การบัดกรีโลหะผสมซูเปอร์อัลลอย

การบัดกรีโลหะผสมซูเปอร์อัลลอย

(1) โลหะผสมนิกเกิลที่มีลักษณะเฉพาะในการบัดกรีสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ นิกเกิล นิกเกิล และโคบอลต์ โลหะผสมชนิดนี้มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี ทนทานต่อการเกิดออกซิเดชัน และทนต่อการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง โลหะผสมนิกเกิลเป็นโลหะผสมที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต

ซูเปอร์อัลลอยมีปริมาณโครเมียมสูงกว่า และฟิล์มออกไซด์ Cr2O3 ซึ่งกำจัดออกได้ยากจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวระหว่างการให้ความร้อน ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบประกอบด้วย Al และ Ti ซึ่งเกิดการออกซิเดชันได้ง่ายเมื่อได้รับความร้อน ดังนั้น ปัญหาหลักในการบัดกรีคือการป้องกันหรือลดการออกซิเดชันของซูเปอร์อัลลอยระหว่างการให้ความร้อนและการกำจัดฟิล์มออกไซด์ เนื่องจากโบแรกซ์หรือกรดบอริกในฟลักซ์สามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะพื้นฐานที่อุณหภูมิการบัดกรี โบรอนที่ตกตะกอนหลังจากปฏิกิริยาสามารถแทรกซึมเข้าไปในโลหะพื้นฐาน ทำให้เกิดการแทรกซึมระหว่างเกรน สำหรับโลหะผสมนิกเกิลหล่อที่มีปริมาณ Al และ Ti สูง สุญญากาศในสภาวะร้อนต้องไม่น้อยกว่า 10-2 ~ 10-3pa ในระหว่างการบัดกรี เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันบนพื้นผิวโลหะผสมระหว่างการให้ความร้อน

สำหรับโลหะผสมนิกเกิลพื้นฐานที่เสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายและเสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน อุณหภูมิในการบัดกรีควรสอดคล้องกับอุณหภูมิความร้อนของกระบวนการชุบแข็งด้วยสารละลาย เพื่อให้มั่นใจว่าโลหะผสมจะละลายได้อย่างสมบูรณ์ อุณหภูมิในการบัดกรีต่ำเกินไป และโลหะผสมจะไม่สามารถละลายได้อย่างสมบูรณ์ หากอุณหภูมิในการบัดกรีสูงเกินไป เกรนของโลหะพื้นฐานจะโตขึ้น และคุณสมบัติของวัสดุจะไม่กลับคืนสู่สภาพเดิมแม้หลังจากการชุบแข็ง อุณหภูมิสารละลายของแข็งของโลหะผสมฐานหล่อสูง ซึ่งโดยทั่วไปจะไม่ส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของวัสดุเนื่องจากอุณหภูมิในการบัดกรีที่สูงเกินไป

ซูเปอร์อัลลอยบางชนิดที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก โดยเฉพาะโลหะผสมที่เสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวจากความเค้น ก่อนการบัดกรี จะต้องกำจัดความเค้นที่เกิดขึ้นในกระบวนการให้หมดไป และควรลดความเค้นที่เกิดจากความร้อนให้เหลือน้อยที่สุดในระหว่างการบัดกรี

(2) วัสดุบัดกรีที่มีส่วนผสมของนิกเกิล สามารถบัดกรีร่วมกับโลหะเงิน ทองแดงบริสุทธิ์ นิกเกิล และตะกั่วบัดกรีได้ เมื่ออุณหภูมิในการทำงานของรอยเชื่อมไม่สูง สามารถใช้วัสดุเงินได้ มีตะกั่วบัดกรีหลายชนิด เพื่อลดแรงเค้นภายในระหว่างการบัดกรี ควรเลือกตะกั่วบัดกรีที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ ฟลักซ์ Fb101 สามารถใช้บัดกรีกับโลหะเติมเงินได้ ฟลักซ์ Fb102 ใช้สำหรับบัดกรีซูเปอร์อัลลอยเสริมความแข็งแรงแบบตกตะกอนที่มีปริมาณอะลูมิเนียมสูงที่สุด และเติมโซเดียมซิลิเกตหรือฟลักซ์อะลูมิเนียม (เช่น fb201) 10% ~ 20% เมื่ออุณหภูมิในการบัดกรีเกิน 900 ℃ ควรเลือกฟลักซ์ fb105

