Soldadura fuerte de superaleaciones
(1) Las superaleaciones con características de soldadura fuerte se dividen en tres categorías: a base de níquel, a base de hierro y a base de cobalto. Presentan buenas propiedades mecánicas, resistencia a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas. La aleación a base de níquel es la más utilizada en la producción práctica.
La superaleación contiene más Cr, y durante el calentamiento se forma una película de óxido de Cr₂O₃, difícil de eliminar, en la superficie. Las superaleaciones a base de níquel contienen Al y Ti, que se oxidan fácilmente al calentarse. Por lo tanto, prevenir o reducir la oxidación de las superaleaciones durante el calentamiento y eliminar la película de óxido es el principal problema durante la soldadura fuerte. Dado que el bórax o el ácido bórico en el fundente pueden corroer el metal base a la temperatura de soldadura fuerte, el boro precipitado tras la reacción puede penetrar en el metal base, provocando infiltración intergranular. Para aleaciones fundidas a base de níquel con alto contenido de Al y Ti, el grado de vacío en caliente no debe ser inferior a 10⁻² ~ 10⁻³ Pa durante la soldadura fuerte para evitar la oxidación en la superficie de la aleación durante el calentamiento.
En aleaciones de base de níquel reforzadas por solución y precipitación, la temperatura de soldadura fuerte debe ser coherente con la temperatura de calentamiento del tratamiento de solución para garantizar la disolución completa de los elementos de la aleación. Una temperatura de soldadura fuerte demasiado baja impide que los elementos de la aleación se disuelvan por completo. Si la temperatura de soldadura fuerte es demasiado alta, el grano del metal base se expandirá y las propiedades del material no se recuperarán, incluso después del tratamiento térmico. La temperatura de solución sólida de las aleaciones de base fundida es alta, lo que generalmente no afecta las propiedades del material debido a una temperatura de soldadura fuerte demasiado alta.
Algunas superaleaciones a base de níquel, especialmente las reforzadas por precipitación, tienden a agrietarse por tensión. Antes de la soldadura fuerte, es necesario eliminar por completo la tensión generada durante el proceso y minimizar la tensión térmica durante la misma.
(2) Las aleaciones a base de níquel para soldadura fuerte se pueden soldar con soldadura a base de plata, cobre puro, níquel y activa. Cuando la temperatura de trabajo de la unión no es alta, se pueden utilizar materiales a base de plata. Existen muchos tipos de soldaduras a base de plata. Para reducir la tensión interna durante el calentamiento, se recomienda elegir una soldadura con baja temperatura de fusión. El fundente Fb101 se puede utilizar para soldar con metal de aportación a base de plata. El fundente Fb102 se utiliza para soldar superaleaciones reforzadas por precipitación con el mayor contenido de aluminio, añadiendo entre un 10 % y un 20 % de silicato de sodio o fundente de aluminio (como fb201). Cuando la temperatura de soldadura supere los 900 °C, se debe seleccionar el fundente fb105.
Al soldar al vacío o en atmósfera protectora, se puede utilizar cobre puro como metal de aportación. La temperatura de soldadura es de 1100 a 1150 °C, y la unión no presenta grietas por tensión, pero la temperatura de trabajo no debe superar los 400 °C.
El metal de aporte para soldadura fuerte a base de níquel es el más utilizado en superaleaciones debido a su buen rendimiento a altas temperaturas y a la ausencia de agrietamiento por tensión durante la soldadura. Los principales elementos de aleación en la soldadura a base de níquel son Cr, Si y B, y una pequeña cantidad de la soldadura también contiene Fe, W, etc. En comparación con el metal de aporte de níquel-cromo-si-b, el metal de aporte de níquel-cromo-si-b puede reducir la infiltración intergranular de B en el metal base y aumentar el intervalo de temperatura de fusión. Es un metal de aporte para la soldadura fuerte de piezas de trabajo a alta temperatura y álabes de turbinas. Sin embargo, la fluidez de la soldadura con W disminuye y la holgura de la unión es difícil de controlar.
El metal de aportación para soldadura fuerte por difusión activa no contiene silicio y presenta una excelente resistencia a la oxidación y a la vulcanización. La temperatura de soldadura puede seleccionarse entre 1150 °C y 1218 °C, según el tipo de soldadura. Tras la soldadura fuerte, se puede obtener una unión soldada con las mismas propiedades que el metal base tras un tratamiento de difusión a 1066 °C.
(3) El proceso de soldadura fuerte de las aleaciones a base de níquel puede realizarse en hornos de atmósfera protectora, al vacío y en fase líquida transitoria. Antes de soldar, se debe desengrasar la superficie y eliminar el óxido mediante pulido con lija, pulido con rueda de fieltro, fregado con acetona y limpieza química. Al seleccionar los parámetros del proceso de soldadura fuerte, se debe tener en cuenta que la temperatura de calentamiento no debe ser demasiado alta y el tiempo de soldadura debe ser corto para evitar una reacción química fuerte entre el fundente y el metal base. Para evitar el agrietamiento del metal base, las piezas procesadas en frío deben ser liberadas de tensiones antes de soldar, y el calentamiento de la soldadura debe ser lo más uniforme posible. En el caso de las superaleaciones reforzadas por precipitación, las piezas se someten primero a un tratamiento de solución sólida, luego a una soldadura fuerte a una temperatura ligeramente superior a la del tratamiento de refuerzo por envejecimiento, y finalmente a un tratamiento de envejecimiento.
