لحام السبائك الفائقة

لحام السبائك الفائقة

(1) يمكن تقسيم السبائك الفائقة من حيث خصائص اللحام إلى ثلاث فئات: سبائك النيكل، وسبائك الحديد، وسبائك الكوبالت. تتميز هذه السبائك بخصائص ميكانيكية ممتازة، ومقاومة للأكسدة والتآكل في درجات الحرارة العالية. وتُعدّ سبائك النيكل الأكثر استخدامًا في الإنتاج العملي.

تحتوي السبيكة الفائقة على نسبة عالية من الكروم، وتتكون طبقة أكسيد Cr2O3 على السطح أثناء التسخين، وهي طبقة يصعب إزالتها. تحتوي السبائك الفائقة ذات القاعدة النيكلية على الألومنيوم والتيتانيوم، اللذين يتأكسدان بسهولة عند التسخين. لذلك، يُعد منع أو تقليل أكسدة السبائك الفائقة أثناء التسخين وإزالة طبقة الأكسيد المشكلة الرئيسية أثناء اللحام. نظرًا لأن البوراكس أو حمض البوريك في مادة الصهر قد يُسببان تآكل المعدن الأساسي عند درجة حرارة اللحام، فإن البورون المترسب بعد التفاعل قد يخترق المعدن الأساسي، مما يؤدي إلى تسرب بين الحبيبات. بالنسبة لسبائك النيكل المصبوبة ذات المحتوى العالي من الألومنيوم والتيتانيوم، يجب ألا تقل درجة الفراغ في الحالة الساخنة عن 10-2 ~ 10-3 باسكال أثناء اللحام لتجنب الأكسدة على سطح السبيكة أثناء التسخين.

بالنسبة لسبائك النيكل المُقوّاة بالمحلول والمُرسَّبة، يجب أن تكون درجة حرارة اللحام مُطابقة لدرجة حرارة تسخين المُعالجة بالمحلول لضمان الذوبان الكامل لعناصر السبائك. إذا كانت درجة حرارة اللحام منخفضة جدًا، فلا يُمكن إذابة عناصر السبائك تمامًا؛ فإذا كانت درجة حرارة اللحام مرتفعة جدًا، سينمو حبيبات المعدن الأساسي، ولن تستعيد المادة خصائصها حتى بعد المعالجة الحرارية. درجة حرارة المحلول الصلب لسبائك القاعدة المصبوبة مرتفعة، وعادةً ما لا تؤثر على خصائص المادة بسبب ارتفاع درجة حرارة اللحام.

بعض السبائك الفائقة القائمة على النيكل، وخاصةً السبائك المُقوّاة بالترسيب، تميل إلى التشقق الإجهادي. قبل اللحام، يجب إزالة الإجهاد المتشكل أثناء العملية تمامًا، وتقليل الإجهاد الحراري أثناء اللحام.

(2) يمكن لحام سبيكة النيكل باستخدام مادة اللحام بالنحاس النقي، أو الفضة، أو النيكل، أو اللحام النشط. عند انخفاض درجة حرارة اللحام، يمكن استخدام مواد فضية. تتوفر أنواع عديدة من اللحام بالفضة. لتقليل الضغط الداخلي أثناء اللحام، يُفضل اختيار لحام بدرجة انصهار منخفضة. يُستخدم تدفق Fb101 للحام مع معدن حشو فضي. يُستخدم تدفق Fb102 للحام سبائك فائقة مُقوّاة بالترسيب تحتوي على أعلى نسبة من الألومنيوم، مع إضافة سيليكات الصوديوم أو تدفق الألومنيوم (مثل fb201) بنسبة تتراوح بين 10% و20%. عند تجاوز درجة حرارة اللحام 900 درجة مئوية، يُفضل اختيار تدفق fb105.

عند اللحام في الفراغ أو في بيئة واقية، يُمكن استخدام النحاس النقي كمعدن حشو. تتراوح درجة حرارة اللحام بين 1100 و1150 درجة مئوية، ولن يُسبب اللحام تشققات إجهادية، ولكن يجب ألا تتجاوز درجة حرارة التشغيل 400 درجة مئوية.

