Brasatura del titanio e delle leghe di titanio

La brasatura del titanio è un processo avanzato in grado di ottenere connessioni leggere, ad alta tenuta e resistenti alla corrosione. È ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale, nelle apparecchiature mediche, nelle apparecchiature per lo scambio termico e negli strumenti di precisione. Rispetto alla saldatura, la brasatura mostra una maggiore flessibilità in strutture complesse, parti a parete sottile o materiali diversi. Tuttavia, le caratteristiche del titanio stesso comportano anche molte sfide di processo.

Sfide della brasatura del titanio

Il titanio è estremamente sensibile all'ossigeno e all'azoto e forma rapidamente un denso film di ossido quando la temperatura aumenta. Questo film ostacolerà seriamente la bagnatura e il flusso del materiale di brasatura, compromettendo così la resistenza e la tenuta del giunto. Pertanto, la brasatura del titanio deve essere effettuata in un ambiente con un contenuto di ossigeno estremamente basso, che richiede solitamente un grado di vuoto inferiore a 10 ⁻⁴ Pa, oppure utilizzando come atmosfera protettiva argon di elevata purezza con una purezza superiore al 99,999%.

Oltre alla sua elevata attività chimica, il titanio ha una bassa conduttività termica e un alto punto di fusione, che rende difficile distribuire uniformemente l'apporto di calore. Durante la brasatura, il surriscaldamento locale può facilmente portare all'ingrossamento del grano, alla trasformazione strutturale e persino alla rottura dei giunti, soprattutto quando si tratta di leghe di titanio α+β come il Ti-6Al-4V.

Processi di brasatura comuni

Brasatura sottovuoto

La brasatura sottovuoto è considerata il processo più maturo e affidabile per la brasatura in lega di titanio. È particolarmente adatto per componenti con strutture complesse, elevata resistenza ed elevati requisiti di tenuta, come scambiatori di calore aerospaziali, tubazioni di sistemi idraulici, componenti di raffreddamento del motore, ecc.

Il processo viene solitamente eseguito in un forno a vuoto e il grado di vuoto nel forno deve essere controllato a 10 ⁻⁴ Pa o inferiore per isolare completamente l'ossigeno e l'umidità. La temperatura di brasatura è solitamente impostata tra 880°C e 950°C, ed è ottimizzata e regolata in base alla composizione del materiale di brasatura utilizzato e alle dimensioni del giunto. In un ambiente sottovuoto, il film di ossido sulla superficie del titanio viene rimosso naturalmente e il materiale per brasatura può raggiungere la completa bagnatura e diffusione senza l'uso di flusso.

Il vantaggio della brasatura sottovuoto è che può ottenere una struttura del giunto uniforme e priva di inclusioni e non è necessario alcun trattamento di pulizia aggiuntivo sulla superficie dopo la saldatura. È particolarmente indicato per prodotti con requisiti estremamente elevati di pulizia e proprietà meccaniche. Tuttavia, l'investimento in apparecchiature è elevato, il ciclo di riscaldamento è lungo e la precisione del controllo del processo è elevata. È più adatto per la produzione di massa e la lavorazione di parti chiave.

Brasatura a induzione vs brasatura a fiamma

La brasatura a induzione e la brasatura a fiamma sono due soluzioni comuni e a basso costo per la giunzione del titanio quando i forni a vuoto non sono disponibili o quando vengono lavorati solo piccoli lotti di parti. Questi processi si basano sul riscaldamento localizzato e sull'uso di flussi specializzati per sfondare la barriera di ossidazione sulla superficie del titanio.

Il TiBF-19 è il flusso specifico del titanio più comune, con buona attività chimica e bagnabilità. Può lavorare con materiali per brasatura da 760 °C a 815 °C, consentendo la brasatura all'aria di materiali in titanio. Il riscaldamento a induzione presenta i vantaggi di un'elevata efficienza di riscaldamento e di una piccola zona termicamente alterata, mentre il riscaldamento a fiamma è facile da azionare manualmente e ha una forte flessibilità.

