Lödning av superlegeringar

Lödning av superlegeringar

(1) Superlegeringar med lödningsegenskaper kan delas in i tre kategorier: nickelbaserade, järnbaserade och koboltbaserade. De har goda mekaniska egenskaper, oxidationsbeständighet och korrosionsbeständighet vid höga temperaturer. Nickelbaserade legeringar är den mest använda i praktisk produktion.

Superlegeringen innehåller mer Cr, och en Cr2O3-oxidfilm som är svår att ta bort bildas på ytan under uppvärmning. Nickelbaserade superlegeringar innehåller Al och Ti, som lätt oxideras vid uppvärmning. Därför är det primära problemet under lödning att förhindra eller minska oxidationen av superlegeringar under uppvärmning och att ta bort oxidfilmen. Eftersom borax eller borsyra i flussmedlet kan orsaka korrosion av basmetallen vid lödtemperaturen, kan bor som utfälls efter reaktionen tränga in i basmetallen, vilket resulterar i intergranulär infiltration. För gjutna nickelbaserade legeringar med högt Al- och Ti-innehåll ska vakuumgraden i varmt tillstånd inte vara mindre än 10⁻² ~ 10⁻³ Pa under lödning för att undvika oxidation på legeringsytan under uppvärmning.

För lösningshärdade och utskiljningshärdade nickellegeringar bör lödtemperaturen överensstämma med uppvärmningstemperaturen för lösningsbehandlingen för att säkerställa fullständig upplösning av legeringselementen. Lödtemperaturen är för låg, och legeringselementen kan inte lösas upp helt; om lödtemperaturen är för hög kommer basmetallens korn att växa upp, och materialegenskaperna kommer inte att återställas ens efter värmebehandling. Den fasta lösningstemperaturen för gjutna baslegeringar är hög, vilket i allmänhet inte påverkar materialegenskaperna på grund av för hög lödtemperatur.

Vissa nickelbaserade superlegeringar, särskilt utskiljningshärdade legeringar, har en tendens till spänningssprickbildning. Före lödning måste den spänning som bildas i processen avlägsnas helt och den termiska spänningen bör minimeras under lödningen.

(2) Lödmaterial i nickelbaserad legering kan lödas med silverbaserad, ren kopparbaserad, nickelbaserad och aktivt löd. När arbetstemperaturen för fogen inte är hög kan silverbaserade material användas. Det finns många typer av silverbaserade lödtenn. För att minska den inre spänningen under lödning är det bäst att välja lödtenn med låg smälttemperatur. Fb101-flussmedel kan användas för lödning med silverbaserad tillsatsmetall. Fb102-flussmedel används för lödning av utskiljningsförstärkta superlegeringar med högsta aluminiumhalt, och 10 % ~ 20 % natriumsilikat eller aluminiumflussmedel (såsom fb201) tillsätts. När lödtemperaturen överstiger 900 ℃ bör fb105-flussmedel väljas.

Vid lödning i vakuum eller skyddande atmosfär kan ren koppar användas som lödtillsatsmaterial. Lödtemperaturen är 1100 ~ 1150 ℃, och fogen kommer inte att producera spänningssprickbildning, men arbetstemperaturen får inte överstiga 400 ℃.

Nickelbaserat lödtillsatsmaterial är det vanligaste lödtillsatsmaterialet i superlegeringar på grund av dess goda högtemperaturprestanda och avsaknad av spänningssprickbildning under lödning. De viktigaste legeringselementen i nickelbaserat lödtillsatsmaterial är Cr, Si, B, och en liten mängd lödtillsatsmaterial innehåller även Fe, W, etc. Jämfört med ni-cr-si-b kan b-ni68crwb lödtillsatsmaterial minska den intergranulära infiltrationen av B i basmetallen och öka smälttemperaturintervallet. Det är ett lödtillsatsmaterial för lödning av högtemperaturbearbetningsdelar och turbinblad. Emellertid blir flytbarheten hos W-innehållande lödtillsatsmaterial sämre och foggapet är svårt att kontrollera.

Aktiv diffusionslödning innehåller inte Si-elementet och har utmärkt oxidationsbeständighet och vulkaniseringsbeständighet. Lödningstemperaturen kan väljas från 1150 ℃ till 1218 ℃ beroende på lödtyp. Efter lödning kan en lödfog med samma egenskaper som basmetallen erhållas efter diffusionsbehandling vid 1066 ℃.

(3) Lödprocessen för nickelbaserade legeringar kan användas för lödning i skyddande atmosfärsugn, vakuumlödning och transient vätskefasanslutning. Före lödning måste ytan avfettas och oxiden avlägsnas genom polering med sandpapper, polering med filtskivor, acetonskrubbning och kemisk rengöring. Vid val av lödprocessparametrar bör det noteras att uppvärmningstemperaturen inte bör vara för hög och att lödtiden bör vara kort för att undvika stark kemisk reaktion mellan flussmedlet och basmetallen. För att förhindra att basmetallen spricker ska de kallbearbetade delarna spänningsavlastas före svetsning, och svetsuppvärmningen ska vara så jämn som möjligt. För utskiljningsförstärkta superlegeringar ska delarna först behandlas i fast lösning, sedan lödas vid en temperatur något högre än åldringsförstärkningsbehandlingen och slutligen åldringsbehandling.

