Löten von Superlegierungen
(1) Löteigenschaften: Superlegierungen lassen sich in drei Kategorien einteilen: Nickelbasis, Eisenbasis und Kobaltbasis. Sie zeichnen sich durch gute mechanische Eigenschaften, Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus. Nickelbasislegierungen werden in der praktischen Produktion am häufigsten verwendet.
Die Superlegierung enthält mehr Cr und beim Erhitzen bildet sich auf der Oberfläche ein schwer zu entfernender Cr2O3-Oxidfilm. Superlegierungen auf Nickelbasis enthalten Al und Ti, die beim Erhitzen leicht oxidieren. Deshalb besteht das Hauptproblem beim Hartlöten darin, die Oxidation der Superlegierungen während des Erhitzens zu verhindern oder zu verringern und den Oxidfilm zu entfernen. Da Borax oder Borsäure im Flussmittel bei der Hartlöttemperatur Korrosion des Grundmetalls verursachen können, kann das nach der Reaktion ausgeschiedene Bor in das Grundmetall eindringen und eine intergranulare Infiltration verursachen. Bei gegossenen Nickelbasislegierungen mit hohem Al- und Ti-Gehalt darf der Vakuumgrad im heißen Zustand während des Hartlötens nicht weniger als 10-2 ~ 10-3 Pa betragen, um eine Oxidation der Legierungsoberfläche während des Erhitzens zu vermeiden.
Bei lösungs- und ausscheidungsverfestigten Nickelbasislegierungen sollte die Löttemperatur mit der Heiztemperatur der Lösungsglühung übereinstimmen, um die vollständige Auflösung der Legierungselemente zu gewährleisten. Bei zu niedriger Löttemperatur können sich die Legierungselemente nicht vollständig auflösen. Bei zu hoher Löttemperatur wachsen die Grundmetallkörner, und die Materialeigenschaften werden auch nach der Wärmebehandlung nicht wiederhergestellt. Die Mischkristalltemperatur von gegossenen Basislegierungen ist hoch, was die Materialeigenschaften im Allgemeinen nicht beeinträchtigt, wenn die Löttemperatur zu hoch ist.
Einige Nickelbasis-Superlegierungen, insbesondere ausscheidungsverstärkte Legierungen, neigen zur Spannungsrissbildung. Vor dem Löten müssen die dabei entstehenden Spannungen vollständig abgebaut und die thermische Spannung während des Lötens minimiert werden.
(2) Lötmaterial auf Nickelbasislegierung kann mit Silberbasis, reinem Kupfer, Nickelbasis und Aktivlot gelötet werden. Wenn die Arbeitstemperatur der Verbindung nicht hoch ist, können Materialien auf Silberbasis verwendet werden. Es gibt viele Arten von Silberloten. Um die inneren Spannungen beim Erhitzen beim Löten zu reduzieren, ist es am besten, ein Lot mit niedriger Schmelztemperatur zu wählen. Das Flussmittel Fb101 kann zum Löten mit Füllmetall auf Silberbasis verwendet werden. Das Flussmittel Fb102 wird zum Löten von ausscheidungsverstärkten Superlegierungen mit dem höchsten Aluminiumgehalt verwendet, und es werden 10 bis 20 % Natriumsilikat oder Aluminiumflussmittel (wie z. B. Fb201) hinzugefügt. Wenn die Löttemperatur 900 °C übersteigt, sollte das Flussmittel Fb105 gewählt werden.
Beim Löten im Vakuum oder in einer Schutzatmosphäre kann reines Kupfer als Lötfüllmetall verwendet werden. Die Löttemperatur beträgt 1100 bis 1150 °C, und die Verbindung erzeugt keine Spannungsrisse. Die Arbeitstemperatur darf jedoch 400 °C nicht überschreiten.
Nickelbasiertes Lot ist aufgrund seiner guten Hochtemperaturbeständigkeit und Spannungsrissfreiheit das am häufigsten verwendete Lot in Superlegierungen. Die Hauptlegierungselemente in nickelbasiertem Lot sind Cr, Si und B. Eine geringe Menge des Lots enthält auch Fe, W usw. Im Vergleich zu Ni-Cr-Si-B kann b-ni68crwb-Lot die interkristalline Infiltration von B in das Grundmetall reduzieren und den Schmelztemperaturbereich verlängern. Es eignet sich zum Löten von Hochtemperatur-Arbeitsteilen und Turbinenschaufeln. Allerdings verschlechtert sich die Fließfähigkeit von w-haltigem Lot, und der Fugenspalt ist schwer zu kontrollieren.
Das aktive Diffusionslot enthält kein Si-Element und weist eine ausgezeichnete Oxidations- und Vulkanisationsbeständigkeit auf. Die Löttemperatur kann je nach Lotart zwischen 1150 °C und 1218 °C gewählt werden. Nach dem Löten kann nach einer Diffusionsbehandlung bei 1066 °C eine Lötverbindung mit den gleichen Eigenschaften wie das Grundmetall hergestellt werden.
(3) Für das Löten von Nickelbasislegierungen können Schutzgasöfen, Vakuumlöten und TLP-Löten verwendet werden. Vor dem Löten muss die Oberfläche entfettet und Oxide durch Schleifpapier- oder Filzpolierverfahren, Acetonschrubben und chemische Reinigung entfernt werden. Bei der Auswahl der Lötprozessparameter ist darauf zu achten, dass die Heiztemperatur nicht zu hoch und die Lötzeit kurz ist, um starke chemische Reaktionen zwischen Flussmittel und Grundmetall zu vermeiden. Um Risse im Grundmetall zu vermeiden, müssen die kaltverarbeiteten Teile vor dem Schweißen spannungsarm geglüht werden, und die Erwärmung beim Schweißen muss möglichst gleichmäßig sein. Bei ausscheidungsgehärteten Superlegierungen müssen die Teile zunächst einer Mischkristallbehandlung unterzogen, dann bei einer Temperatur gelötet werden, die etwas über der Alterungshärtungsbehandlung liegt, und schließlich einer Alterungsbehandlung.
