Brasatura di leghe ad alta temperatura: Spiegazioni

1. Caratteristiche della brasatura

Le leghe per alte temperature possono essere suddivise in tre categorie principali: a base di nichel, ferro e cobalto. Presentano buone proprietà meccaniche, resistenza all'ossidazione e alla corrosione alle alte temperature. Le leghe a base di nichel sono le più utilizzate nelle applicazioni pratiche.

Le leghe ad alta temperatura contengono una quantità significativa di cromo (Cr), che forma una difficile rimozione del Cr₂O₃ pellicola di ossido sulla superficie durante il riscaldamento. Le leghe per alte temperature a base di nichel contengono anche alluminio (Al) e titanio (Ti), che sono soggetti a ossidazione durante il riscaldamento.

Pertanto, prevenire o ridurre al minimo l'ossidazione e la rimozione del film di ossido è fondamentale nella brasatura di leghe ad alta temperatura. Per le leghe fuse a base di nichel con un elevato contenuto di Al e Ti, è necessario garantire un livello di vuoto non inferiore a 10-2 - 10-3 Pa durante il riscaldamento per evitare l'ossidazione superficiale della lega.

Per le leghe a base di nichel rinforzate per soluzione solida e per precipitazione, la temperatura di brasatura deve essere scelta in modo da essere coerente con la temperatura di riscaldamento durante il trattamento per soluzione solida, per garantire la completa dissoluzione degli elementi di lega.

Una temperatura troppo bassa può causare una dissoluzione incompleta, mentre una temperatura troppo alta può causare la crescita di grani nel materiale di base, rendendo impossibile il ripristino delle proprietà del materiale anche con un successivo trattamento termico. Le leghe a base di ghisa hanno generalmente temperature elevate di dissoluzione solida che non sono influenzate in modo significativo dalle temperature di brasatura.

Alcune leghe per alte temperature a base di nichel, in particolare quelle rinforzate per precipitazione, hanno la tendenza a subire cricche da stress.

Pertanto, è necessario eliminare le tensioni formatesi durante la lavorazione prima della brasatura e ridurre al minimo le tensioni termiche durante la brasatura.

2. Materiali per la brasatura

Per la brasatura di leghe a base di nichel si possono utilizzare leghe a base di argento, rame puro, nichel e leghe attive.

Quando la temperatura di esercizio del giunto non è elevata, si possono utilizzare materiali a base di argento. È disponibile un'ampia gamma di materiali per brasatura a base d'argento e per ridurre al minimo i tempi di lavorazione si può ricorrere a stress interno durante il riscaldamento, è consigliabile scegliere leghe a bassa temperatura di fusione.

Per la brasatura di leghe ad alta temperatura rinforzate per precipitazione con un elevato contenuto di alluminio, è necessario utilizzare il flusso di brasatura FB102 e aggiungere il fluoroalluminato di sodio 10-20% o il flusso di alluminio (come FB201). Quando la temperatura di brasatura supera i 900℃, si deve scegliere il flusso di brasatura FB105.

Nella brasatura sotto vuoto o in atmosfera protettiva, è possibile utilizzare rame puro come materiale di brasatura. La temperatura di brasatura è compresa nell'intervallo 1100-1150℃ e non si verificano cricche da stress nel giunto. Tuttavia, la temperatura di esercizio non deve superare i 400℃.

Le leghe per brasatura a base di nichel hanno eccellenti proprietà ad alta temperatura e sono comunemente utilizzate per la brasatura di leghe ad alta temperatura.

I principali elementi di lega delle leghe per brasatura a base di nichel sono cromo (Cr), silicio (Si) e boro (B), con una piccola quantità di ferro (Fe), tungsteno (W) e altri elementi. La lega di brasatura B-Ni68CrWB è adatta per la brasatura di componenti ad alta temperatura e pale di turbine, poiché riduce la penetrazione intergranulare del boro nel materiale di base e ha un intervallo di temperatura di fusione più ampio.

Tuttavia, le leghe per brasatura contenenti tungsteno hanno una fluidità ridotta, rendendo più difficile il controllo del gioco del giunto.

Le leghe per brasatura a diffusione attiva non contengono silicio e presentano un'eccellente resistenza all'ossidazione e alla solfidazione. La temperatura di brasatura può essere selezionata tra 1150-1218℃ a seconda del tipo di lega di brasatura. Dopo la brasatura, il trattamento di diffusione a 1066℃ può dare luogo a giunti brasati con proprietà coerenti con il materiale di base.

3. Processo di brasatura

Le leghe a base di nichel possono essere brasate con metodi quali la brasatura in un forno ad atmosfera protettiva, la brasatura sotto vuoto e l'incollaggio transitorio in fase liquida.

Prima della brasatura, è necessario rimuovere il grasso e gli ossidi superficiali mediante carteggiatura, lucidatura con mola, pulizia con acetone e pulizia chimica.

Quando si seleziona processo di brasatura Per evitare forti reazioni chimiche tra il metallo d'apporto e il materiale di base, è importante evitare temperature di riscaldamento troppo elevate e mantenere un tempo di brasatura breve.

Per evitare la fessurazione del materiale di base, prima della brasatura è necessario eseguire un trattamento di distensione preliminare sulle parti sottoposte a lavorazione a freddo. Il riscaldamento durante la saldatura deve essere il più uniforme possibile.

