Hàn các kim loại chịu nhiệt

1. Hàn

Tất cả các loại chất hàn có nhiệt độ dưới 3000 ℃ đều có thể được sử dụng để hàn vonfram, và chất hàn gốc đồng hoặc bạc có thể được sử dụng cho các linh kiện có nhiệt độ dưới 400 ℃; Kim loại phụ gốc vàng, gốc mangan, gốc paladi hoặc gốc khoan thường được sử dụng cho các linh kiện hoạt động ở nhiệt độ từ 400 ℃ đến 900 ℃; Đối với các linh kiện hoạt động ở nhiệt độ trên 1000 ℃, các kim loại nguyên chất như Nb, Ta, Ni, Pt, PD và Mo thường được sử dụng. Nhiệt độ làm việc của các linh kiện được hàn bằng chất hàn gốc bạch kim có thể đạt đến 2150 ℃. Nếu thực hiện xử lý khuếch tán ở 1080 ℃ sau khi hàn, nhiệt độ làm việc tối đa có thể đạt đến 3038 ℃.

Hầu hết các loại chất hàn dùng để hàn thiếc (w) đều có thể dùng để hàn molypden (Mo), và chất hàn gốc đồng hoặc bạc có thể dùng cho các linh kiện Mo hoạt động ở nhiệt độ dưới 400 ℃; Đối với các thiết bị điện tử và các bộ phận phi cấu trúc hoạt động ở nhiệt độ 400 ~ 650 ℃, có thể sử dụng chất hàn Cu-Ag, Au-Ni, PD-Ni hoặc Cu-Ni; Kim loại phụ gốc titan hoặc các kim loại nguyên chất khác có điểm nóng chảy cao có thể dùng cho các linh kiện hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Cần lưu ý rằng kim loại phụ gốc mangan, gốc coban và gốc niken thường không được khuyến cáo sử dụng để tránh hình thành các hợp chất liên kim loại giòn trong mối hàn.

Khi sử dụng các linh kiện TA hoặc Nb ở nhiệt độ dưới 1000 ℃, có thể lựa chọn các chất hàn gốc đồng, mangan, coban, titan, niken, vàng và paladi, bao gồm các loại hợp kim CuAu, AuNi, PDNi và PtAuNi và CuSn có khả năng thấm ướt tốt với TA và Nb, tạo mối hàn tốt và độ bền mối nối cao. Vì các kim loại phụ gốc bạc có xu hướng làm cho kim loại hàn trở nên giòn, nên cần tránh sử dụng chúng càng nhiều càng tốt. Đối với các linh kiện được sử dụng ở nhiệt độ từ 1000 ℃ đến 1300 ℃, nên chọn các kim loại nguyên chất Ti, V, Zr hoặc hợp kim dựa trên các kim loại này tạo thành pha rắn và lỏng vô hạn với chúng làm kim loại phụ hàn. Khi nhiệt độ hoạt động cao hơn, có thể chọn kim loại phụ chứa HF.

Xem bảng 13 để biết các kim loại hàn bổ sung cho Mo, Ta và Nb ở nhiệt độ cao.

Bảng 13. Các kim loại phụ dùng để hàn nhiệt độ cao các kim loại chịu nhiệt.

2. Công nghệ hàn thiếc

Trước khi hàn, cần phải loại bỏ cẩn thận lớp oxit trên bề mặt kim loại chịu nhiệt. Có thể sử dụng các phương pháp mài cơ học, phun cát, làm sạch bằng sóng siêu âm hoặc làm sạch bằng hóa chất. Quá trình hàn phải được tiến hành ngay sau khi hoàn tất việc làm sạch.

Do tính chất giòn vốn có của vonfram (W), các chi tiết W cần được xử lý cẩn thận trong quá trình lắp ráp linh kiện để tránh bị vỡ. Để ngăn ngừa sự hình thành cacbua vonfram giòn, cần tránh tiếp xúc trực tiếp giữa W và than chì. Cần loại bỏ ứng suất trước do quá trình xử lý hàn sơ bộ hoặc hàn trước khi hàn. W rất dễ bị oxy hóa khi nhiệt độ tăng. Độ chân không phải đủ cao trong quá trình hàn thiếc. Khi hàn thiếc được thực hiện trong phạm vi nhiệt độ từ 1000 đến 1400 ℃, độ chân không không được nhỏ hơn 8 × 10⁻³ Pa. Để cải thiện nhiệt độ nóng chảy lại và nhiệt độ sử dụng của mối hàn, quá trình hàn thiếc có thể được kết hợp với xử lý khuếch tán sau khi hàn. Ví dụ, sử dụng chất hàn b-ni68cr20si10fel để hàn thiếc ở 1180 ℃. Sau ba lần xử lý khuếch tán ở các nhiệt độ 1070 ℃/4h, 1200 ℃/3,5h và 1300 ℃/2h sau khi hàn, nhiệt độ hoạt động của mối hàn có thể đạt trên 2200 ℃.

Khi lắp ráp mối hàn molypden, cần lưu ý đến hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, và khe hở mối hàn nên nằm trong khoảng 0,05 ~ 0,13 mm. Nếu sử dụng đồ gá, hãy chọn vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ. Hiện tượng tái kết tinh molypden xảy ra khi hàn bằng ngọn lửa, lò nung trong môi trường kiểm soát, lò chân không, lò cảm ứng và gia nhiệt bằng điện trở vượt quá nhiệt độ tái kết tinh hoặc nhiệt độ tái kết tinh giảm do sự khuếch tán của các nguyên tố hàn. Do đó, khi nhiệt độ hàn gần với nhiệt độ tái kết tinh, thời gian hàn càng ngắn càng tốt. Khi hàn trên nhiệt độ tái kết tinh của molypden, cần kiểm soát thời gian hàn và tốc độ làm nguội để tránh nứt do làm nguội quá nhanh. Khi sử dụng phương pháp hàn bằng ngọn lửa oxy-axetylen, lý tưởng nhất là sử dụng hỗn hợp chất trợ dung, tức là chất trợ dung borat công nghiệp hoặc chất trợ dung bạc kết hợp với chất trợ dung chịu nhiệt cao có chứa canxi florua, có thể đạt được khả năng bảo vệ tốt. Phương pháp này bao gồm việc phủ một lớp chất trợ hàn bạc lên bề mặt Mo trước, sau đó phủ tiếp chất trợ hàn chịu nhiệt cao. Chất trợ hàn bạc có hoạt tính ở dải nhiệt độ thấp hơn, còn nhiệt độ hoạt động của chất trợ hàn chịu nhiệt cao có thể đạt tới 1427 ℃.

Các chi tiết TA hoặc Nb tốt nhất nên được hàn trong môi trường chân không, với độ chân không không nhỏ hơn 1,33 × 10⁻² Pa. Nếu hàn được thực hiện dưới sự bảo vệ của khí trơ, các tạp chất trong khí như carbon monoxide, amoniac, nitơ và carbon dioxide phải được loại bỏ nghiêm ngặt. Khi hàn hoặc hàn điện trở được thực hiện trong không khí, phải sử dụng kim loại hàn chuyên dụng và chất trợ dung thích hợp. Để ngăn TA hoặc Nb tiếp xúc với oxy ở nhiệt độ cao, có thể mạ một lớp đồng hoặc niken kim loại lên bề mặt và tiến hành xử lý ủ khuếch tán tương ứng.