Brasagem de titânio e ligas de titânio

A brasagem de titânio é um processo avançado que pode obter conexões leves, de alta vedação e resistentes à corrosão. É amplamente utilizado em equipamentos aeroespaciais, médicos, equipamentos de troca de calor e instrumentos de precisão. Em comparação com a soldagem, a brasagem mostra maior flexibilidade em estruturas complexas, peças de paredes finas ou materiais diferentes. No entanto, as características do próprio titânio também trazem muitos desafios de processo.

Desafios da brasagem de titânio

O titânio é extremamente sensível ao oxigênio e ao nitrogênio e formará rapidamente um filme denso de óxido quando a temperatura aumentar. Este filme dificultará seriamente o umedecimento e o fluxo do material de brasagem, afetando assim a resistência e a vedação da junta. Portanto, a brasagem de titânio deve ser realizada em um ambiente com teor de oxigênio extremamente baixo, geralmente exigindo um grau de vácuo inferior a 10 ⁻⁴ Pa, ou usando argônio de alta pureza com pureza superior a 99,999% como atmosfera protetora.

Além de sua alta atividade química, o titânio possui baixa condutividade térmica e alto ponto de fusão, o que dificulta a distribuição uniforme da entrada de calor. Durante a brasagem, o superaquecimento local pode facilmente levar ao engrossamento do grão, transformação estrutural e até rachaduras nas juntas, especialmente ao lidar com ligas de titânio α+β, como Ti-6Al-4V.

Processos comuns de brasagem

Brasagem a vácuo

A brasagem a vácuo é considerada o processo mais maduro e confiável para brasagem de liga de titânio. É particularmente adequado para componentes com estruturas complexas, alta resistência e altos requisitos de vedação, como trocadores de calor aeroespaciais, tubulações de sistemas hidráulicos, componentes de resfriamento do motor, etc.

O processo geralmente é realizado em um forno a vácuo, e o grau de vácuo no forno deve ser controlado em 10 ⁻⁴ Pa ou menos para isolar completamente o oxigênio e a umidade. A temperatura de brasagem é geralmente ajustada entre 880°C e 950°C, e é otimizada e ajustada de acordo com a composição do material de brasagem utilizado e o tamanho da junta. Em um ambiente de vácuo, o filme de óxido na superfície de titânio é removido naturalmente e o material de brasagem pode atingir umedecimento e difusão completos sem o uso de fluxo.

A vantagem da brasagem a vácuo é que ela pode obter uma estrutura de junta uniforme e livre de inclusões, e nenhum tratamento de limpeza adicional é necessário na superfície após a soldagem. É particularmente adequado para produtos com requisitos extremamente altos de limpeza e propriedades mecânicas. No entanto, seu investimento em equipamentos é grande, o ciclo de aquecimento é longo e a precisão do controle do processo é alta. É mais adequado para produção em massa e processamento de peças-chave.

Brasagem por indução vs brasagem por chama

A brasagem por indução e a brasagem por chama são duas soluções comuns de união de titânio de baixo custo quando os fornos a vácuo não estão disponíveis ou quando apenas pequenos lotes de peças são processados. Esses processos dependem de aquecimento localizado e do uso de fluxos especializados para romper a barreira de oxidação na superfície do titânio.

O TiBF-19 é o fluxo específico de titânio mais comum, com boa atividade química e molhabilidade. Ele pode trabalhar com materiais de brasagem a 760 ° C a 815 ° C, permitindo que materiais de titânio sejam soldados ao ar. O aquecimento por indução tem as vantagens de alta eficiência de aquecimento e pequena zona afetada pelo calor, enquanto o aquecimento por chama é fácil de operar manualmente e tem forte flexibilidade.

No entanto, como esse tipo de processo opera em um ambiente aberto, ele não pode bloquear completamente o contato com o oxigênio no ar, por isso é fácil produzir defeitos como inclusões de oxidação e poros. Isso o torna mais adequado para componentes sem suporte de carga, protótipos de instrumentos ou amostras experimentais com requisitos estruturais mais baixos, mas não recomendado para serviços de longo prazo ou componentes de suporte de carga.

Brasagem ativa

Quando os objetos de conexão incluem materiais não metálicos, como cerâmica, vidro, quartzo, etc., o processo de brasagem tradicional não é competente devido à molhabilidade insuficiente. Neste momento, a brasagem de metal ativo (Liga de Brasagem Ativa, conhecida como ABA) é necessária.

