Hàn hợp kim siêu bền

Hàn hợp kim siêu bền

(1) Đặc tính hàn của hợp kim siêu bền có thể được chia thành ba loại: gốc niken, gốc sắt và 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.

Hợp kim siêu bền chứa nhiều Cr hơn, và một lớp màng oxit Cr2O3 khó loại bỏ sẽ hình thành trên bề mặt trong quá trình nung nóng. Hợp kim siêu bền gốc niken chứa Al và Ti, dễ bị oxy hóa khi nung nóng. Do đó, việc ngăn ngừa hoặc giảm thiểu quá trình oxy hóa của hợp kim siêu bền trong quá trình nung nóng và loại bỏ lớp 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, boron kết tủa sau phản ứng có thể thâm 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 oxy hóa trên bề mặt hợp kim trong quá trình nung nóng.

Đối với hợp kim niken được tăng cường bằng dung dịch và kết tủa, nhiệt độ hàn phải phù hợp với nhiệt độ nung trong quá trình xử lý dung dịch để đảm bảo các nguyên tố hợp kim được hòa tan hoàn toàn. Nếu nhiệt độ hàn quá thấp, các nguyên tố hợp kim sẽ không được hòa tan hoàn toàn; nếu nhiệt độ hàn quá cao, kích thước hạt kim loại nền sẽ tăng lên, 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 thường cao, và nhìn chung nhiệt độ hàn quá cao sẽ không ảnh hưởng đến các tính chất vật liệu.

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

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

Khi hàn trong môi trường chân không hoặc khí bảo vệ, có thể sử dụng đồng nguyên chất làm vật liệu hàn. Nhiệt độ hàn là 1100 ~ 1150 ℃, và 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 loại kim loại hàn được sử dụng phổ biến nhất trong các hợp kim siêu bền do khả năng chịu nhiệt tốt và không gây nứt do ứng suất trong quá trình hàn. Các nguyên tố hợp kim chính trong kim loại hàn gốc niken là Cr, Si, B, và một lượng nhỏ cũng chứa Fe, W, v.v. So với ni-cr-si-b, kim loại hàn b-ni68crwb có thể 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 bộ phận làm việc ở nhiệt độ cao và cánh tuabin. Tuy nhiên, độ chảy của kim loại hàn chứa W trở nên kém hơn và khe hở mối hàn khó kiểm soát.

Kim loại hàn khuếch tán hoạt tính không chứa nguyên tố Si và 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 thuộc vào loại chất hàn. Sau khi hàn, mối hàn có thể thu được với các đặc tính tương tự như kim loại nền sau khi xử lý khuếch tán ở 1066 ℃.

(3) Quá trình hàn hợp kim gốc niken có thể áp dụng phương pháp hàn trong lò có khí 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 bằng giấy nhám, đánh bóng bằng bánh xe nỉ, chà bằng axeton và làm sạch bằng hóa chất. Khi lựa chọn các thông số của quá trình hàn, cần lưu ý rằng nhiệt độ nung không được quá cao và thời gian hàn phải ngắn để tránh phản ứng hóa học mạnh giữa chất trợ dung và kim loại nền. Để ngăn ngừa kim loại nền bị nứt, các bộ phận được gia công nguội phải được giảm ứng suất trước khi hàn, và nhiệt độ hàn phải càng đồng đều càng tốt. Đối với siêu hợp kim được tăng 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 tăng cường lão hóa, và cuối cùng là xử lý lão hóa.

1) Hàn thiếc trong lò bảo vệ khí quyển: Hàn thiếc trong lò bảo vệ khí quyển đòi hỏi khí bảo vệ phải có độ tinh khiết cao. Đối với hợp kim siêu bền có hàm lượng 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 lên, 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 (như fb105) và loại bỏ lớp màng oxit bằng chất trợ dung; Phủ một lớp mạ dày 0,025 ~ 0,038mm lên bề mặt các chi tiết; Phun chất hàn lên bề mặt vật liệu cần hàn trước; Thêm một lượng nhỏ khí trợ dung, chẳng hạn như boron trifluoride.

