PL233058B1

PL233058B1 - Method for joining aluminum alloys with nickel superalloys by hard soldering

Info

Publication number: PL233058B1
Application number: PL423038A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Mirski; Kazimierz Diduszko; Kazimierz Granat; Tomasz Wojdat; Krystian Kisiel; Agata Żuk; Sylwia Łamasz
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2017-10-03
Publication date: 2019-08-30
Also published as: PL423038A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia stopów aluminium z nadstopami niklu, przeznaczonych w szczególności do wytwarzania elementów narzędzi pomiarowych na przykład termopar, lutami na osnowie Al-Si, w procesie lutowania twardego z użyciem międzywarstwy utworzonej ze spoiwa o wyższej temperaturze topnienia.The subject of the invention is a method of joining aluminum alloys with nickel superalloys, intended in particular for the production of measuring tool elements, e.g. thermocouples, Al-Si solder, in the brazing process with the use of an interlayer made of a binder with a higher melting point.

Wytwarzanie trwałych i funkcjonalnych połączeń lutowanych, zwłaszcza materiałów o zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych, zawsze stanowiło duży problem technologiczny, który wynika głównie z braku uniwersalnych materiałów lutowniczych, takich jak luty i topniki. Wybór m ateriałów dodatkowych do procesu lutowania materiałów różnoimiennych determinowany jest specyficznymi właściwościami pary spajanych materiałów (na przykład niską temperaturą topnienia, wysoką temperaturą rozkładu tlenków, tworzeniem trudno zwilżalnych faz międzymetalicznych), co może stwarzać problemy związane z uzyskaniem dobrej zwilżalności, powodując obniżenie jakości złącza lub brak możliwości jego wykonania, tak by spełniało one stawiane wymagania eksploatacyjne. Rozwiązaniem problemu może być zastosowanie w procesie lutowania twardego tak zwanej międzywarstwy utworzonej na przykład ze spoiwa lutowniczego o innej, wyższej, temperaturze topnienia od temperatury topnienia spoiwa przeznaczonego do wytworzenia połączenia, która będzie przez nie dobrze zwilżana i nie będzie tworzyła z nim kruchych faz międzymetalicznych.The production of durable and functional solder joints, especially materials with different physicochemical properties, has always been a big technological problem, which is mainly due to the lack of universal soldering materials, such as solders and fluxes. The choice of additional materials for the brazing process of dissimilar materials is determined by the specific properties of the pair of the materials to be bonded (e.g. low melting point, high temperature of oxidation decomposition, formation of hardly wettable intermetallic phases), which may pose problems related to obtaining good wettability, causing a reduction in the quality of the joint or no possibility of its implementation so that it meets the operational requirements. The problem may be solved by the use of a so-called interlayer in the brazing process, for example made of a brazing filler with a different, higher melting point than the melting point of the binder intended for the connection, which will be well wetted by it and will not form brittle intermetallic phases with it.

Lutowanie aluminium i jego stopów z nadstopami niklu, z uwagi na dużą różnicę w temperaturze topnienia obydwu metali (Al około 660°C, Ni natomiast 1455°C) oraz zróżnicowane właściwości fizykochemiczne obydwu metali, wykonuje się metodą lutowania twardego z zastosowaniem spoiwa siluminowego na osnowie Al-Si. Zastosowanie lutów na osnowie Al-Si, przy bezpośrednim lutowaniu stopu aluminium z nadstopem niklu, powoduje jednak powstanie silnej reakcji egzotermicznej i miejscowy wzrost temperatury. W efekcie tworzy się na powierzchni stopu niklowego warstwa ze związkami Al i Ni (aluminki niklu) oraz warstwy tlenków, uniemożliwiające powstanie poprawnego połączenia lutowanego.Brazing of aluminum and its alloys with nickel superalloys, due to the large difference in the melting point of both metals (Al about 660 ° C, Ni and 1455 ° C) and different physicochemical properties of both metals, is performed by brazing with the use of silumin binder on the matrix Al-Si. However, the use of Al-Si solders in direct brazing of an aluminum alloy with a nickel superalloy causes a strong exothermic reaction and a local increase in temperature. As a result, a layer with Al and Ni compounds (nickel aluminides) and oxide layers are formed on the surface of the nickel alloy, preventing the proper soldering connection.

