Brasagem de ligas de alta temperatura: explicada

1. Características de Brasagem

As ligas de alta temperatura podem ser divididas em três categorias principais: à base de níquel, à base de ferro e à base de cobalto. Eles exibem boas propriedades mecânicas, resistência à oxidação e resistência à corrosão em altas temperaturas. As ligas à base de níquel são as mais comumente utilizadas em aplicações práticas.

As ligas de alta temperatura contêm uma quantidade significativa de cromo (Cr), que forma um Cr difícil de remover₂Ó₃ filme de óxido na superfície durante o aquecimento. As ligas de alta temperatura à base de níquel também contêm alumínio (Al) e titânio (Ti), que são propensos à oxidação durante o aquecimento.

Portanto, prevenir ou minimizar a oxidação e a remoção do filme de óxido é crucial na brasagem de ligas de alta temperatura. Para ligas fundidas à base de níquel com alto teor de Al e Ti, é necessário garantir um nível de vácuo não inferior a 10-2 a 10-3 Pa durante o aquecimento para evitar a oxidação superficial da liga.

Para ligas à base de níquel reforçadas com solução sólida e reforçadas por precipitação, a temperatura de brasagem deve ser selecionada para ser consistente com a temperatura de aquecimento durante o tratamento com solução sólida para garantir a dissolução completa dos elementos de liga.

Uma temperatura muito baixa pode resultar em dissolução incompleta, enquanto uma temperatura muito alta pode causar o crescimento de grãos no material de base, impossibilitando a restauração das propriedades do material mesmo com tratamento térmico subsequente. As ligas fundidas geralmente apresentam altas temperaturas de solução sólida que não são significativamente afetadas pelas temperaturas de brasagem.

Algumas ligas de alta temperatura à base de níquel, especialmente ligas reforçadas por precipitação, têm tendência a trincas por tensão.

Portanto, é necessário remover as tensões formadas durante o processamento antes da brasagem e minimizar as tensões térmicas durante a brasagem.

2. Materiais de Brasagem

Ligas à base de prata, cobre puro, à base de níquel e brasagem ativa podem ser usadas para brasagem de ligas à base de níquel.

Quando a temperatura operacional da junta não é alta, podem ser usados ​​materiais à base de prata. Há uma grande variedade de materiais de brasagem à base de prata disponíveis e, para minimizar o estresse interno durante o aquecimento, é aconselhável escolher ligas com baixa temperatura de fusão.

Para brasagem de ligas de alta temperatura reforçadas por precipitação com alto teor de alumínio, o fluxo de brasagem FB102 deve ser usado e 10-20% de fluoroaluminato de sódio ou fluxo de alumínio (como FB201) devem ser adicionados. Quando a temperatura de brasagem excede 900°C, o fluxo de brasagem FB105 deve ser escolhido.

Na brasagem a vácuo ou em atmosfera protetora, o cobre puro pode ser usado como material de brasagem. A temperatura de brasagem está na faixa de 1100-1150 ℃ e não ocorre fissuração por tensão na junta. No entanto, a temperatura operacional não deve exceder 400°C.

As ligas de brasagem à base de níquel têm excelentes propriedades de alta temperatura e são comumente usadas para brasagem de ligas de alta temperatura.

Os principais elementos de liga nas ligas de brasagem à base de níquel são cromo (Cr), silício (Si) e boro (B), com uma pequena quantidade de ferro (Fe), tungstênio (W) e outros elementos. A liga de brasagem B-Ni68CrWB é adequada para brasagem de componentes de alta temperatura e pás de turbinas, pois reduz a penetração intergranular do boro no material de base e tem uma faixa de temperatura de fusão maior.

No entanto, as ligas de brasagem contendo tungstênio reduziram a fluidez, tornando mais difícil controlar a folga da junta.

As ligas de brasagem por difusão ativa não contêm silício e apresentam excelente resistência à oxidação e sulfetação. A temperatura de brasagem pode ser selecionada entre 1150-1218°C dependendo do tipo de liga de brasagem. Após a brasagem, o tratamento de difusão a 1066°C pode resultar em juntas soldadas com propriedades consistentes com o material de base.

3. Processo de Brasagem

Ligas à base de níquel podem ser brasadas usando métodos como brasagem em forno com atmosfera protetora, brasagem a vácuo e ligação transitória de fase líquida.

Antes da brasagem, é necessário remover graxas e óxidos superficiais por meio de lixamento, polimento com roda de polimento, limpeza com acetona e limpeza química.

Ao selecionar os parâmetros do processo de brasagem, é importante evitar temperaturas de aquecimento excessivamente altas e manter o tempo de brasagem curto para evitar fortes reações químicas entre o metal de adição da brasagem e o material de base.

Para evitar fissuras no material de base, o tratamento de alívio de pré-tensão deve ser realizado nas peças que foram submetidas ao trabalho a frio antes da brasagem. O aquecimento durante a soldagem deve ser o mais uniforme possível.

