Brasagem de superligas

Brasagem de superligas

(1) As características de brasagem das superligas podem ser divididas em três categorias: à base de níquel, à base de ferro e à base de cobalto. Elas possuem boas propriedades mecânicas, resistência à oxidação e resistência à corrosão em altas temperaturas. A liga à base de níquel é a mais amplamente utilizada na produção prática.

A superliga contém mais Cr, e uma película de óxido de Cr₂O₃, de difícil remoção, se forma na superfície durante o aquecimento. As superligas à base de níquel contêm Al e Ti, que oxidam facilmente quando aquecidas. Portanto, prevenir ou reduzir a oxidação das superligas durante o aquecimento e remover a película de óxido é o principal desafio na brasagem. Como o bórax ou o ácido bórico no fluxo podem causar corrosão do metal base na temperatura de brasagem, o boro precipitado após a reação pode penetrar no metal base, resultando em infiltração intergranular. Para ligas fundidas à base de níquel com alto teor de Al e Ti, o grau de vácuo no estado quente não deve ser inferior a 10⁻² ~ 10⁻³ Pa durante a brasagem para evitar a oxidação na superfície da liga durante o aquecimento.

Para ligas de níquel reforçadas por solução sólida e por precipitação, a temperatura de brasagem deve ser compatível com a temperatura de aquecimento do tratamento de solubilização para garantir a completa dissolução dos elementos de liga. Se a temperatura de brasagem for muito baixa, os elementos de liga não se dissolverão completamente; se a temperatura de brasagem for muito alta, os grãos do metal base crescerão e as propriedades do material não serão restauradas mesmo após o tratamento térmico. A temperatura de solubilização das ligas fundidas é alta, o que geralmente não afeta as propriedades do material devido a uma temperatura de brasagem muito alta.

Algumas superligas à base de níquel, especialmente as ligas reforçadas por precipitação, têm tendência a fissurar sob tensão. Antes da brasagem, a tensão formada durante o processo deve ser completamente eliminada e a tensão térmica deve ser minimizada durante a brasagem.

(2) O material de brasagem, liga à base de níquel, pode ser brasado com materiais à base de prata, cobre puro, níquel e solda ativa. Quando a temperatura de trabalho da junta não for alta, podem ser utilizados materiais à base de prata. Existem muitos tipos de soldas à base de prata. Para reduzir a tensão interna durante o aquecimento da brasagem, é melhor escolher uma solda com baixo ponto de fusão. O fluxo Fb101 pode ser usado para brasagem com metal de adição à base de prata. O fluxo Fb102 é usado para brasagem de superligas reforçadas por precipitação com o maior teor de alumínio, e adiciona-se de 10% a 20% de silicato de sódio ou fluxo de alumínio (como o Fb201). Quando a temperatura de brasagem exceder 900 °C, deve-se selecionar o fluxo Fb105.

Na brasagem a vácuo ou em atmosfera protetora, o cobre puro pode ser usado como metal de adição. A temperatura de brasagem é de 1100 a 1150 °C, e a junta não apresentará fissuras por tensão, mas a temperatura de trabalho não deve exceder 400 °C.

A liga de brasagem à base de níquel é a mais utilizada em superligas devido ao seu bom desempenho em altas temperaturas e à ausência de fissuração por tensão durante a brasagem. Os principais elementos de liga na solda à base de níquel são Cr, Si e B, e pequenas quantidades de solda também contêm Fe, W, etc. Comparada à liga Ni-Cr-Si-B, a liga de brasagem B-Ni68CrWB pode reduzir a infiltração intergranular de B no metal base e aumentar o intervalo de temperatura de fusão. É uma liga de brasagem adequada para peças de trabalho de alta temperatura e pás de turbina. No entanto, a fluidez da solda contendo W é prejudicada e a folga da junta é difícil de controlar.

O metal de adição para brasagem por difusão ativa não contém silício e possui excelente resistência à oxidação e à vulcanização. A temperatura de brasagem pode ser selecionada entre 1150 °C e 1218 °C, dependendo do tipo de solda. Após a brasagem, obtém-se uma junta brasada com as mesmas propriedades do metal base após tratamento por difusão a 1066 °C.

(3) O processo de brasagem de ligas à base de níquel pode adotar brasagem em forno com atmosfera protetora, brasagem a vácuo e união em fase líquida transitória. Antes da brasagem, a superfície deve ser desengordurada e o óxido removido por polimento com lixa, polimento com roda de feltro, lavagem com acetona e limpeza química. Ao selecionar os parâmetros do processo de brasagem, deve-se observar que a temperatura de aquecimento não deve ser muito alta e o tempo de brasagem deve ser curto para evitar reações químicas fortes entre o fluxo e o metal base. Para evitar trincas no metal base, as peças processadas a frio devem ser aliviadas de tensões antes da soldagem, e o aquecimento durante a soldagem deve ser o mais uniforme possível. Para superligas reforçadas por precipitação, as peças devem ser submetidas primeiro a um tratamento de solubilização, depois brasadas a uma temperatura ligeiramente superior à do tratamento de endurecimento por envelhecimento e, finalmente, submetidas ao tratamento de envelhecimento.