1) Lödning i skyddande atmosfärsugn Lödning i skyddande atmosfärsugn kräver skyddsgas med hög renhet. För superlegeringar med w (AL) och w (TI) mindre än 0,5 % ska daggpunkten vara lägre än -54 ℃ när väte eller argon används. När halten av Al och Ti ökar oxiderar legeringens yta fortfarande vid uppvärmning. Följande åtgärder måste vidtas; Tillsätt en liten mängd flussmedel (t.ex. fb105) och avlägsna oxidfilmen med flussmedel; 0,025 ~ 0,038 mm tjock beläggning pläteras på ytan av delarna; Spraya lödtennet på ytan av materialet som ska lödas i förväg; Tillsätt en liten mängd gasflussmedel, såsom bortrifluorid.

2) Vakuumlödning Vakuumlödning används ofta för att uppnå bättre skyddseffekt och lödkvalitet. Se tabell 15 för de mekaniska egenskaperna hos typiska nickelbaserade superlegeringsfogar. För superlegeringar med w (AL) och w (TI) mindre än 4 % är det bättre att elektroplätera ett lager av 0,01 ~ 0,015 mm nickel på ytan, även om lödningens vätning kan säkerställas utan särskild förbehandling. När w (AL) och w (TI) överstiger 4 % ska nickelbeläggningens tjocklek vara 0,020,03 mm. En för tunn beläggning har ingen skyddande effekt, och en för tjock beläggning minskar fogens hållfasthet. Delarna som ska svetsas kan också placeras i lådan för vakuumlödning. Lådan bör fyllas med getter. Till exempel absorberar Zr gas vid hög temperatur, vilket kan bilda ett lokalt vakuum i lådan, vilket förhindrar oxidation av legeringsytan.

Tabell 15 mekaniska egenskaper hos vakuumlödda fogar av typiska nickelbaserade superlegeringar

Mikrostrukturen och hållfastheten hos den lödda fogen i Superalloy förändras med lödspalten, och diffusionsbehandlingen efter lödningen kommer ytterligare att öka det maximalt tillåtna värdet för fogspalten. Om man tar Inconel-legering som exempel kan det maximala gapet för en Inconel-fog lödd med b-ni82crsib nå 90 µm efter diffusionsbehandling vid 1000 ℃ för 1H. För fogar lödda med b-ni71crsib är dock det maximala gapet cirka 50 µm efter diffusionsbehandling vid 1000 ℃ för 1H.

3) Transient vätskefasanslutning Transient vätskefasanslutning använder en mellanlagerlegering (cirka 2,5 ~ 100 µm tjock) vars smältpunkt är lägre än basmetallen som fyllnadsmetall. Under ett lågt tryck (0 ~ 0,007 mpa) och en lämplig temperatur (1100 ~ 1250 ℃) smälter mellanlagermaterialet först och fuktar basmetallen. På grund av den snabba diffusionen av element sker isotermisk stelning vid fogen för att bilda fogen. Denna metod minskar avsevärt kraven på matchning av basmetallens yta och minskar svetstrycket. De viktigaste parametrarna för transient vätskefasanslutning är tryck, temperatur, hålltid och mellanlagersammansättning. Applicera mindre tryck för att hålla svetsfogens anslutningsyta i god kontakt. Uppvärmningstemperatur och tid har stor inverkan på fogens prestanda. Om fogen måste vara lika stark som basmetallen och inte påverkar basmetallens prestanda, ska parametrarna för hög temperatur (t.ex. ≥ 1150 ℃) och lång tid (t.ex. 8 ~ 24 timmar) användas. Om fogens anslutningskvalitet är reducerad eller basmetallen inte tål hög temperatur, ska en lägre temperatur (1100 ~ 1150 ℃) och en kortare tid (1 ~ 8 timmar) användas. Mellanskiktet ska ha den sammanfogade basmetallkompositionen som grundkomposition och tillsätta olika kylelement, såsom B, Si, Mn, Nb, etc. Till exempel är sammansättningen av Udimet-legeringen ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo, och sammansättningen av mellanskiktet för transient vätskefasanslutning är b-ni62.5cr15co15mo5b2.5. Alla dessa element kan reducera smälttemperaturen för NiCr- eller NiCrCo-legeringar till den lägsta möjliga nivån, men effekten av B är den mest uppenbara. Dessutom kan den höga diffusionshastigheten för B snabbt homogenisera mellanlagerlegeringen och basmetallen.