Пайка высокотемпературных сплавов: Объяснение

1. Характеристики пайки

Высокотемпературные сплавы можно разделить на три основные категории: на основе никеля, на основе железа и на основе кобальта. Они обладают хорошими механическими свойствами, устойчивостью к окислению и коррозии при высоких температурах. Сплавы на основе никеля наиболее часто используются в практических приложениях.

Высокотемпературные сплавы содержат значительное количество хрома (Cr), который образует трудноудаляемый слой Cr₂O₃ оксидная пленка на поверхности при нагреве. Высокотемпературные сплавы на основе никеля также содержат алюминий (Al) и титан (Ti), которые склонны к окислению при нагревании.

Поэтому предотвращение или минимизация окисления и удаления оксидной пленки имеет решающее значение при пайке высокотемпературных сплавов. Для литых сплавов на основе никеля с высоким содержанием Al и Ti необходимо обеспечить уровень вакуума не менее 10-2 - 10-3 Па во время нагрева для предотвращения поверхностного окисления сплава.

Для сплавов на основе никеля, упрочненных твердым раствором и осадком, температура пайки должна соответствовать температуре нагрева при обработке твердым раствором, чтобы обеспечить полное растворение легирующих элементов.

Слишком низкая температура может привести к неполному растворению, а слишком высокая - к росту зерен в основном материале, что сделает невозможным восстановление свойств материала даже при последующей термообработке. Сплавы на основе литья обычно имеют высокие температуры твердого раствора, на которые температура пайки не оказывает существенного влияния.

Некоторые высокотемпературные сплавы на основе никеля, особенно сплавы, упрочненные осадками, имеют склонность к образованию трещин под напряжением.

Поэтому перед пайкой необходимо снять напряжения, образовавшиеся в процессе обработки, и минимизировать термические напряжения во время пайки.

2. Материалы для пайки

Для пайки сплавов на основе никеля можно использовать сплавы на основе серебра, чистой меди, никеля и активные паяльные сплавы.

Если рабочая температура соединения невысока, можно использовать материалы на основе серебра. Существует широкий выбор материалов для пайки на основе серебра, и чтобы свести к минимуму внутреннее напряжение при нагреве, рекомендуется выбирать сплавы с низкой температурой плавления.

Для пайки высокотемпературных сплавов с высоким содержанием алюминия, упрочненных осаждением, следует использовать паяльный флюс FB102 и добавлять фторалюминат натрия 10-20% или флюс для алюминия (например, FB201). Если температура пайки превышает 900℃, следует использовать паяльный флюс FB105.

При пайке в вакууме или защитной атмосфере в качестве материала для пайки может быть использована чистая медь. Температура пайки находится в диапазоне 1100-1150℃, и в соединении не возникает трещин под напряжением. Однако рабочая температура не должна превышать 400℃.

Паяльные сплавы на основе никеля обладают превосходными высокотемпературными свойствами и широко используются для пайки высокотемпературных сплавов.

Основными легирующими элементами в паяльных сплавах на основе никеля являются хром (Cr), кремний (Si) и бор (B), а также небольшое количество железа (Fe), вольфрама (W) и других элементов. Паяльный сплав B-Ni68CrWB подходит для пайки высокотемпературных деталей и лопаток турбин, поскольку он уменьшает межкристаллитное проникновение бора в основной материал и имеет больший диапазон температур плавления.

Однако паяльные сплавы, содержащие вольфрам, обладают пониженной текучестью, что усложняет контроль зазора в соединении.

Активные диффузионные паяльные сплавы не содержат кремния и обладают превосходной стойкостью к окислению и сульфидированию. Температура пайки может быть выбрана в диапазоне 1150-1218℃ в зависимости от типа паяльного сплава. После пайки диффузионная обработка при температуре 1066℃ может привести к получению паяных соединений со свойствами, соответствующими основному материалу.

3. Процесс пайки

Сплавы на основе никеля можно паять такими методами, как пайка в печи с защитной атмосферой, вакуумная пайка и переходное жидкофазное соединение.

Перед пайкой необходимо удалить жир и поверхностные окислы путем шлифовки, полировки полировальным кругом, протирания ацетоном и химической очистки.

При выборе процесс пайки Важно избегать слишком высоких температур нагрева и сократить время пайки, чтобы предотвратить сильные химические реакции между присадочным металлом и основным материалом.

Чтобы предотвратить растрескивание основного материала, перед пайкой детали, подвергшиеся холодной обработке, следует подвергнуть предварительной обработке для снятия напряжения. Нагрев во время сварки должен быть как можно более равномерным.

