Le brasage des alliages à haute température : Explication

1. Caractéristiques du brasage

Les alliages pour hautes températures peuvent être divisés en trois catégories principales : à base de nickel, à base de fer et à base de cobalt. Ils présentent de bonnes propriétés mécaniques, une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température. Les alliages à base de nickel sont les plus couramment utilisés dans les applications pratiques.

Les alliages à haute température contiennent une quantité importante de chrome (Cr), qui forme une couche de Cr₂O₃ Les alliages à haute température à base de nickel contiennent également de l'aluminium (Al) et de l'oxyde d'aluminium. Les alliages haute température à base de nickel contiennent également de l'aluminium (Al) et de l'oxyde d'aluminium. titane (Ti), qui sont susceptibles de s'oxyder pendant le chauffage.

Par conséquent, la prévention ou la minimisation de l'oxydation et l'élimination du film d'oxyde sont cruciales pour le brasage des alliages à haute température. Pour les alliages coulés à base de nickel à forte teneur en Al et Ti, il est nécessaire de garantir un niveau de vide d'au moins 10-2 à 10-3 Pa pendant le chauffage afin d'éviter l'oxydation superficielle de l'alliage.

Pour les alliages à base de nickel renforcés par voie solide et par précipitation, la température de brasage doit être choisie de manière à correspondre à la température de chauffage pendant le traitement par voie solide afin d'assurer la dissolution complète des éléments d'alliage.

Une température trop basse peut entraîner une dissolution incomplète, tandis qu'une température trop élevée peut provoquer une croissance du grain dans le matériau de base, rendant impossible la restauration des propriétés du matériau, même avec un traitement thermique ultérieur. Les alliages à base de fonte ont généralement des températures élevées de dissolution solide qui ne sont pas affectées de manière significative par les températures de brasage.

Certains alliages haute température à base de nickel, en particulier les alliages renforcés par précipitation, ont tendance à se fissurer sous l'effet de la contrainte.

Par conséquent, il est nécessaire d'éliminer les contraintes formées pendant le traitement avant le brasage et de minimiser les contraintes thermiques pendant le brasage.

2. Matériaux de brasage

Les alliages à base d'argent, de cuivre pur, de nickel et les alliages de brasage actifs peuvent être utilisés pour le brasage d'alliages à base de nickel.

Lorsque la température de fonctionnement du joint n'est pas élevée, il est possible d'utiliser des matériaux à base d'argent. Il existe une grande variété de matériaux de brasage à base d'argent. stress interne pendant le chauffage, il est conseillé de choisir des alliages à basse température de fusion.

Pour le brasage des alliages haute température renforcés par précipitation et à forte teneur en aluminium, il convient d'utiliser le flux de brasage FB102 et d'ajouter du fluoroaluminate de sodium 10-20% ou un flux d'aluminium (tel que FB201). Lorsque la température de brasage dépasse 900℃, le flux de brasage FB105 doit être choisi.

Dans le brasage sous vide ou sous atmosphère protectrice, le cuivre pur peut être utilisé comme matériau de brasage. La température de brasage est comprise entre 1100 et 1150℃, et aucune fissure de contrainte ne se produit dans le joint. Cependant, la température de fonctionnement ne doit pas dépasser 400℃.

Les alliages de brasure à base de nickel présentent d'excellentes propriétés à haute température et sont couramment utilisés pour le brasage d'alliages à haute température.

Les principaux éléments d'alliage des alliages de brasage à base de nickel sont le chrome (Cr), le silicium (Si) et le bore (B), avec une petite quantité de fer (Fe), de tungstène (W) et d'autres éléments. L'alliage de brasage B-Ni68CrWB convient au brasage des composants à haute température et des pales de turbine, car il réduit la pénétration intergranulaire du bore dans le matériau de base et présente une plage de température de fusion plus large.

Cependant, les alliages de brasage contenant du tungstène ont une fluidité réduite, ce qui rend plus difficile le contrôle du jeu du joint.

Les alliages de brasage à diffusion active ne contiennent pas de silicium et présentent une excellente résistance à l'oxydation et à la sulfuration. La température de brasage peut être choisie entre 1150-1218℃ en fonction du type d'alliage de brasage. Après le brasage, un traitement de diffusion à 1066℃ peut permettre d'obtenir des joints brasés dont les propriétés correspondent à celles du matériau de base.

3. Procédé de brasage

Les alliages à base de nickel peuvent être brasés à l'aide de méthodes telles que le brasage dans un four à atmosphère protectrice, le brasage sous vide et le collage en phase liquide transitoire.

Avant le brasage, il est nécessaire d'éliminer la graisse et les oxydes de surface par ponçage, polissage avec un disque à polir, nettoyage à l'acétone et nettoyage chimique.

Lorsque l'on sélectionne processus de brasage il est important d'éviter les températures de chauffage trop élevées et de maintenir une durée de brasage courte afin d'éviter de fortes réactions chimiques entre le métal d'apport et le matériau de base.

Pour éviter la fissuration du matériau de base, un traitement de détente préalable doit être effectué sur les pièces ayant subi un travail à froid avant le brasage. Le chauffage pendant le soudage doit être aussi uniforme que possible.

