Hartlöten von Hochtemperatur-Legierungen: Erläutert

1. Eigenschaften des Lötens

Hochtemperaturlegierungen können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden: Nickelbasis, Eisenbasis und Kobaltbasis. Sie zeichnen sich durch gute mechanische Eigenschaften, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus. Nickelbasislegierungen werden in der Praxis am häufigsten verwendet.

Hochtemperaturlegierungen enthalten eine beträchtliche Menge an Chrom (Cr), das eine schwer zu entfernende Cr₂O₃ Oxidschicht auf der Oberfläche beim Erhitzen. Hochwarmfeste Legierungen auf Nickelbasis enthalten auch Aluminium (Al) und Titan (Ti), die beim Erhitzen oxidiert werden können.

Daher ist es beim Löten von Hochtemperaturlegierungen von entscheidender Bedeutung, die Oxidation zu verhindern oder zu minimieren und die Oxidschicht zu entfernen. Bei Gusslegierungen auf Nickelbasis mit hohem Al- und Ti-Gehalt muss während des Erhitzens ein Vakuum von mindestens 10-2 bis 10-3 Pa gewährleistet sein, um eine Oberflächenoxidation der Legierung zu verhindern.

Bei mischkristallverfestigten und ausscheidungsgehärteten Nickelbasislegierungen sollte die Löttemperatur so gewählt werden, dass sie mit der Erwärmungstemperatur während der Mischkristallbehandlung übereinstimmt, um eine vollständige Auflösung der Legierungselemente zu gewährleisten.

Eine zu niedrige Temperatur kann zu einer unvollständigen Auflösung führen, während eine zu hohe Temperatur zu einem Kornwachstum im Grundwerkstoff führen kann, so dass die Eigenschaften des Werkstoffs selbst bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung nicht wiederhergestellt werden können. Legierungen auf Gussbasis haben im Allgemeinen hohe Mischkristalltemperaturen, die durch die Löttemperaturen nicht wesentlich beeinflusst werden.

Einige Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis, insbesondere ausscheidungsgehärtete Legierungen, neigen zu Spannungsrissen.

Daher ist es notwendig, die während der Verarbeitung entstandenen Spannungen vor dem Löten zu beseitigen und die thermischen Spannungen während des Lötens zu minimieren.

2. Hartlötende Materialien

Zum Löten von Nickelbasislegierungen können Silberbasis-, Reinkupfer-, Nickelbasis- und Aktivhartlote verwendet werden.

Wenn die Betriebstemperatur der Verbindung nicht hoch ist, können Werkstoffe auf Silberbasis verwendet werden. Es gibt eine große Auswahl an Hartlötmaterialien auf Silberbasis, und zur Minimierung der Eigenspannung während des Erhitzens, ist es ratsam, Legierungen mit niedriger Schmelztemperatur zu wählen.

Zum Löten von ausscheidungsgehärteten Hochtemperaturlegierungen mit hohem Aluminiumgehalt sollte FB102 Hartlötflussmittel verwendet und 10-20% Natriumfluoraluminat oder Aluminiumflussmittel (wie FB201) hinzugefügt werden. Wenn die Löttemperatur 900℃ überschreitet, sollte das Flussmittel FB105 verwendet werden.

Beim Löten im Vakuum oder unter Schutzatmosphäre kann reines Kupfer als Lötmaterial verwendet werden. Die Löttemperatur liegt im Bereich von 1100-1150℃, und in der Verbindung treten keine Spannungsrisse auf. Die Betriebstemperatur sollte jedoch 400℃ nicht überschreiten.

Hartlote auf Nickelbasis haben ausgezeichnete Hochtemperatureigenschaften und werden häufig zum Löten von Hochtemperaturlegierungen verwendet.