Tuttavia, poiché questo tipo di processo opera in un ambiente aperto, non può bloccare completamente il contatto con l'ossigeno nell'aria, quindi è facile produrre difetti come inclusioni di ossidazione e pori. Ciò lo rende più adatto per componenti non portanti, prototipi di strumenti o campioni sperimentali con requisiti strutturali inferiori, ma non è consigliato per servizi a lungo termine o componenti portanti.

Brasatura attiva

Quando gli oggetti di collegamento includono materiali non metallici come ceramica, vetro, quarzo, ecc., il processo di brasatura tradizionale non è competente a causa dell'insufficiente bagnabilità. In questo momento, è necessaria la brasatura attiva dei metalli (Active Brazing Alloy, denominata ABA).

La tecnologia di brasatura attiva consiste nell'utilizzare materiali per brasatura contenenti elementi attivi come il titanio e lo zirconio, che reagiscono chimicamente con la superficie ceramica ad alte temperature per formare composti stabili, ottenendo così una connessione salda e bagnante. I materiali di brasatura comuni includono leghe Ti-Zr-Ni-Cu, ecc. e l'intervallo di temperatura di brasatura tipico è compreso tra 850 °C e 930 °C.

La brasatura attiva ha ancora severi requisiti per l'atmosfera. Viene generalmente eseguito sotto la protezione dell'alto vuoto o del gas inerte ad alta purezza (come l'argon) per evitare che gli elementi attivi nel materiale di brasatura reagiscano con l'ossigeno. Allo stesso tempo, dettagli come l'adattamento delle sollecitazioni termiche dell'interfaccia metallo-ceramica e il controllo dello spessore dello strato di reazione devono essere rigorosamente progettati per garantire l'ermeticità e la stabilità a lungo termine del giunto.

Il processo di brasatura attiva è ampiamente utilizzato nella combinazione di alloggiamenti per dispositivi ottici, finestre a infrarossi, alloggiamenti in ceramica per sensori e basi in titanio ed è un importante mezzo tecnico per ottenere un imballaggio di precisione in titanio.

Classificazione del metallo d'apporto per brasatura

I metalli d'apporto per brasatura al titanio possono essere approssimativamente suddivisi in cinque categorie in base ai componenti di base nella loro composizione chimica: a base di argento, a base di titanio, a base di alluminio, a base di palladio e a base di zirconio.

La tabella seguente mostra i comuni metalli d'apporto per brasatura e i loro intervalli di temperatura applicabili:

Saldatura a base d'argento

La saldatura a base di argento ha un basso punto di fusione, una buona fluidità e una forte bagnabilità ed è adatta per unire metalli dissimili come titanio e rame, ottone e acciaio inossidabile. La sua gamma di temperature di brasatura è compresa tra 720 °C e 950 °C ed è una saldatura comunemente usata adatta per ambienti a basso apporto di calore.

Questo tipo di saldatura è particolarmente adatto per il processo di collegamento rapido di parti sensibili al calore, piccoli componenti di strumenti o accessori in titanio per uso medico. Deve essere utilizzato con un disossidante speciale, come il TiBF-19, per migliorare l'effetto bagnante della superficie in titanio. Non è adatto per l'uso a lungo termine in ambienti ad alta temperatura o altamente corrosivi.

Metallo d'apporto per brasatura a base di titanio

I metalli d'apporto per brasatura a base di titanio sono progettati per connessioni ad alte prestazioni tra leghe di titanio o tra titanio e leghe simili, con un intervallo di temperatura di brasatura da 850°C a 1020°C. I tipici sistemi di lega come il Ti-Cu-Ni hanno punti di fusione elevati, elevata resistenza e buone proprietà di legame per diffusione.

I metalli d'apporto per brasatura a base di titanio sono ampiamente utilizzati nel settore aerospaziale, negli scambiatori di calore ad alta resistenza, nelle tubazioni idrauliche e in altre occasioni. Sono i materiali preferiti per garantire che la resistenza della corda di brasatura sia vicina a quella del materiale di base e siano resistenti alle alte temperature e alla corrosione. Di solito devono essere utilizzati in un ambiente sottovuoto o argon ad alta purezza, non richiedono flusso e possono ottenere connessioni pulite e ad alta resistenza.