يُعدّ معدن حشو اللحام بالنيكل الأكثر استخدامًا في السبائك الفائقة، نظرًا لأدائه الجيد في درجات الحرارة العالية وعدم تشققه الإجهادي أثناء اللحام. العناصر الرئيسية في لحام النيكل هي الكروم، والسيليكون، والبروم، وتحتوي كمية صغيرة من اللحام أيضًا على الحديد، والزنك، وغيرها. بالمقارنة مع النيكل-كر-سي-ب، يُمكن لمعدن حشو اللحام بالنيكل-ني68-كر-ب تقليل تسرب البورون بين الحبيبات إلى المعدن الأساسي وزيادة فترة الانصهار. وهو معدن حشو لحام يُستخدم في لحام أجزاء العمل عالية الحرارة وشفرات التوربينات. ومع ذلك، تزداد سيولة اللحام المحتوي على النحاس، ويصعب التحكم في فجوة الوصلة.

معدن حشو اللحام بالانتشار النشط خالٍ من عنصر السيليكون، ويتميز بمقاومة ممتازة للأكسدة والبركنة. يمكن اختيار درجة حرارة اللحام من ١١٥٠ إلى ١٢١٨ درجة مئوية حسب نوع اللحام. بعد اللحام، يمكن الحصول على وصلة ملحومة بنفس خصائص المعدن الأساسي بعد معالجة انتشارية عند درجة حرارة ١٠٦٦ درجة مئوية.

(3) يمكن استخدام عملية اللحام بالنحاس في فرن الغلاف الجوي الواقي، واللحام الفراغي، وتوصيلات الطور السائل المؤقتة. قبل اللحام، يجب إزالة الشحوم من السطح وإزالة الأكسيد بتلميع ورق الصنفرة، وتلميع عجلة اللباد، وفرك الأسيتون، والتنظيف الكيميائي. عند اختيار معايير عملية اللحام، يجب مراعاة أن درجة حرارة التسخين يجب ألا تكون مرتفعة جدًا وأن يكون وقت اللحام قصيرًا لتجنب التفاعل الكيميائي القوي بين مادة الصهر والمعدن الأساسي. لمنع تشقق المعدن الأساسي، يجب تخفيف إجهاد الأجزاء المعالجة على البارد قبل اللحام، ويجب أن يكون تسخين اللحام موحدًا قدر الإمكان. بالنسبة للسبائك الفائقة المقواة بالترسيب، يجب معالجة الأجزاء بالمحلول الصلب أولاً، ثم لحامها بدرجة حرارة أعلى قليلاً من معالجة التقوية بالشيخوخة، وأخيرًا معالجة الشيخوخة.

١) يتطلب اللحام في فرن الأجواء الواقية غازًا واقيًا عالي النقاء. بالنسبة للسبائك الفائقة التي تحتوي على نسبة w (AL) وw (TI) أقل من ٠٫٥٪، يجب أن تكون نقطة الندى أقل من -٥٤ درجة مئوية عند استخدام الهيدروجين أو الأرجون. مع زيادة محتوى Al وTi، يستمر سطح السبيكة في التأكسد عند التسخين. يجب اتخاذ الإجراءات التالية: إضافة كمية صغيرة من مادة الصهر (مثل fb105) وإزالة طبقة الأكسيد باستخدام مادة الصهر؛ طلاء سطح الأجزاء بسمك يتراوح بين ٠٫٠٢٥ و٠٫٠٣٨ مم؛ رش اللحام على سطح المادة المراد لحامها مسبقًا؛ إضافة كمية صغيرة من غاز الصهر، مثل ثلاثي فلوريد البورون.

