Soldadura fuerte de superaleaciones

Soldadura fuerte de superaleaciones

(1) Las superaleaciones con características de soldadura fuerte se pueden dividir en tres categorías: a base de níquel, a base de hierro y a base de cobalto. Poseen buenas propiedades mecánicas, resistencia a la oxidación y resistencia 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 en la superficie una película de óxido de Cr2O3 que es difícil de eliminar. Las superaleaciones 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 problema principal durante la soldadura fuerte. Dado que el bórax o el ácido bórico en el fundente pueden causar corrosión del metal base a la temperatura de soldadura fuerte, el boro precipitado después de la reacción puede penetrar en el metal base, lo que resulta en infiltración intergranular. Para aleaciones de níquel fundido con alto contenido de Al y Ti, el grado de vacío en estado 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.

Para las aleaciones de níquel endurecidas por solución sólida o por precipitación, la temperatura de soldadura debe ser consistente con la temperatura de calentamiento del tratamiento térmico de solución para asegurar la disolución completa de los elementos de aleación. Si la temperatura de soldadura es demasiado baja, los elementos de aleación no se disolverán por completo; si es demasiado alta, el grano del metal base crecerá y las propiedades del material no se recuperarán incluso después del tratamiento térmico. La temperatura de solución sólida de las aleaciones de base fundidas es alta, por lo que, en general, una temperatura de soldadura demasiado alta no afectará las propiedades del material.

Algunas superaleaciones a base de níquel, especialmente las aleaciones 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 soldadura.

(2) El material de soldadura fuerte de aleación a base de níquel se puede soldar con base de plata, cobre puro, base de níquel y soldadura activa. Cuando la temperatura de trabajo de la unión no es alta, se pueden usar materiales a base de plata. Hay muchos tipos de soldaduras a base de plata. Para reducir la tensión interna durante el calentamiento de la soldadura fuerte, es mejor elegir una soldadura con un punto de fusión bajo. El fundente Fb101 se puede usar para soldar con metal de aporte a base de plata. El fundente Fb102 se usa para soldar superaleaciones reforzadas por precipitación con el mayor contenido de aluminio, y se agrega 10% ~ 20% de silicato de sodio o fundente de aluminio (como fb201). Cuando la temperatura de soldadura fuerte supera los 900 ℃, se debe seleccionar el fundente fb105.

Al soldar en vacío o en atmósfera protectora, se puede utilizar cobre puro como material de aporte. La temperatura de soldadura debe ser de 1100 a 1150 °C, y la unión no presentará fisuras 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 soldadura también contiene Fe, W, etc. En comparación con la aleación Ni-Cr-Si-B, el metal de aporte para soldadura fuerte B-Ni68CrWB 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 soldadura fuerte en piezas de trabajo de alta temperatura y álabes de turbina. Sin embargo, la fluidez de la soldadura que contiene W disminuye y la separación de la junta es difícil de controlar.

El metal de aporte para soldadura fuerte por difusión activa no contiene silicio y posee una excelente resistencia a la oxidación y a la vulcanización. La temperatura de soldadura se puede seleccionar entre 1150 °C y 1218 °C, según el tipo de soldadura. Tras la soldadura, se obtiene una unión soldada con las mismas propiedades que el metal base después de un tratamiento de difusión a 1066 °C.

(3) El proceso de soldadura fuerte de aleación de base de níquel puede adoptar soldadura fuerte en horno de atmósfera protectora, soldadura fuerte al vacío y conexión de fase líquida transitoria. Antes de la soldadura fuerte, la superficie debe desengrasarse y eliminarse el óxido mediante pulido con papel de lija, pulido con rueda de fieltro, frotamiento con acetona y limpieza química. Al seleccionar los parámetros del proceso de soldadura fuerte, debe tenerse en cuenta que la temperatura de calentamiento no debe ser demasiado alta y el tiempo de soldadura fuerte debe ser corto para evitar una fuerte reacción química entre el fundente y el metal base. Para evitar que el metal base se agriete, las piezas procesadas en frío deben aliviarse de tensiones antes de la soldadura, y el calentamiento de la soldadura debe ser lo más uniforme posible. Para superaleaciones reforzadas por precipitación, las piezas deben someterse primero a un tratamiento de solución sólida, luego soldarse a una temperatura ligeramente superior a la del tratamiento de endurecimiento por envejecimiento, y finalmente al tratamiento de envejecimiento.