A tecnologia de brasagem ativa consiste em usar materiais de brasagem contendo elementos ativos como titânio e zircônio, que reagem quimicamente com a superfície cerâmica em altas temperaturas para formar compostos estáveis, obtendo assim umedecimento e conexão firme. Os materiais de brasagem comuns incluem ligas Ti-Zr-Ni-, etc., e a faixa de temperatura típica de brasagem é de 850 °C a 930 °C.

A brasagem ativa ainda tem requisitos rígidos na atmosfera. Geralmente é realizado sob a proteção de alto vácuo ou gás inerte de alta pureza (como argônio) para evitar que os elementos ativos do material de brasagem reajam com o oxigênio. Ao mesmo tempo, detalhes como a correspondência de tensões térmicas da interface metal-cerâmica e o controle da espessura da camada de reação também devem ser estritamente projetados para garantir a estanqueidade e a estabilidade a longo prazo da junta.

O processo de brasagem ativa é amplamente utilizado na combinação de caixas de dispositivos ópticos, janelas infravermelhas, caixas de cerâmica de sensores e bases de titânio, e é um importante meio técnico para obter embalagens de precisão de titânio.

Classificação de metais de adição para brasagem

Os metais de adição para brasagem de titânio podem ser divididos em cinco categorias de acordo com os componentes básicos em sua composição química: à base de prata, à base de titânio, à base de alumínio, à base de paládio e à base de zircônio.

A tabela a seguir mostra os metais de adição comuns para brasagem e suas faixas de temperatura aplicáveis:

Solda à base de prata

A solda à base de prata tem um baixo ponto de fusão, boa fluidez e forte molhabilidade, e é adequada para unir metais diferentes, como titânio e cobre, latão e aço inoxidável. Sua faixa de temperatura de brasagem é de 720 °C a 950 °C e é uma solda comumente usada adequada para ambientes de baixa entrada de calor.

Este tipo de solda é particularmente adequado para o processo de conexão rápida de peças sensíveis ao calor, pequenos componentes de instrumentos ou acessórios de titânio de grau médico. Ele precisa ser usado com fluxo especial, como TiBF-19, para melhorar o efeito umectante da superfície de titânio. Não é adequado para uso a longo prazo em ambientes de alta temperatura ou altamente corrosivos.

Metal de adição para brasagem à base de titânio

Os metais de adição para brasagem à base de titânio são projetados para conexões de alto desempenho entre ligas de titânio ou entre titânio e ligas semelhantes, com uma faixa de temperatura de brasagem de 850 ° C a 1020 ° C. Os sistemas de liga típicos, como o Ti--Ni, têm altos pontos de fusão, alta resistência e boas propriedades de ligação por difusão.

Os metais de adição para brasagem à base de titânio são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, trocadores de calor de alta resistência, tubulações hidráulicas e outras ocasiões. Eles são os materiais preferidos para garantir que a resistência da costura de brasagem seja próxima à do material original e sejam resistentes a altas temperaturas e corrosão. Eles geralmente precisam ser usados em um ambiente de vácuo ou argônio de alta pureza, não requerem fluxo e podem obter conexões limpas e de alta resistência.

Metal de adição para brasagem à base de alumínio

Os metais de adição para brasagem à base de alumínio são metais de adição para brasagem de baixa temperatura com uma faixa de temperatura de brasagem de 600 °C a 750 °C. Eles são adequados para conexão de baixa temperatura de ligas de titânio e alumínio ou certas peças de metal leve.

Embora o alumínio tenha baixa molhabilidade na superfície do titânio, os metais de adição para brasagem à base de alumínio ainda podem ser usados como materiais auxiliares de conexão para estruturas de titânio em alguns materiais compósitos ou estruturas de embalagem temporárias. Deve-se notar que os metais de adição para brasagem à base de alumínio reagem facilmente com o titânio para formar fases quebradiças e não são recomendados para uso em componentes de suporte de tensão ou situações de serviço de longo prazo.

Solda à base de paládio

A solda à base de paládio tem a temperatura de brasagem mais alta, geralmente de 1050 °C a 1150 °C. Possui forte capacidade de umedecimento e resistência à corrosão e é adequado para vedação de alta temperatura, sistemas de alto vácuo e ocasiões de conexão de metais preciosos.