Para ligas de alta temperatura reforçadas por precipitação, as peças devem ser tratadas primeiro com solução, depois soldadas a uma temperatura ligeiramente superior à temperatura do tratamento de envelhecimento e, finalmente, submetidas ao tratamento de envelhecimento.

1) Brasagem em Forno com Atmosfera Protetora

A brasagem em um forno com atmosfera protetora requer alta pureza do gás protetor. Para ligas de alta temperatura com teor de W (Al) ou W (Ti) inferior a 0,5%, ao usar gás hidrogênio ou argônio, o ponto de orvalho deve estar abaixo de -54°C.

À medida que o teor de Al e Ti aumenta, a oxidação ainda ocorre durante o aquecimento da superfície da liga. As seguintes medidas devem ser tomadas: adicionar uma pequena quantidade de fluxo de brasagem (como FB105) para remover o filme de óxido; aplicação de revestimento de 0,025 a 0,038mm de espessura na superfície das peças; pré-aplicação de metal de adição de brasagem na superfície do material a ser brasado; usando uma pequena quantidade de fluxo de gás, como trifluoreto de boro.

2) Brasagem a Vácuo

A brasagem a vácuo é amplamente utilizada e proporciona melhor proteção e qualidade de brasagem. As propriedades mecânicas das juntas típicas de ligas de alta temperatura à base de níquel são mostradas na Tabela 15.

Para ligas de alta temperatura com w (Al) ou w (Ti) inferior a 4%, o metal de adição de brasagem pode molhar a superfície mesmo sem pré-tratamento especial, mas é preferível galvanizar uma camada de níquel de 0,01 a 0,015 mm de espessura no superfície.

Quando w (Al) ou W (Ti) excede 4%, a espessura do revestimento de níquel deve ser de 0,020,03 mm. Um revestimento muito fino não oferece proteção suficiente, enquanto um revestimento muito espesso pode reduzir a resistência da junta.

A brasagem a vácuo também pode ser realizada colocando as peças a serem soldadas em uma caixa junto com um absorvedor, como o Zircônio (Zr), que absorve gases em alta temperatura e cria um vácuo parcial dentro da caixa, evitando assim a oxidação da superfície da liga. .

Tabela 15: Propriedades mecânicas de juntas soldadas a vácuo típicas em ligas de alta temperatura à base de níquel

A microestrutura e a resistência das juntas soldadas em liga de alta temperatura podem variar com a folga da brasagem. O tratamento de difusão pós-brasagem pode aumentar ainda mais o valor máximo permitido da folga da junta.

Tomando a liga Inconel como exemplo, para juntas Inconel soldadas com B-Ni82CrSiB, o valor máximo da folga após tratamento de difusão a 1000°C por 1 hora pode atingir cerca de 90um. Por outro lado, para juntas soldadas com B-Ni71CrSiB, o valor máximo do intervalo após tratamento de difusão a 1000°C durante 1 hora é de cerca de 50um.

3) Ligação transitória de fase líquida

A ligação transitória em fase líquida envolve o uso de uma camada intermediária de liga com um ponto de fusão inferior ao do material de base (espessura de aproximadamente 2,5 a 100um) como metal de adição de brasagem. Sob baixa pressão (0 a 0,007 MPa) e temperatura adequada (1100 a 1250°C), o material da camada intermediária primeiro derrete e molha o material de base.

Devido à rápida difusão dos elementos, a junta solidifica isotermicamente para formar a junta. Este método reduz significativamente os requisitos de ajuste da superfície do material de base e reduz a pressão de soldagem. Os principais parâmetros para ligação transitória da fase líquida incluem pressão, temperatura, tempo de retenção e composição da camada intermediária.

A aplicação de baixa pressão garante um bom contato entre as superfícies articulares. A temperatura e o tempo de aquecimento influenciam muito o desempenho da junta. Se a junta precisar ter resistência semelhante ao material de base sem afetar suas propriedades, alta temperatura (por exemplo, ≥1150°C) e um longo tempo (por exemplo, 8 a 24 horas) devem ser usados ​​como parâmetros do processo de colagem.

Se uma ligeira diminuição na qualidade da junta for aceitável ou se o material de base não suportar altas temperaturas, devem ser utilizadas temperaturas mais baixas (1100 a 1150°C) e tempos mais curtos (1 a 8 horas). A composição da camada intermediária deve ser baseada na composição do material base a ser unido, com elementos de liga adicionais como B, Si, Mn, Nb, etc.

Por exemplo, se a composição da liga Udimet for Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, a composição da camada intermediária usada para ligação transitória em fase líquida seria B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Esses elementos adicionados podem diminuir a temperatura de fusão das ligas Ni-Cr ou Ni-Cr-Co, com B tendo o efeito de redução mais significativo.

Além disso, B apresenta alta taxa de difusão, permitindo a rápida homogeneização da liga da camada intermediária e do material de base.