Z opisu wynalazku US 20140285059 znany jest sposób wytwarzania komutatorów silników elektrycznych o silnym połączeniu pomiędzy warstwą metalową a prętami grafitowymi. Proces lutowania przebiega w dwóch etapach - w pierwszym etapie w procesie lutowania twardego nanosi się warstwę spoiwa twardego na strukturę prętów grafitowych, po czym w drugim etapie, obejmującym lutowanie miękkie za pomocą dodatkowego spoiwa, łączy się pręty grafitowe z arkuszem blachy metalowej.From the description of the invention US 20140285059 a method of producing commutators of electric motors with a strong connection between a metal layer and graphite bars is known. The brazing process takes place in two stages - in the first stage, in the brazing process, a layer of hard binder is applied to the structure of graphite rods, and then in the second stage, including soft soldering with an additional binder, the graphite rods are joined with a sheet of metal sheet.

W rozwiązaniu, znanym z opisu wynalazku US 6949300, do naniesienia warstwy lutu na powierzchnię elementów wymienników ciepła wykonanych z aluminium i jego stopów zaproponowano wysokociśnieniowe natryskiwanie na zimno znane z opisu patentowego numer US 6139913. Nanoszona warstwa poza lutem zawierała inhibitory korozji. Próbne złącza zostały polutowane na twardo w temperaturze 600°C z zastosowaniem atmosfery ochronnej.In the solution known from the description of the invention US 6,949,300, high-pressure cold spraying known from the patent description US 6,139,913 was proposed for applying a braze layer to the surface of heat exchanger elements made of aluminum and its alloys. The layer applied, apart from the braze, contained corrosion inhibitors. The test joints were hard-brazed at 600 ° C using a protective atmosphere.

Z opisu wynalazku US 4340650 znany jest sposób łączenia kształtek z węglików spiekanych z korpusami narzędzi z wykorzystaniem wielowarstwowego stopu lutowniczego. Dwie warstwy zewnętrzne tworzą stopy lutownicze o ok. 40% niższej temperaturze topnienia od warstwy wewnętrznej, w wyniku czego nie jest ona stapiana w trakcie procesu lutowania piecowego i stanowi międzywarstwę absorbującą naprężenia powstające podczas chłodzenia połączenia, spowodowane różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej.From the description of the invention US 4340650 a method of joining cemented carbide fittings with tool bodies using a multilayer solder is known. The two outer layers form solder alloys with a melting point of about 40% lower than the inner layer, as a result of which it is not fused during the furnace brazing process and is an interlayer that absorbs the stresses arising during the cooling of the joint, caused by different thermal expansion coefficients.

Znane jest również rozwiązanie z opisu wynalazku US 20060254830, gdzie do wytwarzania narzędzi tnących, które zawierają: podłoże z naniesioną warstwą diamentową TSP, metalową warstwę pośrednią między warstwą podłoża i warstwą diamentu oraz warstwę lutu zabezpieczającą warstwę diamentową na podłożu.The solution from the description of the invention US 20060254830 is also known, where for the production of cutting tools, which include: a substrate with a TSP diamond layer applied to it, a metal intermediate layer between the substrate layer and the diamond layer and a braze layer protecting the diamond layer on the substrate.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu łączenia stopów aluminium z nadstopami niklu metodą lutowania twardego z wykorzystaniem metalicznej warstwy pośredniej.The object of the invention is to provide a method of joining aluminum alloys with nickel superalloys by brazing with the use of a metallic intermediate layer.