Esse tipo de solda é usado em ambientes de conexão que exigem confiabilidade extremamente alta e longa vida útil, como componentes aeroespaciais de alta temperatura, componentes de energia nuclear e embalagens caras de sensores. Como o paládio em si é caro, esse tipo de solda geralmente é usado apenas em estruturas críticas.

Metal de adição para brasagem à base de zircônio

A faixa de temperatura de brasagem do metal de adição de brasagem à base de zircônio é de 790 °C a 950 °C e possui boa adaptabilidade na conexão entre titânio e aço inoxidável, liga de zircônio ou cerâmica.

O zircônio e o titânio são semelhantes na estrutura cristalina e no coeficiente de expansão térmica, o que pode efetivamente aliviar o problema de estresse térmico na conexão de metais diferentes. Este tipo de material de brasagem tem um bom desempenho em equipamentos de energia nuclear, sistemas de tubulações químicas ou condições de trabalho altamente corrosivas e tem certo potencial de desenvolvimento.

Fluxo de brasagem

Em altas temperaturas, a superfície do titânio é facilmente oxidada e um filme de óxido duro se formará rapidamente. Este filme é como uma parede que impede que a solda adira e flua, impossibilitando que os metais sejam firmemente conectados. Para resolver esse problema, geralmente precisamos adicionar fluxo durante a brasagem. O papel do fluxo é "limpar" esse filme de óxido para que a solda possa fluir suavemente para a junta para completar o umedecimento e a conexão.

Fluxo do tipo fluoroborato

Atualmente, o fluxo de titânio mais comumente usado na indústria é o fluxo do tipo borato de flúor. Por exemplo, o TiBF-19 é um produto representativo nesta categoria. Esse fluxo geralmente está na forma de pó branco e contém ingredientes como fluoreto de potássio e borato. Em altas temperaturas, ele pode decompor ativamente o filme de óxido na superfície do titânio e, ao mesmo tempo, formar uma película protetora na área aquecida para evitar que o novo oxigênio entre em contato com a superfície do titânio, ajudando assim o material de brasagem a fluir suavemente e aderir ao material de base.

Este tipo de fluxo é usado principalmente em processos de aquecimento local, como brasagem por chama e brasagem por indução, e é particularmente adequado para peças pequenas, amostras de protótipos ou reparos no local. Sua faixa de temperatura operacional é de aproximadamente 750°C a 900°C. No entanto, deixará resíduos após o uso e precisa ser cuidadosamente limpo com água quente ou soluções químicas após a soldagem, caso contrário, corroerá ou contaminará a junta.

Sistema de brasagem ativa

Em um forno a vácuo ou sob a proteção de argônio de alta pureza, também podemos evitar a adição de fluxo externo. Isso ocorre porque alguns materiais de brasagem contêm "elementos ativos", como titânio ou zircônio. Esses elementos podem reagir diretamente com a superfície de titânio em altas temperaturas para remover o filme de óxido e ajudar o material de brasagem a molhar bem o material de base, que constitui o chamado "sistema de brasagem ativa".

Este método é mais limpo, não tem resíduos e não requer limpeza após a soldagem. É particularmente adequado para produtos com altos requisitos de limpeza e vedação, como trocadores de calor de aviação, equipamentos médicos de precisão e embalagens de cerâmica de titânio. Embora este método de brasagem tenha altos requisitos de equipamento, a qualidade da soldagem é mais confiável e adequada para indústrias de ponta.

Fluxo de halogênio

Nos primeiros dias da brasagem de titânio, alguns fluxos contendo cloreto de zinco foram usados. Eles têm forte capacidade de remoção de filme, mas também trazem ótimos efeitos colaterais. Este tipo de fluxo é fácil de permanecer após a soldagem, é altamente corrosivo para o titânio e não é fácil de limpar. Portanto, foi basicamente eliminado na indústria moderna. Agora é usado apenas ocasionalmente em pesquisas de laboratório ou circunstâncias especiais.

Como escolher o fluxo de brasagem de titânio corretamente?

Ao projetar o processo de brasagem para ligas de titânio, a escolha do fluxo certo geralmente determina diretamente se a soldagem pode ser bem-sucedida. Diferentes ambientes de processo, tipos de materiais de brasagem e objetos de conexão têm requisitos diferentes para o tipo e desempenho do fluxo. A seguir está uma tabela de referência para selecionar o fluxo para brasagem de titânio.

