Süper Alaşımların Lehimlenmesi

Süper Alaşımların Lehimlenmesi

(1) Süper alaşımların lehimleme özellikleri üç kategoriye ayrılabilir: nikel bazlı, demir bazlı ve kobalt bazlı. Yüksek sıcaklıklarda iyi mekanik özelliklere, oksidasyon direncine ve korozyon direncine sahiptirler. Nikel bazlı alaşım, pratik üretimde en yaygın kullanılanıdır.

Süper alaşım daha fazla Cr içerir ve ısıtma sırasında yüzeyde çıkarılması zor olan Cr2O3 oksit filmi oluşur. Nikel bazlı süper alaşımlar, ısıtıldığında kolayca oksitlenen Al ve Ti içerir. Bu nedenle, ısıtma sırasında süper alaşımların oksidasyonunu önlemek veya azaltmak ve oksit filmini çıkarmak, lehimleme sırasındaki birincil sorundur. Lehimleme sıcaklığında ana metalin korozyonuna neden olabilen akıdaki boraks veya borik asit nedeniyle, reaksiyondan sonra çökelen bor, ana metale nüfuz ederek taneler arası infiltrasyona yol açabilir. Yüksek Al ve Ti içeriğine sahip dökme nikel bazlı alaşımlar için, ısıtma sırasında alaşım yüzeyinde oksidasyonu önlemek amacıyla, lehimleme sırasında sıcak haldeki vakum derecesi 10-2 ~ 10-3 pa'dan az olmamalıdır.

Çözeltiyle güçlendirilmiş ve çökelme ile güçlendirilmiş nikel esaslı alaşımlar için, alaşım elementlerinin tamamen çözünmesini sağlamak amacıyla lehimleme sıcaklığı, çözelti işleminin ısıtma sıcaklığıyla uyumlu olmalıdır. Lehimleme sıcaklığı çok düşükse, alaşım elementleri tamamen çözünemez; lehimleme sıcaklığı çok yüksekse, ana metal taneleri büyür ve ısıl işlemden sonra bile malzeme özellikleri geri kazanılamaz. Dökme esaslı alaşımların katı çözelti sıcaklığı yüksektir, bu nedenle çok yüksek lehimleme sıcaklığı genellikle malzeme özelliklerini etkilemez.

Bazı nikel bazlı süper alaşımlar, özellikle çökelme ile güçlendirilmiş alaşımlar, gerilme çatlamasına eğilimlidir. Lehimleme işleminden önce, işlem sırasında oluşan gerilme tamamen giderilmeli ve lehimleme sırasında termal gerilme en aza indirilmelidir.

(2) Lehim malzemesi olarak nikel esaslı alaşım, gümüş esaslı, saf bakır, nikel esaslı ve aktif lehim ile lehimlenebilir. Bağlantının çalışma sıcaklığı yüksek değilse, gümüş esaslı malzemeler kullanılabilir. Birçok gümüş esaslı lehim çeşidi vardır. Lehimleme sırasında iç gerilimi azaltmak için, düşük erime sıcaklığına sahip lehim seçmek en iyisidir. Gümüş esaslı dolgu metali ile lehimleme için Fb101 fluks kullanılabilir. En yüksek alüminyum içeriğine sahip çökelme ile güçlendirilmiş süper alaşımın lehimlenmesi için Fb102 fluks kullanılır ve %10 ~ %20 sodyum silikat veya alüminyum fluks (örneğin fb201) eklenir. Lehimleme sıcaklığı 900 ℃'yi aştığında, fb105 fluks seçilmelidir.

Vakumda veya koruyucu atmosferde lehimleme yapılırken, lehim dolgu metali olarak saf bakır kullanılabilir. Lehimleme sıcaklığı 1100 ~ 1150 ℃'dir ve bu sıcaklıkta birleşim yerinde gerilme çatlaması oluşmaz, ancak çalışma sıcaklığı 400 ℃'yi geçmemelidir.

