Brasage des superalliages

Brasage des superalliages

(1) Caractéristiques de brasage : les superalliages peuvent être divisés en trois catégories : base nickel, base fer et base cobalt. Ils présentent de bonnes propriétés mécaniques, une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température. L'alliage à base de nickel est le plus largement utilisé en production.

Le superalliage contient davantage de chrome, et une pellicule d'oxyde de Cr2O3, difficile à éliminer, se forme à la surface lors du chauffage. Les superalliages à base de nickel contiennent de l'aluminium et du titane, qui s'oxydent facilement à la chaleur. Par conséquent, la prévention ou la réduction de l'oxydation des superalliages pendant le chauffage et l'élimination de la pellicule d'oxyde constituent les principaux problèmes du brasage. Le borax ou l'acide borique présents dans le flux pouvant corroder le métal de base à la température de brasage, le bore précipité après la réaction peut pénétrer dans le métal de base et provoquer une infiltration intergranulaire. Pour les alliages à base de nickel coulés à forte teneur en aluminium et en titane, le degré de vide à chaud ne doit pas être inférieur à 10-2 ~ 10-3 Pa pendant le brasage afin d'éviter l'oxydation de la surface de l'alliage pendant le chauffage.

Pour les alliages à base de nickel renforcés par solution et par précipitation, la température de brasage doit être cohérente avec la température de chauffage de la mise en solution afin d'assurer la dissolution complète des éléments d'alliage. Une température de brasage trop basse empêche la dissolution complète des éléments d'alliage. Une température de brasage trop élevée entraîne un grossissement des grains du métal de base et empêche le rétablissement des propriétés du matériau, même après traitement thermique. La température de mise en solution solide des alliages à base coulée est élevée, ce qui n'affecte généralement pas les propriétés du matériau.

Certains superalliages à base de nickel, notamment les alliages renforcés par précipitation, ont tendance à se fissurer sous contrainte. Avant le brasage, les contraintes créées lors du processus doivent être entièrement éliminées et les contraintes thermiques doivent être minimisées pendant le brasage.

(2) Les alliages à base de nickel peuvent être brasés avec des alliages à base d'argent, du cuivre pur, des alliages à base de nickel et des alliages actifs. Lorsque la température de travail du joint est faible, des alliages à base d'argent peuvent être utilisés. Il existe de nombreux types d'alliages à base d'argent. Afin de réduire les contraintes internes lors de la brasure, il est préférable de choisir un alliage à basse température de fusion. Le flux FB101 peut être utilisé pour le brasage avec un métal d'apport à base d'argent. Le flux FB102 est utilisé pour le brasage des superalliages renforcés par précipitation à forte teneur en aluminium, avec ajout de 10 à 20 % de silicate de sodium ou d'un flux d'aluminium (tel que FB201). Lorsque la température de brasage dépasse 900 °C, le flux FB105 est recommandé.

Pour le brasage sous vide ou sous atmosphère protectrice, le cuivre pur peut être utilisé comme métal d'apport. La température de brasage est comprise entre 1 100 et 1 150 °C, ce qui permet d'éviter les fissures sous contrainte. La température de service ne doit cependant pas dépasser 400 °C.

Le métal d'apport de brasure à base de nickel est le métal d'apport le plus couramment utilisé dans les superalliages en raison de sa bonne tenue à haute température et de son absence de fissuration sous contrainte lors du brasage. Les principaux éléments d'alliage de la brasure à base de nickel sont le Cr, le Si et le B, et une faible quantité contient également du Fe, du W, etc. Comparé au Ni-Cr-Si-B, le métal d'apport de brasure b-ni68crwb permet de réduire l'infiltration intergranulaire de B dans le métal de base et d'augmenter l'intervalle de température de fusion. C'est un métal d'apport de brasure pour le brasage de pièces à haute température et d'aubes de turbine. Cependant, la fluidité de la brasure contenant du W est moins bonne et l'espacement des joints est difficile à contrôler.

Le métal d'apport de brasage par diffusion active ne contient pas de silicium et présente une excellente résistance à l'oxydation et à la vulcanisation. La température de brasage peut être choisie entre 1150 °C et 1218 °C selon le type de brasure. Après brasage, un joint brasé présentant les mêmes propriétés que le métal de base peut être obtenu après un traitement de diffusion à 1066 °C.

(3) Le brasage des alliages à base de nickel peut être réalisé en four à atmosphère protectrice, sous vide ou en phase liquide transitoire. Avant le brasage, la surface doit être dégraissée et oxydée par polissage au papier de verre, polissage au feutre, décapage à l'acétone et nettoyage chimique. Lors du choix des paramètres du brasage, il convient de veiller à ce que la température de chauffage ne soit pas trop élevée et le temps de brasage court afin d'éviter une réaction chimique trop forte entre le flux et le métal de base. Afin d'éviter toute fissuration du métal de base, les pièces traitées à froid doivent être détendues avant le soudage et le chauffage de soudage doit être aussi uniforme que possible. Pour les superalliages renforcés par précipitation, les pièces doivent d'abord être soumises à un traitement en solution solide, puis brasées à une température légèrement supérieure à celle du traitement de renforcement par vieillissement, et enfin à un traitement de vieillissement.