1) La soldadura fuerte en horno de atmósfera protectora requiere gas de protección de alta pureza. Para superaleaciones con w (Al) y w (Ti) menores de 0,5 %, el punto de rocío debe ser menor de -54 ℃ cuando se utiliza hidrógeno o argón. Cuando el contenido de Al y Ti aumenta, la superficie de la aleación aún se oxida al calentarse. Se deben tomar las siguientes medidas: Agregar una pequeña cantidad de fundente (como fb105) y eliminar la película de óxido con fundente; Se aplica un recubrimiento de 0,025 ~ 0,038 mm de espesor en la superficie de las piezas; Rociar la soldadura en la superficie del material a soldar con anticipación; Agregar una pequeña cantidad de fundente de gas, como trifluoruro de boro.

2) Soldadura al vacío La soldadura al vacío se utiliza ampliamente para obtener un mejor efecto de protección y calidad de soldadura. Consulte la tabla 15 para conocer las propiedades mecánicas de las uniones típicas de superaleaciones a base de níquel. Para superaleaciones con w (AL) y w (TI) menores del 4%, es mejor electrodepositar una capa de níquel de 0,01 a 0,015 mm en la superficie, aunque la humectación de la soldadura se puede asegurar sin un pretratamiento especial. Cuando w (AL) y w (TI) superan el 4%, el espesor del recubrimiento de níquel debe ser de 0,02 a 0,03 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 una caja para soldadura al vacío. La caja debe llenarse con un absorbedor. Por ejemplo, el Zr absorbe gas a alta temperatura, lo que puede formar un vacío local en la caja, evitando así la oxidación de la superficie de la aleación.

Tabla 15. Propiedades mecánicas de uniones soldadas al vacío de superaleaciones típicas a base de níquel.

La microestructura y la resistencia de la unión soldada de superaleación varían con la separación de la soldadura, y el tratamiento de difusión posterior a la soldadura aumenta aún más el valor máximo admisible de dicha separación. Tomando como ejemplo la aleación Inconel, la separación máxima de una unión soldada con b-ni82crsib puede alcanzar los 90 µm después del tratamiento de difusión a 1000 ℃ durante 1 hora; sin embargo, para las uniones soldadas con b-ni71crsib, la separación máxima es de aproximadamente 50 µm después del tratamiento de difusión a 1000 ℃ durante 1 hora.

3) Conexión en fase líquida transitoria La conexión en fase líquida transitoria utiliza una aleación de capa intermedia (de aproximadamente 2,5 a 100 µm de espesor) cuyo punto de fusión es inferior al del metal base como material de aporte. Bajo una pequeña presión (0 a 0,007 mpa) y una temperatura adecuada (1100 a 1250 ℃), el material de la capa intermedia primero se funde y humedece el metal base. Debido a la rápida difusión de los elementos, se produce una solidificación isotérmica en la unión para formar la misma. Este método reduce considerablemente los requisitos de coincidencia de la superficie del metal base y reduce la presión de soldadura. Los parámetros principales de la conexión en fase líquida transitoria son la presión, la temperatura, el tiempo de mantenimiento y la composición de la capa intermedia. Se aplica 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 fuerte como el metal base y no afecta el rendimiento del metal base, se adoptarán parámetros de proceso de conexión de alta temperatura (como ≥ 1150 ℃) y tiempo prolongado (como 8 ~ 24 h); si la calidad de la conexión de la unión se reduce o el metal base no puede soportar alta temperatura, 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 enfriamiento, 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 de fase líquida transitoria 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 boro es el más evidente. Además, la alta velocidad de difusión del boro permite homogeneizar rápidamente la aleación entre capas y el metal base.