Per le leghe ad alta temperatura rinforzate per precipitazione, i pezzi devono essere prima trattati in soluzione, poi brasati a una temperatura leggermente superiore a quella del trattamento di invecchiamento e infine sottoposti al trattamento di invecchiamento.

1) Brasatura in un forno ad atmosfera protettiva

La brasatura in un forno ad atmosfera protettiva richiede un'elevata purezza del gas protettivo. Per le leghe ad alta temperatura con contenuto di W (Al) o W (Ti) inferiore a 0,5%, quando si utilizza idrogeno o argon, il punto di rugiada deve essere inferiore a -54℃.

Con l'aumento del contenuto di Al e Ti, l'ossidazione si verifica ancora durante il riscaldamento superficiale della lega. È necessario adottare le seguenti misure: aggiungere una piccola quantità di flusso di brasatura (come FB105) per rimuovere la pellicola di ossido; applicare un rivestimento di spessore compreso tra 0,025 e 0,038 mm sulla superficie dei pezzi; applicare preventivamente il metallo d'apporto per brasatura sulla superficie del materiale da brasare; utilizzare una piccola quantità di flusso gassoso, come il trifluoruro di boro.

2) Brasatura sotto vuoto

La brasatura sotto vuoto è ampiamente utilizzata e fornisce una migliore protezione e qualità di brasatura. Le proprietà meccaniche di tipiche giunzioni in lega a base di nichel per alte temperature sono riportate nella Tabella 15.

Per le leghe ad alta temperatura con w (Al) o w (Ti) inferiore a 4%, il metallo d'apporto per brasatura può bagnare la superficie anche senza particolari pretrattamenti, ma è preferibile elettroplaccare uno strato di nichel di spessore compreso tra 0,01 e 0,015 mm sulla superficie.

Quando w (Al) o W (Ti) supera 4%, lo spessore della nichelatura deve essere di 0,020,03 mm. Una placcatura troppo sottile non fornisce una protezione sufficiente, mentre una placcatura troppo spessa può ridurre la resistenza del giunto.

La brasatura sottovuoto può anche essere condotta collocando le parti da brasare in una scatola insieme a un assorbitore, come lo zirconio (Zr), che assorbe i gas ad alta temperatura e crea un vuoto parziale all'interno della scatola, impedendo così l'ossidazione della superficie della lega.

Tabella 15: Proprietà meccaniche di tipiche giunzioni brasate sotto vuoto in leghe ad alta temperatura a base di nichel

La microstruttura e la resistenza dei giunti brasati in lega ad alta temperatura possono variare in funzione del gap di brasatura. Il trattamento di diffusione post-brasatura può aumentare ulteriormente il valore massimo consentito del gap del giunto.

Prendendo come esempio la lega Inconel, per i giunti Inconel brasati con B-Ni82CrSiB, il valore massimo del gap dopo il trattamento di diffusione a 1000°C per 1 ora può raggiungere circa 90um. D'altra parte, per i giunti brasati con B-Ni71CrSiB, il valore massimo della fessura dopo il trattamento di diffusione a 1000°C per 1 ora è di circa 50um.

3) Legame transitorio in fase liquida

L'incollaggio transitorio in fase liquida prevede l'utilizzo di uno strato intermedio di lega con un punto di fusione inferiore al materiale di base (spessore da 2,5 a 100um circa) come metallo d'apporto per la brasatura. A bassa pressione (da 0 a 0,007MPa) e a una temperatura adeguata (da 1100 a 1250°C), il materiale dello strato intermedio fonde e bagna il materiale di base.

Grazie alla rapida diffusione degli elementi, il giunto si solidifica isotermicamente per formare la giunzione. Questo metodo riduce significativamente i requisiti di adattamento della superficie del materiale di base e riduce la pressione di saldatura. I parametri principali per l'incollaggio transitorio in fase liquida includono pressione, temperatura, tempo di mantenimento e composizione dello strato intermedio.

L'applicazione di una bassa pressione garantisce un buon contatto tra le superfici del giunto. La temperatura e il tempo di riscaldamento influenzano notevolmente le prestazioni del giunto. Se il giunto deve avere una resistenza simile a quella del materiale di base senza alterarne le proprietà, è necessario utilizzare come parametri del processo di incollaggio una temperatura elevata (ad esempio, ≥1150°C) e un tempo prolungato (ad esempio, da 8 a 24 ore).

Se è accettabile una leggera diminuzione della qualità del giunto o se il materiale di base non è in grado di sopportare temperature elevate, è opportuno utilizzare temperature più basse (da 1100 a 1150°C) e tempi più brevi (da 1 a 8 ore). La composizione dello strato intermedio dovrebbe essere basata sulla composizione del materiale di base da unire, con l'aggiunta di elementi di lega come B, Si, Mn, Nb, ecc.

Ad esempio, se la composizione della lega Udimet è Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, la composizione dello strato intermedio utilizzato per il legame transitorio in fase liquida sarà B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Questi elementi aggiunti possono abbassare la temperatura di fusione delle leghe Ni-Cr o Ni-Cr-Co, con il B che ha l'effetto più significativo di abbassamento.

Inoltre, B presenta un'elevata velocità di diffusione, che consente una rapida omogeneizzazione della lega dello strato intermedio e del materiale di base.