1) Brasage en four à atmosphère protectrice. Le brasage en four à atmosphère protectrice nécessite un gaz de protection d'une grande pureté. Pour les superalliages dont la teneur en w (AL) et w (TI) est inférieure à 0,5 %, le point de rosée doit être inférieur à -54 °C en présence d'hydrogène ou d'argon. L'augmentation de la teneur en Al et Ti entraîne l'oxydation de la surface de l'alliage sous l'effet de la chaleur. Les mesures suivantes doivent être prises : ajouter une petite quantité de flux (par exemple, du fb105) et éliminer le film d'oxyde avec ce flux ; déposer un revêtement de 0,025 à 0,038 mm d'épaisseur sur la surface des pièces ; pulvériser la brasure sur la surface du matériau à braser au préalable ; ajouter une petite quantité de flux gazeux, par exemple du trifluorure de bore.

2) Brasage sous vide : le brasage sous vide est largement utilisé pour obtenir une meilleure protection et une meilleure qualité de brasage. Voir le tableau 15 pour les propriétés mécaniques des assemblages typiques en superalliages à base de nickel. Pour les superalliages dont les teneurs en w (AL) et w (TI) sont inférieures à 4 %, il est préférable de déposer électrolytiquement une couche de nickel de 0,01 à 0,015 mm en surface, bien que le mouillage de la brasure puisse être assuré sans prétraitement particulier. Lorsque les teneurs en w (AL) et w (TI) dépassent 4 %, l'épaisseur du revêtement de nickel doit être de 0,02 à 0,03 mm. Un revêtement trop fin n'a aucun effet protecteur, tandis qu'un revêtement trop épais réduira la résistance du joint. Les pièces à souder peuvent également être placées dans une boîte pour le brasage sous vide. Cette boîte doit être remplie de getter. Par exemple, le Zr absorbe les gaz à haute température, ce qui peut créer un vide local dans la boîte, empêchant ainsi l'oxydation de la surface de l'alliage.

Tableau 15 propriétés mécaniques des joints brasés sous vide de superalliages à base de nickel typiques

La microstructure et la résistance des joints brasés en superalliage varient en fonction de l'espace de brasage, et le traitement de diffusion après brasage augmente encore la valeur maximale admissible de cet espace. Prenons l'exemple de l'alliage Inconel : l'espace maximal d'un joint Inconel brasé avec du b-ni82crsib peut atteindre 90 µm après un traitement de diffusion à 1 000 °C pendant 1 H. En revanche, pour les joints brasés avec du b-ni71crsib, l'espace maximal est d'environ 50 µm après un traitement de diffusion à 1 000 °C pendant 1 H.

3) Assemblage en phase liquide transitoire. L'assemblage en phase liquide transitoire utilise comme métal d'apport un alliage intercalaire (d'une épaisseur d'environ 2,5 à 100 µm) dont le point de fusion est inférieur à celui du métal de base. Sous une faible pression (0 à 0,007 MPa) et une température appropriée (1 100 à 1 250 °C), l'alliage intercalaire fond et humidifie le métal de base. Grâce à la diffusion rapide des éléments, une solidification isotherme se produit au niveau du joint pour former celui-ci. Cette méthode réduit considérablement les exigences d'adaptation de la surface du métal de base et la pression de soudage. Les principaux paramètres de l'assemblage en phase liquide transitoire sont la pression, la température, le temps de maintien et la composition de l'intercalaire. Une pression réduite permet de maintenir un bon contact entre les surfaces de contact de la soudure. La température et le temps de chauffage ont un impact important sur les performances du joint. Si l'assemblage doit être aussi résistant que le métal de base sans affecter ses performances, des paramètres de processus d'assemblage à haute température (par exemple ≥ 1150 ℃) et à longue durée (par exemple 8 à 24 h) doivent être adoptés. Si la qualité de l'assemblage est réduite ou si le métal de base ne résiste pas aux températures élevées, une température plus basse (1100 à 1150 ℃) et une durée plus courte (1 à 8 h) doivent être utilisées. La couche intermédiaire doit prendre la composition du métal de base connecté comme composition de base, en y ajoutant différents éléments de refroidissement, tels que B, Si, Mn, Nb, etc. Par exemple, la composition de l'alliage Udimet est Ni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5mo, et la composition de la couche intermédiaire pour l'assemblage en phase liquide transitoire est B-Ni62.5cr15co15mo5b2.5. Tous ces éléments peuvent réduire au maximum la température de fusion des alliages NiCr ou NiCrCo, mais l'effet du bore est le plus évident. De plus, la vitesse de diffusion élevée du bore permet d'homogénéiser rapidement l'alliage intercouche et le métal de base.