Brasagem de ligas de alta temperatura: Explicação

1. Características de brasagem

As ligas de alta temperatura podem ser divididas em três categorias principais: à base de níquel, à base de ferro e à base de cobalto. Elas apresentam boas propriedades mecânicas, resistência à oxidação e resistência à corrosão em altas temperaturas. As ligas à base de níquel são as mais comumente usadas em aplicações práticas.

As ligas de alta temperatura contêm uma quantidade significativa de cromo (Cr), que forma uma camada de Cr₂O₃ filme de óxido na superfície durante o aquecimento. As ligas de alta temperatura à base de níquel também contêm alumínio (Al) e titânio (Ti), que são propensos à oxidação durante o aquecimento.

Portanto, evitar ou minimizar a oxidação e a remoção do filme de óxido é fundamental na brasagem de ligas de alta temperatura. Para ligas fundidas à base de níquel com alto teor de Al e Ti, é necessário garantir um nível de vácuo não inferior a 10-2 a 10-3 Pa durante o aquecimento para evitar a oxidação da superfície da liga.

Para ligas à base de níquel reforçadas por solução sólida e reforçadas por precipitação, a temperatura de brasagem deve ser selecionada de forma consistente com a temperatura de aquecimento durante o tratamento de solução sólida para garantir a dissolução completa dos elementos de liga.

Uma temperatura muito baixa pode resultar em uma dissolução incompleta, enquanto uma temperatura muito alta pode causar o crescimento de grãos no material de base, impossibilitando a restauração das propriedades do material, mesmo com o tratamento térmico subsequente. As ligas fundidas geralmente têm altas temperaturas de solução sólida que não são significativamente afetadas pelas temperaturas de brasagem.

Algumas ligas de alta temperatura à base de níquel, especialmente as ligas reforçadas por precipitação, têm uma tendência a rachaduras por tensão.

Portanto, é necessário remover as tensões formadas durante o processamento antes da brasagem e minimizar as tensões térmicas durante a brasagem.

2. Materiais de brasagem

Ligas de brasagem à base de prata, cobre puro, níquel e ligas de brasagem ativas podem ser usadas para brasagem de ligas à base de níquel.

Quando a temperatura de operação da junta não é alta, podem ser usados materiais à base de prata. Há uma grande variedade de materiais de brasagem à base de prata disponíveis e, para minimizar estresse interno durante o aquecimento, é aconselhável escolher ligas de baixa temperatura de fusão.

Para a brasagem de ligas de alta temperatura reforçadas por precipitação com alto teor de alumínio, deve-se usar o fluxo de brasagem FB102 e adicionar fluoroaluminato de sódio 10-20% ou fluxo de alumínio (como o FB201). Quando a temperatura de brasagem for superior a 900°C, deve-se escolher o fluxo de brasagem FB105.

Na brasagem a vácuo ou em atmosfera protetora, o cobre puro pode ser usado como material de brasagem. A temperatura de brasagem está na faixa de 1100-1150°C, e não ocorre rachadura por estresse na junta. No entanto, a temperatura de operação não deve exceder 400 ℃.

As ligas de brasagem à base de níquel têm excelentes propriedades de alta temperatura e são comumente usadas para brasagem de ligas de alta temperatura.

Os principais elementos de liga das ligas de brasagem à base de níquel são o cromo (Cr), o silício (Si) e o boro (B), com uma pequena quantidade de ferro (Fe), tungstênio (W) e outros elementos. A liga de brasagem B-Ni68CrWB é adequada para a brasagem de componentes de alta temperatura e lâminas de turbina, pois reduz a penetração intergranular do boro no material de base e tem uma faixa de temperatura de fusão maior.

No entanto, as ligas de brasagem que contêm tungstênio têm fluidez reduzida, o que torna mais difícil controlar a folga da junta.

As ligas de brasagem por difusão ativa não contêm silício e apresentam excelente resistência à oxidação e à sulfitação. A temperatura de brasagem pode ser selecionada entre 1150-1218°C, dependendo do tipo de liga de brasagem. Após a brasagem, o tratamento de difusão a 1066°C pode resultar em juntas brasadas com propriedades consistentes com o material de base.

3. Processo de brasagem

As ligas à base de níquel podem ser brasadas usando métodos como brasagem em um forno com atmosfera protetora, brasagem a vácuo e colagem em fase líquida transitória.

Antes da brasagem, é necessário remover a graxa e os óxidos da superfície por meio de lixamento, polimento com uma roda de polimento, limpeza com acetona e limpeza química.

Ao selecionar processo de brasagem Em relação aos parâmetros, é importante evitar temperaturas de aquecimento excessivamente altas e manter o tempo de brasagem curto para evitar reações químicas fortes entre o metal de adição de brasagem e o material de base.

Para evitar rachaduras no material de base, o tratamento de alívio de tensão deve ser realizado em peças que tenham sido submetidas a trabalho a frio antes da brasagem. O aquecimento durante a soldagem deve ser o mais uniforme possível.

