لحام السبائك الفائقة

لحام السبائك الفائقة

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

تحتوي السبائك الفائقة على نسبة أعلى من الكروم، ويتشكل على سطحها أثناء التسخين طبقة من أكسيد الكروم الثلاثي (Cr₂O₃) يصعب إزالتها. تحتوي السبائك الفائقة ذات الأساس النيكلي على الألومنيوم والتيتانيوم، وهما عنصران يتأكسدان بسهولة عند التسخين. لذلك، يُعد منع أو تقليل أكسدة السبائك الفائقة أثناء التسخين وإزالة طبقة الأكسيد التحدي الرئيسي في عملية اللحام. ونظرًا لأن البوراكس أو حمض البوريك الموجود في مادة الصهر قد يُسبب تآكل المعدن الأساسي عند درجة حرارة اللحام، فإن البورون المترسب بعد التفاعل قد يتغلغل في المعدن الأساسي، مما يؤدي إلى تسربه بين الحبيبات. بالنسبة لسبائك النيكل المصبوبة ذات المحتوى العالي من الألومنيوم والتيتانيوم، يجب ألا تقل درجة الفراغ في الحالة الساخنة عن 10⁻² إلى 10⁻³ باسكال أثناء اللحام لتجنب أكسدة سطح السبيكة أثناء التسخين.

بالنسبة لسبائك النيكل المُقوّاة بالمحلول أو بالترسيب، يجب أن تتوافق درجة حرارة اللحام مع درجة حرارة التسخين في المعالجة الحرارية بالمحلول لضمان ذوبان عناصر السبيكة بالكامل. إذا كانت درجة حرارة اللحام منخفضة جدًا، فلن تذوب عناصر السبيكة تمامًا؛ أما إذا كانت مرتفعة جدًا، فستنمو حبيبات المعدن الأساسي، ولن تستعيد المادة خواصها حتى بعد المعالجة الحرارية. تكون درجة حرارة المحلول الصلب لسبائك القاعدة المصبوبة مرتفعة، وعادةً لا تؤثر درجة حرارة اللحام المرتفعة جدًا على خواص المادة.

تتميز بعض السبائك الفائقة ذات الأساس النيكلي، وخاصة السبائك المقواة بالترسيب، بميلها إلى التصدع الناتج عن الإجهاد. قبل عملية اللحام، يجب إزالة الإجهاد المتولد أثناء العملية بالكامل، كما يجب تقليل الإجهاد الحراري إلى أدنى حد ممكن أثناء اللحام.

(2) يمكن لحام سبائك النيكل باستخدام مواد لحام ذات أساس فضي، أو نحاس نقي، أو نيكل، أو لحام نشط. عند انخفاض درجة حرارة اللحام، يُفضل استخدام مواد ذات أساس فضي. تتوفر أنواع عديدة من اللحامات ذات الأساس الفضي. ولتقليل الإجهاد الداخلي أثناء التسخين، يُنصح باختيار لحام ذي درجة انصهار منخفضة. يمكن استخدام التدفق Fb101 للحام باستخدام معدن حشو ذي أساس فضي. يُستخدم التدفق Fb102 للحام السبائك الفائقة المقواة بالترسيب ذات أعلى محتوى من الألومنيوم، مع إضافة 10% إلى 20% من سيليكات الصوديوم أو تدفق الألومنيوم (مثل fb201). عند تجاوز درجة حرارة اللحام 900 درجة مئوية، يُفضل استخدام التدفق fb105.

عند اللحام بالنحاس في الفراغ أو في جو واقٍ، يمكن استخدام النحاس النقي كمادة حشو. تتراوح درجة حرارة اللحام بين 1100 و1150 درجة مئوية، ولن يحدث تشقق إجهادي في الوصلة، ولكن يجب ألا تتجاوز درجة حرارة التشغيل 400 درجة مئوية.

