Hàn siêu hợp kim

Hàn siêu hợp kim

(1) Đặc tính hàn của siêu hợp kim có thể được chia thành ba loại: hợp kim gốc niken, hợp kim gốc sắt và hợp kim gốc coban. Chúng có tính chất cơ học tốt, khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn ở nhiệt độ cao. Hợp kim gốc niken được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất thực tế.

Siêu hợp kim chứa nhiều Cr hơn và màng oxit Cr2O3 khó loại bỏ được hình thành trên bề mặt trong quá trình gia nhiệt. Siêu hợp kim gốc niken chứa Al và Ti, dễ bị oxy hóa khi gia nhiệt. Do đó, việc ngăn ngừa hoặc giảm quá trình oxy hóa siêu hợp kim trong quá trình gia nhiệt và loại bỏ màng oxit là vấn đề chính trong quá trình hàn. Vì borax hoặc axit boric trong chất trợ dung có thể gây ăn mòn kim loại nền ở nhiệt độ hàn, bo kết tủa sau phản ứng có thể xâm nhập vào kim loại nền, dẫn đến sự xâm nhập giữa các hạt. Đối với hợp kim gốc niken đúc có hàm lượng Al và Ti cao, độ chân không ở trạng thái nóng không được nhỏ hơn 10-2 ~ 10-3pa trong quá trình hàn để tránh quá trình oxy hóa trên bề mặt hợp kim trong quá trình gia nhiệt.

Đối với hợp kim niken nền gia cường dung dịch và gia cường kết tủa, nhiệt độ hàn phải phù hợp với nhiệt độ gia nhiệt của quá trình xử lý dung dịch để đảm bảo các nguyên tố hợp kim được hòa tan hoàn toàn. Nhiệt độ hàn quá thấp sẽ không thể hòa tan hoàn toàn các nguyên tố hợp kim; nếu nhiệt độ hàn quá cao, các hạt kim loại nền sẽ phát triển, và các tính chất vật liệu sẽ không được phục hồi ngay cả sau khi xử lý nhiệt. Nhiệt độ dung dịch rắn của hợp kim nền đúc cao, nhìn chung sẽ không ảnh hưởng đến các tính chất vật liệu do nhiệt độ hàn quá cao.

Một số siêu hợp kim gốc niken, đặc biệt là hợp kim gia cường kết tủa, có xu hướng nứt ứng suất. Trước khi hàn, ứng suất hình thành trong quá trình hàn phải được loại bỏ hoàn toàn và ứng suất nhiệt phải được giảm thiểu trong quá trình hàn.

(2) Hợp kim gốc niken có thể được hàn với bạc, đồng nguyên chất, niken và hàn hoạt tính. Khi nhiệt độ làm việc của mối hàn không cao, có thể sử dụng vật liệu gốc bạc. Có nhiều loại hàn gốc bạc. Để giảm ứng suất bên trong trong quá trình gia nhiệt hàn, tốt nhất nên chọn loại hàn có nhiệt độ nóng chảy thấp. Có thể sử dụng thuốc hàn Fb101 để hàn với kim loại hàn gốc bạc. Thuốc hàn Fb102 được sử dụng để hàn siêu hợp kim tăng cường kết tủa có hàm lượng nhôm cao nhất, và thêm 10% ~ 20% natri silicat hoặc thuốc hàn nhôm (như fb201). Khi nhiệt độ hàn vượt quá 900℃, nên chọn thuốc hàn fb105.

Khi hàn trong môi trường chân không hoặc môi trường bảo vệ, có thể sử dụng đồng nguyên chất làm kim loại hàn. Nhiệt độ hàn là 1100 ~ 1150℃, mối hàn sẽ không bị nứt do ứng suất, nhưng nhiệt độ làm việc không được vượt quá 400℃.