Cenários de usoTipo de fluxo recomendadoInstruções aplicáveis

Brasagem a vácuo + metal de adição de brasagem ativa (como BTi-5)Nenhum fluxo necessárioA solda contém elementos ativos, a interface reage espontaneamente, a superfície está limpa e sem resíduos

Brasagem por chama no arFluxo tipo borato de flúor TiBF-19Necessidade de remover o filme de óxido, adequado para manutenção, peças pequenas, processo experimental

Brasagem por indução (sem vácuo)TiBF-19, TiFlux-AWetabilidade depende do fluxo, preste atenção à limpeza de resíduos pós-soldagem

Brasagem a vácuo + solda à base de prataPouco ou nenhum fluxoA umectação precisa ser testada e a rugosidade da superfície pode reduzir a dependência do fluxo

Brasagem de titânio e cerâmica/vidroNão é necessário fluxo (solda ativa)Use sistemas de brasagem de metal ativo, como ligas Ti-Zr-Ni

Cenários médicos/aeronáuticos e outros que não requerem resíduosNenhum fluxo ou fluxo totalmente limpávelRecomenda-se o uso de brasagem a vácuo e metal de adição de brasagem ativa ou fortalecer o processo de limpeza residual.

Principais parâmetros do processo de brasagem de titânio

Na brasagem de titânio, o controle da folga articular é muito crítico. A faixa de folga de sobreposição geralmente recomendada é de 0,025 a 0,1 mm, o que pode garantir que o material de brasagem possa entrar na junta suavemente por meio da ação capilar, mas não atrapalhará o fluxo por ser muito apertado ou formar defeitos como poros e vazios por ser muito grande.

O tempo de imersão durante a brasagem não deve ser ignorado. Geralmente, deve ser mantido entre 5 e 15 minutos para garantir que o material de brasagem seja totalmente difundido e umedecido na junta, além de evitar que o material de base cresça de tamanho devido à alta temperatura a longo prazo, o que afeta as propriedades mecânicas.

A taxa de aquecimento deve ser controlada dentro de 10°C por minuto. A liga de titânio tem baixa condutividade térmica. Se a temperatura subir muito rapidamente, o calor não pode se difundir uniformemente, o que pode facilmente causar estresse térmico na área de soldagem e até mesmo causar empenamento, rachaduras ou alterações estruturais.

A atmosfera protetora também é indispensável. Existem dois métodos comumente usados. Um é um ambiente de alto vácuo, geralmente o grau de vácuo deve atingir abaixo de 10 ⁻⁴ Pa; a outra é usar proteção de argônio de pureza ultra-alta, a pureza deve chegar a 99,999%. Ambos os métodos podem efetivamente prevenir a reação de oxidação do titânio durante o aquecimento.

Defeitos comuns na brasagem

Um dos problemas mais comuns na brasagem de titânio são as inclusões de óxido. Isso geralmente é causado pela diminuição da atividade do fluxo ou vácuo abaixo do padrão. Se o material de brasagem tiver baixa molhabilidade, é provável que apareçam inclusões de óxido preto na solda, afetando a resistência da conexão.

Outro problema comum é que a solda não consegue preencher a junta suavemente. Esse fenômeno de ação capilar insuficiente geralmente ocorre porque a folga da junta é projetada para ser muito grande ou há óleo, incrustações de óxido, etc. na superfície que não foi limpa, o que dificulta o fluxo de solda.

Ao lidar com conexões metálicas diferentes, atenção especial deve ser dada à formação de compostos intermetálicos quebradiços. Por exemplo, entre titânio e ferro, a difusão excessiva pode facilmente formar uma fase quebradiça de Ti-Fe e, ao conectar titânio e alumínio em altas temperaturas, também existe o risco de uma fase quebradiça de Ti-Al. O controle razoável do tempo e da temperatura de isolamento é a chave para evitar esse problema.

Métodos de inspeção e controle de qualidade

Após a brasagem, a inspeção de qualidade é necessária para garantir um desempenho confiável da junta. Métodos de teste não destrutivos, como raios-X, ultrassom ou penetração de corante, podem ser usados para identificar rapidamente defeitos como poros, rachaduras, inclusões, etc. sem destruir o produto.

Quando for necessário confirmar a resistência da junta, os engenheiros também realizarão testes destrutivos. Os testes de resistência ao cisalhamento e resistência ao descascamento podem refletir a firmeza da conexão, enquanto a análise microscópica metalográfica pode observar a estrutura organizacional da costura de brasagem para determinar se o umedecimento é suficiente, se há uma fase frágil ou descontinuidade.

