초합금의 브레이징

초합금의 브레이징

(1) 브레이징 특성 초합금은 니켈계, 철계, 코발트계로 구분할 수 있습니다. 니켈계 합금은 고온에서 우수한 기계적 성질, 내산화성, 내식성을 가지고 있습니다. 니켈계 합금은 실제 생산에 가장 널리 사용됩니다.

초합금은 Cr 함량이 높아 가열 시 표면에 Cr2O3 산화막이 형성되어 제거하기 어렵습니다. 니켈계 초합금은 Al과 Ti를 함유하고 있으며, 이는 가열 시 산화되기 쉽습니다. 따라서 가열 중 초합금의 산화를 방지하거나 줄이고 산화막을 제거하는 것이 브레이징 공정의 주요 과제입니다. 플럭스에 함유된 붕사나 붕산은 브레이징 온도에서 모재의 부식을 유발할 수 있으므로, 반응 후 석출된 붕소가 모재 내부로 침투하여 입계 용침을 유발할 수 있습니다. Al과 Ti 함량이 높은 니켈계 주조 합금의 경우, 브레이징 공정 중 합금 표면의 산화를 방지하기 위해 고온 진공도는 10-2 ~ 10-3pa 이상이어야 합니다.

용액 강화 및 석출 강화 니켈계 합금의 경우, 합금 원소의 완전한 용해를 보장하기 위해 브레이징 온도는 용액 처리 가열 온도와 일치해야 합니다. 브레이징 온도가 너무 낮으면 합금 원소가 완전히 용해되지 않습니다. 브레이징 온도가 너무 높으면 모재 입자가 성장하여 열처리 후에도 재료 특성이 회복되지 않습니다. 주조 모재 합금의 고용 온도가 높기 때문에 브레이징 온도가 너무 높아도 재료 특성에 영향을 미치지 않습니다.

일부 니켈계 초합금, 특히 석출 강화 합금은 응력 균열 경향이 있습니다. 브레이징 전에 공정 중 발생하는 응력을 완전히 제거하고, 브레이징 중 열응력을 최소화해야 합니다.

(2) 브레이징 재료인 니켈계 합금은 은계, 순수 구리, 니켈계 및 활성 솔더와 브레이징할 수 있습니다. 접합부의 작동 온도가 높지 않은 경우 은계 재료를 사용할 수 있습니다. 은계 솔더에는 여러 종류가 있습니다. 브레이징 가열 시 내부 응력을 줄이기 위해 용융점이 낮은 솔더를 선택하는 것이 가장 좋습니다. FB101 플럭스는 은계 필러 금속 브레이징에 사용할 수 있습니다. FB102 플럭스는 알루미늄 함량이 가장 높은 석출 강화 초합금 브레이징에 사용되며, 10% ~ 20%의 규산나트륨 또는 알루미늄 플럭스(예: FB201)가 첨가됩니다. 브레이징 온도가 900℃를 초과하는 경우 FB105 플럭스를 선택해야 합니다.

진공 또는 보호 분위기에서 브레이징할 경우 순수 구리를 브레이징 용가재로 사용할 수 있습니다. 브레이징 온도는 1100~1150℃이며, 접합부에 응력 균열이 발생하지 않지만, 작업 온도는 400℃를 초과해서는 안 됩니다.

니켈계 브레이징 용가재는 고온 성능이 우수하고 브레이징 중 응력 균열이 발생하지 않아 초합금에서 가장 일반적으로 사용되는 브레이징 용가재입니다. 니켈계 솔더의 주요 합금 원소는 Cr, Si, B이며, 소량의 솔더에는 Fe, W 등이 함유되어 있습니다. B-ni68crwb 브레이징 용가재는 Ni-Cr-Si-B와 비교하여 B의 모재 내로의 입계 침투를 줄이고 용융 온도 간격을 늘릴 수 있습니다. 고온 가공 부품 및 터빈 블레이드 브레이징용 브레이징 용가재입니다. 그러나 W를 함유한 솔더는 유동성이 떨어지고 접합부 간극 제어가 어렵습니다.

활성 확산 브레이징 용가재는 Si 원소를 포함하지 않으며, 우수한 내산화성 및 내가황성을 가지고 있습니다. 브레이징 온도는 솔더 종류에 따라 1150℃부터 1218℃까지 선택할 수 있습니다. 브레이징 후 1066℃ 확산 처리를 통해 모재와 동일한 특성을 갖는 브레이징 접합부를 얻을 수 있습니다.

(3) 니켈기 합금의 브레이징 공정은 보호 분위기로 브레이징, 진공 브레이징, 그리고 과도 액상 접합을 적용할 수 있습니다. 브레이징 전에 표면의 탈지 및 산화막 제거를 사포 연마, 펠트 휠 연마, 아세톤 스크러빙, 그리고 화학 세척을 통해 수행해야 합니다. 브레이징 공정 매개변수를 선택할 때는 플럭스와 모재 사이의 강한 화학 반응을 방지하기 위해 가열 온도가 너무 높지 않고 브레이징 시간이 짧아야 합니다. 모재의 균열을 방지하기 위해 냉간 가공된 부품은 용접 전에 응력 제거를 해야 하며, 용접 가열은 가능한 한 균일해야 합니다. 석출 강화 초합금의 경우, 먼저 고용체 처리를 거친 후, 시효 강화 처리보다 약간 높은 온도에서 브레이징하고, 마지막으로 시효 처리를 해야 합니다.