เมื่อบัดกรีในสุญญากาศหรือบรรยากาศป้องกัน ทองแดงบริสุทธิ์สามารถใช้เป็นโลหะเติมในการบัดกรีได้ อุณหภูมิในการบัดกรีอยู่ที่ 1100 ~ 1150 องศาเซลเซียส รอยต่อจะไม่เกิดการแตกร้าวจากแรงเค้น แต่อุณหภูมิในการทำงานต้องไม่เกิน 400 องศาเซลเซียส

โลหะเติมสำหรับการเชื่อมประสานที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบหลักที่นิยมใช้มากที่สุดในซูเปอร์อัลลอย เนื่องจากมีคุณสมบัติทนความร้อนได้ดีและไม่มีการแตกร้าวจากความเค้นระหว่างการเชื่อมประสาน ธาตุโลหะผสมหลักในโลหะบัดกรีที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ โครเมียม ซิลิกอน และบี และโลหะบัดกรีปริมาณเล็กน้อยยังมีธาตุเหล็ก ไวไฟ และอื่นๆ เมื่อเปรียบเทียบกับ ni-cr-si-b แล้ว โลหะเติมสำหรับการเชื่อมประสาน b-ni68crwb สามารถลดการแทรกซึมระหว่างเกรนของบีลงในโลหะพื้นฐานและเพิ่มช่วงอุณหภูมิหลอมเหลว โลหะเติมสำหรับการเชื่อมประสานสำหรับชิ้นส่วนที่ใช้งานอุณหภูมิสูงและใบพัดกังหัน อย่างไรก็ตาม ความลื่นไหลของโลหะบัดกรีที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบจะแย่ลงและช่องว่างระหว่างรอยเชื่อมควบคุมได้ยาก

โลหะเชื่อมประสานแบบกระจายตัวแอคทีฟนี้ไม่มีธาตุซิลิคอน และมีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการวัลคาไนซ์ที่ดีเยี่ยม อุณหภูมิการเชื่อมประสานสามารถเลือกได้ตั้งแต่ 1150 ถึง 1218 องศาเซลเซียส ขึ้นอยู่กับชนิดของตะกั่วบัดกรี หลังจากการบัดกรีแล้ว รอยเชื่อมประสานที่ได้จะมีคุณสมบัติเช่นเดียวกับโลหะพื้นฐานหลังจากผ่านกระบวนการกระจายตัวที่อุณหภูมิ 1066 องศาเซลเซียส

(3) กระบวนการบัดกรีโลหะผสมนิกเกิลฐานสามารถใช้การบัดกรีในเตาเผาบรรยากาศป้องกัน การบัดกรีด้วยสุญญากาศ และการบัดกรีด้วยของเหลวชั่วคราว ก่อนการบัดกรี ต้องขจัดคราบไขมันและออกไซด์บนพื้นผิวโดยการขัดด้วยกระดาษทราย การขัดด้วยล้อสักหลาด การขัดด้วยอะซิโตน และการทำความสะอาดด้วยสารเคมี เมื่อเลือกพารามิเตอร์ของกระบวนการบัดกรี ควรสังเกตว่าอุณหภูมิในการให้ความร้อนไม่ควรสูงเกินไป และเวลาในการบัดกรีควรสั้น เพื่อหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรงระหว่างฟลักซ์และโลหะฐาน เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะฐานแตกร้าว ชิ้นส่วนที่ผ่านการชุบเย็นควรได้รับการคลายความเค้นก่อนการเชื่อม และการให้ความร้อนในการเชื่อมควรสม่ำเสมอที่สุด สำหรับซูเปอร์อัลลอยเสริมความแข็งแรงแบบตกตะกอน ชิ้นส่วนจะต้องผ่านการบำบัดด้วยสารละลายของแข็งก่อน จากนั้นจึงบัดกรีที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิในการเสริมความแข็งแรงเล็กน้อย และสุดท้ายคือการบ่ม

