Pájení superslitin

Pájení superslitin

(1) Pájecí vlastnosti superslitin lze rozdělit do tří kategorií: na bázi niklu, na bázi železa a na bázi kobaltu. Mají dobré mechanické vlastnosti, odolnost proti oxidaci a korozi za vysokých teplot. Slitiny na bázi niklu jsou v praktické výrobě nejrozšířenější.

Superslitiny obsahují více Cr a na povrchu se během zahřívání tvoří oxidový film Cr2O3, který je obtížné odstranit. Superslitiny na bázi niklu obsahují Al a Ti, které se při zahřívání snadno oxidují. Proto je hlavním problémem při pájení zabránění nebo snížení oxidace superslitin během zahřívání a odstranění oxidového filmu. Protože borax nebo kyselina boritá v tavidle mohou při teplotě pájení způsobit korozi základního kovu, může bor vysrážený po reakci proniknout do základního kovu, což vede k mezikrystalové infiltraci. U litých slitin na bázi niklu s vysokým obsahem Al a Ti nesmí být stupeň vakua v horkém stavu během pájení menší než 10-2 ~ 10-3 Pa, aby se zabránilo oxidaci povrchu slitiny během zahřívání.

U slitin na bázi niklu zpevněných roztokem a precipitací by teplota pájení měla být v souladu s teplotou ohřevu při rozpouštění, aby se zajistilo úplné rozpuštění prvků slitiny. Teplota pájení je příliš nízká a prvky slitiny se nemohou zcela rozpustit. Pokud je teplota pájení příliš vysoká, zrno základního kovu naroste a vlastnosti materiálu se neobnoví ani po tepelném zpracování. Teplota tuhého roztoku odlitých slitin na bázi niklu je vysoká, což obecně neovlivní vlastnosti materiálu v důsledku příliš vysoké teploty pájení.

Některé superslitiny na bázi niklu, zejména slitiny zpevněné precipitací, mají sklon k praskání v důsledku napětí. Před pájením musí být napětí vzniklé v procesu zcela odstraněno a tepelné pnutí by mělo být během pájení minimalizováno.

(2) Pájecí materiál na bázi niklu lze pájet se slitinou na bázi stříbra, čistou mědí, niklem a aktivní pájkou. Pokud pracovní teplota spoje není vysoká, lze použít materiály na bázi stříbra. Existuje mnoho druhů pájek na bázi stříbra. Pro snížení vnitřního napětí během pájení je nejlepší zvolit pájku s nízkou teplotou tání. Tavidlo Fb101 lze použít pro pájení s přídavným kovem na bázi stříbra. Tavidlo Fb102 se používá pro pájení sráženě zpevněné superslitiny s nejvyšším obsahem hliníku a přidává se 10 % ~ 20 % křemičitanu sodného nebo hliníkového tavidla (například FB201). Pokud teplota pájení přesáhne 900 ℃, je třeba zvolit tavidlo fb105.

Při pájení ve vakuu nebo ochranné atmosféře lze jako přídavný materiál použít čistou měď. Teplota pájení je 1100 ~ 1150 ℃ a spoj nezpůsobuje praskání v důsledku napětí, ale pracovní teplota nesmí překročit 400 ℃.

Niklový přídavný kov pro pájení je nejčastěji používaným přídavným kovem pro pájení superslitin díky svým dobrým vlastnostem při vysokých teplotách a nevznikají praskání v důsledku napětí během pájení. Hlavními prvky slitiny v niklové pájce jsou Cr, Si, B a malé množství pájky obsahuje také Fe, W atd. Ve srovnání s ni-cr-si-b může pájení b-ni68crwb snížit mezikrystalovou infiltraci B do základního kovu a prodloužit interval teplot tavení. Je to přídavný kov pro pájení vysokoteplotních pracovních částí a lopatek turbín. Tekutost pájky obsahující W se však zhoršuje a spojovací mezera je obtížné regulovat.

Přídavný kov pro aktivní difuzní pájení neobsahuje prvek Si a má vynikající odolnost proti oxidaci a vulkanizaci. Teplotu pájení lze volit od 1150 °C do 1218 °C v závislosti na typu pájky. Po pájení lze po difuzním zpracování při 1066 °C získat pájený spoj se stejnými vlastnostmi jako základní kov.

(3) Pájení na pájku ze slitin na bázi niklu lze provádět pájením v ochranné atmosféře pece, vakuovým pájením a přechodným spojováním v kapalné fázi. Před pájením musí být povrch odmaštěn a oxid odstraněn leštěním brusným papírem, leštěním plstěným kotoučem, drhnutím acetonem a chemickým čištěním. Při volbě parametrů pájení je třeba dbát na to, aby teplota ohřevu nebyla příliš vysoká a doba pájení krátká, aby se zabránilo silné chemické reakci mezi tavidlem a základním kovem. Aby se zabránilo praskání základního kovu, musí být za studena zpracované díly před svařováním uvolněny od pnutí a svařovací ohřev musí být co nejrovnoměrnější. U superslitin zpevněných precipitací se díly nejprve podrobí zpracování v pevném roztoku, poté se pájejí při teplotě mírně vyšší, než je teplota zpevnění stárnutím, a nakonec se zpracují stárnutím.

