Συγκόλληση υπερκραμάτων

Συγκόλληση υπερκραμάτων

(1) Χαρακτηριστικά συγκόλλησης Τα υπερκράματα μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: βάσης νικελίου, βάσης σιδήρου και βάσης κοβαλτίου. Έχουν καλές μηχανικές ιδιότητες, αντοχή στην οξείδωση και αντοχή στη διάβρωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Το κράμα βάσης νικελίου είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο στην πρακτική παραγωγή.

Το υπερκράμα περιέχει περισσότερο Cr και σχηματίζεται στην επιφάνεια μια μεμβράνη οξειδίου Cr2O3, η οποία είναι δύσκολο να αφαιρεθεί κατά τη θέρμανση. Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο περιέχουν Al και Ti, τα οποία οξειδώνονται εύκολα όταν θερμαίνονται. Επομένως, η πρόληψη ή η μείωση της οξείδωσης των υπερκραμάτων κατά τη θέρμανση και η αφαίρεση της μεμβράνης οξειδίου είναι το κύριο πρόβλημα κατά τη συγκόλληση. Καθώς ο βόρακας ή το βορικό οξύ στο συλλίπασμα μπορούν να προκαλέσουν διάβρωση του βασικού μετάλλου στη θερμοκρασία συγκόλλησης, το βόριο που καθιζάνει μετά την αντίδραση μπορεί να διεισδύσει στο βασικό μέταλλο, με αποτέλεσμα τη διείσδυση μεταξύ των κόκκων. Για τα χυτά κράματα με βάση το νικέλιο με υψηλή περιεκτικότητα σε Al και Ti, ο βαθμός κενού σε θερμή κατάσταση δεν πρέπει να είναι μικρότερος από 10-2 ~ 10-3pa κατά τη συγκόλληση, για να αποφευχθεί η οξείδωση στην επιφάνεια του κράματος κατά τη θέρμανση.

Για κράματα νικελίου ενισχυμένα με διάλυμα και ενισχυμένα με καθίζηση, η θερμοκρασία συγκόλλησης πρέπει να είναι σύμφωνη με τη θερμοκρασία θέρμανσης της επεξεργασίας διαλύματος για να διασφαλιστεί η πλήρης διάλυση των στοιχείων κράματος. Η θερμοκρασία συγκόλλησης είναι πολύ χαμηλή και τα στοιχεία κράματος δεν μπορούν να διαλυθούν πλήρως. Εάν η θερμοκρασία συγκόλλησης είναι πολύ υψηλή, οι κόκκοι του βασικού μετάλλου θα αναπτυχθούν και οι ιδιότητες του υλικού δεν θα αποκατασταθούν ακόμη και μετά τη θερμική επεξεργασία. Η θερμοκρασία στερεού διαλύματος των χυτευμένων κραμάτων βάσης είναι υψηλή, κάτι που γενικά δεν θα επηρεάσει τις ιδιότητες του υλικού λόγω της πολύ υψηλής θερμοκρασίας συγκόλλησης.

Ορισμένα υπερκράματα με βάση το νικέλιο, ειδικά τα κράματα ενισχυμένα με καθίζηση, έχουν την τάση να προκαλούν ρωγμές λόγω τάσης. Πριν από τη συγκόλληση, η τάση που σχηματίζεται κατά τη διαδικασία πρέπει να απομακρυνθεί πλήρως και η θερμική τάση πρέπει να ελαχιστοποιηθεί κατά τη συγκόλληση.