Istota sposobu łączenia stopów aluminium z nadstopami niklu metodą lutowania twardego, według wynalazku, polega na tym, że na odtłuszczoną i oczyszczoną chemicznie bądź mechanicznie z tlenków powierzchnię jednego z metali nanosi się topnik, następnie powierzchnię metalu na którą naniosło się topnik pokrywa się warstwą lutu, o temperaturze topnienia w zakresie 800+830°C, która po zakrzepnięciu stanowi międzywarstwę metaliczną. Następnie na powierzchnię utworzonej tak międzywarstwy i powierzchnię, zespalanego z metalem z naniesioną międzywarstwą, oczyszczonego uprzednio z tlenków, drugiego z metali, nanosi się topnik, a po ustaleniu ich wzajemnego położenia, podgrzewa się je do temperatury lutowania i dozuje w miejsce wytwarzanego połączenia spoiwo w postaci lutu o temperaturze topnienia w zakresie 577+620°C, którym wytwarza się trwałe połączenieThe essence of the method of joining aluminum alloys with nickel superalloys by brazing, according to the invention, consists in the fact that a flux is applied to the degreased and chemically or mechanically cleaned surface of one of the metals, then the metal surface to which the flux was applied is covered with a layer of solder, with a melting point in the range of 800 + 830 ° C, which after solidification forms a metallic interlayer. Then, the flux is applied to the surface of the interlayer and the surface, which is bonded to the metal with the interlayer, previously cleaned of the other oxides, the flux is applied, and after establishing their mutual position, they are heated to the soldering temperature and dosed with the binder in place of the bond being produced. solder with a melting point in the range of 577 + 620 ° C, which produces a permanent bond

PL 233 058 B1 lutowe. Jeden z metali stanowi stop aluminium a drugi nadstop niklu. Międzywarstwę o grubości od 1 do 3 mm nanosi się równomiernie na całej powierzchni jednego z metali przeznaczonego do wykonania połączenia lutowanego.PL 233 058 B1 February. One of the metals is aluminum alloy and the other is nickel superalloy. An interlayer with a thickness of 1 to 3 mm is evenly applied over the entire surface of one of the metals to be soldered.

Korzystnie międzywarstwa metaliczna nanoszona jest na powierzchnię nadstopu niklu.Preferably, the metallic interlayer is applied to the surface of the nickel superalloy.

Korzystnie międzywarstwę metaliczną wytwarza się w procesie lutowania płomieniowego przy użyciu płomienia acetylenowo-tlenowego.Preferably, the metallic interlayer is produced by a flame brazing process using an oxy-acetylene flame.

Korzystnie międzywarstwę metaliczną wytwarza się metodą nagrzewania indukcyjnego.Preferably, the metallic interlayer is produced by induction heating.

Korzystnie międzywarstwę na powierzchni nadstopu niklu wytwarza się ze spoiwa w postaci lutu na osnowie miedzi i srebra.Preferably, the interlayer on the surface of the nickel superalloy is made of a binder in the form of a copper and silver solder.

Korzystnie międzywarstwę metaliczną wytwarza się ze spoiwa w postaci lutu na osnowie miedzi, cynku i srebra.Preferably, the metallic interlayer is made of a binder in the form of a copper, zinc and silver solder.

Korzystnie spoiwo jest w postaci drutu albo pasty lutowniczej.Preferably the binder is in the form of a wire or solder paste.

