Пайка суперсплавов
(1) Характеристики припоя. Суперсплавы можно разделить на три категории: на основе никеля, на основе железа и на основе кобальта. Они обладают хорошими механическими свойствами, стойкостью к окислению и коррозионной стойкостью при высоких температурах. Сплавы на основе никеля наиболее широко используются в практическом производстве.
В суперсплавах содержится больше хрома, и при нагреве на поверхности образуется трудноудаляемая оксидная пленка Cr2O3. Никелевые суперсплавы содержат алюминий и титан, которые легко окисляются при нагреве. Поэтому предотвращение или уменьшение окисления суперсплавов при нагреве и удаление оксидной пленки является основной проблемой при пайке. Поскольку бура или борная кислота во флюсе могут вызывать коррозию основного металла при температуре пайки, бор, осажденный после реакции, может проникать в основной металл, вызывая межзеренное проникновение. Для литых никелевых сплавов с высоким содержанием алюминия и титана степень вакуума в горячем состоянии во время пайки должна быть не менее 10⁻² ~ 10⁻³ Па, чтобы избежать окисления поверхности сплава при нагреве.
Для никелевых сплавов, упрочненных раствором и осаждением, температура пайки должна соответствовать температуре нагрева при термической обработке, чтобы обеспечить полное растворение легирующих элементов. Слишком низкая температура пайки приведет к неполному растворению легирующих элементов; слишком высокая температура пайки приведет к росту зерен основного металла, и свойства материала не восстановятся даже после термической обработки. Высокая температура твердого раствора литых сплавов, как правило, не влияет на свойства материала из-за слишком высокой температуры пайки.
Некоторые никелевые суперсплавы, особенно сплавы, упрочненные осаждением, склонны к образованию трещин под напряжением. Перед пайкой необходимо полностью снять напряжения, возникшие в процессе, и минимизировать термические напряжения во время пайки.
(2) В качестве припоя можно использовать никелевые сплавы, припои на основе серебра, чистой меди, никеля и активные припои. При невысокой рабочей температуре соединения можно использовать припои на основе серебра. Существует множество видов припоев на основе серебра. Для снижения внутренних напряжений при нагреве при пайке лучше всего выбирать припой с низкой температурой плавления. Для пайки припоем на основе серебра можно использовать флюс Fb101. Флюс Fb102 используется для пайки упрочненных осаждением суперсплавов с максимальным содержанием алюминия, с добавлением 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 ℃, при этом в соединении не образуются трещины от напряжений, но рабочая температура не должна превышать 400 ℃.
Никелевый припой является наиболее распространенным припоем для пайки суперсплавов благодаря своим хорошим высокотемпературным характеристикам и отсутствию растрескивания под напряжением во время пайки. Основными легирующими элементами в никелевом припое являются Cr, Si, B, а также небольшое количество Fe, W и др. По сравнению с ni-cr-si-b, припой b-ni68crwb позволяет уменьшить межзеренное проникновение бора в основной металл и увеличить интервал температур плавления. Он используется для пайки высокотемпературных деталей и лопаток турбин. Однако текучесть припоя, содержащего вольфрам, ухудшается, а зазор в соединении трудно контролировать.
Активный диффузионный припой не содержит кремния и обладает превосходной стойкостью к окислению и вулканизации. Температуру пайки можно выбрать в диапазоне от 1150 ℃ до 1218 ℃ в зависимости от типа припоя. После пайки, при температуре диффузии 1066 ℃, можно получить паяное соединение с теми же свойствами, что и основной металл.
(3) В процессе пайки никелевых сплавов можно использовать пайку в печи с защитной атмосферой, вакуумную пайку и соединение в переходной жидкофазной среде. Перед пайкой поверхность необходимо обезжирить и удалить оксиды с помощью 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. Для предотвращения растрескивания основного металла детали, подвергнутые холодной обработке, должны быть подвергнуты снятию напряжений перед сваркой, а нагрев при сварке должен быть максимально равномерным. Для упрочненных осаждением суперсплавов детали должны сначала подвергаться обработке твердым раствором, затем пайке при температуре немного выше температуры упрочнения старением, и, наконец, обработке старением.
1) Пайка в печи с защитной атмосферой требует использования защитного газа высокой чистоты. Для суперсплавов с содержанием алюминия (Al) и титана (TI) менее 0,5% температура росы должна быть ниже -54 ℃ при использовании водорода или аргона. При увеличении содержания Al и Ti поверхность сплава продолжает окисляться при нагреве. Необходимо принять следующие меры: добавить небольшое количество флюса (например, FB105) и удалить оксидную пленку флюсом; нанести на поверхность деталей 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 достижения лучшего защитного эффекта и качества пайки. Механические свойства типичных соединений никелевых суперсплавов приведены в таблице 15. Для суперсплавов с содержанием w (AL) и w (TI) менее 4% лучше наносить на поверхность слой никеля толщиной 0,01–0,015 мм, хотя смачивание припоя можно обеспечить и без специальной предварительной обработки. При содержании w (AL) и w (TI) более 4% толщина никелевого покрытия должна составлять 0,02–0,03 мм. Слишком тонкое покрытие не обеспечивает защитного эффекта, а слишком толстое снижает прочность соединения. Свариваемые детали также можно поместить в вакуумную камеру для пайки. Камеру следует заполнить геттером. Например, цирконий поглощает газ при высокой температуре, что позволяет создать локальный вакуум в камере и предотвратить окисление поверхности сплава.
Таблица 15. Механические свойства вакуумно-паянных соединений типичных никелевых суперсплавов.
Микроструктура и прочность паяного соединения суперсплава изменяются в зависимости от зазора при пайке, а диффузионная обработка после пайки дополнительно увеличивает максимально допустимое значение зазора в соединении. На примере сплава Inconel максимальный зазор в соединении Inconel, спаянном b-ni82crsib, может достигать 90 мкм после диффузионной обработки при 1000 ℃ в течение 1H; однако для соединений, спаянных b-ni71crsib, максимальный зазор составляет около 50 мкм после диффузионной обработки при 1000 ℃ в течение 1H.
3) Соединение с использованием переходной жидкофазной сварки. При таком способе сварки в качестве присадочного металла используется промежуточный сплав (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 ℃) промежуточный материал сначала плавится и увлажняет основной металл. Благодаря быстрой диффузии элементов в месте соединения происходит изотермическая кристаллизация. Этот метод значительно снижает требования к соответствию поверхности основного металла и уменьшает сварочное давление. Основными параметрами соединения с использованием переходной жидкофазной сварки являются давление, температура, время выдержки и состав промежуточного слоя. Применяемое меньшее давление обеспечивает хороший контакт сопрягаемых поверхностей сварного соединения. Температура и время нагрева оказывают большое влияние на характеристики соединения. Если требуется, чтобы соединение было таким же прочным, как основной металл, и при этом не влияло на его характеристики, следует использовать параметры процесса соединения при высокой температуре (например, ≥ 1150 ℃) и длительном времени (например, 8–24 ч); если качество соединения снижается или основной металл не выдерживает высоких температур, следует использовать более низкую температуру (1100–1150 ℃) и более короткое время (1–8 ч). В качестве основного состава промежуточного слоя следует использовать состав соединяемого основного металла, а также 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 минимального уровня, но эффект бора наиболее очевиден. Кроме того, высокая скорость диффузии бора может быстро гомогенизировать межслойный сплав и основной металл.
Дата публикации: 13 июня 2022 г.