Brasagem de ligas de alta temperatura: Explicação

1. Características de brasagem

As ligas de alta temperatura podem ser divididas em três categorias principais: à base de níquel, à base de ferro e à base de cobalto. Apresentam boas propriedades mecânicas, resistência à oxidação e resistência à corrosão a altas temperaturas. As ligas à base de níquel são as mais utilizadas em aplicações práticas.

As ligas de alta temperatura contêm uma quantidade significativa de crómio (Cr), que forma uma camada de crómio difícil de remover.₂O₃ película de óxido na superfície durante o aquecimento. As ligas de alta temperatura à base de níquel também contêm alumínio (Al) e titânio (Ti), que são susceptíveis de oxidação durante o aquecimento.

Por conseguinte, a prevenção ou minimização da oxidação e a remoção da película de óxido são cruciais na brasagem de ligas a alta temperatura. Para ligas fundidas à base de níquel com elevado teor de Al e Ti, é necessário assegurar um nível de vácuo não inferior a 10-2 a 10-3 Pa durante o aquecimento para evitar a oxidação da superfície da liga.

Para ligas à base de níquel reforçadas por solução sólida e reforçadas por precipitação, a temperatura de brasagem deve ser selecionada de forma a ser consistente com a temperatura de aquecimento durante o tratamento de solução sólida para garantir a dissolução completa dos elementos de liga.

Uma temperatura demasiado baixa pode resultar numa dissolução incompleta, enquanto uma temperatura demasiado elevada pode provocar o crescimento de grão no material de base, tornando impossível restaurar as propriedades do material, mesmo com um tratamento térmico subsequente. As ligas à base de fundição têm geralmente elevadas temperaturas de dissolução sólida que não são significativamente afectadas pelas temperaturas de brasagem.

Algumas ligas de níquel de alta temperatura, especialmente as ligas reforçadas por precipitação, têm tendência para fissurar por tensão.

Por conseguinte, é necessário remover as tensões formadas durante o processamento antes da brasagem e minimizar as tensões térmicas durante a brasagem.

2. Materiais de brasagem

Para a brasagem de ligas à base de prata, cobre puro, níquel e ligas de brasagem activas, podem ser utilizadas ligas à base de níquel.

Quando a temperatura de funcionamento da junta não é elevada, podem ser utilizados materiais à base de prata. Existe uma grande variedade de materiais de brasagem à base de prata disponíveis, e para minimizar tensão interna durante o aquecimento, é aconselhável escolher ligas de baixa temperatura de fusão.

Para brasagem de ligas de alta temperatura reforçadas por precipitação com alto teor de alumínio, o fluxo de brasagem FB102 deve ser usado e o fluoroaluminato de sódio 10-20% ou fluxo de alumínio (como FB201) deve ser adicionado. Quando a temperatura de brasagem excede 900 ℃, o fluxo de brasagem FB105 deve ser escolhido.

Na brasagem a vácuo ou em atmosfera protetora, o cobre puro pode ser usado como material de brasagem. A temperatura de brasagem está na faixa de 1100-1150 ℃, e nenhuma rachadura por estresse ocorre na junta. No entanto, a temperatura de operação não deve exceder 400 ℃.

As ligas de brasagem à base de níquel têm excelentes propriedades a alta temperatura e são normalmente utilizadas para a brasagem de ligas a alta temperatura.

Os principais elementos de liga nas ligas de brasagem à base de níquel são o crómio (Cr), o silício (Si) e o boro (B), com uma pequena quantidade de ferro (Fe), tungsténio (W) e outros elementos. A liga de brasagem B-Ni68CrWB é adequada para a brasagem de componentes de alta temperatura e lâminas de turbina, uma vez que reduz a penetração intergranular do boro no material de base e tem um intervalo de temperatura de fusão mais alargado.

No entanto, as ligas de brasagem que contêm tungsténio têm uma fluidez reduzida, o que torna mais difícil o controlo da folga da junta.

As ligas de brasagem por difusão ativa não contêm silício e exibem excelente resistência à oxidação e sulfetação. A temperatura de brasagem pode ser selecionada entre 1150-1218 ℃, dependendo do tipo de liga de brasagem. Após a brasagem, o tratamento de difusão a 1066 ℃ pode resultar em juntas soldadas com propriedades consistentes com o material de base.

3. Processo de brasagem

As ligas à base de níquel podem ser soldadas utilizando métodos como a brasagem num forno de atmosfera protetora, a brasagem a vácuo e a ligação em fase líquida transitória.

Antes da brasagem, é necessário remover a gordura e os óxidos da superfície através de lixagem, polimento com uma roda de polir, limpeza com acetona e limpeza química.

Ao selecionar processo de brasagem parâmetros, é importante evitar temperaturas de aquecimento excessivamente elevadas e manter o tempo de brasagem curto para evitar reacções químicas fortes entre o metal de adição de brasagem e o material de base.

Para evitar a fissuração do material de base, deve ser efectuado um tratamento de alívio de tensão nas peças que foram submetidas a trabalho a frio antes da brasagem. O aquecimento durante a soldadura deve ser tão uniforme quanto possível.