Nikel bazlı lehim dolgu metali, yüksek sıcaklık performansı ve lehimleme sırasında gerilme çatlaması olmaması nedeniyle süper alaşımlarda en yaygın kullanılan lehim dolgu metalidir. Nikel bazlı lehimin ana alaşım elementleri Cr, Si, B'dir ve az miktarda lehim ayrıca Fe, W vb. içerir. Ni-Cr-Si-B ile karşılaştırıldığında, B-Ni68CrWB lehim dolgu metali, B'nin ana metale taneler arası sızmasını azaltabilir ve erime sıcaklığı aralığını artırabilir. Yüksek sıcaklıkta çalışan parçaların ve türbin kanatlarının lehimlenmesi için kullanılan bir lehim dolgu metalidir. Bununla birlikte, W içeren lehimin akışkanlığı kötüleşir ve bağlantı boşluğunun kontrolü zorlaşır.

Aktif difüzyon lehim dolgu metali Si elementi içermez ve mükemmel oksidasyon direnci ve vulkanizasyon direncine sahiptir. Lehim sıcaklığı, lehim türüne göre 1150 ℃ ile 1218 ℃ arasında seçilebilir. Lehimlemeden sonra, 1066 ℃ difüzyon işleminden sonra ana metal ile aynı özelliklere sahip lehimli bağlantı elde edilebilir.

(3) Nikel esaslı alaşımların lehimleme işlemi, koruyucu atmosfer fırınında lehimleme, vakumlu lehimleme ve geçici sıvı faz bağlantısı yöntemleriyle yapılabilir. Lehimlemeden önce, yüzey zımpara kağıdıyla parlatma, keçe tekerlekle parlatma, asetonla ovma ve kimyasal temizleme ile yağdan arındırılmalı ve oksit giderilmelidir. Lehimleme işlemi parametreleri seçilirken, akı ile ana metal arasında güçlü kimyasal reaksiyonu önlemek için ısıtma sıcaklığının çok yüksek olmaması ve lehimleme süresinin kısa olması gerektiği unutulmamalıdır. Ana metalin çatlamasını önlemek için, soğuk işlem görmüş parçalar kaynak öncesinde gerilim giderme işlemine tabi tutulmalı ve kaynak ısıtması mümkün olduğunca homojen olmalıdır. Çökeltme ile güçlendirilmiş süper alaşımlar için, parçalar önce katı çözelti işlemine tabi tutulmalı, daha sonra yaşlandırma güçlendirme işleminden biraz daha yüksek bir sıcaklıkta lehimlenmeli ve son olarak yaşlandırma işlemine tabi tutulmalıdır.

1) Koruyucu atmosfer fırınında lehimleme: Koruyucu atmosfer fırınında lehimleme, yüksek saflıkta koruyucu gaz gerektirir. w(AL) ve w(TI) içeriği %0,5'ten az olan süper alaşımlar için, hidrojen veya argon kullanıldığında çiğlenme noktası -54 ℃'nin altında olmalıdır. Al ve Ti içeriği arttıkça, alaşım yüzeyi ısıtıldığında hala oksitlenir. Aşağıdaki önlemler alınmalıdır: Az miktarda lehim akısı (örneğin fb105) ekleyin ve oksit filmini lehim akısı ile temizleyin; Parçaların yüzeyine 0,025 ~ 0,038 mm kalınlığında kaplama uygulayın; Lehimlenecek malzemenin yüzeyine önceden lehim püskürtün; Bor triflorür gibi az miktarda gaz akısı ekleyin.