Die Hauptlegierungselemente in Nickelbasisloten sind Chrom (Cr), Silizium (Si) und Bor (B), mit einem geringen Anteil an Eisen (Fe), Wolfram (W) und anderen Elementen. Das Hartlot B-Ni68CrWB eignet sich zum Löten von Hochtemperaturbauteilen und Turbinenschaufeln, da es das interkristalline Eindringen von Bor in das Grundmaterial verringert und einen größeren Schmelztemperaturbereich aufweist.

Wolframhaltige Hartlote haben jedoch eine geringere Fließfähigkeit, so dass es schwieriger ist, das Verbindungsspiel zu kontrollieren.

Aktivdiffusionslote enthalten kein Silizium und weisen eine ausgezeichnete Oxidations- und Sulfidierungsbeständigkeit auf. Die Löttemperatur kann je nach Art des Hartlots zwischen 1150-1218℃ gewählt werden. Nach dem Hartlöten kann eine Diffusionsbehandlung bei 1066℃ zu Lötverbindungen führen, deren Eigenschaften mit denen des Grundmaterials übereinstimmen.

3. Lötprozess

Nickelbasislegierungen können mit Methoden wie dem Löten in einem Schutzgasofen, dem Vakuumlöten und dem transienten Flüssigphasenbonden gelötet werden.

Vor dem Löten müssen Fett und Oberflächenoxide durch Schleifen, Polieren mit einer Schwabbelscheibe, Abwischen mit Aceton und chemische Reinigung entfernt werden.

Bei der Auswahl von Lötprozess Parameter ist es wichtig, zu hohe Heiztemperaturen zu vermeiden und die Lötzeit kurz zu halten, um starke chemische Reaktionen zwischen dem Lot und dem Grundwerkstoff zu vermeiden.

Um eine Rissbildung im Grundwerkstoff zu vermeiden, sollten Teile, die vor dem Löten einer Kaltverformung unterzogen wurden, vor dem Löten einer Spannungsarmglühung unterzogen werden. Die Erwärmung beim Schweißen sollte so gleichmäßig wie möglich sein.

Bei ausscheidungsgehärteten Hochtemperaturlegierungen sollten die Teile zunächst lösungsgeglüht, dann bei einer Temperatur gelötet werden, die geringfügig über der Temperatur für die Alterungsbehandlung liegt, und schließlich einer Alterungsbehandlung unterzogen werden.

1) Löten in einem Ofen mit Schutzgasatmosphäre

Das Löten in einem Schutzgasofen erfordert eine hohe Reinheit des Schutzgases. Bei Hochtemperaturlegierungen mit einem W(Al)- oder W(Ti)-Gehalt von weniger als 0,5% sollte der Taupunkt bei Verwendung von Wasserstoff- oder Argongas unter -54℃ liegen.

Mit steigendem Al- und Ti-Gehalt kommt es bei der Oberflächenerwärmung der Legierung immer noch zur Oxidation. Folgende Maßnahmen müssen ergriffen werden: Zugabe einer kleinen Menge Hartlötflussmittel (z. B. FB105), um die Oxidschicht zu entfernen; Auftragen einer 0,025 bis 0,038 mm dicken Beschichtung auf die Oberfläche der Teile; vorheriges Auftragen von Hartlot auf die Oberfläche des zu lötenden Materials; Verwendung einer kleinen Menge Gasflussmittel, wie Bortrifluorid.

2) Vakuumlöten

Das Vakuumlöten ist weit verbreitet und bietet einen besseren Schutz und eine bessere Lötqualität. Die mechanischen Eigenschaften typischer Verbindungen von Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis sind in Tabelle 15 aufgeführt.

Bei Hochtemperaturlegierungen mit w (Al) oder w (Ti) kleiner als 4% kann das Lot die Oberfläche auch ohne besondere Vorbehandlung benetzen, aber es ist besser, eine 0,01 bis 0,015 mm dicke Nickelschicht auf die Oberfläche aufzubringen.

Wenn w (Al) oder W (Ti) 4% übersteigt, sollte die Dicke der Nickelbeschichtung 0,020,03 mm betragen. Eine zu dünne Beschichtung bietet keinen ausreichenden Schutz, während eine zu dicke Beschichtung die Verbindungsfestigkeit verringern kann.

