Solderen van legeringen op hoge temperatuur: Uitleg

1. Soldeereigenschappen

Hogetemperatuurlegeringen kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdcategorieën: op nikkel gebaseerd, op ijzer gebaseerd en op kobalt gebaseerd. Ze vertonen goede mechanische eigenschappen, weerstand tegen oxidatie en weerstand tegen corrosie bij hoge temperaturen. Op nikkel gebaseerde legeringen worden het meest gebruikt in praktische toepassingen.

Hoge-temperatuurlegeringen bevatten een aanzienlijke hoeveelheid chroom (Cr), dat een moeilijk te verwijderen Cr₂O₃ oxidelaag op het oppervlak tijdens verhitting. Hoge-temperatuurlegeringen op basis van nikkel bevatten ook aluminium (Al) en titanium (Ti), die gevoelig zijn voor oxidatie tijdens verhitting.

Daarom is het voorkomen of minimaliseren van oxidatie en het verwijderen van de oxidelaag cruciaal bij het hardsolderen van legeringen met hoge temperaturen. Voor gegoten nikkellegeringen met een hoog Al- en Ti gehalte is het noodzakelijk om een vacuümniveau van niet minder dan 10-2 tot 10-3 Pa te garanderen tijdens het verhitten om oppervlakteoxidatie van de legering te voorkomen.

Voor met vaste oplossing versterkte en precipitatie versterkte nikkellegeringen moet de hardsoldeertemperatuur consistent zijn met de verwarmingstemperatuur tijdens de behandeling met vaste oplossing om volledige oplossing van de legeringselementen te garanderen.

Een te lage temperatuur kan leiden tot onvolledig oplossen, terwijl een te hoge temperatuur korrelgroei in het basismateriaal kan veroorzaken, waardoor het onmogelijk wordt om de eigenschappen van het materiaal te herstellen, zelfs met een daaropvolgende warmtebehandeling. Gietlegeringen hebben over het algemeen hoge vaste-oplossingtemperaturen die niet significant beïnvloed worden door hardsoldeertemperaturen.

Sommige op nikkel gebaseerde legeringen voor hoge temperaturen, vooral precipitatieversterkte legeringen, hebben de neiging tot spanningsscheuren.

Daarom is het noodzakelijk om de spanningen die ontstaan zijn tijdens de verwerking te verwijderen voor het hardsolderen en de thermische spanningen tijdens het hardsolderen te minimaliseren.

2. Soldeermaterialen

Zilverlegeringen, zuiver koper, nikkellegeringen en actieve hardsoldeerlegeringen kunnen worden gebruikt voor het hardsolderen van legeringen op nikkelbasis.

Als de bedrijfstemperatuur van de verbinding niet hoog is, kunnen materialen op zilverbasis worden gebruikt. Er is een grote verscheidenheid aan hardsoldeermaterialen op zilverbasis beschikbaar, en om inwendige spanning tijdens het verhitten, is het raadzaam om legeringen met een lage smelttemperatuur te kiezen.

Voor hardsolderen van precipitatie-versterkte hoge-temperatuurlegeringen met een hoog aluminiumgehalte moet FB102 hardsoldeerflux worden gebruikt en 10-20% natriumfluoroaluminaat of aluminiumflux (zoals FB201) worden toegevoegd. Als de hardsoldeertemperatuur hoger is dan 900℃, moet hardsoldeerflux FB105 worden gekozen.

Bij hardsolderen onder vacuüm of beschermende atmosfeer kan zuiver koper worden gebruikt als hardsoldeermateriaal. De soldeertemperatuur ligt in het bereik van 1100-1150℃ en er treedt geen spanningsscheurvorming op in de verbinding. De bedrijfstemperatuur mag echter niet hoger zijn dan 400℃.

Soldeerlegeringen op basis van nikkel hebben uitstekende eigenschappen bij hoge temperaturen en worden vaak gebruikt voor het solderen van legeringen bij hoge temperaturen.