1) การบัดกรีในเตาบรรยากาศป้องกัน การบัดกรีในเตาบรรยากาศป้องกันต้องใช้ก๊าซป้องกันที่มีความบริสุทธิ์สูง สำหรับซูเปอร์อัลลอยที่มีค่า w (AL) และ w (TI) น้อยกว่า 0.5% จุดน้ำค้างต้องต่ำกว่า -54 ℃ เมื่อใช้ไฮโดรเจนหรืออาร์กอน เมื่อปริมาณ Al และ Ti เพิ่มขึ้น พื้นผิวของอัลลอยจะยังคงเกิดปฏิกิริยาออกซิไดซ์เมื่อได้รับความร้อน ต้องมีมาตรการดังต่อไปนี้: เติมฟลักซ์ปริมาณเล็กน้อย (เช่น fb105) และกำจัดฟิล์มออกไซด์ออกด้วยฟลักซ์; เคลือบผิวชิ้นงานหนา 0.025 ~ 0.038 มม.; พ่นสารบัดกรีลงบนพื้นผิวของวัสดุที่จะบัดกรีล่วงหน้า; เติมฟลักซ์ก๊าซปริมาณเล็กน้อย เช่น โบรอนไตรฟลูออไรด์

2) การบัดกรีด้วยสุญญากาศ การบัดกรีด้วยสุญญากาศเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการป้องกันและคุณภาพการบัดกรีที่ดีขึ้น ดูตารางที่ 15 สำหรับคุณสมบัติเชิงกลของข้อต่อซูเปอร์อัลลอยที่ใช้นิกเกิลเป็นส่วนประกอบทั่วไป สำหรับซูเปอร์อัลลอยที่มี w (AL) และ w (TI) น้อยกว่า 4% ควรชุบนิกเกิลหนา 0.01 ~ 0.015 มม. บนพื้นผิวด้วยไฟฟ้า แม้ว่าจะสามารถมั่นใจได้ว่าตะกั่วบัดกรีจะเปียกโดยไม่ต้องเตรียมผิวพิเศษก็ตาม เมื่อ w (AL) และ w (TI) เกิน 4% ความหนาของชั้นเคลือบนิกเกิลควรอยู่ที่ 0.020.03 มม. การเคลือบที่บางเกินไปจะไม่มีผลในการป้องกัน และการเคลือบที่หนาเกินไปจะลดความแข็งแรงของข้อต่อ ชิ้นส่วนที่จะเชื่อมสามารถนำไปใส่ในกล่องสำหรับการบัดกรีด้วยสุญญากาศได้ กล่องควรเต็มไปด้วยสารเติมแต่ง ตัวอย่างเช่น Zr จะดูดซับก๊าซที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถสร้างสุญญากาศเฉพาะที่ภายในกล่อง จึงป้องกันการเกิดออกซิเดชันบนพื้นผิวโลหะผสมได้

ตารางที่ 15 คุณสมบัติเชิงกลของข้อต่อเชื่อมสูญญากาศของซูเปอร์อัลลอยด์ฐานนิกเกิลทั่วไป