(2) Το υλικό συγκόλλησης με βάση το νικέλιο μπορεί να συγκολληθεί με βάση το άργυρο, καθαρό χαλκό, βάση το νικέλιο και ενεργό συγκολλητικό. Όταν η θερμοκρασία λειτουργίας της σύνδεσης δεν είναι υψηλή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά με βάση το άργυρο. Υπάρχουν πολλά είδη συγκολλητικών με βάση το άργυρο. Για να μειωθεί η εσωτερική τάση κατά τη θέρμανση της συγκόλλησης, είναι καλύτερο να επιλέξετε συγκολλητικό με χαμηλή θερμοκρασία τήξης. Το flux Fb101 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συγκόλληση με μέταλλο πλήρωσης με βάση το άργυρο. Το flux Fb102 χρησιμοποιείται για συγκόλληση υπερκράματος ενισχυμένου με καθίζηση με την υψηλότερη περιεκτικότητα σε αλουμίνιο και προστίθεται 10% ~ 20% πυριτικό νάτριο ή flux αλουμινίου (όπως fb201). Όταν η θερμοκρασία συγκόλλησης υπερβαίνει τους 900 ℃, πρέπει να επιλεγεί το flux fb105.

Κατά τη συγκόλληση σε κενό ή προστατευτική ατμόσφαιρα, ο καθαρός χαλκός μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέταλλο πλήρωσης συγκόλλησης. Η θερμοκρασία συγκόλλησης είναι 1100 ~ 1150 ℃ και η σύνδεση δεν θα προκαλέσει ρωγμές λόγω τάσης, αλλά η θερμοκρασία λειτουργίας δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 400 ℃.

Το μέταλλο συγκόλλησης με βάση το νικέλιο είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μέταλλο συγκόλλησης σε υπερκράματα λόγω της καλής του απόδοσης σε υψηλές θερμοκρασίες και της μηδενικής δημιουργίας ρωγμών λόγω τάσης κατά τη συγκόλληση. Τα κύρια στοιχεία κράματος στο συγκολλητικό υλικό με βάση το νικέλιο είναι το Cr, το Si, το B και μια μικρή ποσότητα συγκόλλησης περιέχει επίσης Fe, W κ.λπ. Σε σύγκριση με το ni-cr-si-b, το μέταλλο συγκόλλησης b-ni68crwb μπορεί να μειώσει την ενδοκοκκώδη διείσδυση του B στο βασικό μέταλλο και να αυξήσει το διάστημα θερμοκρασίας τήξης. Είναι ένα μέταλλο συγκόλλησης για συγκόλληση εξαρτημάτων εργασίας υψηλής θερμοκρασίας και λεπίδων στροβίλου. Ωστόσο, η ρευστότητα του συγκολλητικού υλικού που περιέχει W επιδεινώνεται και το κενό σύνδεσης είναι δύσκολο να ελεγχθεί.

Το μέταλλο πλήρωσης συγκόλλησης ενεργού διάχυσης δεν περιέχει στοιχείο Si και έχει εξαιρετική αντοχή στην οξείδωση και την βουλκανισμό. Η θερμοκρασία συγκόλλησης μπορεί να επιλεγεί από 1150 ℃ έως 1218 ℃ ανάλογα με τον τύπο του συγκολλητικού. Μετά τη συγκόλληση, η συγκολλημένη σύνδεση με τις ίδιες ιδιότητες με το βασικό μέταλλο μπορεί να ληφθεί μετά από επεξεργασία διάχυσης 1066 ℃.

(3) Η διαδικασία συγκόλλησης με βάση το νικέλιο μπορεί να υιοθετήσει συγκόλληση σε φούρνο προστατευτικής ατμόσφαιρας, συγκόλληση κενού και σύνδεση υγρής φάσης σε μεταβατική φάση. Πριν από τη συγκόλληση, η επιφάνεια πρέπει να απολιπανθεί και να αφαιρεθεί το οξείδιο με γυάλισμα με γυαλόχαρτο, γυάλισμα με τσόχα, τρίψιμο με ακετόνη και χημικό καθαρισμό. Κατά την επιλογή των παραμέτρων της διαδικασίας συγκόλλησης, πρέπει να σημειωθεί ότι η θερμοκρασία θέρμανσης δεν πρέπει να είναι πολύ υψηλή και ο χρόνος συγκόλλησης πρέπει να είναι σύντομος για να αποφευχθεί η ισχυρή χημική αντίδραση μεταξύ της ροής και του βασικού μετάλλου. Για να αποφευχθεί η ρωγμάτωση του βασικού μετάλλου, τα ψυχρά επεξεργασμένα μέρη πρέπει να αποφορτίζονται από την τάση πριν από τη συγκόλληση και η θέρμανση συγκόλλησης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη. Για τα υπερκράματα ενισχυμένα με καθίζηση, τα μέρη πρέπει πρώτα να υποβάλλονται σε επεξεργασία στερεού διαλύματος, στη συνέχεια να συγκολλούνται σε θερμοκρασία ελαφρώς υψηλότερη από την επεξεργασία ενίσχυσης γήρανσης και τέλος σε επεξεργασία γήρανσης.