1) 보호 분위기로 브레이징 보호 분위기로 브레이징에는 고순도의 보호 가스가 필요합니다. w(AL) 및 w(TI) 함량이 0.5% 미만인 초합금의 경우, 수소 또는 아르곤을 사용할 때 이슬점은 -54℃ 미만이어야 합니다. Al과 Ti 함량이 증가하더라도 합금 표면은 가열 시 여전히 산화됩니다. 다음과 같은 조치를 취해야 합니다. 소량의 플럭스(예: FB105)를 첨가하고 플럭스로 산화 피막을 제거합니다. 부품 표면에 0.025 ~ 0.038mm 두께의 도금을 합니다. 브레이징할 소재 표면에 미리 솔더를 분사합니다. 삼불화붕소와 같은 소량의 가스 플럭스를 첨가합니다.

2) 진공 브레이징 진공 브레이징은 더 나은 보호 효과와 브레이징 품질을 얻기 위해 널리 사용됩니다. 일반적인 니켈 기반 초합금 접합부의 기계적 특성은 표 15를 참조하십시오. w(AL) 및 w(TI)가 4% 미만인 초합금의 경우, 표면에 0.01 ~ 0.015mm 두께의 니켈 층을 전기 도금하는 것이 더 좋지만, 특별한 전처리 없이도 솔더의 젖음을 보장할 수 있습니다. w(AL) 및 w(TI)가 4%를 초과하는 경우, 니켈 코팅 두께는 0.020.03mm이어야 합니다. 코팅이 너무 얇으면 보호 효과가 없고, 코팅이 너무 두꺼우면 접합부의 강도가 감소합니다. 용접할 부품을 진공 브레이징을 위해 상자에 넣을 수도 있습니다. 상자는 게터로 채워야 합니다. 예를 들어, Zr은 고온에서 가스를 흡수하여 상자 내에 국부적인 진공을 형성하여 합금 표면의 산화를 방지할 수 있습니다.

표 15 일반적인 니켈 기반 초합금의 진공 브레이징 접합부의 기계적 특성

초합금 브레이징 접합부의 미세조직과 강도는 브레이징 간격에 따라 달라지며, 브레이징 후 확산 처리를 하면 접합부 간격의 최대 허용값이 더욱 증가합니다. 인코넬 합금을 예로 들면, b-ni82crsib로 브레이징한 인코넬 접합부의 최대 간격은 1000℃에서 1H 동안 확산 처리 후 90㎛에 도달할 수 있습니다. 그러나 b-ni71crsib로 브레이징한 접합부의 경우, 1000℃에서 1H 동안 확산 처리 후 최대 간격은 약 50㎛입니다.

3) 과도 액상 접합 과도 액상 접합은 모재보다 융점이 낮은 층간 합금(두께 약 2.5~100um)을 용가재로 사용합니다. 낮은 압력(0~0.007mpa)과 적절한 온도(1100~1250℃)에서 층간 재료는 먼저 용융되어 모재를 적십니다. 원소의 빠른 확산으로 인해 접합부에서 등온 응고가 발생하여 접합부가 형성됩니다. 이 방법은 모재 표면의 정합 요건을 크게 줄이고 용접 압력을 낮춥니다. 과도 액상 접합의 주요 매개변수는 압력, 온도, 유지 시간 및 층간 성분입니다. 용접물의 접합면을 양호한 접촉 상태로 유지하려면 압력을 적게 가하십시오. 가열 온도와 시간은 접합부의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 접합부가 모재만큼 강해야 하고 모재의 성능에 영향을 미치지 않아야 하는 경우 고온(예: ≥ 1150℃) 및 장시간(예: 8~24h)의 접합 공정 매개변수를 채택해야 합니다. 접합부의 접합 품질이 떨어지거나 모재가 고온을 견딜 수 없는 경우 더 낮은 온도(1100~1150℃)와 더 짧은 시간(1~8h)을 사용해야 합니다. 중간층은 연결된 모재 조성을 기본 조성으로 하고 B, Si, Mn, Nb 등과 같은 다양한 냉각 요소를 추가해야 합니다. 예를 들어, Udimet 합금의 조성은 ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo이고, 과도 액상 접합을 위한 중간층의 조성은 b-ni62.5cr15co15mo5b2.5입니다. 이러한 모든 요소는 Ni Cr 또는 Ni Cr Co 합금의 용융 온도를 가장 낮게 낮출 수 있지만 B의 효과가 가장 분명합니다. 또한, B의 높은 확산율은 층간 합금과 기본 금속을 빠르게 균질화할 수 있습니다.