Para ligas de alta temperatura reforçadas por precipitação, as peças devem ser primeiro tratadas com solução, depois soldadas em uma temperatura ligeiramente superior à temperatura do tratamento de envelhecimento e, por fim, submetidas ao tratamento de envelhecimento.

1) Brasagem em um forno com atmosfera protetora

A brasagem em um forno com atmosfera protetora exige alta pureza do gás de proteção. Para ligas de alta temperatura com teor de W (Al) ou W (Ti) inferior a 0,5%, ao usar hidrogênio ou gás argônio, o ponto de orvalho deve estar abaixo de -54℃.

À medida que o teor de Al e Ti aumenta, a oxidação ainda ocorre durante o aquecimento da superfície da liga. As seguintes medidas devem ser tomadas: adição de uma pequena quantidade de fluxo de brasagem (como FB105) para remover a película de óxido; aplicação de um revestimento de 0,025 a 0,038 mm de espessura na superfície das peças; pré-aplicação de metal de adição para brasagem na superfície do material a ser brasado; uso de uma pequena quantidade de fluxo de gás, como trifluoreto de boro.

2) Brasagem a vácuo

A brasagem a vácuo é amplamente utilizada e oferece melhor proteção e qualidade de brasagem. As propriedades mecânicas das juntas típicas de ligas de alta temperatura à base de níquel são mostradas na Tabela 15.

No caso de ligas de alta temperatura com w (Al) ou w (Ti) inferior a 4%, o metal de adição para brasagem pode molhar a superfície mesmo sem pré-tratamento especial, mas é preferível aplicar uma camada de níquel de 0,01 a 0,015 mm de espessura na superfície.

Quando w (Al) ou W (Ti) exceder 4%, a espessura do revestimento de níquel deverá ser de 0,020,03 mm. Um revestimento muito fino não oferece proteção suficiente, enquanto um revestimento muito espesso pode reduzir a resistência da junta.

A brasagem a vácuo também pode ser realizada colocando-se as peças a serem brasadas em uma caixa junto com um absorvedor, como o zircônio (Zr), que absorve gases em alta temperatura e cria um vácuo parcial dentro da caixa, evitando assim a oxidação da superfície da liga.

Tabela 15: Propriedades mecânicas de juntas típicas soldadas a vácuo em ligas de alta temperatura à base de níquel

A microestrutura e a resistência das juntas soldadas de ligas de alta temperatura podem variar de acordo com a folga da brasagem. O tratamento de difusão pós-soldagem pode aumentar ainda mais o valor máximo permitido da folga da junta.

Tomando a liga Inconel como exemplo, para as juntas Inconel soldadas com B-Ni82CrSiB, o valor máximo da lacuna após o tratamento de difusão a 1000°C por 1 hora pode chegar a cerca de 90um. Por outro lado, para juntas soldadas com B-Ni71CrSiB, o valor máximo da lacuna após o tratamento de difusão a 1000°C por 1 hora é de cerca de 50um.

3) Ligação de fase líquida transiente

A ligação em fase líquida transiente envolve o uso de uma camada de liga intermediária com um ponto de fusão inferior ao do material de base (espessura de aproximadamente 2,5 a 100um) como metal de adição para brasagem. Sob baixa pressão (0 a 0,007MPa) e temperatura adequada (1100 a 1250°C), o material da camada intermediária primeiro derrete e molha o material de base.

Devido à rápida difusão dos elementos, a junta se solidifica isotermicamente para formar a junta. Esse método reduz significativamente os requisitos de ajuste da superfície do material de base e reduz a pressão de soldagem. Os principais parâmetros para a união em fase líquida transiente incluem pressão, temperatura, tempo de retenção e composição da camada intermediária.

A aplicação de baixa pressão garante um bom contato entre as superfícies da junta. A temperatura e o tempo de aquecimento influenciam muito o desempenho da junta. Se a junta precisar ter resistência semelhante à do material de base sem afetar suas propriedades, deve-se usar alta temperatura (por exemplo, ≥1150°C) e um longo tempo (por exemplo, 8 a 24 horas) como parâmetros do processo de colagem.

Se uma pequena redução na qualidade da junta for aceitável ou se o material de base não puder suportar altas temperaturas, devem ser empregadas temperaturas mais baixas (1100 a 1150°C) e tempos mais curtos (1 a 8 horas). A composição da camada intermediária deve ser baseada na composição do material de base a ser unido, com elementos de liga adicionais, como B, Si, Mn, Nb etc.

Por exemplo, se a composição da liga Udimet for Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, a composição da camada intermediária usada para a ligação de fase líquida transiente seria B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Esses elementos adicionados podem reduzir a temperatura de fusão das ligas de Ni-Cr ou Ni-Cr-Co, sendo que o B tem o efeito de redução mais significativo.

Além disso, o B apresenta alta taxa de difusão, o que permite a rápida homogeneização da liga da camada intermediária e do material de base.