1) Pájení v ochranné atmosféře pece Pájení v ochranné atmosféře pece vyžaduje vysokou čistotu ochranného plynu. U superslitin s obsahem w (AL) a w (TI) menším než 0,5 % musí být rosný bod při použití vodíku nebo argonu nižší než -54 °C. I když se obsah Al a Ti zvyšuje, povrch slitiny při zahřívání stále oxiduje. Je třeba provést následující opatření: Přidat malé množství tavidla (například fb105) a odstranit oxidový film tavidlem; Na povrch dílů nanést vrstvu o tloušťce 0,025 ~ 0,038 mm; Předem nastříkat pájku na povrch pájeného materiálu; Přidat malé množství plynného tavidla, například fluoridu boritého.

2) Vakuové pájení Vakuové pájení se široce používá k dosažení lepšího ochranného účinku a kvality pájení. Mechanické vlastnosti typických spojů superslitin na bázi niklu viz tabulka 15. U superslitin s w (AL) a w (TI) menším než 4 % je lepší galvanicky nanést na povrch vrstvu niklu o tloušťce 0,01 ~ 0,015 mm, i když smáčení pájky lze zajistit i bez speciální předúpravy. Pokud w (AL) a w (TI) přesáhnou 4 %, tloušťka niklové vrstvy musí být 0,020,03 mm. Příliš tenká vrstva nemá žádný ochranný účinek a příliš silná vrstva snižuje pevnost spoje. Svařované díly lze také umístit do krabice pro vakuové pájení. Krabice by měla být naplněna getrem. Například Zr absorbuje plyn při vysoké teplotě, což může v krabici vytvořit lokální vakuum, čímž se zabrání oxidaci povrchu slitiny.

Tabulka 15 Mechanické vlastnosti vakuově pájených spojů typických superslitin na bázi niklu

Mikrostruktura a pevnost pájeného spoje ze superslitiny se mění s pájecí mezerou a difuzní zpracování po pájení dále zvýší maximální povolenou hodnotu spojovací mezery. Vezměme-li jako příklad slitinu Inconel, maximální mezera spoje Inconel pájeného s b-ni82crsib může dosáhnout 90 μm po difuzním zpracování při 1000 ℃ po dobu 1 hodiny; u spojů pájených s b-ni71crsib je však maximální mezera po difuzním zpracování při 1000 ℃ po dobu 1 hodiny přibližně 50 μm.

3) Přechodné spojení v kapalné fázi Přechodné spojení v kapalné fázi využívá jako přídavný kov mezivrstvu (o tloušťce cca 2,5 ~ 100 μm), jejíž bod tání je nižší než u základního kovu. Za malého tlaku (0 ~ 0,007 MPa) a vhodné teploty (1100 ~ 1250 ℃) se materiál mezivrstvy nejprve roztaví a zvlhčí základní kov. V důsledku rychlé difúze prvků dochází ve spoji k izotermickému tuhnutí, čímž vzniká spoj. Tato metoda výrazně snižuje požadavky na shodu povrchu základního kovu a snižuje svařovací tlak. Hlavními parametry přechodného spojení v kapalné fázi jsou tlak, teplota, doba výdrže a složení mezivrstvy. Pro udržení dobrého kontaktu s povrchem svařence aplikujte menší tlak. Teplota a doba ohřevu mají velký vliv na výkon spoje. Pokud se požaduje, aby spoj byl stejně pevný jako základní kov a neovlivnil jeho vlastnosti, je třeba použít parametry procesu spojování s vysokou teplotou (například ≥ 1150 ℃) a dlouhou dobou (například 8 ~ 24 hodin). Pokud je kvalita spoje snížena nebo základní kov neodolá vysoké teplotě, je třeba použít nižší teplotu (1100 ~ 1150 ℃) a kratší dobu (1 ~ 8 hodin). Mezivrstva musí jako základní složení použít složení spojovaného základního kovu a přidat různé chladicí prvky, jako je B, Si, Mn, Nb atd. Například složení slitiny Udimet je ni-15cr-18,5co-4,3al-3,3ti-5mo a složení mezivrstvy pro přechodné spojení v kapalné fázi je b-ni62,5cr15co15mo5b2,5. Všechny tyto prvky mohou snížit teplotu tání slitin NiCr nebo NiCrCo na nejnižší možnou úroveň, ale vliv B je nejzřetelnější. Vysoká rychlost difúze B navíc může rychle homogenizovat mezivrstvu slitiny a základního kovu.