고온 합금의 브레이징: 설명

1. 브레이징 특성

고온 합금은 니켈 기반, 철 기반, 코발트 기반의 세 가지 주요 카테고리로 나눌 수 있습니다. 이들은 고온에서 우수한 기계적 특성, 산화 저항성 및 내식성을 나타냅니다. 니켈 기반 합금은 실제 애플리케이션에서 가장 일반적으로 사용됩니다.

고온 합금에는 제거하기 어려운 크롬(Cr)이 상당량 함유되어 있습니다.₂O₃ 산화막을 형성합니다. 니켈 기반 고온 합금에는 알루미늄(Al)과 티타늄 (Ti)를 함유하고 있어 가열 시 산화되기 쉽습니다.

따라서 고온 합금을 브레이징할 때는 산화를 방지하거나 산화막 제거를 최소화하는 것이 중요합니다. Al 및 Ti 함량이 높은 주조 니켈 기반 합금의 경우, 합금의 표면 산화를 방지하기 위해 가열 중에 10-2~10-3 Pa 이상의 진공 수준을 유지해야 합니다.

고용체 강화 및 침전 강화 니켈 기반 합금의 경우, 합금 원소의 완전한 용해를 보장하기 위해 고용체 처리 중 가열 온도와 일치하도록 납땜 온도를 선택해야 합니다.

온도가 너무 낮으면 불완전 용해가 발생할 수 있고, 온도가 너무 높으면 모재에 입자가 성장하여 후속 열처리로도 재료의 특성을 복원할 수 없게 됩니다. 주조 기반 합금은 일반적으로 납땜 온도에 크게 영향을 받지 않는 높은 용해 온도를 가지고 있습니다.

일부 니켈 기반 고온 합금, 특히 강수량 강화 합금은 응력 균열이 발생하는 경향이 있습니다.

따라서 납땜 전에 가공 중에 형성된 응력을 제거하고 납땜 중 열 응력을 최소화해야 합니다.

2. 브레이징 재료

은 기반, 순수 구리, 니켈 기반 및 활성 납땜 합금은 니켈 기반 합금을 납땜하는 데 사용할 수 있습니다.

조인트의 작동 온도가 높지 않은 경우 은 기반 재료를 사용할 수 있습니다. 다양한 은 기반 브레이징 재료를 사용할 수 있으며, 은 기반 브레이징 재료를 최소화하기 위해 내부 스트레스 가열 중에는 녹는 온도가 낮은 합금을 선택하는 것이 좋습니다.

알루미늄 함량이 높은 침전 강화 고온 합금 브레이징의 경우 FB102 브레이징 플럭스를 사용해야 하며, 10-20% 플루오로알루미늄산 나트륨 또는 알루미늄 플럭스(예: FB201)를 첨가해야 합니다. 브레이징 온도가 900℃를 초과하는 경우 FB105 브레이징 플럭스를 선택해야 합니다.

진공 또는 보호 분위기 브레이징에서는 순수 구리를 브레이징 재료로 사용할 수 있습니다. 브레이징 온도는 1100~1150℃ 범위이며 접합부에 응력 균열이 발생하지 않습니다. 그러나 작동 온도는 400℃를 초과하지 않아야 합니다.

니켈 기반 브레이징 합금은 고온 특성이 뛰어나며 일반적으로 고온 합금 브레이징에 사용됩니다.

니켈 기반 브레이징 합금의 주요 합금 원소는 크롬(Cr), 실리콘(Si), 붕소(B)이며 철(Fe), 텅스텐(W) 및 기타 원소가 소량 함유되어 있습니다. B-Ni68CrWB 브레이징 합금은 붕소의 모재 내 입계 침투를 줄이고 용융 온도 범위가 더 넓기 때문에 고온 부품 및 터빈 블레이드 브레이징에 적합합니다.

그러나 텅스텐이 포함된 브레이징 합금은 유동성이 감소하여 조인트 간극을 제어하기가 더 어렵습니다.

활성 확산 브레이징 합금은 실리콘을 포함하지 않으며 우수한 산화 및 황화 저항성을 나타냅니다. 브레이징 온도는 브레이징 합금의 종류에 따라 1150-1218℃ 사이에서 선택할 수 있습니다. 브레이징 후 1066℃에서 확산 처리를 하면 모재와 일관된 특성을 가진 브레이징 조인트를 얻을 수 있습니다.

3. 브레이징 프로세스

니켈 기반 합금은 보호 분위기 용광로에서의 납땜, 진공 납땜, 일시적 액상 접합 등의 방법을 사용하여 납땜할 수 있습니다.

브레이징하기 전에 샌딩, 버핑 휠로 연마, 아세톤으로 닦기, 화학적 세척을 통해 그리스와 표면 산화물을 제거해야 합니다.

선택 시 브레이징 프로세스 매개변수에서 지나치게 높은 가열 온도를 피하고 브레이징 필러 금속과 모재 사이의 강한 화학 반응을 방지하기 위해 브레이징 시간을 짧게 유지하는 것이 중요합니다.

모재의 균열을 방지하려면 납땜 전에 냉간 가공을 거친 부품에 사전 응력 완화 처리를 수행해야 합니다. 용접 중 가열은 가능한 한 균일해야 합니다.