Для высокотемпературных сплавов, упрочняемых осадками, детали сначала обрабатываются раствором, затем паяются при температуре, немного превышающей температуру обработки старения, и, наконец, подвергаются обработке старения.

1) Пайка в печи с защитной атмосферой

Пайка в печи с защитной атмосферой требует высокой чистоты защитного газа. Для высокотемпературных сплавов с содержанием W (Al) или W (Ti) менее 0,5%, при использовании водорода или аргона точка росы должна быть ниже -54℃.

При увеличении содержания Al и Ti окисление все равно происходит при поверхностном нагреве сплава. Необходимо принять следующие меры: добавить небольшое количество паяльного флюса (например, FB105) для удаления оксидной пленки; нанести на поверхность деталей покрытие толщиной от 0,025 до 0,038 мм; предварительно нанести присадочный металл на поверхность паяемого материала; использовать небольшое количество газового флюса, например, трифторида бора.

2) Вакуумная пайка

Широко используется вакуумная пайка, которая обеспечивает лучшую защиту и качество пайки. Механические свойства типичных высокотемпературных соединений сплавов на основе никеля приведены в таблице 15.

Для высокотемпературных сплавов с w (Al) или w (Ti) менее 4% присадочный металл может смачивать поверхность даже без специальной предварительной обработки, но предпочтительнее нанести на поверхность слой никеля толщиной от 0,01 до 0,015 мм.

Если w (Al) или W (Ti) превышает 4%, толщина никелевого покрытия должна составлять 0,020,03 мм. Слишком тонкое покрытие не обеспечивает достаточной защиты, а слишком толстое может снизить прочность соединения.

Вакуумная пайка также может осуществляться путем помещения паяемых деталей в коробку с поглотителем, например цирконием (Zr), который поглощает газы при высокой температуре и создает частичный вакуум внутри коробки, предотвращая тем самым окисление поверхности сплава.

Таблица 15: Механические свойства типичных вакуумных паяных соединений из высокотемпературных сплавов на основе никеля

Микроструктура и прочность паяных соединений из высокотемпературных сплавов могут изменяться в зависимости от величины зазора при пайке. Диффузионная обработка после пайки может дополнительно увеличить максимально допустимое значение зазора в соединении.

Если взять в качестве примера сплав Inconel, то для соединений Inconel, паянных с B-Ni82CrSiB, максимальное значение зазора после диффузионной обработки при 1000°C в течение 1 часа может достигать около 90 мм. С другой стороны, для соединений, паянных с B-Ni71CrSiB, максимальное значение зазора после диффузионной обработки при 1000°C в течение 1 часа составляет около 50 мм.

3) Переходное жидкофазное связывание

Переходное жидкофазное соединение предполагает использование промежуточного слоя сплава с температурой плавления ниже, чем у основного материала (толщина примерно 2,5-100 мм), в качестве присадочного металла для пайки. При низком давлении (от 0 до 0,007 МПа) и подходящей температуре (от 1100 до 1250°C) материал промежуточного слоя сначала расплавляется и смачивает основной материал.

Благодаря быстрой диффузии элементов соединение застывает изотермически, образуя шов. Этот метод значительно снижает требования к подгонке поверхности основного материала и уменьшает сварочное давление. Основными параметрами переходного жидкофазного соединения являются давление, температура, время выдержки и состав промежуточного слоя.

Низкое давление обеспечивает хороший контакт между поверхностями шва. Температура и время нагрева значительно влияют на характеристики шва. Если соединение должно иметь прочность, аналогичную прочности основного материала, без изменения его свойств, в качестве параметров процесса склеивания следует использовать высокую температуру (например, ≥1150°C) и длительное время (например, от 8 до 24 часов).

Если допустимо небольшое снижение качества соединения или основной материал не выдерживает высоких температур, следует использовать более низкие температуры (1100 - 1150°C) и более короткое время (1 - 8 часов). Состав промежуточного слоя должен быть основан на составе основного материала, подлежащего соединению, с дополнительными легирующими элементами, такими как B, Si, Mn, Nb и т.д.

Например, если состав сплава Udimet - Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, то состав промежуточного слоя, используемого для переходного жидкофазного соединения, будет B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Эти добавленные элементы могут понизить температуру плавления сплавов Ni-Cr или Ni-Cr-Co, причем наиболее значительный эффект понижения оказывает B.

Кроме того, B обладает высокой скоростью диффузии, что позволяет быстро гомогенизировать сплав промежуточного слоя и основной материал.