Para ligas de alta temperatura reforçadas por precipitação, as peças devem ser primeiro tratadas em solução, depois soldadas a uma temperatura ligeiramente superior à temperatura do tratamento de envelhecimento e, finalmente, submetidas ao tratamento de envelhecimento.

1) Brasagem em forno de atmosfera protetora

A brasagem num forno de atmosfera protetora requer uma elevada pureza do gás de proteção. Para ligas de alta temperatura com teor de W (Al) ou W (Ti) inferior a 0,5%, quando se utiliza hidrogénio ou gás árgon, o ponto de orvalho deve ser inferior a -54℃.

À medida que o teor de Al e Ti aumenta, a oxidação ainda ocorre durante o aquecimento da superfície da liga. Devem ser tomadas as seguintes medidas: adição de uma pequena quantidade de fluxo de brasagem (como FB105) para remover a película de óxido; aplicação de um revestimento de 0,025 a 0,038 mm de espessura na superfície das peças; pré-aplicação de metal de adição de brasagem na superfície do material a ser soldado; utilização de uma pequena quantidade de fluxo de gás, como o trifluoreto de boro.

2) Brasagem a vácuo

A brasagem a vácuo é amplamente utilizada e proporciona uma melhor proteção e qualidade de brasagem. As propriedades mecânicas das juntas típicas de ligas de alta temperatura à base de níquel são apresentadas no Quadro 15.

Para ligas de alta temperatura com w (Al) ou w (Ti) inferior a 4%, o metal de enchimento de brasagem pode molhar a superfície mesmo sem pré-tratamento especial, mas é preferível electrodepositar uma camada de níquel de 0,01 a 0,015 mm de espessura na superfície.

Quando w (Al) ou W (Ti) excede 4%, a espessura do revestimento de níquel deve ser de 0,020,03mm. Um revestimento demasiado fino não proporciona proteção suficiente, enquanto um revestimento demasiado espesso pode reduzir a resistência da junta.

A brasagem a vácuo também pode ser realizada colocando as peças a serem soldadas numa caixa juntamente com um absorvedor, como o zircónio (Zr), que absorve gases a alta temperatura e cria um vácuo parcial dentro da caixa, evitando assim a oxidação da superfície da liga.

Tabela 15: Propriedades mecânicas de juntas típicas brasadas a vácuo em ligas de alta temperatura à base de níquel

A microestrutura e a resistência das juntas soldadas de ligas de alta temperatura podem variar com o intervalo de soldadura. O tratamento de difusão pós-soldadura pode aumentar ainda mais o valor máximo admissível da folga da junta.

Tomando a liga Inconel como exemplo, para as juntas Inconel soldadas com B-Ni82CrSiB, o valor máximo do intervalo após um tratamento de difusão a 1000°C durante 1 hora pode atingir cerca de 90um. Por outro lado, para as juntas soldadas com B-Ni71CrSiB, o valor máximo da fenda após um tratamento de difusão a 1000°C durante 1 hora é de cerca de 50um.

3) Ligação de fase líquida transiente

A ligação em fase líquida transiente envolve a utilização de uma camada de liga intermédia com um ponto de fusão inferior ao do material de base (espessura de aproximadamente 2,5 a 100um) como metal de adição para a brasagem. Sob baixa pressão (0 a 0,007MPa) e temperatura adequada (1100 a 1250°C), o material da camada intermédia começa por fundir e molhar o material de base.

Devido à rápida difusão dos elementos, a junta solidifica isotermicamente para formar a junta. Este método reduz significativamente os requisitos de ajuste da superfície do material de base e reduz a pressão de soldadura. Os principais parâmetros para a ligação em fase líquida transiente incluem a pressão, a temperatura, o tempo de retenção e a composição da camada intermédia.

A aplicação de baixa pressão assegura um bom contacto entre as superfícies da junta. A temperatura e o tempo de aquecimento influenciam grandemente o desempenho da junta. Se a junta precisar de ter uma resistência semelhante à do material de base sem afetar as suas propriedades, devem ser utilizadas temperaturas elevadas (por exemplo, ≥1150°C) e um longo período de tempo (por exemplo, 8 a 24 horas) como parâmetros do processo de ligação.

Se for aceitável uma ligeira diminuição da qualidade da junta ou se o material de base não puder suportar temperaturas elevadas, devem ser utilizadas temperaturas mais baixas (1100 a 1150°C) e tempos mais curtos (1 a 8 horas). A composição da camada intermédia deve basear-se na composição do material de base a unir, com elementos de liga adicionais, tais como B, Si, Mn, Nb, etc.

Por exemplo, se a composição da liga Udimet for Ni-15Cr-18.5Co-4.3Al-3.3Ti-5Mo, a composição da camada intermédia utilizada para a ligação em fase líquida transiente seria B-Ni62.5Cr15Co15Mo5B2.5. Estes elementos adicionados podem baixar a temperatura de fusão das ligas Ni-Cr ou Ni-Cr-Co, tendo o B o efeito de redução mais significativo.

Além disso, B apresenta uma elevada taxa de difusão, permitindo uma rápida homogeneização da liga da camada intermédia e do material de base.