초합금의 브레이징

초합금의 브레이징

(1) 브레이징 특성 초합금은 니켈계, 철계, 코발트계의 세 가지 범주로 나눌 수 있다. 이들은 고온에서 우수한 기계적 특성, 산화 저항성 및 내식성을 가지고 있다. 니켈계 합금은 실제 생산에서 가장 널리 사용된다.

초합금은 크롬 함량이 높아 가열 시 표면에 제거하기 어려운 Cr₂O₃ 산화막이 형성됩니다. 니켈계 초합금은 알루미늄과 티타늄을 함유하고 있어 가열 시 산화되기 쉽습니다. 따라서 가열 중 초합금의 산화를 방지하거나 줄이고 산화막을 제거하는 것이 브레이징 공정의 주요 과제입니다. 플럭스에 함유된 붕사 또는 붕산은 브레이징 온도에서 모재를 부식시킬 수 있으며, 반응 후 석출된 붕소가 모재 내부로 침투하여 입계 침투를 일으킬 수 있습니다. 알루미늄과 티타늄 함량이 높은 주조 니켈계 합금의 경우, 가열 중 합금 표면의 산화를 방지하기 위해 브레이징 시 열간 진공도는 10⁻² ~ 10⁻³ Pa 이상이어야 합니다.

용체화 강화 및 석출 강화 니켈계 합금의 경우, 합금 원소의 완전한 용해를 위해서는 브레이징 온도가 용체화 처리의 가열 온도와 일치해야 합니다. 브레이징 온도가 너무 낮으면 합금 원소가 완전히 용해되지 않고, 너무 높으면 모재의 결정립이 성장하여 열처리 후에도 물성이 복원되지 않습니다. 주조 모재 합금의 고용체 형성 온도는 일반적으로 높기 때문에 브레이징 온도가 너무 높더라도 물성에 큰 영향을 미치지 않습니다.

일부 니켈계 초합금, 특히 석출강화합금은 응력 균열이 발생하는 경향이 있습니다. 브레이징 전에 공정 중에 발생한 응력을 완전히 제거해야 하며, 브레이징 과정 중에는 열응력을 최소화해야 합니다.

(2) 니켈계 합금 브레이징 재료는 은계, 순수 구리, 니켈계 및 활성 땜납으로 브레이징할 수 있습니다. 접합부의 작동 온도가 높지 않은 경우 은계 재료를 사용할 수 있습니다. 은계 땜납에는 여러 종류가 있습니다. 브레이징 가열 중 내부 응력을 줄이기 위해 융점이 낮은 땜납을 선택하는 것이 가장 좋습니다. 은계 필러 금속을 사용한 브레이징에는 Fb101 플럭스를 사용할 수 있습니다. 알루미늄 함량이 가장 높은 석출 강화 초합금의 브레이징에는 Fb102 플럭스를 사용하고, 10%~20%의 규산나트륨 또는 알루미늄 플럭스(예: Fb201)를 첨가합니다. 브레이징 온도가 900℃를 초과하는 경우에는 Fb105 플럭스를 선택해야 합니다.

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

니켈계 브레이징 필러는 고온 성능이 우수하고 브레이징 중 응력 균열이 발생하지 않아 초합금에 가장 일반적으로 사용되는 브레이징 필러입니다. 니켈계 솔더의 주요 합금 원소는 Cr, Si, B이며, 소량의 솔더에는 Fe, W 등이 포함됩니다. Ni-Cr-Si-B 솔더와 비교했을 때, B-Ni68CrWB 브레이징 필러는 모재로의 B 입계 침투를 줄이고 용융 온도 범위를 넓힐 수 있습니다. 따라서 고온 작동 부품 및 터빈 블레이드 브레이징에 적합한 필러입니다. 그러나 W를 함유한 솔더는 유동성이 떨어지고 접합 간극 제어가 어려워집니다.

활성 확산 브레이징 필러 금속은 Si 원소를 함유하지 않으며 산화 저항성 및 가황 저항성이 우수합니다. 브레이징 온도는 솔더 종류에 따라 1150℃에서 1218℃까지 선택할 수 있습니다. 브레이징 후 1066℃에서 확산 처리를 하면 모재와 동일한 특성을 가진 브레이징 접합부를 얻을 수 있습니다.

(3) 니켈계 합금의 브레이징 공정은 보호 분위기로 브레이징, 진공 브레이징 및 일시 액상 연결 브레이징을 사용할 수 있습니다. 브레이징 전에는 표면의 탈지 및 산화물 제거를 위해 사포 연마, 펠트 휠 연마, 아세톤 세척 및 화학 세척을 해야 합니다. 브레이징 공정 매개변수를 선택할 때는 가열 온도가 너무 높지 않도록 하고 브레이징 시간을 짧게 하여 플럭스와 모재 사이의 강한 화학 반응을 방지해야 합니다. 모재의 균열을 방지하기 위해 냉간 가공된 부품은 용접 전에 응력 제거를 해야 하며, 용접 가열은 가능한 한 균일해야 합니다. 석출 강화 초합금의 경우, 부품은 먼저 고용체 처리를 한 후, 시효 강화 처리 온도보다 약간 높은 온도에서 브레이징하고 마지막으로 시효 처리를 해야 합니다.