Kim loại hàn gốc niken là kim loại hàn được sử dụng phổ biến nhất trong các loại hợp kim siêu bền nhờ hiệu suất nhiệt độ cao tốt và không bị nứt ứng suất trong quá trình hàn. Các nguyên tố hợp kim chính trong hợp kim hàn gốc niken là Cr, Si, B, và một lượng nhỏ kim loại hàn cũng chứa Fe, W, v.v. So với ni-cr-si-b, kim loại hàn b-ni68crwb có thể làm giảm sự xâm nhập giữa các hạt của B vào kim loại nền và tăng khoảng nhiệt độ nóng chảy. Đây là kim loại hàn dùng để hàn các chi tiết gia công nhiệt độ cao và cánh tua-bin. Tuy nhiên, tính lưu động của kim loại hàn chứa W trở nên kém hơn và khe hở mối hàn khó kiểm soát.

Kim loại hàn khuếch tán chủ động không chứa nguyên tố Si, có khả năng chống oxy hóa và chống lưu hóa tuyệt vời. Nhiệt độ hàn có thể được lựa chọn từ 1150℃ đến 1218℃ tùy theo loại vật liệu hàn. Sau khi hàn, mối hàn có thể đạt được tính chất tương tự như kim loại nền thông qua xử lý khuếch tán ở 1066℃.

(3) Quá trình hàn hợp kim gốc niken có thể áp dụng phương pháp hàn trong lò khí quyển bảo vệ, hàn chân không và kết nối pha lỏng tạm thời. Trước khi hàn, bề mặt phải được tẩy dầu mỡ và loại bỏ oxit bằng cách đánh bóng giấy nhám, đánh bóng bánh nỉ, chà bằng axeton và làm sạch bằng hóa chất. Khi lựa chọn các thông số quy trình hàn, cần lưu ý rằng nhiệt độ gia nhiệt không được quá cao và thời gian hàn phải ngắn để tránh phản ứng hóa học mạnh giữa thuốc hàn và kim loại nền. Để tránh kim loại nền bị nứt, các bộ phận gia công nguội phải được khử ứng suất trước khi hàn và quá trình gia nhiệt hàn phải càng đồng đều càng tốt. Đối với siêu hợp kim được gia cường bằng kết tủa, các bộ phận phải được xử lý dung dịch rắn trước, sau đó hàn ở nhiệt độ cao hơn một chút so với xử lý gia cường lão hóa và cuối cùng là xử lý lão hóa.

1) Hàn trong lò bảo vệ: Hàn trong lò bảo vệ đòi hỏi khí bảo vệ có độ tinh khiết cao. Đối với siêu hợp kim có w (AL) và w (TI) nhỏ hơn 0,5%, điểm sương phải thấp hơn -54℃ khi sử dụng hydro hoặc argon. Khi hàm lượng Al và Ti tăng, bề mặt hợp kim vẫn bị oxy hóa khi nung nóng. Cần thực hiện các biện pháp sau: Thêm một lượng nhỏ chất trợ dung (ví dụ: fb105) và loại bỏ lớp màng oxit bằng chất trợ dung; Mạ một lớp phủ dày 0,025 ~ 0,038mm trên bề mặt chi tiết; Phun chất hàn lên bề mặt vật liệu cần hàn trước; Thêm một lượng nhỏ chất trợ dung, chẳng hạn như bo triflorua.

2) Hàn chân không Hàn chân không được sử dụng rộng rãi để có được hiệu quả bảo vệ và chất lượng hàn tốt hơn. Xem bảng 15 để biết các tính chất cơ học của các mối hàn siêu hợp kim gốc niken điển hình. Đối với các siêu hợp kim có w (AL) và w (TI) nhỏ hơn 4%, tốt hơn là mạ điện một lớp niken 0,01 ~ 0,015mm trên bề mặt, mặc dù có thể đảm bảo độ ướt của mối hàn mà không cần xử lý trước đặc biệt. Khi w (AL) và w (TI) vượt quá 4%, độ dày lớp phủ niken phải là 0,020,03mm. Lớp phủ quá mỏng không có tác dụng bảo vệ và lớp phủ quá dày sẽ làm giảm độ bền của mối hàn. Các chi tiết cần hàn cũng có thể được đặt trong hộp để hàn chân không. Hộp nên được đổ đầy getter. Ví dụ, Zr hấp thụ khí ở nhiệt độ cao, có thể tạo thành chân không cục bộ trong hộp, do đó ngăn ngừa quá trình oxy hóa bề mặt hợp kim.