Metallo d'apporto per brasatura a base di alluminio

I metalli d'apporto per brasatura a base di alluminio sono metalli d'apporto per brasatura a bassa temperatura con un intervallo di temperatura di brasatura compreso tra 600°C e 750°C. Sono adatti per il collegamento a bassa temperatura di leghe di titanio e alluminio o di alcune parti metalliche leggere.

Sebbene l'alluminio abbia una scarsa bagnabilità sulla superficie del titanio, i metalli d'apporto per brasatura a base di alluminio possono ancora essere utilizzati come materiali di collegamento ausiliari per strutture in titanio in alcuni materiali compositi o strutture di imballaggio temporanee. Va notato che i metalli d'apporto per brasatura a base di alluminio reagiscono facilmente con il titanio per formare fasi fragili e non sono raccomandati per l'uso in componenti soggetti a sollecitazioni o in situazioni di servizio a lungo termine.

Saldatura a base di palladio

La saldatura a base di palladio ha la temperatura di brasatura più elevata, solitamente da 1050°C a 1150°C. Ha una forte capacità di bagnatura e resistenza alla corrosione ed è adatto per sigillature ad alta temperatura, sistemi ad alto vuoto e occasioni di connessione di metalli preziosi.

Questo tipo di saldatura viene utilizzato in ambienti di connessione che richiedono un'affidabilità estremamente elevata e una lunga durata, come componenti aerospaziali ad alta temperatura, componenti per l'energia nucleare e costosi imballaggi per sensori. Poiché il palladio stesso è costoso, questo tipo di saldatura viene solitamente utilizzato solo in strutture critiche.

Metallo d'apporto per brasatura a base di zirconio

L'intervallo di temperatura di brasatura del metallo d'apporto per brasatura a base di zirconio è compreso tra 790°C e 950°C e ha una buona adattabilità nel collegamento tra titanio e acciaio inossidabile, lega di zirconio o ceramica.

Lo zirconio e il titanio sono simili nella struttura cristallina e nel coefficiente di dilatazione termica, il che può alleviare efficacemente il problema dello stress termico nella connessione di metalli dissimili. Questo tipo di materiale per brasatura si comporta bene in apparecchiature nucleari, sistemi di tubazioni chimiche o condizioni di lavoro altamente corrosive e ha un certo potenziale di sviluppo.

Flusso per brasatura

Ad alte temperature, la superficie del titanio si ossida facilmente e si formerà rapidamente un film di ossido duro. Questo film è come un muro che impedisce alla saldatura di aderire e scorrere, rendendo impossibile il collegamento saldo dei metalli. Per risolvere questo problema, di solito è necessario aggiungere il disossidante durante la brasatura. Il ruolo del flusso è quello di "pulire" questo film di ossido in modo che la saldatura possa fluire dolcemente nel giunto per completare la bagnatura e la connessione.

Flusso di tipo fluoroborato

Attualmente, il disossidante in titanio più comunemente usato nell'industria è il disossidante di tipo fluorurato di borato. Ad esempio, il TiBF-19 è un prodotto rappresentativo di questa categoria. Questo flusso è solitamente sotto forma di polvere bianca e contiene ingredienti come fluoruro di potassio e borato. Ad alte temperature, può decomporre attivamente il film di ossido sulla superficie del titanio e allo stesso tempo formare un film protettivo nell'area riscaldata per evitare che nuovo ossigeno entri in contatto con la superficie del titanio, aiutando così il materiale di brasatura a fluire senza intoppi e ad aderire al materiale di base.

Questo tipo di disossidante viene utilizzato principalmente nei processi di riscaldamento locale come la brasatura alla fiamma e la brasatura a induzione, ed è particolarmente adatto per piccole parti, campioni di prototipi o riparazioni in loco. La sua temperatura d'esercizio è approssimativamente compresa tra 750 °C e 900 °C. Tuttavia, lascerà residui dopo l'uso e deve essere pulito accuratamente con acqua calda o soluzioni chimiche dopo la saldatura, altrimenti corroderà o contaminerà il giunto.

