การเชื่อมประสานโลหะผสมพิเศษ

การเชื่อมประสานโลหะผสมพิเศษ

(1) โลหะผสมซูเปอร์อัลลอยที่มีคุณสมบัติในการเชื่อมประสานสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ โลหะผสมฐานนิกเกล โลหะผสมฐานเหล็ก และโลหะผสมฐานโคบอลต์ โลหะผสมเหล่านี้มีคุณสมบัติทางกลที่ดี ทนต่อการออกซิเดชัน และทนต่อการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง โลหะผสมฐานนิกเกลเป็นโลหะผสมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตจริง

ซูเปอร์อัลลอยมีโครเมียม (Cr) มากกว่า และฟิล์มออกไซด์ Cr2O3 ซึ่งยากต่อการกำจัดจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวระหว่างการให้ความร้อน ซูเปอร์อัลลอยฐานนิกเกิลมีอะลูมิเนียม (Al) และไทเทเนียม (Ti) ซึ่งออกซิไดซ์ได้ง่ายเมื่อได้รับความร้อน ดังนั้น การป้องกันหรือลดการเกิดออกซิเดชันของซูเปอร์อัลลอยระหว่างการให้ความร้อนและการกำจัดฟิล์มออกไซด์จึงเป็นปัญหาหลักในระหว่างการบัดกรี เนื่องจากบอแรกซ์หรือกรดบอริกในฟลักซ์สามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะฐานที่อุณหภูมิการบัดกรี โบรอนที่ตกตะกอนหลังจากปฏิกิริยาสามารถแทรกซึมเข้าไปในโลหะฐาน ส่งผลให้เกิดการแทรกซึมระหว่างเกรน สำหรับโลหะผสมฐานนิกเกิลหล่อที่มีปริมาณ Al และ Ti สูง ระดับสุญญากาศในสภาวะร้อนจะต้องไม่น้อยกว่า 10-2 ~ 10-3 Pa ระหว่างการบัดกรีเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชันบนพื้นผิวโลหะผสมระหว่างการให้ความร้อน

สำหรับโลหะผสมนิกเกลที่เสริมความแข็งแรงด้วยกระบวนการละลายและการตกตะกอน อุณหภูมิในการเชื่อมประสานควรสอดคล้องกับอุณหภูมิความร้อนของการอบชุบด้วยความร้อน เพื่อให้แน่ใจว่าธาตุโลหะผสมละลายหมด หากอุณหภูมิในการเชื่อมประสานต่ำเกินไป ธาตุโลหะผสมจะไม่ละลายหมด หากอุณหภูมิในการเชื่อมประสานสูงเกินไป เกรนของโลหะฐานจะเจริญเติบโต และคุณสมบัติของวัสดุจะไม่กลับคืนมาแม้หลังจากการอบชุบด้วยความร้อน อุณหภูมิการละลายของโลหะผสมฐานหล่อมีค่าสูง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะไม่ส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของวัสดุเนื่องจากอุณหภูมิในการเชื่อมประสานที่สูงเกินไป

โลหะผสมนิกเกลบางชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งโลหะผสมที่เสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกร้าวจากความเค้น ก่อนการเชื่อมประสาน ต้องกำจัดความเค้นที่เกิดขึ้นในกระบวนการออกไปให้หมด และควรลดความเค้นจากความร้อนให้น้อยที่สุดในระหว่างการเชื่อมประสาน

(2) วัสดุประสานโลหะผสมนิกเกิลสามารถประสานได้ด้วยโลหะผสมเงิน ทองแดงบริสุทธิ์ โลหะผสมนิกเกิล และตะกั่วบัดกรี เมื่ออุณหภูมิการทำงานของรอยต่อไม่สูง สามารถใช้วัสดุโลหะผสมเงินได้ มีตะกั่วบัดกรีหลายชนิด เพื่อลดความเครียดภายในระหว่างการให้ความร้อนในการประสาน ควรเลือกตะกั่วบัดกรีที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ฟลักซ์ Fb101 สามารถใช้สำหรับการประสานด้วยโลหะเติมโลหะผสมเงิน ฟลักซ์ Fb102 ใช้สำหรับการประสานโลหะผสมพิเศษที่เสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอนที่มีปริมาณอะลูมิเนียมสูงสุด และเติมโซเดียมซิลิเกต 10% ~ 20% หรือฟลักซ์อะลูมิเนียม (เช่น fb201) เมื่ออุณหภูมิการประสานเกิน 900 ℃ ควรเลือกฟลักซ์ fb105

เมื่อทำการเชื่อมประสานในสภาวะสุญญากาศหรือในบรรยากาศป้องกัน สามารถใช้ทองแดงบริสุทธิ์เป็นโลหะตัวเติมในการเชื่อมประสานได้ อุณหภูมิในการเชื่อมประสานอยู่ที่ 1100 ~ 1150 ℃ และรอยต่อจะไม่เกิดการแตกร้าวจากความเค้น แต่ไม่ควรเกิน 400 ℃