De belangrijkste legeringselementen in soldeerlegeringen op basis van nikkel zijn chroom (Cr), silicium (Si) en boor (B), met een kleine hoeveelheid ijzer (Fe), wolfraam (W) en andere elementen. B-Ni68CrWB hardsoldeerlegering is geschikt voor het hardsolderen van onderdelen met een hoge temperatuur en turbinebladen, omdat het de interkristallijne penetratie van boor in het basismateriaal vermindert en een groter smelttemperatuurbereik heeft.

Soldeerlegeringen die wolfraam bevatten hebben echter een verminderde vloeibaarheid, waardoor het een grotere uitdaging is om de speling van de verbinding te controleren.

Actieve diffusiehardsoldeerlegeringen bevatten geen silicium en zijn uitstekend bestand tegen oxidatie en sulfidering. De hardsoldeertemperatuur kan worden gekozen tussen 1150-1218℃, afhankelijk van het type hardsoldeerlegering. Na het hardsolderen kan een diffusiebehandeling bij 1066℃ resulteren in gesoldeerde verbindingen met eigenschappen die overeenkomen met die van het basismateriaal.

3. Soldeerproces

Op nikkel gebaseerde legeringen kunnen worden gesoldeerd met methoden zoals hardsolderen in een oven met beschermende atmosfeer, vacuümsolderen en vloeibaarfaselassen.

Vóór het hardsolderen moeten vet en oxiden van het oppervlak worden verwijderd door schuren, polijsten met een polijstschijf, afvegen met aceton en chemisch reinigen.

Bij het selecteren van soldeerproces parameters is het belangrijk om te hoge verhittingstemperaturen te vermijden en de soldeertijd kort te houden om sterke chemische reacties tussen het hardsoldeermetaal en het basismateriaal te voorkomen.

Om scheurvorming in het basismateriaal te voorkomen, moeten onderdelen die een koude bewerking hebben ondergaan vóór het hardsolderen een spanningsontlastende voorbehandeling ondergaan. De verwarming tijdens het lassen moet zo gelijkmatig mogelijk zijn.

Voor precipitatieversterkte hogetemperatuurlegeringen moeten de onderdelen eerst een solutiebehandeling ondergaan, daarna worden gesoldeerd bij een temperatuur die iets hoger is dan de verouderingsbehandelingstemperatuur en ten slotte een verouderingsbehandeling ondergaan.

1) Solderen in een oven met beschermende atmosfeer

Solderen in een oven met beschermende atmosfeer vereist een hoge zuiverheid van het beschermende gas. Voor hogetemperatuurlegeringen met W (Al) of W (Ti) gehalte lager dan 0,5%, moet bij gebruik van waterstof- of argongas het dauwpunt lager zijn dan -54℃.

Naarmate het Al- en Ti-gehalte toeneemt, treedt er nog steeds oxidatie op tijdens het verhitten van het oppervlak van de legering. De volgende maatregelen moeten worden genomen: een kleine hoeveelheid hardsoldeer toevoegen (zoals FB105) om de oxidelaag te verwijderen; een coating van 0,025 tot 0,038 mm dikte aanbrengen op het oppervlak van de onderdelen; vooraf soldeermetaal aanbrengen op het oppervlak van het te hardsolderen materiaal; een kleine hoeveelheid gasflux gebruiken, zoals boortrifluoride.

2) Vacuümsolderen

Vacuümsolderen wordt veel gebruikt en biedt een betere bescherming en soldeerkwaliteit. De mechanische eigenschappen van typische verbindingen van hoge-temperatuurlegeringen op basis van nikkel worden weergegeven in Tabel 15.

Voor hogetemperatuurlegeringen met w (Al) of w (Ti) minder dan 4% kan het hardsoldeer zelfs zonder speciale voorbehandeling het oppervlak bevochtigen, maar het verdient de voorkeur om een nikkellaag van 0,01 tot 0,015 mm dikte op het oppervlak te elektrolyseren.

