблица 15. Механические свойства вакуумно-паянных соединений типичных никелевых суперсплавов
Микроструктура и прочность паяного соединения суперсплава изменяются в зависимости от величины зазора при пайке, а диффузионная обработка после пайки дополнительно увеличивает максимально допустимое значение зазора. Например, для сплава Инконель максимальный зазор для соединения Инконель, паянного припоем b-ni82crsib, может достигать 90 мкм после диффузионной обработки при 1000 °C в течение 1 часа; однако для соединений, паянных припоем b-ni71crsib, максимальный зазор составляет около 50 мкм после диффузионной обработки при 1000 °C в течение 1 часа.
3) Переходное жидкофазное соединение Переходное жидкофазное соединение использует в качестве присадочного металла сплав промежуточного слоя (толщиной около 2,5 ~ 100 мкм), температура плавления которого ниже, чем у основного металла. Под небольшим давлением (0 ~ 0,007 МПа) и соответствующей температурой (1100 ~ 1250 ℃) материал промежуточного слоя сначала плавится и смачивает основной металл. Из-за быстрой диффузии элементов в соединении происходит изотермическая кристаллизация с образованием соединения. Этот метод значительно снижает требования к сопряжению поверхностей основного металла и снижает сварочное давление. Основными параметрами переходного жидкофазного соединения являются давление, температура, время выдержки и состав промежуточного слоя. Применяйте меньшее давление, чтобы поддерживать сопрягаемые поверхности свариваемой детали в хорошем контакте. Температура и время нагрева оказывают большое влияние на эксплуатационные характеристики соединения. Если соединение должно быть таким же прочным, как основной металл, и не влиять на эксплуатационные характеристики основного металла, то следует применять параметры процесса соединения при высокой температуре (например, ≥ 1150 ℃) и длительном времени (например, от 8 до 24 ч); если качество соединения соединения ухудшается или основной металл не может выдерживать высокую температуру, следует использовать более низкую температуру (1100 ~ 1150 ℃) и более короткое время (от 1 до 8 ч). Промежуточный слой должен иметь состав связанного основного металла в качестве основного состава и добавлять различные охлаждающие элементы, такие как B, Si, Mn, Nb и т. д. Например, состав сплава Udimet - ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo, а состав промежуточного слоя для соединения в переходной жидкой фазе - b-ni62.5cr15co15mo5b2.5. Все эти элементы могут снизить температуру плавления сплавов Ni-Cr или Ni-Cr-Co до минимума, но наиболее очевиден эффект бора. Кроме того, высокая скорость диффузии бора способствует быстрой гомогенизации межслоевого сплава и основного металла.
Время публикации: 13 июня 2022 г.