1) Η συγκόλληση σε φούρνο προστατευτικής ατμόσφαιρας απαιτεί υψηλή καθαρότητα προστατευτικού αερίου. Για υπερκράματα με w (AL) και w (TI) λιγότερο από 0,5%, το σημείο δρόσου πρέπει να είναι χαμηλότερο από -54 ℃ όταν χρησιμοποιείται υδρογόνο ή αργό. Όταν η περιεκτικότητα σε Al και Ti αυξάνεται, η επιφάνεια του κράματος εξακολουθεί να οξειδώνεται όταν θερμαίνεται. Πρέπει να ληφθούν τα ακόλουθα μέτρα: Προσθέστε μια μικρή ποσότητα ρευστού (όπως fb105) και αφαιρέστε την μεμβράνη οξειδίου με ρευστό. Επικαλύψτε την επιφάνεια των εξαρτημάτων με πάχος 0,025 ~ 0,038 mm. Ψεκάστε το συγκολλητικό υλικό στην επιφάνεια του υλικού που πρόκειται να συγκολληθεί εκ των προτέρων. Προσθέστε μια μικρή ποσότητα ρευστού αερίου, όπως τριφθοριούχο βόριο.

2) Συγκόλληση υπό κενό Η συγκόλληση υπό κενό χρησιμοποιείται ευρέως για την επίτευξη καλύτερου αποτελέσματος προστασίας και ποιότητας συγκόλλησης. Δείτε τον πίνακα 15 για τις μηχανικές ιδιότητες των τυπικών συνδέσεων υπερκραμάτων με βάση το νικέλιο. Για υπερκράματα με w(AL) και w(TI) λιγότερο από 4%, είναι καλύτερο να επιμεταλλωθεί ηλεκτρολυτικά ένα στρώμα 0,01 ~ 0,015 mm νικελίου στην επιφάνεια, αν και η διαβροχή του συγκολλητικού μπορεί να διασφαλιστεί χωρίς ειδική προεπεξεργασία. Όταν το w(AL) και το w(TI) υπερβαίνουν το 4%, το πάχος της επίστρωσης νικελίου πρέπει να είναι 0,020,03 mm. Η πολύ λεπτή επίστρωση δεν έχει προστατευτικό αποτέλεσμα και η πολύ παχιά επίστρωση θα μειώσει την αντοχή της σύνδεσης. Τα μέρη που πρόκειται να συγκολληθούν μπορούν επίσης να τοποθετηθούν στο κουτί για συγκόλληση υπό κενό. Το κουτί πρέπει να γεμιστεί με υλικό συγκόλλησης. Για παράδειγμα, το Zr απορροφά αέριο σε υψηλή θερμοκρασία, το οποίο μπορεί να σχηματίσει τοπικό κενό στο κουτί, αποτρέποντας έτσι την οξείδωση της επιφάνειας του κράματος.