2) Hàn chân không: Hàn chân không được sử dụng rộng rãi để đạt được hiệu quả bảo vệ và chất lượng hàn tốt hơn. Xem bảng 15 để biết các tính chất cơ học của các mối nối hợp kim siêu bền gốc niken điển hình. Đối với các hợp kim siêu bền có w (AL) và w (TI) nhỏ hơn 4%, tốt hơn nên mạ điện một lớp niken dày 0,01 ~ 0,015mm trên bề mặt, mặc dù có thể đảm bảo độ thấm ướt của chất hàn mà không cần xử lý sơ bộ đặc biệt. Khi w (AL) và w (TI) vượt quá 4%, độ dày lớp phủ niken phải là 0,02 ~ 0,03mm. Lớp phủ quá mỏng không có tác dụng bảo vệ, và lớp phủ quá dày sẽ làm giảm độ bền của mối nối. Các bộ phận cần hàn cũng có thể được đặt trong hộp để hàn chân không. Hộp nên được đổ đầy chất hấp thụ khí. Ví dụ, Zr hấp thụ khí ở nhiệt độ cao, có thể tạo ra 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 các mối hàn chân không của các 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 quá trình xử lý khuếch tán sau khi hàn sẽ làm tăng thêm giá trị tối đa cho phép của khe hở mối hàn. Lấy hợp kim Inconel làm ví dụ, khe hở tối đa của mối hàn Inconel với b-ni82crsib có thể đạt tới 90 µm sau khi xử lý khuếch tán ở 1000 ℃ trong 1 giờ; Tuy nhiên, đối với các mối hàn với b-ni71crsib, khe hở tối đa chỉ khoảng 50 µm sau khi xử lý khuếch tán ở 1000 ℃ trong 1 giờ.

3) Hàn pha lỏng tạm thời: Phương pháp hàn pha lỏng tạm thời sử dụng hợp kim lớp trung gian (dày khoảng 2,5 ~ 100 µm) có điểm nóng chảy thấp hơn kim loại nền làm vật liệu hàn. Dưới áp suất nhỏ (0 ~ 0,007 MPa) và nhiệt độ thích hợp (1100 ~ 1250 ℃), vật liệu lớp trung gian trước tiên tan chảy và làm ẩm kim loại nền. Do sự khuếch tán nhanh chóng của các nguyên tố, quá trình đông đặc đẳng nhiệt xảy ra tại mối hàn để tạo thành mối nối. Phương pháp này giúp giảm đáng kể yêu cầu về độ khớp của bề mặt kim loại nền và giảm áp suất hàn. Các thông số chính của hàn pha lỏng tạm thời là áp suất, nhiệt độ, thời gian giữ và thành phần của lớp trung gian. Áp dụng áp suất thấp để giữ cho bề mặt tiếp xúc của mối hàn có sự tiếp xúc tốt. Nhiệt độ và thời gian gia nhiệt có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của mối hàn. Nếu yêu cầu mối nối phải bền chắc như kim loại nền và không ảnh hưởng đến hiệu năng của kim loại nền, thì phải 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 bị giảm hoặc kim loại nền không chịu được nhiệt độ cao, thì phải sử dụng nhiệt độ thấp hơn (1100 ~ 1150 ℃) và thời gian ngắn hơn (1 ~ 8 giờ). Lớp trung gian phải lấy thành phần kim loại nền được kết nối làm thành phần cơ bản, và thêm 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 NiCr hoặc NiCrCo xuống mức thấp nhất, nhưng tác dụng của B là rõ rệt nhất. Ngoài ra, tốc độ khuếch tán cao của B có thể nhanh chóng đồng nhất hóa lớp hợp kim xen kẽ và kim loại nền.