Soldadura fuerte de aleaciones de alta temperatura: explicado

1. Características de soldadura fuerte

Las aleaciones de alta temperatura se pueden dividir en tres categorías principales: 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. Las aleaciones a base de níquel son las más utilizadas en aplicaciones prácticas.

Las aleaciones de alta temperatura contienen una cantidad significativa de cromo (Cr), que forma una película de óxido de Cr ₂ Ó ₃ difícil de eliminar en la superficie durante el calentamiento. Las aleaciones de alta temperatura a base de níquel también contienen aluminio (Al) y titanio (Ti), que son propensos a oxidarse durante el calentamiento.

Por lo tanto, prevenir o minimizar la oxidación y la eliminación de la película de óxido es crucial en la soldadura fuerte de aleaciones de alta temperatura. Para aleaciones fundidas a base de níquel con alto contenido de Al y Ti, es necesario garantizar un nivel de vacío no inferior a 10-2 a 10-3 Pa durante el calentamiento para evitar la oxidación superficial de la aleación.

Para aleaciones a base de níquel reforzadas con solución sólida y reforzadas por precipitación, la temperatura de soldadura fuerte debe seleccionarse para que sea consistente con la temperatura de calentamiento durante el tratamiento con solución sólida para asegurar la disolución completa de los elementos de aleación.

Una temperatura demasiado baja puede provocar una disolución incompleta, mientras que una temperatura demasiado alta puede provocar el crecimiento de granos en el material base, haciendo imposible restaurar las propiedades del material incluso con un tratamiento térmico posterior. Las aleaciones fundidas generalmente exhiben altas temperaturas de solución sólida que no se ven afectadas significativamente por las temperaturas de soldadura fuerte.

Algunas aleaciones de alta temperatura a base de níquel, especialmente las aleaciones reforzadas por precipitación, son propensas a agrietarse por tensión.

Por lo tanto, es necesario eliminar las tensiones formadas durante el procesamiento antes de la soldadura y minimizar las tensiones térmicas durante la soldadura.

2. Materiales para soldadura fuerte

Para soldar aleaciones a base de níquel se pueden utilizar aleaciones para soldadura fuerte a base de plata, cobre puro, base níquel y activas.

Cuando la temperatura de funcionamiento de la junta no es elevada, se pueden utilizar materiales a base de plata. Existe una amplia variedad de materiales de soldadura fuerte a base de plata disponibles y, para minimizar la tensión interna durante el calentamiento, es aconsejable elegir aleaciones con una temperatura de fusión baja.

Para soldar aleaciones de alta temperatura reforzadas por precipitación con alto contenido de aluminio, se debe utilizar fundente para soldadura fuerte FB102 y se debe agregar entre un 10 y un 20 % de fluoroaluminato de sodio o fundente de aluminio (como FB201). Cuando la temperatura de soldadura supera los 900 °C, se debe elegir el fundente de soldadura FB105.

En la soldadura fuerte al vacío o en atmósfera protectora, se puede utilizar cobre puro como material de soldadura fuerte. La temperatura de soldadura está en el rango de 1100-1150 ℃ y no se producen grietas por tensión en la unión. Sin embargo, la temperatura de funcionamiento no debe exceder los 400°C.

Las aleaciones para soldadura fuerte a base de níquel tienen excelentes propiedades a altas temperaturas y se usan comúnmente para soldar aleaciones de alta temperatura.

Los principales elementos de aleación en las aleaciones para soldadura fuerte a base de níquel son el cromo (Cr), el silicio (Si) y el boro (B), con una pequeña cantidad de hierro (Fe), tungsteno (W) y otros elementos. La aleación de soldadura fuerte B-Ni68CrWB es adecuada para soldar componentes de alta temperatura y álabes de turbinas, ya que reduce la penetración intergranular del boro en el material base y tiene un rango de temperatura de fusión más amplio.

Sin embargo, las aleaciones de soldadura fuerte que contienen tungsteno tienen una fluidez reducida, lo que hace más difícil controlar el juego de juntas.

Las aleaciones de soldadura fuerte por difusión activa no contienen silicio y tienen una excelente resistencia a la oxidación y la sulfuración. La temperatura de soldadura se puede seleccionar entre 1150-1218 °C dependiendo del tipo de aleación de soldadura. Después de la soldadura fuerte, el tratamiento de difusión a 1066°C puede dar como resultado uniones soldadas con propiedades consistentes con el material base.

3. Proceso de soldadura fuerte

Las aleaciones a base de níquel se pueden soldar utilizando métodos como soldadura fuerte en horno con atmósfera protectora, soldadura fuerte al vacío y unión transitoria en fase líquida.

Antes de soldar, es necesario eliminar la grasa y los óxidos de la superficie mediante lijado, pulido con muela, limpieza con acetona y limpieza química.

Al seleccionar los parámetros del proceso de soldadura fuerte, es importante evitar temperaturas de calentamiento excesivamente altas y mantener el tiempo de soldadura corto para evitar reacciones químicas fuertes entre el metal de aportación de soldadura fuerte y el material base.

Para evitar grietas en el material base, se debe realizar un tratamiento de alivio de tensiones previas en las piezas que han sido sometidas a un trabajo en frío antes de la soldadura fuerte. El calentamiento durante la soldadura debe ser lo más uniforme posible.