1) 보호 분위기로에서의 브레이징 보호 분위기로에서의 브레이징은 고순도의 보호 가스를 필요로 합니다. w(AL) 및 w(TI) 함량이 0.5% 미만인 초합금의 경우, 수소 또는 아르곤을 사용할 때 이슬점은 -54℃ 미만이어야 합니다. Al 및 Ti 함량이 증가하면 가열 시 합금 표면이 산화될 수 있습니다. 따라서 다음과 같은 조치를 취해야 합니다. 소량의 플럭스(예: FB105)를 첨가하여 플럭스로 산화막을 제거합니다. 부품 표면에 0.025~0.038mm 두께의 코팅을 합니다. 브레이징할 재료 표면에 미리 납땜을 합니다. 삼불화붕소와 같은 소량의 가스 플럭스를 첨가합니다.

2) 진공 브레이징 진공 브레이징은 우수한 보호 효과와 브레이징 품질을 얻기 위해 널리 사용됩니다. 표 15에서 일반적인 니켈계 초합금 접합부의 기계적 특성을 확인할 수 있습니다. w(AL) 및 w(TI)가 4% 미만인 초합금의 경우, 특별한 전처리 없이도 납땜의 젖음성은 확보되지만, 표면에 0.01~0.015mm 두께의 니켈 도금층을 형성하는 것이 좋습니다. w(AL) 및 w(TI)가 4%를 초과하는 경우에는 니켈 도금 두께를 0.02~0.03mm로 해야 합니다. 도금층이 너무 얇으면 보호 효과가 없고, 너무 두꺼우면 접합 강도가 저하됩니다. 용접할 부품을 진공 브레이징용 상자에 넣고 브레이징할 수도 있습니다. 상자에는 게터(예: Zr)를 채워야 합니다. Zr은 고온에서 가스를 흡수하여 상자 내부에 국부적인 진공을 형성함으로써 합금 표면의 산화를 방지합니다.

표 15. 일반적인 니켈계 초합금의 진공 브레이징 접합부의 기계적 특성

초합금 브레이징 접합부의 미세구조와 강도는 브레이징 간격에 따라 변화하며, 브레이징 후 확산 처리를 하면 접합 간격의 최대 허용값을 더욱 증가시킬 수 있습니다. 인코넬 합금을 예로 들면, b-ni82crsib로 브레이징한 인코넬 접합부의 최대 간격은 1000℃에서 1시간 동안 확산 처리 후 90μm에 도달할 수 있습니다. 그러나 b-ni71crsib로 브레이징한 접합부의 경우, 1000℃에서 1시간 동안 확산 처리 후 최대 간격은 약 50μm입니다.

3) 일시적 액상 접합(Transient Liquid Phase Connection)은 모재보다 융점이 낮은 중간층 합금(두께 약 2.5~100μm)을 용가재로 사용합니다. 낮은 압력(0~0.007MPa)과 적절한 온도(1100~1250℃) 조건에서 중간층 재료가 먼저 녹아 모재를 적십니다. 원소들의 빠른 확산으로 인해 접합면에서 등온 응고가 일어나 접합부가 형성됩니다. 이 방법은 모재 표면의 접합 요구 조건을 크게 완화하고 용접 압력을 낮춥니다. 일시적 액상 접합의 주요 매개변수는 압력, 온도, 유지 시간 및 중간층 조성입니다. 용접부의 접합면을 잘 접촉시키기 위해 낮은 압력을 가합니다. 가열 온도와 시간은 접합 성능에 큰 영향을 미칩니다. 접합부가 모재와 동일한 강도를 가져야 하고 모재의 성능에 영향을 미치지 않아야 하는 경우, 고온(예: 1150℃ 이상) 및 장시간(예: 8~24시간)의 접합 공정 조건을 적용해야 합니다. 접합 품질이 저하되거나 모재가 고온을 견디지 못하는 경우에는 저온(1100~1150℃) 및 단시간(1~8시간)의 조건을 적용해야 합니다. 중간층은 접합되는 모재의 조성을 기본으로 하고, B, Si, Mn, Nb 등의 냉각 원소를 첨가해야 합니다. 예를 들어, Udimet 합금의 조성은 ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo이고, 일시적 액상 접합용 중간층의 조성은 b-ni62.5cr15co15mo5b2.5입니다. 이러한 원소들은 모두 Ni-Cr 또는 Ni-Cr-Co 합금의 용융 온도를 최대한 낮출 수 있지만, B의 효과가 가장 두드러집니다. 또한, 붕소의 높은 확산 속도는 층간 합금과 모재를 빠르게 균질화할 수 있습니다.