Sistema di brasatura attivo

In un forno a vuoto o sotto la protezione di argon ad alta purezza, possiamo anche evitare l'aggiunta di disossidante esterno. Questo perché alcuni materiali per brasatura contengono essi stessi "elementi attivi", come il titanio o lo zirconio. Questi elementi possono reagire direttamente con la superficie del titanio ad alte temperature per rimuovere il film di ossido e aiutare il materiale brasante a bagnare bene il materiale di base, che costituisce il cosiddetto "sistema di brasatura attivo".

Questo metodo è più pulito, non ha residui e non richiede pulizia dopo la saldatura. È particolarmente adatto per prodotti con elevati requisiti di pulizia e tenuta, come scambiatori di calore per l'aviazione, apparecchiature mediche di precisione e imballaggi in ceramica di titanio. Sebbene questo metodo di brasatura abbia requisiti di attrezzatura elevati, la qualità della saldatura è più affidabile e adatta per le industrie di fascia alta.

Flusso alogeno

Agli albori della brasatura del titanio, venivano utilizzati alcuni disossidanti contenenti cloruro di zinco. Hanno una forte capacità di rimozione della pellicola, ma portano anche ottimi effetti collaterali. Questo tipo di disossidante è facile da mantenere dopo la saldatura, è altamente corrosivo per il titanio e non è facile da pulire. Pertanto, è stato sostanzialmente eliminato nell'industria moderna. Ora viene utilizzato solo occasionalmente nella ricerca di laboratorio o in circostanze speciali.

Come scegliere correttamente il flusso di brasatura in titanio?

Quando si progetta il processo di brasatura per le leghe di titanio, la scelta del flusso giusto spesso determina direttamente il successo della saldatura. Diversi ambienti di processo, tipi di materiali per brasatura e oggetti di connessione hanno requisiti diversi per il tipo e le prestazioni del flusso. Quella che segue è una tabella di riferimento per la selezione del disossidante per la brasatura del titanio.

Scenari di utilizzoTipo di flusso consigliatoIstruzioni applicabili

Brasatura sottovuoto + metallo d'apporto per brasatura attiva (come BTi-5)Non è richiesto alcun flussoLa saldatura contiene elementi attivi, l'interfaccia reagisce spontaneamente, la superficie è pulita e senza residui

Brasatura a fiamma in ariaTiBF-19 flussante di borato di fluoruroNecessità di rimuovere il film di ossido, adatto per manutenzione, piccole parti, processo sperimentale

Brasatura a induzione (senza vuoto)TiBF-19, TiFlux-AWettabilità dipende dal flusso, prestare attenzione alla pulizia dei residui post-saldatura

Brasatura sottovuoto + saldatura a base di argentoFlusso minimo o nulloLa bagnatura deve essere testata e l'irruvidimento superficiale può ridurre la dipendenza dal flusso

Brasatura in titanio e ceramica/vetroNon è richiesto alcun flusso (saldatura attiva)Utilizzare sistemi di brasatura attiva dei metalli come le leghe Ti-Zr-Ni

Medicale/aeronautico e altri scenari che non richiedono residuiNessun disossidante o disossidante completamente pulibileSi consiglia di utilizzare la brasatura sottovuoto e il metallo d'apporto per brasatura attiva o di rafforzare il processo di pulizia residuo.

Parametri di processo chiave della brasatura del titanio

Nella brasatura del titanio, il controllo della fessura del giunto è molto critico. L'intervallo di spazio di sovrapposizione generalmente raccomandato è compreso tra 0,025 e 0,1 mm, il che può garantire che il materiale di brasatura possa entrare nel giunto senza intoppi attraverso l'azione capillare, ma non ostacolerà il flusso a causa dell'essere troppo stretto o formerà difetti come pori e vuoti a causa dell'essere troppo grande.