1) Löten in einem Schutzgasofen: Das Löten in einem Schutzgasofen erfordert ein hochreines Schutzgas. Bei Superlegierungen mit w(AL)- und w(TI)-Gehalten unter 0,5 % muss der Taupunkt bei Verwendung von Wasserstoff oder Argon unter -54 °C liegen. Steigt der Al- und Ti-Gehalt, oxidiert die Legierungsoberfläche beim Erhitzen. Folgende Maßnahmen sind zu ergreifen: Eine kleine Menge Flussmittel (z. B. fb105) hinzufügen und die Oxidschicht mit dem Flussmittel entfernen; eine 0,025–0,038 mm dicke Beschichtung auf die Oberfläche der Teile auftragen; das Lot vorab auf die Oberfläche des zu lötenden Materials sprühen; eine kleine Menge Flussmittel, z. B. Bortrifluorid, hinzufügen.
2) Vakuumlöten Vakuumlöten wird häufig verwendet, um einen besseren Schutzeffekt und eine bessere Lötqualität zu erzielen. Die mechanischen Eigenschaften typischer Verbindungen von Superlegierungen auf Nickelbasis finden Sie in Tabelle 15. Bei Superlegierungen mit w (AL) und w (TI) weniger als 4 % ist es besser, eine 0,01 – 0,015 mm dicke Nickelschicht auf die Oberfläche aufzutragen, obwohl die Benetzung mit Lot auch ohne besondere Vorbehandlung gewährleistet werden kann. Wenn w (AL) und w (TI) 4 % überschreiten, muss die Dicke der Nickelbeschichtung 0,02 – 0,03 mm betragen. Eine zu dünne Beschichtung hat keine Schutzwirkung und eine zu dicke Beschichtung verringert die Festigkeit der Verbindung. Die zu schweißenden Teile können auch zum Vakuumlöten in eine Box gelegt werden. Die Box sollte mit Getter gefüllt sein. Beispielsweise absorbiert Zr bei hohen Temperaturen Gas, wodurch in der Box ein lokales Vakuum entstehen kann, wodurch die Oxidation der Legierungsoberfläche verhindert wird.
Tabelle 15: Mechanische Eigenschaften von Vakuumlötverbindungen typischer Superlegierungen auf Nickelbasis
Die Mikrostruktur und Festigkeit von Lötverbindungen aus Superlegierungen verändern sich mit dem Lötspalt. Durch die Diffusionsbehandlung nach dem Löten wird der maximal zulässige Spalt weiter erhöht. Am Beispiel einer Inconel-Legierung kann der maximale Spalt einer mit b-ni82crsib gelöteten Inconel-Verbindung nach einer Diffusionsbehandlung bei 1000 °C für 1 Stunde 90 µm erreichen. Bei mit b-ni71crsib gelöteten Verbindungen beträgt der maximale Spalt nach einer Diffusionsbehandlung bei 1000 °C für 1 Stunde jedoch etwa 50 µm.
3) TFL-Verbindung: Bei der TFL-Verbindung wird als Füllmetall eine Zwischenschichtlegierung (Dicke etwa 2,5 – 100 µm) verwendet, deren Schmelzpunkt niedriger ist als der des Grundmetalls. Unter geringem Druck (0 – 0,007 MPa) und entsprechender Temperatur (1100 – 1250 °C) schmilzt das Zwischenschichtmaterial und befeuchtet das Grundmetall. Durch die schnelle Diffusion der Elemente kommt es an der Verbindungsstelle zu einer isothermen Verfestigung und damit zur Ausbildung der Verbindung. Diese Methode verringert die Anforderungen an die Passung der Grundmetalloberfläche erheblich und reduziert den Schweißdruck. Die wichtigsten Parameter der TFL-Verbindung sind Druck, Temperatur, Haltezeit und Zusammensetzung der Zwischenschicht. Wenden Sie weniger Druck an, um einen guten Kontakt der Passflächen der Schweißnaht zu gewährleisten. Heiztemperatur und -zeit wirken sich stark auf die Leistung der Verbindung aus. Wenn die Verbindung so stark wie das Grundmetall sein soll, ohne dessen Leistung zu beeinträchtigen, sind als Verbindungsprozessparameter hohe Temperaturen (z. B. ≥ 1150 °C) und lange Zeiträume (z. B. 8 bis 24 Stunden) zu wählen. Ist die Verbindungsqualität beeinträchtigt oder das Grundmetall hohen Temperaturen nicht standhalten kann, sind niedrigere Temperaturen (1100 bis 1150 °C) und kürzere Zeiträume (1 bis 8 Stunden) zu wählen. Die Zwischenschicht muss die Zusammensetzung des verbundenen Grundmetalls als Grundzusammensetzung annehmen und verschiedene Kühlelemente wie B, Si, Mn, Nb usw. hinzufügen. Beispielsweise ist die Zusammensetzung der Udimet-Legierung Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, und die Zusammensetzung der Zwischenschicht für die transiente Flüssigphasenverbindung ist B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Alle diese Elemente können die Schmelztemperatur von Ni Cr- oder Ni Cr Co-Legierungen auf das niedrigste Niveau senken, aber der Effekt von B ist am deutlichsten. Darüber hinaus kann die hohe Diffusionsrate von B die Zwischenschichtlegierung und das Grundmetall schnell homogenisieren.
Veröffentlichungszeit: 13. Juni 2022