1) Brasagem em forno com atmosfera protetora: a brasagem em forno com atmosfera protetora requer gás de proteção de alta pureza. Para superligas com w(Al) e w(Ti) inferior a 0,5%, o ponto de orvalho deve ser inferior a -54 °C quando se utiliza hidrogênio ou argônio. Quando o teor de Al e Ti aumenta, a superfície da liga ainda oxida quando aquecida. As seguintes medidas devem ser tomadas: adicionar uma pequena quantidade de fluxo (como o FB105) e remover a película de óxido com o fluxo; aplicar uma camada de 0,025 a 0,038 mm de espessura na superfície das peças; pulverizar a solda na superfície do material a ser brasado previamente; adicionar uma pequena quantidade de fluxo gasoso, como o trifluoreto de boro.

2) Brasagem a vácuo: A brasagem a vácuo é amplamente utilizada para obter melhor efeito de proteção e qualidade de brasagem. Consulte a tabela 15 para as propriedades mecânicas de juntas típicas de superligas à base de níquel. Para superligas com w(AL) e w(TI) inferiores a 4%, é preferível eletrodepositar uma camada de níquel de 0,01 a 0,015 mm na superfície, embora a molhabilidade da solda possa ser garantida sem pré-tratamento especial. Quando w(AL) e w(TI) excedem 4%, a espessura do revestimento de níquel deve ser de 0,02 a 0,03 mm. Revestimentos muito finos não têm efeito protetor e revestimentos muito espessos reduzem a resistência da junta. As peças a serem soldadas também podem ser colocadas em uma caixa para brasagem a vácuo. A caixa deve ser preenchida com um agente absorvente. Por exemplo, o zircônio absorve gases em altas temperaturas, o que pode formar um vácuo localizado na caixa, evitando assim a oxidação da superfície da liga.

Tabela 15: Propriedades mecânicas de juntas brasadas a vácuo de superligas típicas à base de níquel.

A microestrutura e a resistência da junta brasada da superliga variam com a folga de brasagem, e o tratamento de difusão após a brasagem aumenta ainda mais o valor máximo permitido para essa folga. Tomando como exemplo a liga Inconel, a folga máxima da junta de Inconel brasada com β-Ni82CrSiB pode atingir 90 µm após tratamento de difusão a 1000 °C por 1 hora; já para as juntas brasadas com β-Ni71CrSiB, a folga máxima é de aproximadamente 50 µm após tratamento de difusão a 1000 °C por 1 hora.

3) Conexão por fase líquida transiente: A conexão por fase líquida transiente utiliza uma liga intermediária (com espessura de aproximadamente 2,5 a 100 µm) cujo ponto de fusão é inferior ao do metal base como metal de adição. Sob baixa pressão (0 a 0,007 MPa) e temperatura adequada (1100 a 1250 °C), o material da camada intermediária funde e umedece o metal base. Devido à rápida difusão dos elementos, ocorre solidificação isotérmica na junta, formando-a. Este método reduz significativamente as exigências de correspondência da superfície do metal base e a pressão de soldagem. Os principais parâmetros da conexão por fase líquida transiente são pressão, temperatura, tempo de manutenção e composição da camada intermediária. Aplica-se menor pressão para manter o contato entre as superfícies de contato da solda. A temperatura e o tempo de aquecimento têm grande impacto no desempenho da junta. Se a junta precisar ser tão resistente quanto o metal base e não afetar o desempenho deste, devem ser adotados parâmetros de processo de conexão de alta temperatura (como ≥ 1150 ℃) e longo tempo (como 8 a 24 h). Se a qualidade da conexão da junta for reduzida ou o metal base não suportar altas temperaturas, devem ser utilizadas temperaturas mais baixas (1100 a 1150 ℃) e tempos mais curtos (1 a 8 h). A camada intermediária deve ter a mesma composição do metal base a ser conectado, adicionando-se diferentes elementos de resfriamento, como B, Si, Mn, Nb, etc. Por exemplo, a composição da liga Udimet é Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, e a composição da camada intermediária para conexão transitória em fase líquida é β-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Todos esses elementos podem reduzir a temperatura de fusão das ligas de NiCr ou NiCrCo ao mínimo, mas o efeito do boro (B) é o mais evidente. Além disso, a alta taxa de difusão do B pode homogeneizar rapidamente a liga intercamada e o metal base.