Brasatura di superleghe
(1) Le superleghe con caratteristiche di brasatura possono essere suddivise in tre categorie: a base di nichel, a base di ferro e a base di cobalto. Hanno buone proprietà meccaniche, resistenza all'ossidazione e resistenza alla corrosione ad alte temperature. La lega a base di nichel è la più utilizzata nella produzione pratica.
La superlega contiene più cromo e durante il riscaldamento si forma sulla superficie un film di ossido di Cr2O3 difficile da rimuovere. Le superleghe a base di nichel contengono alluminio e titanio, che si ossidano facilmente con il calore. Pertanto, prevenire o ridurre l'ossidazione delle superleghe durante il riscaldamento e rimuovere il film di ossido è il problema principale durante la brasatura. Poiché il borace o l'acido borico nel flusso possono causare corrosione del metallo base alla temperatura di brasatura, il boro precipitato dopo la reazione può penetrare nel metallo base, provocando infiltrazione intergranulare. Per le leghe a base di nichel fuse con alto contenuto di alluminio e titanio, il grado di vuoto allo stato caldo non deve essere inferiore a 10⁻² ~ 10⁻³ Pa durante la brasatura per evitare l'ossidazione sulla superficie della lega durante il riscaldamento.
Per le leghe a base di nichel rinforzate per soluzione solida e per precipitazione, la temperatura di brasatura deve essere coerente con la temperatura di riscaldamento del trattamento di soluzione solida per garantire la completa dissoluzione degli elementi di lega. Se la temperatura di brasatura è troppo bassa, gli elementi di lega non si dissolvono completamente; se la temperatura di brasatura è troppo alta, i grani del metallo base cresceranno e le proprietà del materiale non verranno ripristinate nemmeno dopo il trattamento termico. La temperatura di soluzione solida delle leghe a base di fusione è elevata, quindi in genere una temperatura di brasatura troppo alta non influisce sulle proprietà del materiale.
Alcune superleghe a base di nichel, in particolare quelle rinforzate per precipitazione, tendono a presentare cricche da tensocorrosione. Prima della brasatura, è necessario eliminare completamente le tensioni generatesi durante il processo, e ridurre al minimo le sollecitazioni termiche durante la brasatura stessa.
(2) Il materiale di brasatura in lega a base di nichel può essere brasato con lega a base d'argento, rame puro, nichel e saldatura attiva. Quando la temperatura di lavoro del giunto non è elevata, è possibile utilizzare materiali a base d'argento. Esistono molti tipi di saldature a base d'argento. Per ridurre le tensioni interne durante il riscaldamento di brasatura, è preferibile scegliere una saldatura con bassa temperatura di fusione. Il flusso Fb101 può essere utilizzato per la brasatura con metallo d'apporto a base d'argento. Il flusso Fb102 viene utilizzato per la brasatura di superleghe rinforzate per precipitazione con il più alto contenuto di alluminio, e viene aggiunto il 10% ~ 20% di silicato di sodio o flusso di alluminio (come fb201). Quando la temperatura di brasatura supera i 900 ℃, è necessario selezionare il flusso fb105.
Nella brasatura sottovuoto o in atmosfera protettiva, si può utilizzare rame puro come materiale d'apporto. La temperatura di brasatura è compresa tra 1100 e 1150 °C e la giunzione non presenterà cricche da stress, ma la temperatura di lavoro non deve superare i 400 °C.
Il metallo d'apporto per brasatura a base di nichel è il più comunemente utilizzato nelle superleghe grazie alle sue buone prestazioni alle alte temperature e all'assenza di cricche da stress durante la brasatura. I principali elementi di lega nella lega a base di nichel sono Cr, Si, B, e una piccola quantità di lega contiene anche Fe, W, ecc. Rispetto alla lega Ni-Cr-Si-B, il metallo d'apporto per brasatura B-Ni68CrWB può ridurre l'infiltrazione intergranulare del boro nel metallo base e aumentare l'intervallo di temperatura di fusione. È un metallo d'apporto per brasatura utilizzato per componenti ad alta temperatura e pale di turbina. Tuttavia, la fluidità della lega contenente tungsteno peggiora e il gioco di giunzione risulta più difficile da controllare.
Il materiale d'apporto per brasatura a diffusione attiva non contiene silicio e presenta un'eccellente resistenza all'ossidazione e alla vulcanizzazione. La temperatura di brasatura può essere selezionata tra 1150 °C e 1218 °C a seconda del tipo di lega saldante. Dopo la brasatura, è possibile ottenere un giunto brasato con le stesse proprietà del metallo base, previa un trattamento di diffusione a 1066 °C.
(3) Il processo di brasatura delle leghe a base di nichel può prevedere la brasatura in forno ad atmosfera protettiva, la brasatura sottovuoto e la connessione in fase liquida transitoria. Prima della brasatura, la superficie deve essere sgrassata e l'ossido rimosso mediante lucidatura con carta vetrata, lucidatura con ruota di feltro, lavaggio con acetone e pulizia chimica. Nella scelta dei parametri del processo di brasatura, è importante notare che la temperatura di riscaldamento non deve essere troppo elevata e il tempo di brasatura deve essere breve per evitare una forte reazione chimica tra il flusso e il metallo base. Per evitare la formazione di crepe nel metallo base, le parti lavorate a freddo devono essere distese prima della saldatura e il riscaldamento della saldatura deve essere il più uniforme possibile. Per le superleghe rinforzate per precipitazione, le parti devono essere sottoposte prima a un trattamento di soluzione solida, quindi brasate a una temperatura leggermente superiore a quella del trattamento di rinforzo per invecchiamento e infine a un trattamento di invecchiamento.