Das Vakuumlöten kann auch durchgeführt werden, indem die zu lötenden Teile zusammen mit einem Absorber, z. B. Zirkonium (Zr), in einen Kasten gelegt werden, der bei hoher Temperatur Gase absorbiert und ein Teilvakuum innerhalb des Kastens erzeugt, wodurch die Oxidation der Legierungsoberfläche verhindert wird.

Tabelle 15: Mechanische Eigenschaften typischer vakuumgelöteter Verbindungen von Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis

Das Mikrogefüge und die Festigkeit von Lötverbindungen aus Hochtemperaturlegierungen können mit dem Lötspalt variieren. Eine Diffusionsbehandlung nach dem Hartlöten kann den maximal zulässigen Wert des Fügespalts weiter erhöhen.

Nehmen wir die Inconel-Legierung als Beispiel: Bei Inconel-Verbindungen, die mit B-Ni82CrSiB hartgelötet wurden, kann der maximale Spaltwert nach einer einstündigen Diffusionsbehandlung bei 1000 °C etwa 90 um erreichen. Bei Verbindungen, die mit B-Ni71CrSiB gelötet werden, liegt der maximale Spaltwert nach einer einstündigen Diffusionsbehandlung bei 1000°C bei etwa 50 um.

3) Transiente Flüssigphasen-Bindung

Bei der transienten Flüssigphasenkontaktierung wird eine Legierungszwischenschicht mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als der Grundwerkstoff (Dicke etwa 2,5 bis 100 um) als Hartlot verwendet. Bei niedrigem Druck (0 bis 0,007 MPa) und geeigneter Temperatur (1100 bis 1250 °C) schmilzt das Zwischenschichtmaterial zunächst und benetzt das Grundmaterial.

Aufgrund der schnellen Diffusion der Elemente erstarrt die Verbindung isotherm und bildet die Verbindung. Dieses Verfahren verringert die Anforderungen an die Oberflächenanpassung des Grundmaterials erheblich und reduziert den Schweißdruck. Zu den wichtigsten Parametern für das transiente Flüssigphasenschweißen gehören Druck, Temperatur, Haltezeit und die Zusammensetzung der Zwischenschicht.

Ein geringer Druck gewährleistet einen guten Kontakt zwischen den Verbindungsflächen. Erwärmungstemperatur und -zeit haben großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Verbindung. Wenn die Verbindung eine ähnliche Festigkeit wie das Grundmaterial haben soll, ohne dessen Eigenschaften zu beeinträchtigen, sollten eine hohe Temperatur (z. B. ≥1150 °C) und eine lange Zeit (z. B. 8 bis 24 Stunden) als Parameter für den Klebeprozess gewählt werden.

Wenn eine leichte Verschlechterung der Verbindungsqualität akzeptabel ist oder der Grundwerkstoff den hohen Temperaturen nicht standhält, sollten niedrigere Temperaturen (1100 bis 1150 °C) und kürzere Zeiten (1 bis 8 Stunden) verwendet werden. Die Zusammensetzung der Zwischenschicht sollte sich an der Zusammensetzung des zu verbindenden Grundmaterials orientieren, mit zusätzlichen Legierungselementen wie B, Si, Mn, Nb usw.

Wenn die Zusammensetzung der Udimet-Legierung zum Beispiel Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo ist, wäre die Zusammensetzung der Zwischenschicht, die für die transiente Flüssigphasenbindung verwendet wird, B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Diese hinzugefügten Elemente können die Schmelztemperatur von Ni-Cr- oder Ni-Cr-Co-Legierungen herabsetzen, wobei B die stärkste Senkung bewirkt.

Darüber hinaus weist B eine hohe Diffusionsrate auf, was eine schnelle Homogenisierung der Zwischenschichtlegierung und des Grundmaterials ermöglicht.