โลหะตัวเติมประสานฐานนิกเกิลเป็นโลหะตัวเติมประสานที่ใช้กันมากที่สุดในโลหะผสมพิเศษ เนื่องจากมีประสิทธิภาพที่ดีที่อุณหภูมิสูงและไม่เกิดการแตกร้าวจากความเค้นระหว่างการประสาน ธาตุโลหะผสมหลักในโลหะตัวเติมประสานฐานนิกเกิล ได้แก่ Cr, Si, B และอาจมี Fe, W เป็นต้น ในปริมาณเล็กน้อย เมื่อเปรียบเทียบกับ ni-cr-si-b โลหะตัวเติมประสาน b-ni68crwb สามารถลดการแทรกซึมของ B เข้าไปในโลหะฐานตามขอบเกรนและเพิ่มช่วงอุณหภูมิหลอมเหลวได้ จึงเป็นโลหะตัวเติมประสานที่ใช้ในการประสานชิ้นส่วนที่ใช้งานที่อุณหภูมิสูงและใบพัดกังหัน อย่างไรก็ตาม ความลื่นไหลของโลหะตัวเติมประสานที่มี W จะแย่ลงและควบคุมช่องว่างระหว่างรอยต่อได้ยาก

โลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมประสานแบบแพร่กระจาย (Active Diffusion Brazing Filler Metal) ไม่มีส่วนประกอบของธาตุ Si และมีคุณสมบัติทนต่อการออกซิเดชันและการเกิดวัลคาไนซ์ได้ดีเยี่ยม อุณหภูมิในการเชื่อมประสานสามารถเลือกได้ตั้งแต่ 1150 ℃ ถึง 1218 ℃ ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะบัดกรี หลังจากเชื่อมประสานแล้ว จะได้รอยเชื่อมประสานที่มีคุณสมบัติเหมือนกับโลหะพื้นฐานหลังจากผ่านกระบวนการอบชุบแบบแพร่กระจายที่อุณหภูมิ 1066 ℃

(3) กระบวนการบัดกรีโลหะผสมฐานนิกเกิลสามารถใช้การบัดกรีในเตาเผาบรรยากาศป้องกัน การบัดกรีสุญญากาศ และการเชื่อมต่อเฟสของเหลวชั่วคราว ก่อนการบัดกรี พื้นผิวต้องขจัดคราบไขมันและออกไซด์ออกโดยการขัดด้วยกระดาษทราย การขัดด้วยล้อสักหลาด การขัดด้วยอะซิโตน และการทำความสะอาดทางเคมี เมื่อเลือกพารามิเตอร์กระบวนการบัดกรี ควรสังเกตว่าอุณหภูมิความร้อนไม่ควรสูงเกินไปและเวลาการบัดกรีควรสั้นเพื่อหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรงระหว่างฟลักซ์และโลหะฐาน เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะฐานแตก ชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการเย็นจะต้องคลายความเครียดก่อนการเชื่อม และความร้อนในการเชื่อมควรสม่ำเสมอที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สำหรับซูเปอร์อัลลอยที่เสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน ชิ้นส่วนจะต้องผ่านการบำบัดด้วยสารละลายของแข็งก่อน จากนั้นบัดกรีที่อุณหภูมิสูงกว่าการบำบัดเสริมความแข็งแรงด้วยการอบชุบเล็กน้อย และสุดท้ายคือการบำบัดด้วยการอบชุบ

1) การเชื่อมประสานในเตาเผาบรรยากาศป้องกัน การเชื่อมประสานในเตาเผาบรรยากาศป้องกันนั้นต้องการก๊าซปกคลุมที่มีความบริสุทธิ์สูง สำหรับโลหะผสมพิเศษที่มี w (Al) และ w (Ti) น้อยกว่า 0.5% จุดน้ำค้างจะต้องต่ำกว่า -54 ℃ เมื่อใช้ไฮโดรเจนหรืออาร์กอน เมื่อปริมาณของ Al และ Ti เพิ่มขึ้น พื้นผิวของโลหะผสมจะยังคงเกิดออกซิเดชันเมื่อได้รับความร้อน ต้องใช้มาตรการต่อไปนี้: เติมฟลักซ์ในปริมาณเล็กน้อย (เช่น fb105) และกำจัดฟิล์มออกไซด์ด้วยฟลักซ์; เคลือบผิวชิ้นส่วนด้วยความหนา 0.025 ~ 0.038 มม.; พ่นตะกั่วบัดกรีลงบนพื้นผิวของวัสดุที่จะเชื่อมประสานล่วงหน้า; เติมฟลักซ์ก๊าซในปริมาณเล็กน้อย เช่น โบรอนไตรฟลูออไรด์

2) การเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศ การเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อให้ได้ผลการป้องกันและคุณภาพการเชื่อมประสานที่ดีขึ้น ดูตารางที่ 15 สำหรับคุณสมบัติทางกลของรอยต่อโลหะผสมซูเปอร์อัลลอยฐานนิกเกิลทั่วไป สำหรับซูเปอร์อัลลอยที่มี w (AL) และ w (TI) น้อยกว่า 4% ควรเคลือบด้วยนิกเกิลบางๆ 0.01 ~ 0.015 มม. บนพื้นผิว แม้ว่าจะสามารถรับประกันการเกาะติดของตะกั่วบัดกรีได้โดยไม่ต้องมีการเตรียมการพิเศษใดๆ เมื่อ w (AL) และ w (TI) เกิน 4% ความหนาของการเคลือบนิกเกิลควรอยู่ที่ 0.02 ~ 0.03 มม. การเคลือบที่บางเกินไปจะไม่มีผลในการป้องกัน และการเคลือบที่หนาเกินไปจะลดความแข็งแรงของรอยต่อ ชิ้นส่วนที่จะเชื่อมสามารถวางไว้ในกล่องสำหรับการเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศได้ กล่องควรบรรจุด้วยสารดูดซับก๊าซ เช่น Zr ซึ่งดูดซับก๊าซที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดสุญญากาศเฉพาะจุดในกล่อง จึงป้องกันการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวโลหะผสมได้

ตารางที่ 15 คุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อมประสานสุญญากาศของโลหะผสมซูเปอร์อัลลอยฐานนิกเกิลทั่วไป

โครงสร้างจุลภาคและความแข็งแรงของรอยเชื่อมประสานของโลหะผสมพิเศษจะเปลี่ยนแปลงไปตามช่องว่างของรอยเชื่อมประสาน และการอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อมประสานจะช่วยเพิ่มค่าสูงสุดที่ยอมรับได้ของช่องว่างรอยเชื่อมประสานให้สูงขึ้นไปอีก ยกตัวอย่างเช่น โลหะผสมอินโคเนล ช่องว่างสูงสุดของรอยเชื่อมอินโคเนลที่เชื่อมประสานด้วย b-ni82crsib สามารถสูงถึง 90 ไมโครเมตร หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 1000 ℃ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง ในขณะที่รอยเชื่อมที่เชื่อมประสานด้วย b-ni71crsib ช่องว่างสูงสุดจะอยู่ที่ประมาณ 50 ไมโครเมตร หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 1000 ℃ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง

3) การเชื่อมแบบเฟสของเหลวชั่วคราว (Transient Liquid Phase Connection) การเชื่อมแบบเฟสของเหลวชั่วคราวใช้โลหะผสมชั้นกลาง (หนาประมาณ 2.5 ~ 100 ไมโครเมตร) ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าโลหะฐานเป็นโลหะเติม ภายใต้แรงดันต่ำ (0 ~ 0.007 MPa) และอุณหภูมิที่เหมาะสม (1100 ~ 1250 ℃) วัสดุชั้นกลางจะหลอมเหลวก่อนและทำให้โลหะฐานชุ่มชื้น เนื่องจากการแพร่กระจายของธาตุอย่างรวดเร็ว การแข็งตัวแบบไอโซเทอร์มอลจึงเกิดขึ้นที่รอยต่อเพื่อสร้างรอยเชื่อม วิธีนี้ช่วยลดข้อกำหนดการจับคู่ของพื้นผิวโลหะฐานและลดแรงดันในการเชื่อมได้อย่างมาก พารามิเตอร์หลักของการเชื่อมแบบเฟสของเหลวชั่วคราว ได้แก่ แรงดัน อุณหภูมิ เวลาในการคงสภาพ และองค์ประกอบของชั้นกลาง การใช้แรงดันน้อยลงจะช่วยให้พื้นผิวสัมผัสของชิ้นงานเชื่อมติดกันได้ดี อุณหภูมิและเวลาในการให้ความร้อนมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของรอยเชื่อม หากต้องการให้รอยต่อมีความแข็งแรงเท่ากับโลหะพื้นฐานและไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของโลหะพื้นฐาน ควรใช้พารามิเตอร์กระบวนการเชื่อมต่อที่อุณหภูมิสูง (เช่น ≥ 1150 ℃) และระยะเวลานาน (เช่น 8 ~ 24 ชั่วโมง) แต่หากคุณภาพการเชื่อมต่อลดลงหรือโลหะพื้นฐานไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ ควรใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่า (1100 ~ 1150 ℃) และระยะเวลาที่สั้นกว่า (1 ~ 8 ชั่วโมง) ชั้นกลางควรใช้ส่วนประกอบของโลหะพื้นฐานที่เชื่อมต่อเป็นส่วนประกอบพื้นฐาน และเพิ่มธาตุหล่อเย็นต่างๆ เช่น B, Si, Mn, Nb เป็นต้น ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบของโลหะผสม Udimet คือ ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo และส่วนประกอบของชั้นกลางสำหรับการเชื่อมต่อเฟสของเหลวชั่วคราวคือ b-ni62.5cr15co15mo5b2.5 องค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้สามารถลดอุณหภูมิหลอมเหลวของโลหะผสม Ni Cr หรือ Ni Cr Co ให้ต่ำที่สุดได้ แต่ผลของ B นั้นชัดเจนที่สุด นอกจากนี้ อัตราการแพร่กระจายสูงของ B ยังสามารถทำให้โลหะผสมระหว่างชั้นและโลหะพื้นฐานเป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างรวดเร็ว