Wanneer w (Al) of W (Ti) groter is dan 4%, moet de dikte van de vernikkeling 0,020,03 mm zijn. Een te dunne beplating biedt onvoldoende bescherming, terwijl een te dikke beplating de sterkte van de verbinding kan verminderen.

Vacuümsolderen kan ook worden uitgevoerd door de te solderen onderdelen in een doos te plaatsen samen met een absorber, zoals zirkonium (Zr), die gassen absorbeert bij hoge temperatuur en een gedeeltelijk vacuüm creëert in de doos, waardoor oxidatie van het oppervlak van de legering wordt voorkomen.

Tabel 15: Mechanische eigenschappen van typische vacuümgesoldeerde verbindingen in nikkel-gebaseerde legeringen voor hoge temperatuur

De microstructuur en sterkte van gesoldeerde verbindingen van hoge-temperatuurlegeringen kunnen variëren met de hardsoldeerspleet. Diffusiebehandeling na het hardsolderen kan de maximaal toelaatbare waarde van de voegspleet verder verhogen.

Als we Inconel-legering als voorbeeld nemen, kan voor Inconel-verbindingen gesoldeerd met B-Ni82CrSiB de maximale spleetwaarde na een diffusiebehandeling van 1000°C gedurende 1 uur ongeveer 90um bereiken. Aan de andere kant is voor verbindingen gesoldeerd met B-Ni71CrSiB de maximale spleetwaarde na 1000°C diffusiebehandeling gedurende 1 uur ongeveer 50um.

3) Voorbijgaande Vloeistoffaseverbinding

Bij solderen in transiënte vloeistoffase wordt een tussenliggende legeringslaag met een smeltpunt lager dan het basismateriaal (dikte ongeveer 2,5 tot 100um) gebruikt als hardsoldeermateriaal. Onder lage druk (0 tot 0,007MPa) en geschikte temperatuur (1100 tot 1250°C) smelt het tussenlaagmateriaal eerst en wordt het basismateriaal nat.

Door de snelle diffusie van elementen stolt de las isotherm om de verbinding te vormen. Deze methode vermindert de vereisten voor oppervlaktepassingen van het basismateriaal aanzienlijk en verlaagt de lasdruk. De belangrijkste parameters voor transiënte vloeibare fase verbindingen zijn druk, temperatuur, wachttijd en de samenstelling van de tussenlaag.

Een lage druk zorgt voor een goed contact tussen de voegoppervlakken. Verhittingstemperatuur en -tijd hebben een grote invloed op de prestaties van de verbinding. Als de verbinding dezelfde sterkte moet hebben als het basismateriaal zonder de eigenschappen ervan aan te tasten, moeten een hoge temperatuur (bijv. ≥1150°C) en een lange tijd (bijv. 8 tot 24 uur) worden gebruikt als parameters voor het verlijmingsproces.

Als een lichte afname van de verbindingskwaliteit aanvaardbaar is of als het basismateriaal niet bestand is tegen hoge temperaturen, moeten lagere temperaturen (1100 tot 1150 °C) en kortere tijden (1 tot 8 uur) worden gebruikt. De samenstelling van de tussenlaag moet gebaseerd zijn op de samenstelling van het te verbinden basismateriaal, met extra legeringselementen zoals B, Si, Mn, Nb, enz.

Als de samenstelling van de Udimet-legering bijvoorbeeld Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo is, dan is de samenstelling van de tussenlaag die wordt gebruikt voor de tijdelijke verbinding in vloeibare fase B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Deze toegevoegde elementen kunnen de smelttemperatuur van Ni-Cr of Ni-Cr-Co legeringen verlagen, waarbij B het meest significante verlagende effect heeft. Deze toegevoegde elementen kunnen de smelttemperatuur van Ni-Cr of Ni-Cr-Co legeringen verlagen, waarbij B het meest significante verlagende effect heeft.

Bovendien vertoont B een hoge diffusiesnelheid, waardoor een snelle homogenisatie van de tussenlaaglegering en het basismateriaal mogelijk is.