침전 강화 고온 합금의 경우 부품을 먼저 용액 처리한 다음 노화 처리 온도보다 약간 높은 온도에서 납땜하고 마지막으로 노화 처리를 해야 합니다.

1) 보호 분위기 용광로에서의 납땜

보호 분위기 용광로에서의 브레이징에는 고순도의 보호 가스가 필요합니다. W(Al) 또는 W(Ti) 함량이 0.5%보다 낮은 고온 합금의 경우 수소 또는 아르곤 가스를 사용할 때 이슬점은 -54℃ 미만이어야 합니다.

Al 및 Ti 함량이 증가함에 따라 합금의 표면 가열 중에 산화가 여전히 발생합니다. 산화막을 제거하기 위해 소량의 브레이징 플럭스(예: FB105) 추가, 부품 표면에 0.025~0.038mm 두께의 코팅 적용, 브레이징할 재료 표면에 브레이징 필러 금속 사전 도포, 삼불화 붕소와 같은 소량의 가스 플럭스 사용 등의 조치를 취해야 합니다.

2) 진공 브레이징

진공 브레이징은 널리 사용되며 더 나은 보호 및 브레이징 품질을 제공합니다. 일반적인 니켈 기반 고온 합금 조인트의 기계적 특성은 표 15에 나와 있습니다.

w(Al) 또는 w(Ti)가 4% 미만인 고온 합금의 경우 브레이징 필러 금속은 특별한 전처리 없이도 표면을 적실 수 있지만 표면에 0.01~0.015mm 두께의 니켈 층을 전기도금하는 것이 바람직합니다.

w(Al) 또는 W(Ti)가 4%를 초과하는 경우 니켈 도금의 두께는 0.020.03mm가 되어야 합니다. 너무 얇은 도금은 충분한 보호 기능을 제공하지 못하며, 너무 두꺼운 도금은 접합 강도를 떨어뜨릴 수 있습니다.

진공 납땜은 납땜할 부품을 지르코늄(Zr)과 같은 흡수제와 함께 상자 안에 넣어 고온에서 가스를 흡수하고 상자 안에 부분적인 진공을 만들어 합금 표면의 산화를 방지하는 방식으로도 수행할 수 있습니다.

표 15: 니켈 기반 고온 합금에서 일반적인 진공 브레이징 조인트의 기계적 특성

고온 합금 브레이징 조인트의 미세 구조와 강도는 브레이징 갭에 따라 달라질 수 있습니다. 브레이징 후 확산 처리를 하면 조인트 갭의 최대 허용치를 더욱 높일 수 있습니다.

인코넬 합금을 예로 들면, B-Ni82CrSiB로 브레이징한 인코넬 조인트의 경우, 1000°C 확산 처리 후 1시간 동안의 최대 갭 값은 약 90um에 달할 수 있습니다. 반면, B-Ni71CrSiB로 브레이징한 접합부의 경우, 1000°C 확산 처리 후 1시간 동안의 최대 갭 값은 약 50um입니다.

3) 일시적 액상 본딩

과도 액상 본딩은 융점이 모재보다 낮은 중간 합금 층(두께 약 2.5 ~ 100um)을 브레이징 필러 금속으로 사용합니다. 낮은 압력(0~0.007MPa)과 적절한 온도(1100~1250°C)에서 중간층 재료가 먼저 녹아 기본 재료를 적십니다.

요소의 빠른 확산으로 인해 조인트가 등온적으로 응고되어 조인트를 형성합니다. 이 방법은 모재의 표면 맞춤에 대한 요구 사항을 크게 줄이고 용접 압력을 줄입니다. 과도 액상 결합의 주요 파라미터로는 압력, 온도, 유지 시간, 중간층 구성 등이 있습니다.

낮은 압력을 가하면 조인트 표면이 잘 접촉할 수 있습니다. 가열 온도와 시간은 접합 성능에 큰 영향을 미칩니다. 조인트의 특성에 영향을 주지 않으면서 기본 재료와 비슷한 강도를 가져야 하는 경우, 고온(예: ≥1150°C)과 긴 시간(예: 8~24시간)을 접착 공정 파라미터로 사용해야 합니다.

약간의 접합 품질 저하가 허용되거나 기본 재료가 고온을 견딜 수 없는 경우에는 더 낮은 온도(1100~1150°C)와 더 짧은 시간(1~8시간)을 사용해야 합니다. 중간층의 구성은 접합할 기본 재료의 조성에 따라 B, Si, Mn, Nb 등의 합금 원소를 추가하여 결정해야 합니다.

예를 들어, Udimet 합금의 구성이 Ni-15Cr-18.5Co-4.3Al-3.3Ti-5Mo인 경우, 과도 액상 결합에 사용되는 중간층의 구성은 B-Ni62.5Cr15Co15Mo5B2.5가 됩니다. 이러한 추가 원소는 Ni-Cr 또는 Ni-Cr-Co 합금의 용융 온도를 낮출 수 있으며, B가 가장 크게 낮추는 효과가 있습니다.

또한 B는 높은 확산 속도를 나타내 중간층 합금과 모재를 빠르게 균질화할 수 있습니다.