يُعدّ معدن اللحام ذو الأساس النيكلي الأكثر شيوعًا في صناعة السبائك الفائقة نظرًا لأدائه الممتاز في درجات الحرارة العالية وعدم حدوث تشققات إجهادية أثناء اللحام. تتكون سبيكة اللحام ذات الأساس النيكلي بشكل أساسي من الكروم والسيليكون والبورون، بالإضافة إلى كميات ضئيلة من الحديد والتنغستن وغيرها. بالمقارنة مع سبيكة Ni-Cr-Si-B، فإن سبيكة B-Ni68CrWB تُقلل من تسرب البورون بين حبيبات المعدن الأساسي وتزيد من نطاق درجة حرارة الانصهار. تُستخدم هذه السبيكة في لحام الأجزاء العاملة في درجات الحرارة العالية وشفرات التوربينات. مع ذلك، تنخفض سيولة اللحام المحتوي على التنغستن، ويصعب التحكم في فجوة الوصلة.

لا يحتوي معدن الحشو المستخدم في اللحام بالانتشار النشط على عنصر السيليكون، ويتميز بمقاومة ممتازة للأكسدة والتصلب. يمكن اختيار درجة حرارة اللحام من 1150 درجة مئوية إلى 1218 درجة مئوية حسب نوع اللحام. بعد اللحام، يمكن الحصول على وصلة ملحومة بنفس خصائص المعدن الأساسي بعد معالجتها بالانتشار عند درجة حرارة 1066 درجة مئوية.

(3) يمكن لحام سبائك النيكل باستخدام تقنيات اللحام بالنحاس في أفران ذات جو واقٍ، أو اللحام بالنحاس في الفراغ، أو اللحام بالطور السائل العابر. قبل اللحام، يجب إزالة الشحوم والأكاسيد من السطح باستخدام ورق الصنفرة، أو عجلة اللباد، أو الأسيتون، أو التنظيف الكيميائي. عند اختيار معايير عملية اللحام، يجب مراعاة عدم ارتفاع درجة حرارة التسخين وقصر مدة اللحام لتجنب التفاعل الكيميائي القوي بين المادة المساعدة على اللحام والمعدن الأساسي. ولمنع تشقق المعدن الأساسي، يجب تخفيف الإجهاد في الأجزاء المعالجة على البارد قبل اللحام، مع الحرص على أن يكون تسخين اللحام متجانسًا قدر الإمكان. أما بالنسبة للسبائك الفائقة المقواة بالترسيب، فيجب معالجة الأجزاء أولاً بمحلول صلب، ثم لحامها بالنحاس عند درجة حرارة أعلى قليلاً من درجة حرارة معالجة التقوية بالتقادم، وأخيرًا معالجتها بالتقادم.

1) اللحام في فرن ذي جو واقٍ: يتطلب اللحام في فرن ذي جو واقٍ استخدام غاز واقٍ عالي النقاء. بالنسبة للسبائك الفائقة التي تقل نسبة الألومنيوم والتيتانيوم فيها عن 0.5%، يجب أن تكون نقطة الندى أقل من -54 درجة مئوية عند استخدام الهيدروجين أو الأرجون. مع ازدياد نسبة الألومنيوم والتيتانيوم، يتأكسد سطح السبيكة عند تسخينها. لذا، يجب اتخاذ الإجراءات التالية: إضافة كمية صغيرة من مادة مساعدة على اللحام (مثل fb105) وإزالة طبقة الأكسيد باستخدامها؛ طلاء سطح الأجزاء بطبقة بسمك 0.025 إلى 0.038 مم؛ رش مادة اللحام على سطح المادة المراد لحامها مسبقًا؛ إضافة كمية صغيرة من غاز مساعد على اللحام، مثل ثلاثي فلوريد البورون.

٢) اللحام بالتفريغ: يُستخدم اللحام بالتفريغ على نطاق واسع لتحسين الحماية وجودة اللحام. انظر الجدول ١٥ للاطلاع على الخصائص الميكانيكية لوصلات سبائك النيكل الفائقة النموذجية. بالنسبة للسبائك الفائقة التي تقل فيها نسبة w(AL) و w(TI) عن ٤٪، يُفضل طلاء السطح بطبقة من النيكل بسمك ٠.٠١ إلى ٠.٠١٥ مم، مع العلم أنه يمكن ضمان ترطيب اللحام دون معالجة مسبقة خاصة. عندما تتجاوز نسبة w(AL) و w(TI) ٤٪، يجب أن يتراوح سمك طبقة النيكل بين ٠.٠٢٠ و ٠.٠٣ مم. الطبقة الرقيقة جدًا لا توفر أي حماية، بينما الطبقة السميكة جدًا تُضعف قوة الوصلة. يمكن أيضًا وضع الأجزاء المراد لحامها داخل صندوق اللحام بالتفريغ. يجب ملء الصندوق بمادة ماصة للغازات. على سبيل المثال، يمتص الزركونيوم الغاز عند درجات الحرارة العالية، مما يُشكل فراغًا موضعيًا داخل الصندوق، وبالتالي يمنع أكسدة سطح السبيكة.