Il tempo di ammollo durante la brasatura non deve essere ignorato. In genere, dovrebbe essere mantenuto tra i 5 e i 15 minuti per garantire che il materiale di brasatura sia completamente diffuso e bagnato al giunto, evitando anche che il materiale di base cresca di dimensioni a causa dell'alta temperatura a lungo termine, che influisce sulle proprietà meccaniche.

La velocità di riscaldamento deve essere controllata entro 10°C al minuto. La lega di titanio ha una bassa conduttività termica. Se la temperatura sale troppo rapidamente, il calore non può diffondersi in modo uniforme, il che può facilmente causare stress termico nell'area di saldatura e persino causare deformazioni, crepe o cambiamenti strutturali.

Anche l'atmosfera protettiva è indispensabile. Esistono due metodi comunemente usati. Uno è un ambiente ad alto vuoto, di solito il grado di vuoto deve scendere al di sotto di 10 ⁻⁴ Pa; L'altro è utilizzare una protezione dell'argon ad altissima purezza, la purezza deve raggiungere il 99,999%. Entrambi i metodi possono prevenire efficacemente la reazione di ossidazione del titanio durante il riscaldamento.

Difetti comuni nella brasatura

Uno dei problemi più comuni nella brasatura del titanio sono le inclusioni di ossido. Questo di solito è causato da una diminuzione dell'attività del flusso o da un vuoto scadente. Se il materiale di brasatura ha una scarsa bagnabilità, è probabile che nella saldatura compaiano inclusioni di ossido nero, che influiscono sulla resistenza della connessione.

Un altro problema comune è che la saldatura non riesce a riempire il giunto senza problemi. Questo fenomeno di azione capillare insufficiente è spesso dovuto al fatto che la fessura del giunto è progettata per essere troppo grande, o c'è olio, incrostazioni di ossido, ecc. sulla superficie che non è stata pulita, che ostacola il flusso di saldatura.

Quando si tratta di connessioni metalliche dissimili, è necessario prestare particolare attenzione alla formazione di composti intermetallici fragili. Ad esempio, tra titanio e ferro, un'eccessiva diffusione può facilmente formare una fase fragile di Ti-Fe e, quando si collegano titanio e alluminio ad alte temperature, c'è anche il rischio di una fase fragile di Ti-Al. Un controllo ragionevole del tempo e della temperatura di isolamento è la chiave per prevenire questo problema.

Metodi di ispezione e controllo della qualità

Dopo la brasatura, è necessario un controllo di qualità per garantire prestazioni affidabili del giunto. I metodi di controllo non distruttivi come i raggi X, gli ultrasuoni o la penetrazione del colorante possono essere utilizzati per identificare rapidamente difetti come pori, crepe, inclusioni, ecc. senza distruggere il prodotto.

Quando è necessario confermare la resistenza del giunto, gli ingegneri condurranno anche test distruttivi. I test di resistenza al taglio e alla pelatura possono riflettere la fermezza della connessione, mentre l'analisi microscopica metallografica può osservare la struttura organizzativa della cucitura di brasatura per determinare se la bagnatura è sufficiente, se c'è una fase fragile o una discontinuità.

Applicazioni industriali tipiche della brasatura del titanio

Nel campo dell'aviazione, gli scambiatori di calore leggeri in titanio sono una delle applicazioni importanti della tecnologia di brasatura. Tali prodotti hanno solitamente una struttura complessa e sono costituiti da più canali. La brasatura sottovuoto può garantire che ogni canale sia saldamente collegato e privo di perdite, soddisfacendo i doppi requisiti di elevata resistenza e leggerezza.

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Nei dispositivi medici, la biocompatibilità del titanio è ampiamente utilizzata. Ad esempio, la lega di titanio di grado 5 viene utilizzata per produrre alloggiamenti per endoscopi e le loro parti di collegamento. La tecnologia di brasatura può ottenere un metodo di connessione con una struttura precisa, belle saldature e nessun impatto sulla durata del dispositivo.

