Soldadura fuerte de aleaciones de alta temperatura: Explicación | MachineMFG

Soldadura fuerte de aleaciones de alta temperatura: Explicación

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1. Características de la soldadura fuerte

Las aleaciones de alta temperatura pueden dividirse 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 resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Las aleaciones con 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 capa de Cr2O3 película de óxido 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 la oxidación durante el calentamiento.

Por lo tanto, evitar o minimizar la oxidación y la eliminación de la película de óxido es crucial en la soldadura fuerte de aleaciones de alta temperatura. Para las 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 las aleaciones con base de níquel reforzadas por solución sólida y por precipitación, la temperatura de soldadura fuerte debe seleccionarse de forma que coincida con la temperatura de calentamiento durante el tratamiento por solución sólida para garantizar la disolución completa de los elementos de aleación.

Una temperatura demasiado baja puede dar lugar a una disolución incompleta, mientras que una temperatura demasiado alta puede provocar un crecimiento de grano en el material base, haciendo imposible restaurar las propiedades del material incluso con un tratamiento térmico posterior. Las aleaciones basadas en fundición suelen tener altas temperaturas de disolución sólida que no se ven afectadas significativamente por las temperaturas de soldadura fuerte.

Algunas aleaciones de níquel para altas temperaturas, especialmente las aleaciones reforzadas por precipitación, tienen tendencia a agrietarse por tensión.

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

2. Materiales de soldadura

Para la soldadura fuerte de aleaciones a base de níquel pueden utilizarse aleaciones a base de plata, cobre puro, níquel y aleaciones activas.

Cuando la temperatura de funcionamiento de la unión no es elevada, pueden utilizarse materiales con base de plata. Existe una gran variedad de materiales de soldadura fuerte con base de plata, y para minimizar tensión interna durante el calentamiento, es aconsejable elegir aleaciones de baja temperatura de fusión.

Para la soldadura fuerte de aleaciones de alta temperatura reforzadas por precipitación con alto contenido de aluminio, debe utilizarse el fundente FB102 y añadirse fluoroaluminato sódico 10-20% o fundente de aluminio (como FB201). Cuando la temperatura de soldadura supera los 900℃, debe elegirse el fundente FB105.

En la soldadura al vacío o en atmósfera protectora, puede utilizarse cobre puro como material de soldadura. La temperatura de soldadura es del orden de 1100-1150℃, y no se producen grietas por tensión en la unión. Sin embargo, la temperatura de funcionamiento no debe superar los 400℃.

Las aleaciones de níquel para soldadura fuerte tienen excelentes propiedades a altas temperaturas y se utilizan habitualmente para la soldadura fuerte de aleaciones de alta temperatura.

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

Sin embargo, las aleaciones de soldadura fuerte que contienen wolframio tienen una fluidez reducida, lo que hace más difícil controlar la holgura de la unión.

Las aleaciones de soldadura por difusión activa no contienen silicio y presentan una excelente resistencia a la oxidación y la sulfuración. La temperatura de soldadura puede seleccionarse entre 1150-1218℃ dependiendo del tipo de aleación de soldadura. Después de la soldadura fuerte, el tratamiento por difusión a 1066℃ puede dar lugar a uniones soldadas con propiedades coherentes con el material base.

3. Proceso de soldadura fuerte

Las aleaciones a base de níquel pueden soldarse mediante métodos como la soldadura fuerte en un horno con atmósfera protectora, la soldadura fuerte al vacío y la unión transitoria en fase líquida.

Antes de la soldadura fuerte, es necesario eliminar la grasa y los óxidos de la superficie mediante lijado, pulido con disco de pulir, limpieza con acetona y limpieza química.

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

Para evitar el agrietamiento del material de base, debe realizarse un tratamiento de alivio de tensión previo en las piezas que hayan sido sometidas a trabajo en frío antes de la soldadura fuerte. El calentamiento durante la soldadura debe ser lo más uniforme posible.

En el caso de las aleaciones de alta temperatura reforzadas por precipitación, las piezas deben someterse primero a un tratamiento de disolución, después a una soldadura fuerte a una temperatura ligeramente superior a la del tratamiento de envejecimiento y, por último, a un tratamiento de envejecimiento.

1) Soldadura en horno de atmósfera protectora

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

A medida que aumenta el contenido de Al y Ti, sigue produciéndose oxidación durante el calentamiento de la superficie de la aleación. Deben tomarse las siguientes medidas: añadir una pequeña cantidad de fundente de soldadura fuerte (como FB105) para eliminar la película de óxido; aplicar un revestimiento de 0,025 a 0,038 mm de grosor en la superficie de las piezas; aplicar previamente metal de aportación de soldadura fuerte en la superficie del material que se va a soldar; utilizar una pequeña cantidad de fundente gaseoso, 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 uniones típicas de aleaciones de níquel para altas temperaturas se muestran en la Tabla 15.

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

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

La soldadura fuerte al vacío también puede realizarse colocando las piezas a soldar en una caja junto con un absorbedor, como el circonio (Zr), que absorbe los gases a alta temperatura y crea un vacío parcial dentro de la caja, evitando así la oxidación de la superficie de la aleación.

Tabla 15: Propiedades mecánicas de las uniones típicas soldadas al vacío de aleaciones de níquel para altas temperaturas

Grados de aleaciónMetal de aportación para soldadura fuerteCondiciones de soldaduraTemperatura de soldadura
/ ℃
Resistencia al cizallamiento
/ MPa
GH3030B-Ni82CrSiB1080~1180℃600220
800224
1110~1205℃20230
650126
 B-Ni68CrSiB1105~1205℃20433
650178
GH3044B-Ni70CrSiBMo
1080~1180℃20234
900162
GH4188B-Ni74CrSiB1170℃20308
87090
DZ22B-Ni43CrNiWBSi1180℃2h95026~116
1180℃24h98090~107
GH4033NMP1120~1180℃20338
850122
SPM21170~1200℃850122

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

Tomando como ejemplo la aleación Inconel, para las uniones de Inconel soldadas con B-Ni82CrSiB, el valor máximo de separación después de un tratamiento de difusión a 1000°C durante 1 hora puede alcanzar alrededor de 90um. Por otra parte, en el caso de las uniones soldadas con B-Ni71CrSiB, el valor máximo de la separación tras un tratamiento de difusión a 1000°C durante 1 hora es de aproximadamente 50um.

3) Unión transitoria en fase líquida

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

Debido a la rápida difusión de los elementos, la unión 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 principales parámetros para la unión transitoria en fase líquida incluyen la presión, la temperatura, el tiempo de mantenimiento y la composición de la capa intermedia.

Aplicar poca presión garantiza un buen contacto entre las superficies de la junta. La temperatura y el tiempo de calentamiento influyen mucho en el rendimiento de la junta. Si es necesario que la unión tenga una resistencia similar a la del material base sin afectar a sus propiedades, deben utilizarse como parámetros del proceso de unión una temperatura elevada (por ejemplo, ≥1150°C) y un tiempo prolongado (por ejemplo, de 8 a 24 horas).

Si se acepta una ligera disminución de la calidad de la unión o si el material base no puede soportar altas temperaturas, deben emplearse 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 que se va 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 Ni-Cr o Ni-Cr-Co, siendo el B el que tiene el efecto reductor más significativo.

Además, B presenta una elevada velocidad de difusión, lo que permite una rápida homogeneización de la aleación de la capa intermedia y el material base.

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