โครงสร้างจุลภาคและความแข็งแรงของรอยเชื่อมประสานของ Superalloy เปลี่ยนแปลงไปตามช่องว่างระหว่างการบัดกรี และการบำบัดด้วยการแพร่หลังจากการบัดกรีจะช่วยเพิ่มค่าช่องว่างระหว่างรอยเชื่อมสูงสุดที่ยอมรับได้ ยกตัวอย่างเช่น โลหะผสม Inconel พบว่าช่องว่างระหว่างรอยเชื่อม Inconel ที่บัดกรีด้วย b-ni82crsib สูงสุด 90 ไมโครเมตร หลังจากการอบชุบแบบแพร่ที่อุณหภูมิ 1,000 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1H อย่างไรก็ตาม สำหรับรอยเชื่อมประสานด้วย b-ni71crsib ช่องว่างระหว่างรอยเชื่อมสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 50 ไมโครเมตร หลังจากการอบชุบแบบแพร่ที่อุณหภูมิ 1,000 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1H

3) การเชื่อมต่อแบบเฟสของเหลวชั่วคราว การเชื่อมต่อแบบเฟสของเหลวชั่วคราวใช้โลหะผสมระหว่างชั้น (ความหนาประมาณ 2.5 ~ 100 ไมโครเมตร) ซึ่งมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าโลหะพื้นฐานเป็นโลหะเติม ภายใต้ความดันต่ำ (0 ~ 0.007 mpa) และอุณหภูมิที่เหมาะสม (1100 ~ 1250 ℃) วัสดุระหว่างชั้นจะหลอมละลายและทำให้โลหะพื้นฐานมีความชื้นก่อน เนื่องจากการแพร่กระจายขององค์ประกอบอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการแข็งตัวแบบไอโซเทอร์มอลที่รอยต่อเพื่อสร้างรอยต่อ วิธีการนี้ช่วยลดความต้องการการจับคู่ของพื้นผิวโลหะพื้นฐานและลดแรงกดในการเชื่อมได้อย่างมาก พารามิเตอร์หลักของการเชื่อมต่อแบบเฟสของเหลวชั่วคราว ได้แก่ ความดัน อุณหภูมิ เวลาคงตัว และองค์ประกอบของชั้นระหว่างชั้น ใช้แรงกดน้อยลงเพื่อให้พื้นผิวสัมผัสของรอยเชื่อมสัมผัสกันได้ดี อุณหภูมิและเวลาในการให้ความร้อนมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของรอยต่อ หากต้องการให้ข้อต่อมีความแข็งแรงเท่ากับโลหะฐานและไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของโลหะฐาน ควรใช้พารามิเตอร์กระบวนการเชื่อมต่อที่อุณหภูมิสูง (เช่น ≥ 1150 ℃) และใช้เวลานาน (เช่น 8 ~ 24 ชั่วโมง) หากคุณภาพการเชื่อมต่อของข้อต่อลดลงหรือโลหะฐานไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ ให้ใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่า (1100 ~ 1150 ℃) และใช้เวลาน้อยลง (1 ~ 8 ชั่วโมง) ชั้นกลางควรใช้องค์ประกอบโลหะฐานที่เชื่อมต่อเป็นองค์ประกอบพื้นฐาน และเพิ่มองค์ประกอบระบายความร้อนที่แตกต่างกัน เช่น B, Si, Mn, Nb เป็นต้น ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบของโลหะผสม Udimet คือ ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo และองค์ประกอบของชั้นกลางสำหรับการเชื่อมต่อเฟสของเหลวชั่วคราวคือ b-ni62.5cr15co15mo5b2.5 องค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้สามารถลดอุณหภูมิการหลอมเหลวของโลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม หรือนิกเกิล-โครเมียม-โคบอลต์ (Ni-Cr-Co) ลงได้ต่ำสุด แต่ผลของโลหะผสม B จะเห็นได้ชัดเจนที่สุด นอกจากนี้ อัตราการแพร่กระจายที่สูงของโลหะผสม B ยังสามารถทำให้โลหะผสมระหว่างชั้นและโลหะพื้นฐานเป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างรวดเร็ว