1) Soldadura fuerte en horno de atmósfera protectora. La soldadura fuerte en horno de atmósfera protectora requiere un gas de protección de alta pureza. Para superaleaciones con w (AL) y w (TI) inferior al 0,5 %, el punto de rocío debe ser inferior a -54 °C al utilizar hidrógeno o argón. Si el contenido de Al y Ti aumenta, la superficie de la aleación se oxida al calentarse. Se deben tomar las siguientes medidas: añadir una pequeña cantidad de fundente (como fb105) y eliminar la película de óxido con él; aplicar una capa de 0,025 a 0,038 mm de espesor sobre la superficie de las piezas; pulverizar la soldadura previamente sobre la superficie del material a soldar; añadir una pequeña cantidad de fundente gaseoso, como trifluoruro de boro.
2) Soldadura fuerte al vacío La soldadura fuerte al vacío se usa ampliamente para obtener un mejor efecto de protección y calidad de soldadura. Consulte la tabla 15 para las propiedades mecánicas de las uniones típicas de superaleaciones a base de níquel. Para superaleaciones con w (AL) y w (TI) menor al 4%, es mejor galvanizar una capa de níquel de 0,01 ~ 0,015 mm en la superficie, aunque la humectación de la soldadura se puede asegurar sin pretratamiento especial. Cuando w (AL) y w (TI) exceden el 4%, el espesor del recubrimiento de níquel debe ser de 0,020,03 mm. Un recubrimiento demasiado delgado no tiene efecto protector y un recubrimiento demasiado grueso reducirá la resistencia de la unión. Las piezas a soldar también se pueden colocar en la caja para la soldadura fuerte al vacío. La caja debe llenarse con getter. Por ejemplo, el Zr absorbe gas a alta temperatura, lo que puede formar un vacío local en la caja, previniendo así la oxidación de la superficie de la aleación.
Tabla 15 Propiedades mecánicas de las uniones soldadas al vacío de superaleaciones típicas de base níquel
La microestructura y la resistencia de la unión soldada de superaleación varían con la holgura de la soldadura, y el tratamiento de difusión posterior aumentará aún más el valor máximo admisible de la holgura. Por ejemplo, en la aleación Inconel, la holgura máxima de la unión soldada con b-ni82crsib puede alcanzar los 90 µm tras el tratamiento de difusión a 1000 ℃ durante 1 hora. Sin embargo, en las uniones soldadas con b-ni71crsib, la holgura máxima es de aproximadamente 50 µm tras el tratamiento de difusión a 1000 ℃ durante 1 hora.
3) Conexión transitoria de fase líquida La conexión transitoria de fase líquida utiliza una aleación entre capas (de un espesor aproximado de 2,5 ~ 100 um) cuyo punto de fusión es inferior al del metal base como metal de relleno. Bajo una pequeña presión (0 ~ 0,007 mpa) y una temperatura adecuada (1100 ~ 1250 ℃), el material entre capas se funde primero y humedece el metal base. Debido a la rápida difusión de los elementos, se produce una solidificación isotérmica en la unión para formar la unión. Este método reduce en gran medida los requisitos de coincidencia de la superficie del metal base y reduce la presión de soldadura. Los principales parámetros de la conexión transitoria de fase líquida son la presión, la temperatura, el tiempo de mantenimiento y la composición de la capa intermedia. Aplique menos presión para mantener la superficie de contacto de la soldadura en buen contacto. La temperatura y el tiempo de calentamiento tienen un gran impacto en el rendimiento de la unión. Si se requiere que la unión sea tan resistente como el metal base y no afecte a su rendimiento, se adoptarán los parámetros del proceso de conexión de alta temperatura (como ≥ 1150 ℃) y largo tiempo (como 8 ~ 24 h); si la calidad de la conexión de la unión es reducida o el metal base no soporta altas temperaturas, se utilizará una temperatura más baja (1100 ~ 1150 ℃) y un tiempo más corto (1 ~ 8 h). La capa intermedia tomará la composición del metal base conectado como composición básica y agregará diferentes elementos de refrigeración, como B, Si, Mn, Nb, etc. Por ejemplo, la composición de la aleación Udimet es ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo, y la composición de la capa intermedia para la conexión transitoria en fase líquida es b-ni62.5cr15co15mo5b2.5. Todos estos elementos pueden reducir al mínimo la temperatura de fusión de las aleaciones de Ni-Cr o Ni-Cr-Co, pero el efecto del B es el más evidente. Además, su alta tasa de difusión permite homogeneizar rápidamente la aleación intercapa y el metal base.
Hora de publicación: 13 de junio de 2022