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Il titanio sta diventando sempre più popolare nella produzione e riparazione di gioielli grazie al suo colore unico e alla sua consistenza leggera. La brasatura a induzione può ottenere un collegamento senza soluzione di continuità di parti di precisione preservando la struttura superficiale del metallo e migliorando l'aspetto del prodotto finito.

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Prodotti per brasatura in titanio che Chalco è in grado di fornire

La piastra composita brasata in acciaio al titanio è un materiale bimetallico che combina saldamente il titanio puro industriale con l'acciaio al carbonio o l'acciaio inossidabile attraverso un processo di brasatura. Combina la resistenza alla corrosione del titanio con la resistenza meccanica dell'acciaio ed è ampiamente utilizzato nella struttura di rivestimento di serbatoi di stoccaggio chimico, recipienti a pressione e scambiatori di calore.

La piastra composita per brasatura titanio-rame è costituita da uno strato di titanio e uno strato di rame diffusi e collegati mediante brasatura ad alta temperatura. Ha sia la resistenza alla corrosione del titanio che l'elevata conduttività del rame. Viene spesso utilizzato in parti conduttive nelle industrie galvaniche, elettrolisi e cloro-alcali, come piastre catodiche, guide conduttive, piastre di supporto elettrodi, ecc. È una soluzione ideale per sostituire i componenti di saldatura della rete di titanio.

Le piastre composite brasate in titanio-alluminio combinano efficacemente gli strati di titanio con i substrati di alluminio attraverso un processo di brasatura controllato con precisione, creando un materiale composito leggero e resistente alla corrosione con un'eccellente conduttività termica. Questo prodotto è adatto per dissipatori di calore aerospaziali, pannelli di gestione termica delle batterie, scambiatori di calore di nuova energia e altre occasioni con elevati requisiti di peso ed efficienza di dissipazione del calore.

Il tubo brasato in titanio-nichel è un tubo a struttura composita realizzato in titanio puro e nichel o lega di nichel attraverso il processo di brasatura. Ha sia l'inerzia del titanio che le proprietà antiossidanti del nichel ed è particolarmente adatto per l'uso ad alta temperatura, forte corrosione o ambienti elettrochimici speciali come condensatori, evaporatori e tubazioni elettrolitiche per migliorare la durata delle tubazioni e la stabilità elettrochimica.

Il giunto di transizione brasato in titanio-acciaio inossidabile è un connettore strutturale sviluppato per risolvere il problema della saldatura diretta tra titanio e acciaio. Di solito viene utilizzato per combinare saldamente titanio, acciaio inossidabile e metalli intermedi (come rame e niobio) attraverso la brasatura e viene utilizzato in reattori, scambiatori di calore, sistemi di tubazioni e altre parti di transizione metalliche dissimili per ottenere una connessione affidabile e prestazioni di servizio a lungo termine.

In qualità di fornitore professionale di materiali in titanio, Chalco non solo fornisce una varietà di piastre composite brasate di alta qualità, tubi e giunti metallici dissimili come acciaio al titanio, rame al titanio e alluminio al titanio, ma soddisfa anche le diverse esigenze dei diversi clienti per le specifiche dei materiali, le forme strutturali e la resistenza della connessione.

Chalco dispone anche di matura capacità di lavorazione della brasatura e di assistenza tecnica. Siamo in grado di fornire ai clienti una varietà di opzioni di processo come la brasatura sottovuoto, la brasatura a induzione, la brasatura attiva, ecc. e supportare la personalizzazione di piccoli lotti, lo sviluppo di parti di transizione in metallo diverse, l'assemblaggio di parti strutturali complesse e altre soluzioni ingegneristiche.

Sia che abbiate bisogno di materie prime per brasatura standardizzate o che siate alla ricerca di prodotti strutturali per brasatura in titanio ad alta tenuta all'aria, ad alta resistenza e producibili in serie, Chalco è in grado di fornirvi un supporto completo per l'intero processo, dalla selezione delle materie prime, alla progettazione del processo fino alla consegna del prodotto.