Hartlöten von Superlegierungen

Hartlöten von Superlegierungen

(1) Lötbare Superlegierungen lassen sich in drei Kategorien einteilen: Nickelbasis-, Eisenbasis- und Kobaltbasislegierungen. Sie zeichnen sich durch gute mechanische Eigenschaften sowie Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus. Nickelbasislegierungen sind die am weitesten verbreiteten Legierungen in der praktischen Fertigung.

Die Superlegierung enthält mehr Chrom, und beim Erhitzen bildet sich auf der Oberfläche eine schwer zu entfernende Cr₂O₃-Oxidschicht. Nickelbasis-Superlegierungen enthalten Aluminium und Titan, die beim Erhitzen leicht oxidieren. Daher ist die Verhinderung oder Reduzierung der Oxidation der Superlegierungen beim Erhitzen und die Entfernung der Oxidschicht die Hauptaufgabe beim Hartlöten. Da Borax oder Borsäure im Flussmittel bei der Hartlöttemperatur Korrosion des Grundwerkstoffs verursachen können, kann das nach der Reaktion ausgefällte Bor in den Grundwerkstoff eindringen und zu interkristalliner Infiltration führen. Bei gegossenen Nickelbasislegierungen mit hohem Aluminium- und Titangehalt sollte der Vakuumgrad im warmen Zustand während des Hartlötens mindestens 10⁻² bis 10⁻³ Pa betragen, um eine Oxidation der Legierungsoberfläche beim Erhitzen zu vermeiden.

Bei lösungsgehärteten und ausscheidungsgehärteten Nickelbasislegierungen sollte die Löttemperatur der Lösungsglühtemperatur entsprechen, um die vollständige Auflösung der Legierungselemente zu gewährleisten. Ist die Löttemperatur zu niedrig, lösen sich die Legierungselemente nicht vollständig auf; ist sie hingegen zu hoch, wächst das Grundmetallkorn, und die Materialeigenschaften können auch nach einer Wärmebehandlung nicht wiederhergestellt werden. Die Lösungsglühtemperatur von Gusslegierungen ist hoch, sodass eine zu hohe Löttemperatur die Materialeigenschaften in der Regel nicht beeinträchtigt.

Einige Nickelbasis-Superlegierungen, insbesondere ausscheidungsgehärtete Legierungen, neigen zu Spannungsrissen. Vor dem Löten müssen die im Prozess entstandenen Spannungen vollständig abgebaut und die thermischen Spannungen während des Lötens minimiert werden.

(2) Nickelbasis-Lötmaterialien können mit Silberbasis-, Reinkupfer-, Nickelbasis- und Aktivloten verlötet werden. Bei niedrigen Löttemperaturen eignen sich Silberbasis-Materialien. Es gibt zahlreiche Silberbasis-Lote. Um die inneren Spannungen beim Löten zu reduzieren, ist ein Lot mit niedrigem Schmelzpunkt zu wählen. Für das Löten mit Silberbasis-Lot kann das Flussmittel Fb101 verwendet werden. Das Flussmittel Fb102 eignet sich zum Löten von ausscheidungsgehärteten Superlegierungen mit hohem Aluminiumgehalt. Hierbei werden 10–20 % Natriumsilikat oder Aluminiumflussmittel (z. B. Fb201) hinzugefügt. Bei Löttemperaturen über 900 °C ist das Flussmittel Fb105 zu verwenden.

Beim Hartlöten unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre kann Reinkupfer als Lötmetall verwendet werden. Die Löttemperatur liegt bei 1100–1150 °C, und die Verbindung weist keine Spannungsrisse auf. Die Betriebstemperatur sollte jedoch 400 °C nicht überschreiten.

Nickelbasierte Lötmetalle sind aufgrund ihrer guten Hochtemperatureigenschaften und der Vermeidung von Spannungsrissen beim Löten die am häufigsten verwendeten Lötmetalle für Superlegierungen. Die Hauptlegierungselemente in Nickelbasisloten sind Chrom (Cr), Silizium (Si) und Bor (B). In geringen Mengen enthält das Lot auch Eisen (Fe), Wolfram (W) usw. Im Vergleich zu Ni-Cr-Si-B kann das Lötmetall B-Ni68CrWB die interkristalline Infiltration von Bor in das Grundmaterial reduzieren und den Schmelztemperaturbereich erweitern. Es eignet sich zum Löten von Hochtemperatur-Werkstücken und Turbinenschaufeln. Allerdings verschlechtert sich die Fließfähigkeit von wolframhaltigem Lot, und der Lötspalt ist schwerer zu kontrollieren.

Das aktive Diffusionslötmetall ist siliziumfrei und zeichnet sich durch hervorragende Oxidations- und Vulkanisationsbeständigkeit aus. Die Löttemperatur kann je nach Lötmitteltyp zwischen 1150 °C und 1218 °C gewählt werden. Nach dem Löten wird durch eine Diffusionsbehandlung bei 1066 °C eine Lötverbindung mit den gleichen Eigenschaften wie das Grundmaterial erzielt.

(3) Nickelbasislegierungen können im Schutzgasofen, im Vakuum oder durch Flüssigphasenlöten hartgelötet werden. Vor dem Hartlöten muss die Oberfläche entfettet und von Oxiden befreit werden. Dies kann durch Schleifen mit Schleifpapier oder Filzpolierscheiben, Waschen mit Aceton oder chemische Reinigung erfolgen. Bei der Wahl der Hartlötparameter ist darauf zu achten, dass die Heiztemperatur nicht zu hoch und die Hartlötzeit kurz ist, um eine starke chemische Reaktion zwischen Flussmittel und Grundwerkstoff zu vermeiden. Um Risse im Grundwerkstoff zu verhindern, müssen kaltverformte Teile vor dem Löten spannungsarm geglüht werden. Die Erwärmung beim Löten muss möglichst gleichmäßig erfolgen. Bei ausscheidungsgehärteten Superlegierungen müssen die Teile zunächst einer Lösungsglühung unterzogen, anschließend bei einer Temperatur etwas oberhalb der Aushärtungstemperatur hartgelötet und abschließend ausgehärtet werden.