Πίνακας 15 μηχανικές ιδιότητες των συγκολλημένων ενώσεων υπό κενό τυπικών υπερκραμάτων με βάση το νικέλιο

Η μικροδομή και η αντοχή της συγκολλημένης σύνδεσης του Superalloy αλλάζουν με το διάκενο συγκόλλησης και η επεξεργασία διάχυσης μετά τη συγκόλληση θα αυξήσει περαιτέρω τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή του διακένου σύνδεσης. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το κράμα Inconel, το μέγιστο διάκενο της σύνδεσης Inconel που συγκολλάται με b-ni82crsib μπορεί να φτάσει τα 90um μετά από επεξεργασία διάχυσης στους 1000 ℃ για 1 ώρα. Ωστόσο, για τις συνδέσεις που συγκολλούνται με b-ni71crsib, το μέγιστο διάκενο είναι περίπου 50um μετά από επεξεργασία διάχυσης στους 1000 ℃ για 1 ώρα.

3) Σύνδεση μεταβατικής υγρής φάσης Η σύνδεση μεταβατικής υγρής φάσης χρησιμοποιεί το κράμα ενδιάμεσης στρώσης (πάχους περίπου 2,5 ~ 100 μm) του οποίου το σημείο τήξης είναι χαμηλότερο από το σημείο τήξης του βασικού μετάλλου ως μέταλλο πλήρωσης. Υπό μικρή πίεση (0 ~ 0,007 mpa) και κατάλληλη θερμοκρασία (1100 ~ 1250 ℃), το υλικό της ενδιάμεσης στρώσης πρώτα λιώνει και υγραίνει το βασικό μέταλλο. Λόγω της ταχείας διάχυσης των στοιχείων, συμβαίνει ισόθερμη στερεοποίηση στην ένωση για να σχηματιστεί η ένωση. Αυτή η μέθοδος μειώνει σημαντικά τις απαιτήσεις αντιστοίχισης της επιφάνειας του βασικού μετάλλου και μειώνει την πίεση συγκόλλησης. Οι κύριες παράμετροι της σύνδεσης μεταβατικής υγρής φάσης είναι η πίεση, η θερμοκρασία, ο χρόνος συγκράτησης και η σύνθεση της ενδιάμεσης στρώσης. Εφαρμόστε λιγότερη πίεση για να διατηρήσετε την επιφάνεια σύνδεσης της συγκόλλησης σε καλή επαφή. Η θερμοκρασία και ο χρόνος θέρμανσης έχουν μεγάλο αντίκτυπο στην απόδοση της ένωσης. Εάν η σύνδεση απαιτείται να είναι τόσο ισχυρή όσο το βασικό μέταλλο και δεν επηρεάζει την απόδοση του βασικού μετάλλου, θα πρέπει να υιοθετηθούν οι παράμετροι της διαδικασίας σύνδεσης υψηλής θερμοκρασίας (όπως ≥ 1150 ℃) και μεγάλου χρόνου (όπως 8 ~ 24 ώρες). Εάν η ποιότητα σύνδεσης της σύνδεσης είναι μειωμένη ή το βασικό μέταλλο δεν μπορεί να αντέξει υψηλή θερμοκρασία, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί χαμηλότερη θερμοκρασία (1100 ~ 1150 ℃) και μικρότερος χρόνος (1 ~ 8 ώρες). Το ενδιάμεσο στρώμα θα λαμβάνει τη σύνθεση του συνδεδεμένου βασικού μετάλλου ως βασική σύνθεση και θα προσθέτει διαφορετικά στοιχεία ψύξης, όπως B, Si, Mn, Nb, κ.λπ. Για παράδειγμα, η σύνθεση του κράματος Udimet είναι ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo, και η σύνθεση του ενδιάμεσου στρώματος για μεταβατική σύνδεση υγρής φάσης είναι b-ni62.5cr15co15mo5b2.5. Όλα αυτά τα στοιχεία μπορούν να μειώσουν τη θερμοκρασία τήξης του Ni-Cr ή των κραμάτων Ni-Cr-Co στο χαμηλότερο επίπεδο, αλλά η επίδραση του Β είναι η πιο προφανής. Επιπλέον, ο υψηλός ρυθμός διάχυσης του Β μπορεί να ομογενοποιήσει γρήγορα το κράμα ενδιάμεσης στρώσης και το βασικό μέταλλο.