Pour les alliages à haute température renforcés par précipitation, les pièces doivent d'abord être mises en solution, puis brasées à une température légèrement supérieure à celle du traitement de vieillissement, et enfin soumises à un traitement de vieillissement.

1) Brasage dans un four à atmosphère protectrice

Le brasage dans un four à atmosphère protectrice nécessite une grande pureté du gaz protecteur. Pour les alliages à haute température dont la teneur en W (Al) ou W (Ti) est inférieure à 0,5%, lors de l'utilisation d'hydrogène ou d'argon, le point de rosée doit être inférieur à -54℃.

Lorsque la teneur en Al et Ti augmente, l'oxydation se produit toujours lors du chauffage de la surface de l'alliage. Les mesures suivantes doivent être prises : ajout d'une petite quantité de flux de brasage (tel que FB105) pour éliminer le film d'oxyde ; application d'un revêtement d'une épaisseur de 0,025 à 0,038 mm sur la surface des pièces ; application préalable de métal d'apport sur la surface du matériau à braser ; utilisation d'une petite quantité de flux gazeux, tel que le trifluorure de bore.

2) Brasage sous vide

Le brasage sous vide est largement utilisé et offre une meilleure protection et une meilleure qualité de brasage. Les propriétés mécaniques des joints typiques en alliage haute température à base de nickel sont indiquées dans le tableau 15.

Pour les alliages à haute température dont le w (Al) ou le w (Ti) est inférieur à 4%, le métal d'apport peut mouiller la surface même sans prétraitement spécial, mais il est préférable d'appliquer par électrodéposition une couche de nickel de 0,01 à 0,015 mm d'épaisseur sur la surface.

Lorsque w (Al) ou W (Ti) dépasse 4%, l'épaisseur du placage de nickel doit être de 0,020,03 mm. Un placage trop fin n'offre pas une protection suffisante, tandis qu'un placage trop épais peut réduire la résistance du joint.

Le brasage sous vide peut également être réalisé en plaçant les pièces à braser dans une boîte avec un absorbeur, tel que le zirconium (Zr), qui absorbe les gaz à haute température et crée un vide partiel à l'intérieur de la boîte, empêchant ainsi l'oxydation de la surface de l'alliage.

Tableau 15 : Propriétés mécaniques de joints brasés sous vide typiques dans des alliages à haute température à base de nickel

La microstructure et la résistance des joints brasés en alliage à haute température peuvent varier en fonction de l'écart de brasage. Le traitement de diffusion post-brasage peut encore augmenter la valeur maximale admissible de l'espace entre les joints.

En prenant l'alliage Inconel comme exemple, pour les joints Inconel brasés avec B-Ni82CrSiB, la valeur maximale de l'écart après un traitement de diffusion à 1000°C pendant 1 heure peut atteindre environ 90um. En revanche, pour les joints brasés avec du B-Ni71CrSiB, la valeur maximale de l'écart après un traitement de diffusion à 1000°C pendant 1 heure est d'environ 50um.

3) Collage transitoire de la phase liquide

La liaison transitoire en phase liquide implique l'utilisation d'une couche d'alliage intermédiaire dont le point de fusion est inférieur à celui du matériau de base (épaisseur d'environ 2,5 à 100um) comme métal d'apport pour le brasage. Sous une faible pression (0 à 0,007MPa) et à une température appropriée (1100 à 1250°C), le matériau de la couche intermédiaire fond d'abord et mouille le matériau de base.

En raison de la diffusion rapide des éléments, le joint se solidifie de manière isotherme pour former le joint. Cette méthode réduit considérablement les exigences en matière d'ajustement de la surface du matériau de base et réduit la pression de soudage. Les principaux paramètres du collage en phase liquide transitoire sont la pression, la température, le temps de maintien et la composition de la couche intermédiaire.

L'application d'une faible pression assure un bon contact entre les surfaces du joint. La température et la durée du chauffage influencent grandement les performances du joint. Si le joint doit avoir une résistance similaire à celle du matériau de base sans affecter ses propriétés, une température élevée (par exemple, ≥1150°C) et une longue durée (par exemple, 8 à 24 heures) doivent être utilisées comme paramètres du processus de collage.

Si une légère diminution de la qualité du joint est acceptable ou si le matériau de base ne peut supporter des températures élevées, il convient d'utiliser des températures plus basses (1100 à 1150°C) et des durées plus courtes (1 à 8 heures). La composition de la couche intermédiaire doit être basée sur la composition du matériau de base à assembler, avec des éléments d'alliage supplémentaires tels que B, Si, Mn, Nb, etc.

Par exemple, si la composition de l'alliage Udimet est Ni-15Cr-18.5Co-4.3Al-3.3Ti-5Mo, la composition de la couche intermédiaire utilisée pour la liaison transitoire en phase liquide serait B-Ni62.5Cr15Co15Mo5B2.5. Ces éléments ajoutés peuvent abaisser la température de fusion des alliages Ni-Cr ou Ni-Cr-Co, B ayant l'effet d'abaissement le plus important.

En outre, B présente un taux de diffusion élevé, ce qui permet une homogénéisation rapide de l'alliage de la couche intermédiaire et du matériau de base.