الجدول 15: الخواص الميكانيكية لوصلات اللحام الفراغي لسبائك النيكل الفائقة النموذجية

تتغير البنية المجهرية وقوة وصلة اللحام في السبائك الفائقة بتغير فجوة اللحام، وتؤدي المعالجة الحرارية بعد اللحام إلى زيادة الحد الأقصى المسموح به لفجوة الوصلة. فعلى سبيل المثال، في سبيكة إنكونيل الملحومة باستخدام سبيكة b-ni82crsib، تصل أقصى فجوة إلى 90 ميكرومتر بعد المعالجة الحرارية عند 1000 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة؛ بينما في الوصلات الملحومة باستخدام سبيكة b-ni71crsib، تبلغ أقصى فجوة حوالي 50 ميكرومتر بعد المعالجة الحرارية عند 1000 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة.

3) وصلة الطور السائل العابر: تستخدم هذه الوصلة سبيكة بينية (بسماكة تتراوح بين 2.5 و100 ميكرومتر تقريبًا) ذات درجة انصهار أقل من المعدن الأساسي، كمعدن حشو. تحت ضغط منخفض (0 إلى 0.007 ميجا باسكال) ودرجة حرارة مناسبة (1100 إلى 1250 درجة مئوية)، تنصهر المادة البينية أولًا وترطب المعدن الأساسي. وبسبب الانتشار السريع للعناصر، يحدث تصلب متساوي الحرارة عند الوصلة لتشكيلها. تقلل هذه الطريقة بشكل كبير من متطلبات مطابقة سطح المعدن الأساسي، كما تقلل من ضغط اللحام. تتمثل المعايير الرئيسية لوصلة الطور السائل العابر في الضغط ودرجة الحرارة ومدة التسخين وتركيب المادة البينية. يُنصح بتطبيق ضغط منخفض للحفاظ على تلامس جيد بين سطحي اللحام. تؤثر درجة حرارة التسخين ومدة التسخين بشكل كبير على أداء الوصلة. إذا كان المطلوب أن تكون الوصلة بنفس قوة المعدن الأساسي دون التأثير على أدائه، فيجب اعتماد معايير عملية التوصيل التي تتطلب درجة حرارة عالية (≥ 1150 درجة مئوية) ومدة طويلة (من 8 إلى 24 ساعة). أما إذا انخفضت جودة الوصلة أو لم يتحمل المعدن الأساسي درجات الحرارة العالية، فيجب استخدام درجة حرارة أقل (من 1100 إلى 1150 درجة مئوية) ومدة أقصر (من ساعة إلى 8 ساعات). يجب أن يكون تركيب الطبقة الوسيطة مطابقًا لتركيب المعدن الأساسي المتصل به، مع إضافة عناصر تبريد مختلفة، مثل البورون والسيليكون والمنغنيز والنيوبيوم، إلخ. على سبيل المثال، يتكون سبيكة أوديميت من النيكل والكروم (15%) والكوبالت (18%) والألومنيوم (4%) والألومنيوم (3%) والتيتانيوم (3%) والموليبدينوم (5%)، بينما يتكون تركيب الطبقة الوسيطة للتوصيل في الطور السائل العابر من النيكل والكوبالت (6%) والكروم (2%) والكوبالت (15%) والموليبدينوم (15%) والنيوبيوم (2%). تُساهم جميع هذه العناصر في خفض درجة انصهار سبائك النيكل والكروم أو النيكل والكروم والكوبالت إلى أدنى مستوى، إلا أن تأثير البورون هو الأبرز. إضافةً إلى ذلك، يُسهم معدل انتشار البورون العالي في تجانس سبيكة الطبقة البينية والمعدن الأساسي بسرعة.