W rozwiązaniu według wynalazku powierzchnię jednego z metali zazwyczaj nadstopu niklu, przeznaczoną do utworzenia połączenia lutowanego pokrywa się warstwą lutu twardego, która po zakrzepnięciu stanowi międzywarstwę o właściwościach umożliwiających powstanie połączenia lutowanego. Międzywarstwa może być utworzona ze spoiwa do lutowania twardego, o temperaturze topnienia wyższej od temperatury topnienia spoiw na osnowie Al-Si, przynajmniej o 100°C, ale które nie tworzy kruchych faz międzymetalicznych z nadstopami niklu i jest dobrze zwilżana przez spoiwa Al-Si. Do pobielania (nakładania międzywarstwy lutowniczej) może być stosowana dowolna metoda lutowania twardego, umożliwiająca równomierne naniesienie międzywarstwy. Cała powierzchnia przeznaczona do procesu lutowania powinna być pokryta międzywarstwą, aby zapewnić jednolite właściwości złącza. Grubość międzywarstwy jest dowolna, jednak korzystnym jest zastosowanie grubości powyżej 1 mm, co gwarantuje jej trwałość (nie ulega całkowitemu roztwarzaniu) w procesie lutowania twardego. Elementy przeznaczone do lutowania są wykonane przede wszystkim z trudnospajalnych stopów aluminium (duraluminium) serii 7000 i nadstopów niklu typu Inconel.In the solution according to the invention, the surface of one of the metals, usually nickel superalloy, intended to form a brazed joint is covered with a braze layer which, after solidification, constitutes an interlayer with properties enabling the formation of a brazed joint. The interlayer may be formed of a brazing filler metal having a melting point higher than the melting point of Al-Si binders by at least 100 ° C, but which does not form brittle intermetallic phases with nickel superalloys and is well wetted by Al-Si binders. Any method of brazing that allows for even application of the interlayer can be used for whitening (placing the braze interlayer). The entire surface intended for the soldering process should be covered with an interlayer to ensure uniform joint properties. The thickness of the interlayer is optional, but it is preferable to use a thickness above 1 mm, which guarantees its durability (it does not dissolve completely) in the brazing process. Elements intended for soldering are made mainly of difficult-to-weld aluminum alloys (duralumin) of the 7000 series and nickel superalloys of the Inconel type.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie realizacji i na rysunku, na którym pokazano schemat połączenia lutowanego.The subject of the invention is explained in an embodiment and in the drawing, which shows a diagram of a soldered connection.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Sposób łączenia stopów aluminium z nadstopami niklu metodą lutowania twardego polega na tym, że powierzchnię nadstopu niklu Inconel 600 - metalu nr 1 znanymi metodami odtłuszcza się i oczyszcza mechanicznie lub chemicznie z tlenków. Następnie na tak przygotowaną powierzchnię nadstopu niklu - metalu nr 1 nanosi się topnik, a następie wytwarza się na niej międzywarstwę metaliczną nr 2 poprzez pokrycie pokrytej topnikiem powierzchni nadstopu niklu - metalu nr 1 stopionym lutem twardym Ag212, na osnowie miedzi, cynku i srebra. Międzywarstwę metaliczną nr 2 nanosi się w procesie lutowania płomieniowego przy użyciu płomienia acetylenowo-tlenowego, lutem w postaci drutu, którego temperatura topnienia wynosi w zakresie 800-830°C. Międzywarstwę metaliczną nr 2 o grubości powyżej 1 mm nanosi się na całej powierzchni przeznaczonej do wykonania połączenia lutowanego. Nanoszenie międzywarstwy metalicznej nr 2 (lutowniczej) może odbywać się dowolną metodą lutowania twardego, najlepiej lutowania topnikowego przy użyciu płomienia acetylenowo-tlenowego. Bezpośrednio po zakończeniu procesu nanoszenia międzywarstwy metalicznej nr 2 na oczyszczoną powierzchnię stopu aluminium Al7075 - metalu nr 3 oraz na międzywarstwę 2 nanosi się topnik nr 4 a następnie po ustaleniu wzajemnej pozycji zespalanych metali 1, 3 podgrzewa się je płomieniem propanowopowietrznym do temperatury lutowania, wynoszącej około 600°C, oraz dozuje w miejsce zespalania spoiwo aluminiowe AlSi12 nr 5, w postaci drutu, w celu uzyskania trwałego połączenia lutowanego. Międzywarstwa metaliczna 2 może być wytworzona w zakresie od 0,5 do 3 mm grubości. Międzywarstwa metaliczna 2 może być wytworzona także na przykład z lutu - drutu na osnowie miedzi, i srebra. Międzywarstwa metaliczna 2 może być nanoszona także na stop aluminium - metal nr 3.The method of joining aluminum alloys with nickel superalloys by brazing is based on the fact that the surface of Inconel 600 nickel superalloy - metal No. 1 is degreased and mechanically or chemically cleaned of oxides by known methods. Then, a flux is applied to the thus prepared surface of the nickel superalloy - metal No. 1, and then the metallic interlayer No. 2 is produced on it by covering the flux-coated surface of the nickel superalloy - metal No. 1 with hard solder Ag212, based on copper, zinc and silver. The metallic interlayer No. 2 is applied in the flame brazing process with the use of an oxy-acetylene flame with a wire solder, the melting point of which is in the range 800-830 ° C. Metal interlayer no. 2 with a thickness of more than 1 mm is applied on the entire surface intended for the solder joint. The metallic interlayer No. 2 (solder) can be applied by any method of brazing, preferably by flux soldering with the use of an oxygen-acetylene flame. Immediately after the completion of the process of applying the metallic interlayer No. 2, flux No. 4 is applied to the cleaned surface of the Al7075 aluminum alloy - metal No. 3 on the cleaned surface of the aluminum alloy Al7075 - metal No. 3 and to the interlayer 2, and then, after establishing the mutual position of the metals to be joined 1, 3, they are heated with a propane-air flame to the brazing temperature of approx. 600 ° C, and dispenses the bonding site with aluminum binder AlSi12 No. 5, in the form of a wire, in order to obtain a permanent soldered connection. The metallic interlayer 2 may be produced in the range of 0.5 to 3 mm in thickness. The metallic interlayer 2 can also be produced, for example, from a solder-wire with a copper matrix and silver. The metallic interlayer 2 can also be applied to the aluminum alloy - metal No. 3.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sposób lutowania twardego stopów aluminium z nadstopem niklu, przebiega jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że międzywarstwę metaliczną nr 2 nanosi się ze spoiwa nr 5 w postaci pasty lutowniczej. Pasta lutownicza charakteryzuje się większą rozpływnością w porównaniu z osobno dozowanymi materiałami lutowniczymi i jest bardziej wygodna w przypadku lutowania drobnych i cienkich elementów.The method of brazing aluminum alloys with nickel superalloy is as in example 1, with the difference that the metallic interlayer No. 2 is applied from binder No. 5 in the form of a solder paste. Solder paste has a higher flow rate compared to separately dosed solder materials and is more convenient for soldering small and thin parts.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Sposób lutowania twardego stopów aluminium z nadstopem niklu, przebiega jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że międzywarstwę metaliczną nr 2 nanosi się metodą nagrzewania indukcyjnego. Nagrzewanie indukcyjne umożliwia szybsze nagrzewanie lutowanych elementów, zwłaszcza o większej masie.The method of brazing aluminum alloys with nickel superalloy is as in example 1, with the difference that the metallic interlayer No. 2 is applied by induction heating. Induction heating enables faster heating of brazed parts, especially those with greater mass.