1) Hartlöten im Schutzgasofen: Hartlöten im Schutzgasofen erfordert ein hochreines Schutzgas. Bei Superlegierungen mit einem Al- und Ti-Gehalt von unter 0,5 % muss der Taupunkt bei Verwendung von Wasserstoff oder Argon unter -54 °C liegen. Mit steigendem Al- und Ti-Gehalt oxidiert die Legierungsoberfläche beim Erhitzen. Folgende Maßnahmen sind zu ergreifen: Zugabe einer geringen Menge Flussmittel (z. B. FB105) und Entfernung der Oxidschicht mit Flussmittel; Aufbringen einer 0,025–0,038 mm dicken Beschichtung auf die Werkstückoberfläche; Vorbesprühen der Werkstückoberfläche mit Lot; Zugabe einer geringen Menge Gasflussmittel, z. B. Bortrifluorid.

2) Vakuumlöten: Vakuumlöten wird häufig eingesetzt, um eine bessere Schutzwirkung und Lötqualität zu erzielen. Tabelle 15 zeigt die mechanischen Eigenschaften typischer Verbindungen von Nickelbasis-Superlegierungen. Bei Superlegierungen mit einem Al- und Ti-Gehalt von unter 4 % empfiehlt sich das Aufbringen einer 0,01–0,015 mm dicken Nickelschicht auf die Oberfläche, obwohl die Benetzung des Lotes auch ohne spezielle Vorbehandlung gewährleistet ist. Bei einem Al- und Ti-Gehalt von über 4 % sollte die Nickelschicht 0,02–0,03 mm dick sein. Eine zu dünne Schicht bietet keinen Schutz, eine zu dicke Schicht verringert die Festigkeit der Verbindung. Die zu verlötenden Teile können auch in einer Vakuumlötbox platziert werden. Die Box sollte mit einem Getter gefüllt werden. Beispielsweise absorbiert Zirkonium bei hohen Temperaturen Gase, wodurch ein lokales Vakuum in der Box entsteht und die Oxidation der Legierungsoberfläche verhindert wird.

Tabelle 15: Mechanische Eigenschaften von Vakuumlötverbindungen typischer Nickelbasis-Superlegierungen

Die Mikrostruktur und Festigkeit der Lötverbindung von Superlegierungen verändern sich mit dem Lötspalt. Eine Diffusionsbehandlung nach dem Löten erhöht den maximal zulässigen Spaltwert zusätzlich. Am Beispiel der Inconel-Legierung lässt sich zeigen, dass der maximale Spalt einer mit β-Ni82CrSib gelöteten Inconel-Verbindung nach einer einstündigen Diffusionsbehandlung bei 1000 °C 90 µm erreichen kann. Bei Verbindungen, die mit β-Ni71CrSib gelötet wurden, beträgt der maximale Spalt nach derselben Behandlung hingegen nur noch etwa 50 µm.

3) Beim transienten Flüssigphasenschweißen wird eine Zwischenschichtlegierung (ca. 2,5–100 µm dick) mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als der Grundwerkstoff als Zusatzwerkstoff verwendet. Unter geringem Druck (0–0,007 MPa) und geeigneter Temperatur (1100–1250 °C) schmilzt das Zwischenschichtmaterial zunächst und befeuchtet den Grundwerkstoff. Durch die schnelle Diffusion der Elemente erfolgt eine isotherme Erstarrung an der Fügestelle. Dieses Verfahren reduziert die Anforderungen an die Passung der Grundwerkstoffoberfläche und den Schweißdruck erheblich. Die wichtigsten Parameter des transienten Flüssigphasenschweißens sind Druck, Temperatur, Haltezeit und Zusammensetzung der Zwischenschicht. Durch geringen Druck wird ein guter Kontakt der Fügeflächen gewährleistet. Heiztemperatur und -zeit haben einen großen Einfluss auf die Qualität der Verbindung. Soll die Verbindung die gleiche Festigkeit wie das Grundmaterial aufweisen und dessen Eigenschaften nicht beeinträchtigen, sind hohe Temperaturen (z. B. ≥ 1150 °C) und lange Aushärtungszeiten (z. B. 8–24 h) anzuwenden. Wird die Verbindungsqualität dadurch beeinträchtigt oder ist das Grundmaterial nicht temperaturbeständig, sind niedrigere Temperaturen (1100–1150 °C) und kürzere Aushärtungszeiten (1–8 h) zu wählen. Die Zwischenschicht basiert auf der Zusammensetzung des zu verbindenden Grundmaterials und enthält zusätzlich verschiedene Kühlelemente wie Bor, Silizium, Mangan, Niob usw. Beispielsweise hat die Udimet-Legierung die Zusammensetzung Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, und die Zwischenschicht für die Verbindung in der flüssigen Phase hat die Zusammensetzung β-Ni62,5Cr15Co15Mo5β2,5. Alle diese Elemente können die Schmelztemperatur von NiCr- oder NiCrCo-Legierungen auf ein Minimum reduzieren, wobei die Wirkung von Bor am deutlichsten ist. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Diffusionsrate von Bor eine schnelle Homogenisierung der Zwischenschichtlegierung und des Grundmetalls.