Para las aleaciones de alta temperatura reforzadas por precipitación, las piezas primero deben tratarse con solución, luego soldarse a una temperatura ligeramente superior a la temperatura del tratamiento de envejecimiento y finalmente someterse a un tratamiento de envejecimiento.

1) Soldadura fuerte en un horno con atmósfera protectora

La soldadura fuerte en un horno con atmósfera protectora requiere una alta pureza del gas protector. Para aleaciones de alta temperatura con un contenido de W (Al) o W (Ti) inferior al 0,5 %, cuando se utiliza hidrógeno o gas argón, el punto de rocío debe ser inferior a -54 °C.

A medida que aumenta el contenido de Al y Ti, todavía se produce oxidación durante el calentamiento de la superficie de la aleación. Se deben tomar las siguientes medidas: agregar una pequeña cantidad de fundente para soldadura fuerte (como FB105) para eliminar la película de óxido; aplicación de un recubrimiento de 0,025 a 0,038 mm de espesor sobre la superficie de las piezas; aplicación previa de metal de aportación para soldadura fuerte sobre la superficie del material a soldar; utilizando una pequeña cantidad de flujo de gas como trifluoruro de boro.

2) Soldadura al vacío

La soldadura fuerte al vacío se utiliza ampliamente y proporciona una mejor protección y calidad de soldadura. Las propiedades mecánicas de las juntas típicas de aleaciones de alta temperatura a base de níquel se muestran en la Tabla 15.

Para aleaciones de alta temperatura con w(Al) o w(Ti) inferior al 4 %, el metal de aportación de soldadura fuerte puede mojar la superficie incluso sin un tratamiento previo especial, pero es preferible galvanizar una capa de níquel de 0,01 a 0,015 mm de espesor en la superficie. .

Cuando w(Al) o W(Ti) supera el 4%, el espesor del niquelado debe ser de 0,020,03 mm. Un revestimiento demasiado fino no proporciona suficiente protección, mientras que un revestimiento demasiado grueso puede reducir la resistencia de la unión.

La soldadura fuerte en vacío también se puede realizar colocando las piezas a soldar en una caja junto con un absorbente, como el Zirconio (Zr), que absorbe gases a alta temperatura y crea un vacío parcial en el interior de la caja, evitando así la oxidación de la superficie. la Liga. .

Tabla 15: Propiedades mecánicas de uniones soldadas al vacío típicas en aleaciones a base de níquel de alta temperatura

La microestructura y la resistencia de las uniones soldadas con aleaciones de alta temperatura pueden variar según el espacio de soldadura fuerte. El tratamiento de difusión posterior a la soldadura fuerte puede aumentar aún más el valor máximo permitido de separación de juntas.

Tomando como ejemplo la aleación de Inconel, para juntas de Inconel soldadas con B-Ni82CrSiB, el valor máximo de separación después del tratamiento de difusión a 1000°C durante 1 hora puede alcanzar aproximadamente 90um. Por otro lado, para uniones soldadas con B-Ni71CrSiB, el valor máximo de separación después del tratamiento de difusión a 1000°C durante 1 hora es de aproximadamente 50um.

3) Conexión transitoria de fase líquida

La unión transitoria en fase líquida implica el uso de una capa intermedia de aleación con un punto de fusión más bajo que el material base (espesor aproximadamente de 2,5 a 100 µm) como metal de aportación para soldadura fuerte. Bajo baja presión (0 a 0,007 MPa) y temperatura adecuada (1100 a 1250°C), el material de la capa intermedia primero se funde y humedece el material base.

Debido a la rápida difusión de los elementos, la junta se solidifica isotérmicamente para formar la junta. Este método reduce significativamente los requisitos de ajuste de la superficie del material base y reduce la presión de soldadura. Los parámetros clave para la unión transitoria de la fase líquida incluyen presión, temperatura, tiempo de retención y composición de las capas intermedias.

La aplicación de baja presión asegura un buen contacto entre las superficies articulares. La temperatura y el tiempo de calentamiento influyen en gran medida en el rendimiento de las juntas. Si la unión necesita tener una resistencia similar a la del material base sin afectar sus propiedades, se deben utilizar como parámetros del proceso una temperatura alta (por ejemplo, ≥1150 °C) y un tiempo prolongado (por ejemplo, de 8 a 24 horas).

Si una ligera disminución en la calidad de la junta es aceptable o si el material base no puede soportar altas temperaturas, se deben usar temperaturas más bajas (1100 a 1150°C) y tiempos más cortos (1 a 8 horas). La composición de la capa intermedia debe basarse en la composición del material base a unir, con elementos de aleación adicionales como B, Si, Mn, Nb, etc.

Por ejemplo, si la composición de la aleación Udimet es Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, la composición de la capa intermedia utilizada para la unión transitoria en fase líquida sería B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Estos elementos añadidos pueden reducir la temperatura de fusión de las aleaciones de Ni-Cr o Ni-Cr-Co, siendo B el efecto reductor más significativo.

Además, B tiene una alta tasa de difusión, lo que permite una rápida homogeneización de la aleación de la capa intermedia y el material base.