Bảng 15 tính chất cơ học của mối hàn chân không của siêu hợp kim gốc niken điển hình

Cấu trúc vi mô và độ bền của mối hàn siêu hợp kim thay đổi theo khe hở hàn, và xử lý khuếch tán sau khi hàn sẽ làm tăng thêm giá trị khe hở tối đa cho phép của mối hàn. Lấy hợp kim Inconel làm ví dụ, khe hở tối đa của mối hàn Inconel với b-ni82crsib có thể đạt 90um sau khi xử lý khuếch tán ở 1000℃ trong 1H; Tuy nhiên, đối với mối hàn với b-ni71crsib, khe hở tối đa chỉ còn khoảng 50um sau khi xử lý khuếch tán ở 1000℃ trong 1H.

3) Kết nối pha lỏng tạm thời Kết nối pha lỏng tạm thời sử dụng hợp kim xen kẽ (dày khoảng 2,5 ~ 100um) có điểm nóng chảy thấp hơn kim loại cơ bản làm kim loại độn. Dưới áp suất nhỏ (0 ~ 0,007mpa) và nhiệt độ thích hợp (1100 ~ 1250 ℃), vật liệu xen kẽ trước tiên sẽ nóng chảy và làm ẩm kim loại cơ bản. Do sự khuếch tán nhanh chóng của các nguyên tố, quá trình đông đặc đẳng nhiệt xảy ra tại mối nối để tạo thành mối nối. Phương pháp này làm giảm đáng kể các yêu cầu khớp nối của bề mặt kim loại cơ bản và giảm áp lực hàn. Các thông số chính của kết nối pha lỏng tạm thời là áp suất, nhiệt độ, thời gian giữ và thành phần của lớp xen kẽ. Áp dụng áp suất thấp hơn để giữ cho bề mặt ghép nối của mối hàn tiếp xúc tốt. Nhiệt độ và thời gian gia nhiệt có tác động lớn đến hiệu suất của mối nối. Nếu mối nối cần có độ bền tương đương với kim loại nền và không ảnh hưởng đến hiệu suất của kim loại nền, thì cần áp dụng các thông số quy trình kết nối ở nhiệt độ cao (ví dụ: ≥ 1150℃) và thời gian dài (ví dụ: 8 ~ 24 giờ); nếu chất lượng kết nối của mối nối bị giảm hoặc kim loại nền không chịu được nhiệt độ cao, thì cần sử dụng nhiệt độ thấp hơn (1100 ~ 1150℃) và thời gian ngắn hơn (1 ~ 8 giờ). Lớp trung gian sẽ lấy thành phần kim loại nền được kết nối làm thành phần cơ bản và bổ sung các nguyên tố làm mát khác nhau, chẳng hạn như B, Si, Mn, Nb, v.v. Ví dụ, thành phần của hợp kim Udimet là ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo, và thành phần của lớp trung gian cho kết nối pha lỏng tạm thời là b-ni62.5cr15co15mo5b2.5. Tất cả các nguyên tố này đều có thể làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hợp kim Ni Cr hoặc Ni Cr Co xuống mức thấp nhất, nhưng tác dụng của B là rõ ràng nhất. Ngoài ra, tốc độ khuếch tán cao của B có thể nhanh chóng đồng nhất hợp kim xen kẽ và kim loại nền.