٢) اللحام بالتفريغ: يُستخدم اللحام بالتفريغ على نطاق واسع لتحسين الحماية وجودة اللحام. انظر الجدول ١٥ للاطلاع على الخواص الميكانيكية لمفاصل سبائك النيكل الفائقة النموذجية. بالنسبة للسبائك الفائقة التي تحتوي على w (AL) وw (TI) أقل من ٤٪، يُفضل طلاء سطحها بالكهرباء بطبقة من النيكل بسمك ٠.٠١ إلى ٠.٠١٥ مم، مع إمكانية ضمان ترطيب اللحام دون معالجة مسبقة خاصة. عندما تتجاوز w (AL) وw (TI) ٤٪، يجب أن يكون سمك طلاء النيكل ٠.٠٢٠.٠٣ مم. لا يُحدث الطلاء الرقيق جدًا أي تأثير وقائي، كما أن الطلاء السميك جدًا يُقلل من قوة الوصلة. يمكن أيضًا وضع الأجزاء المراد لحامها في صندوق اللحام بالتفريغ. يجب ملء الصندوق بمادة لاصقة. على سبيل المثال، يمتص الزركونيوم الغاز عند درجة حرارة عالية، مما قد يُشكل فراغًا موضعيًا في الصندوق، مما يمنع أكسدة سطح السبيكة.

الجدول 15 الخصائص الميكانيكية للمفاصل الملحومة بالتفريغ من سبائك النيكل النموذجية

تتغير البنية الدقيقة ومتانة الوصلة الملحومة للسبائك الفائقة مع تغير فجوة اللحام، كما أن المعالجة بالانتشار بعد اللحام تزيد من القيمة القصوى المسموح بها لفجوة الوصلة. على سبيل المثال، يمكن أن تصل الفجوة القصوى لوصلة إنكونيل الملحومة بـ b-ni82crsib إلى 90 ميكرومتر بعد المعالجة بالانتشار عند 1000 درجة مئوية لـ 1H؛ أما في الوصلات الملحومة بـ b-ni71crsib، فتبلغ الفجوة القصوى حوالي 50 ميكرومتر بعد المعالجة بالانتشار عند 1000 درجة مئوية لـ 1H.

٣) وصلة الطور السائل العابر: تستخدم هذه الوصلة سبيكة بين الطبقات (بسمك يتراوح بين ٢.٥ و١٠٠ ميكرومتر تقريبًا) تكون درجة انصهارها أقل من درجة انصهار المعدن الأساسي كمعدن حشو. تحت ضغط منخفض (٠ إلى ٠.٠٠٧ ميجا باسكال) ودرجة حرارة مناسبة (١١٠٠ إلى ١٢٥٠ درجة مئوية)، تذوب مادة الطبقة أولاً وتُرطب المعدن الأساسي. بسبب الانتشار السريع للعناصر، يحدث تصلب متساوي الحرارة عند المفصل لتشكيل المفصل. تقلل هذه الطريقة بشكل كبير من متطلبات مطابقة سطح المعدن الأساسي وتقلل ضغط اللحام. المعلمات الرئيسية لوصلة الطور السائل العابر هي الضغط ودرجة الحرارة ووقت التثبيت وتركيب الطبقة البينية. يُطبق ضغط أقل للحفاظ على سطح اللحام في حالة تلامس جيدة. درجة حرارة التسخين ووقت التسخين لهما تأثير كبير على أداء المفصل. إذا كان من المطلوب أن يكون المفصل قويًا مثل المعدن الأساسي ولا يؤثر على أداء المعدن الأساسي، فيجب اعتماد معلمات عملية التوصيل لدرجة حرارة عالية (مثل ≥ 1150 ℃) ووقت طويل (مثل 8 ~ 24 ساعة)؛ إذا انخفضت جودة توصيل المفصل أو لم يستطع المعدن الأساسي تحمل درجة حرارة عالية، فيجب استخدام درجة حرارة أقل (1100 ~ 1150 ℃) ووقت أقصر (1 ~ 8 ساعات). يجب أن تأخذ الطبقة الوسيطة تركيبة المعدن الأساسي المتصل كتركيبة أساسية، وتضيف عناصر تبريد مختلفة، مثل B وSi وMn وNb وما إلى ذلك. على سبيل المثال، تكوين سبيكة Udimet هو ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo، وتكوين الطبقة الوسيطة لتوصيل الطور السائل المؤقت هو b-ni62.5cr15co15mo5b2.5. جميع هذه العناصر قادرة على خفض درجة انصهار سبائك النيكل والكروم والنيكل والكروم والكوبالت إلى أدنى حد، إلا أن تأثير البورون هو الأوضح. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل الانتشار العالي للبرون يُمكّن من تجانس سبيكة الطبقات الداخلية والمعادن الأساسية بسرعة.