Claims

Patent claims

1. Method of joining aluminum alloys with nickel superalloys by brazing in which metals, one of which is nickel superalloy and the other aluminum alloy, are degreased and cleaned of oxides, and then joined with a binder in the form of solder, in the flame soldering process at a temperature in the range of 577 + 620 ° C, characterized in that before the creation of a permanent brazed connection of metals (1, 3), a flux is applied to the previously degreased and cleaned of oxides on the surface of one of the metals (1), which is then covered with a layer of solder with a melting point in the range of 800 + 830 ° C, which after solidification forms a metallic interlayer (2) applied on one of the metals, and the surface of the other metal (3) is covered with flux (4), while the flux (4) also covers the surface the metallic interlayer (2).

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the metallic interlayer (2) is produced by a flame brazing process using an oxy-acetylene flame.

3. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the metallic interlayer (2) is applied by induction heating.

4. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that copper, zinc and silver wire solder is used to produce the metallic interlayer (2).

5. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that copper and silver wire solder is used to produce the metallic interlayer (2).

6. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the metallic interlayer (2) is applied from a binder in the form of a solder paste or a wire.

7. The method according to p. A method as claimed in claim 1, characterized in that the metallic interlayer (2) is applied over the entire surface intended to form a soldered joint.

8. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the thickness of the metallic interlayer (2) is not less than 1 mm.

9. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the metallic interlayer (2) is applied to the surface of the nickel superalloy (1).