1) La brasatura in forno ad atmosfera protettiva richiede un gas di protezione di elevata purezza. Per le superleghe con w(AL) e w(TI) inferiori allo 0,5%, il punto di rugiada deve essere inferiore a -54 ℃ quando si utilizza idrogeno o argon. Quando il contenuto di Al e Ti aumenta, la superficie della lega si ossida ancora durante il riscaldamento. È necessario adottare le seguenti misure: aggiungere una piccola quantità di flusso (come fb105) e rimuovere il film di ossido con il flusso; depositare un rivestimento di spessore compreso tra 0,025 e 0,038 mm sulla superficie dei pezzi; spruzzare preventivamente la saldatura sulla superficie del materiale da brasare; aggiungere una piccola quantità di flusso gassoso, come il trifluoruro di boro.
2) Brasatura sottovuoto La brasatura sottovuoto è ampiamente utilizzata per ottenere un migliore effetto protettivo e una migliore qualità di brasatura. Vedere la tabella 15 per le proprietà meccaniche dei giunti tipici di superleghe a base di nichel. Per le superleghe con w(AL) e w(TI) inferiori al 4%, è preferibile applicare per via elettrolitica uno strato di nichel di 0,01 ~ 0,015 mm sulla superficie, sebbene la bagnabilità della saldatura possa essere garantita senza pretrattamento speciale. Quando w(AL) e w(TI) superano il 4%, lo spessore del rivestimento di nichel deve essere di 0,020-0,03 mm. Un rivestimento troppo sottile non ha effetto protettivo, mentre un rivestimento troppo spesso riduce la resistenza del giunto. I pezzi da saldare possono anche essere posizionati in una camera per la brasatura sottovuoto. La camera deve essere riempita con un materiale assorbente. Ad esempio, lo zirconio (Zr) assorbe gas ad alta temperatura, che può creare un vuoto locale nella camera, prevenendo così l'ossidazione della superficie della lega.
Tabella 15 Proprietà meccaniche delle giunzioni brasate sottovuoto di superleghe a base di nichel tipiche
La microstruttura e la resistenza del giunto brasato di superlega variano in funzione dell'ampiezza del giunto, e il trattamento di diffusione successivo alla brasatura ne aumenta ulteriormente il valore massimo consentito. Prendendo come esempio la lega Inconel, l'ampiezza massima del giunto brasato con b-ni82crsib può raggiungere i 90 µm dopo un trattamento di diffusione a 1000 °C per 1 ora; tuttavia, per i giunti brasati con b-ni71crsib, l'ampiezza massima è di circa 50 µm dopo un trattamento di diffusione a 1000 °C per 1 ora.
3) La saldatura a fase liquida transitoria (TLP) utilizza come materiale d'apporto una lega interstrato (spessore di circa 2,5 ~ 100 µm) con un punto di fusione inferiore a quello del metallo base. A una bassa pressione (0 ~ 0,007 MPa) e a una temperatura appropriata (1100 ~ 1250 °C), il materiale interstrato fonde e inumidisce il metallo base. Grazie alla rapida diffusione degli elementi, si verifica una solidificazione isotermica in corrispondenza del giunto, formando la giunzione. Questo metodo riduce notevolmente i requisiti di accoppiamento della superficie del metallo base e diminuisce la pressione di saldatura. I parametri principali della saldatura a fase liquida transitoria sono pressione, temperatura, tempo di mantenimento e composizione dell'interstrato. È necessario applicare una pressione minore per mantenere un buon contatto tra le superfici di accoppiamento della saldatura. La temperatura e il tempo di riscaldamento hanno un grande impatto sulle prestazioni del giunto. Se la giunzione deve essere resistente quanto il metallo base e non deve comprometterne le prestazioni, si devono adottare parametri di processo di connessione ad alta temperatura (ad esempio ≥ 1150 ℃) e a lungo termine (ad esempio 8 ~ 24 ore); se la qualità della connessione della giunzione risulta compromessa o il metallo base non è in grado di sopportare temperature elevate, si deve utilizzare una temperatura inferiore (1100 ~ 1150 ℃) e un tempo più breve (1 ~ 8 ore). Lo strato intermedio deve avere come composizione di base la composizione del metallo base da connettere, con l'aggiunta di diversi elementi di raffreddamento, come B, Si, Mn, Nb, ecc. Ad esempio, la composizione della lega Udimet è ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo, mentre la composizione dello strato intermedio per la connessione in fase liquida transitoria è b-ni62.5cr15co15mo5b2.5. Tutti questi elementi possono ridurre al minimo la temperatura di fusione delle leghe Ni-Cr o Ni-Cr-Co, ma l'effetto del boro (B) è il più evidente. Inoltre, l'elevata velocità di diffusione del boro può omogeneizzare rapidamente la lega interstrato e il metallo base.
Data di pubblicazione: 13 giugno 2022