2) Vakumlu lehimleme: Vakumlu lehimleme, daha iyi koruma etkisi ve lehimleme kalitesi elde etmek için yaygın olarak kullanılır. Tipik nikel esaslı süper alaşım bağlantılarının mekanik özellikleri için Tablo 15'e bakınız. w(AL) ve w(TI) %4'ten az olan süper alaşımlar için, özel bir ön işlem gerektirmeden lehimin ıslanması sağlanabilse de, yüzeye 0,01 ~ 0,015 mm kalınlığında nikel kaplama yapılması daha iyidir. w(AL) ve w(TI) %4'ü aştığında, nikel kaplamanın kalınlığı 0,02-0,03 mm olmalıdır. Çok ince kaplama koruyucu etki göstermezken, çok kalın kaplama bağlantının mukavemetini azaltacaktır. Kaynak yapılacak parçalar vakumlu lehimleme için kutuya da yerleştirilebilir. Kutu, gaz emici madde ile doldurulmalıdır. Örneğin, Zr yüksek sıcaklıkta gazı emer ve kutuda yerel bir vakum oluşturarak alaşım yüzeyinin oksidasyonunu önler.

Tablo 15 Tipik nikel bazlı süper alaşımların vakum lehimli bağlantılarının mekanik özellikleri

Süperalaşımın lehimli bağlantısının mikro yapısı ve mukavemeti, lehim aralığına bağlı olarak değişir ve lehimlemeden sonra uygulanan difüzyon işlemi, bağlantı aralığının izin verilen maksimum değerini daha da artırır. Inconel alaşımını örnek olarak alırsak, b-ni82crsib ile lehimlenmiş Inconel bağlantısının maksimum aralığı, 1000 ℃'de 1 saatlik difüzyon işleminden sonra 90 µm'ye ulaşabilir; ancak, b-ni71crsib ile lehimlenmiş bağlantılar için, 1000 ℃'de 1 saatlik difüzyon işleminden sonra maksimum aralık yaklaşık 50 µm'dir.

3) Geçici sıvı faz bağlantısı: Geçici sıvı faz bağlantısı, erime noktası ana metalden daha düşük olan ara katman alaşımını (yaklaşık 2,5 ~ 100 µm kalınlığında) dolgu metali olarak kullanır. Düşük bir basınç (0 ~ 0,007 mpa) ve uygun bir sıcaklık (1100 ~ 1250 ℃) altında, ara katman malzemesi önce erir ve ana metali nemlendirir. Elementlerin hızlı difüzyonu nedeniyle, eklemde izotermal katılaşma meydana gelir ve eklem oluşur. Bu yöntem, ana metal yüzeyinin eşleşme gereksinimlerini büyük ölçüde azaltır ve kaynak basıncını düşürür. Geçici sıvı faz bağlantısının ana parametreleri basınç, sıcaklık, bekleme süresi ve ara katmanın bileşimidir. Kaynak yüzeyinin iyi temas halinde kalması için daha az basınç uygulanır. Isıtma sıcaklığı ve süresi, eklemin performansını büyük ölçüde etkiler. Eğer bağlantının ana metal kadar güçlü olması ve ana metalin performansını etkilememesi gerekiyorsa, yüksek sıcaklık (örneğin ≥ 1150 ℃) ve uzun süre (örneğin 8 ~ 24 saat) bağlantı işlem parametreleri kullanılmalıdır; eğer bağlantı kalitesi düşerse veya ana metal yüksek sıcaklığa dayanamazsa, daha düşük sıcaklık (1100 ~ 1150 ℃) ve daha kısa süre (1 ~ 8 saat) kullanılmalıdır. Ara katman, bağlanan ana metalin bileşimini temel alarak, B, Si, Mn, Nb vb. gibi farklı soğutma elementleri eklenmelidir. Örneğin, Udimet alaşımının bileşimi ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo iken, geçici sıvı faz bağlantısı için ara katmanın bileşimi b-ni62.5cr15co15mo5b2.5'tir. Bu elementlerin tümü Ni Cr veya Ni Cr Co alaşımlarının erime sıcaklığını en düşük seviyeye indirebilir, ancak B'nin etkisi en belirgindir. Ayrıca, B'nin yüksek difüzyon hızı, ara katman alaşımını ve ana metali hızla homojenleştirebilir.