Aplicações típicas da indústria de brasagem de titânio

No campo da aviação, os trocadores de calor leves de titânio são uma das aplicações importantes da tecnologia de brasagem. Esses produtos geralmente têm estrutura complexa e consistem em vários canais. A brasagem a vácuo pode garantir que cada canal esteja firmemente conectado e sem vazamentos, atendendo aos requisitos duplos de alta resistência e leveza.

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Em dispositivos médicos, a biocompatibilidade do titânio é amplamente utilizada. Por exemplo, a liga de titânio de grau 5 é usada para fabricar caixas de endoscópio e suas peças de conexão. A tecnologia de brasagem pode alcançar um método de conexão com estrutura precisa, soldas bonitas e sem impacto na vida útil do dispositivo.

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O titânio está se tornando cada vez mais popular na fabricação e reparo de joias devido à sua cor única e textura leve. A brasagem por indução pode obter uma conexão perfeita de peças de precisão, preservando a textura da superfície do metal e melhorando a aparência do produto acabado.

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Produtos de brasagem de titânio que a Chalco pode fornecer

A placa composta soldada de aço titânio é um material bimetálico que combina firmemente titânio puro industrial com aço carbono ou aço inoxidável por meio de um processo de brasagem. Combina a resistência à corrosão do titânio com a resistência mecânica do aço e é amplamente utilizado na estrutura de revestimento de tanques de armazenamento de produtos químicos, vasos de pressão e trocadores de calor.

A placa composta de brasagem de titânio-cobre é feita de uma camada de titânio e uma camada de cobre difundida e conectada por brasagem de alta temperatura. Tem a resistência à corrosão do titânio e a alta condutividade do cobre. É frequentemente usado em peças condutoras em indústrias de galvanoplastia, eletrólise e cloro-álcalis, como placas catódicas, trilhos condutores, placas de suporte de eletrodos, etc. É uma solução ideal para substituir os componentes de soldagem de malha de titânio.

As placas compostas soldadas de titânio-alumínio combinam efetivamente camadas de titânio com substratos de alumínio por meio de um processo de brasagem controlado com precisão, criando um material composto leve e resistente à corrosão com excelente condutividade térmica. Este produto é adequado para dissipadores de calor aeroespaciais, painéis de gerenciamento térmico de bateria, novos trocadores de calor de energia e outras ocasiões com altos requisitos de peso e eficiência de dissipação de calor.

O tubo soldado de titânio-níquel é um tubo de estrutura composta feito de titânio puro e níquel ou liga de níquel através do processo de brasagem. Tem a inércia do titânio e a propriedade antioxidante do níquel e é particularmente adequado para uso em alta temperatura, corrosão forte ou ambientes eletroquímicos especiais, como condensadores, evaporadores e tubulações eletrolíticas para melhorar a vida útil da tubulação e a estabilidade eletroquímica.

A junta de transição soldada em aço inoxidável é um conector estrutural desenvolvido para resolver o problema de soldagem direta entre titânio e aço. Geralmente é usado para combinar firmemente titânio, aço inoxidável e metais intermediários (como cobre e nióbio) por meio de brasagem e é usado em reatores, trocadores de calor, sistemas de tubulação e outras peças de transição de metal diferentes para obter conexão confiável e desempenho de serviço de longo prazo.

Como fornecedor profissional de material de titânio, a Chalco não apenas fornece uma variedade de chapas compostas soldadas de alta qualidade, tubos e juntas metálicas diferentes, como aço titânio, cobre titânio e alumínio titânio, mas também atende às diversas necessidades de diferentes clientes para especificações de materiais, formas estruturais e resistência de conexão.

A Chalco também possui recursos maduros de processamento de brasagem e serviços técnicos. Podemos fornecer aos clientes uma variedade de opções de processo, como brasagem a vácuo, brasagem por indução, brasagem ativa, etc., e oferecer suporte à personalização de pequenos lotes, desenvolvimento de peças de transição metálica diferentes, montagem de peças estruturais complexas e outras soluções de engenharia.

Se você precisa de matérias-primas de brasagem padronizadas ou está procurando produtos estruturais de brasagem de titânio de alta estanqueidade, alta resistência e produção em massa, a Chalco pode fornecer suporte completo para todo o processo, desde a seleção da matéria-prima, projeto do processo até a entrega do produto.