تأثير إضافة النيوبيوم في اللحام

1. يُستخدم النيوبيوم كعنصر إشابة لتحسين أداء اللحام في الفولاذ المقاوم للصدأ.

--لنتعرف على التأثير.

في بعض أنواع الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 347، يُضاف النيوبيوم كعنصر إشابة لتعزيز مقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبية. وهذا مهم بشكل خاص أثناء اللحام.

ويرجع ذلك إلى أن النيوبيوم يشكل كربيد النيوبيوم (NbC) عندما يتفاعل مع الكربون، مما يمنع الكربون من عزل الكروم وتشكيل كربيدات الكروم (Cr23C6). تكون كربيدات الكروم عرضة للتسبب في التآكل بين الخلايا الحبيبية التي يمكن أن تضر بسلامة المادة بشدة.

من خلال تشكيل كربيد النيوبيوم، يمنع النيوبيوم هذه العملية بشكل فعال، وبالتالي يحسّن مقاومة التآكل في اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ).

وبالتالي، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من سبائك النيوبيوم مثالي للاستخدام في البيئات عالية الأداء، مثل المبادلات الحرارية وأوعية الضغط والمكونات المعرضة لدرجات حرارة عالية وظروف كيميائية قاسية.

-تم إثبات هذا التأثير من خلال العديد من التجارب.

أكدت العديد من الدراسات التأثيرات المفيدة للنيوبيوم في تطبيقات اللحام. على سبيل المثال، تم تحليل دور النيوبيوم في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) باستخدام التشتت الإلكتروني المرتد (EBSD) لدراسة بنية الحبيبات في الوصلات الملحومة. تُظهر هذه الدراسات أن إضافة النيوبيوم تؤدي إلى تنقية الحبيبات في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، مما يقلل من مدى المنطقة المتأثرة بالحرارة الخشنة الحبيبات (CGHAZ). تؤدي الحبيبات الأكثر دقة في منطقة HAZ إلى تحسين البنية المجهرية والمتانة، مما يجعل المادة الملحومة أكثر مقاومة للفشل تحت الضغط.

الشكل 1 مقارنة لحام الفولاذ المقاوم للصدأ بإضافات مختلفة من النيوبيوم (إضافة النيوبيوم في الجزء العلوي أقل من الآخر).

المصدر:
"حالة فن خط أنابيب الغاز لمسافات طويلة في الصين". تشنغجيا شانغ - IGRC - ريو 2017

أيضًا، تشير البيانات البحثية من مشاريع مثل مشروع التعاون في موسكو CBMM إلى أن الفولاذ الذي يحتوي على نسبة أعلى من النيوبيوم يُظهر قدرة أكبر على تحمل زيادة مدخلات الحرارة أثناء اللحام. وتعزز هذه المرونة قدرة المادة على تحمل دورات اللحام الحرارية وتضمن موثوقية الوصلة الملحومة.

2. تقنية لحام سبائك النيوبيوم والفولاذ المقاوم للصدأ غير المتشابه المعدني

--أهمية وتحديات اللحام بالمعادن غير المتشابهة

غالبًا ما يتم لحام سبائك النيوبيوم والفولاذ المقاوم للصدأ معًا في الصناعات التي تتطلب خصائص عالية الأداء. إن الجمع بين أداء النيوبيوم الاستثنائي في درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل والتوصيل الفائق، مع قوة الفولاذ المقاوم للصدأ وفعالية التكلفة يجعل هذا اللحام المعدني غير المتشابه جذابًا بشكل خاص. ومع ذلك، فإن لحام هاتين المادتين يمثل العديد من التحديات بسبب الاختلافات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية والمعدنية.

• اختلافات الخصائص الحرارية: يختلف معامل التمدد الحراري لسبائك النيوبيوم (7.3 × 10×10-⁶/°مئوية) اختلافاً كبيراً عن معامل التمدد الحراري للفولاذ المقاوم للصدأ (17.3×10-⁶/°مئوية)، مما يؤدي إلى ضغوط متبقية.
• عدم التوافق المعدني: هناك خطر تكوين مركبات بينية معدنية هشّة، مثل Fe₂Nb و Cr₂Nb.
• حساسية الأكسدة: النيوبيوم شديد التأثر بالأكسدة في درجات الحرارة المرتفعة، مما يتطلب تدابير وقائية صارمة.
• التحكم في تخفيف اللحام: يعد التحكم في التركيب في البركة المنصهرة أمرًا صعبًا.

--مقارنة طرق اللحام واختيارها

--طرق اللحام التقليدية

عند لحام سبائك النيوبيوم بالفولاذ المقاوم للصدأ، فإن اختيار طريقة اللحام المناسبة أمر بالغ الأهمية. فيما يلي قائمة بطرق اللحام التقليدية.

--تقنيات اللحام المتقدمة

يمكن أيضًا استخدام تقنيات اللحام المتقدمة، مثل اللحام بالاحتكاك (FW)، واللحام بالانتشار (DFW)، واللحام بالانفجار (EXW)، لمعالجة التحديات الفريدة للحام سبائك النيوبيوم بالفولاذ المقاوم للصدأ.

1. اللحام الاحتكاكي (FW)

• يتجنب اللحام الاحتكاكي عيوب اللحام.
• مناسب بشكل خاص لوصلات الأنابيب.
• يتطلب تحكمًا صارمًا في المعلمات (السرعة والضغط والوقت).

2. اللحام بالانتشار (DFW)

• استخدام طبقات وسيطة (Ti، النحاس، النحاس والنيكل) لتحسين الترابط.
• يتطلب تحكمًا صارمًا في درجة الحرارة (800-950 درجة مئوية) والضغط.
• يمكن أن تصل قوة الوصلة إلى 90% من قوة المادة الأساسية.

3. اللحام التفجيري (EXW)

• مناسب لمركبات الألواح ذات المساحة الكبيرة.
• واجهة الربط لها شكل متموج، متشابكة ميكانيكياً.
• يتطلب معالجة حرارية لاحقة لتخفيف الإجهاد المتبقي.

--نقاط التحكم الرئيسية في العملية

1- اختيار مواد الطبقة الوسيطة

يلعب اختيار المواد الوسيطة دورًا رئيسيًا في تحسين جودة اللحام وتخفيف عدم تطابق المواد بين سبائك النيوبيوم والفولاذ المقاوم للصدأ. تساعد الطبقات الوسيطة مثل النيكل النقي والمركبات القائمة على النحاس والطبقات الانتقالية من الفاناديوم/التيتانيوم على تخفيف الضغوطات المتبقية ومنع تكوين مراحل هشة.

على سبيل المثال، تعمل الطبقة الوسيطة المصنوعة من النيكل النقي على منع تكوّن أطوار Fe-Nb الهشّة بشكل فعّال، بينما يمكن للطبقات القائمة على النحاس أن تخفف من الإجهادات الحرارية وتوفر توصيلًا كهربائيًا جيدًا. ويوفر استخدام طبقات انتقالية من الفاناديوم أو التيتانيوم توافقًا ممتازًا مع كل من النيوبيوم والفولاذ المقاوم للصدأ، ولكنه يتطلب تحكمًا دقيقًا في درجات حرارة الانتشار.

2- التحكم في الغلاف الجوي الوقائي

يعد التحكم في بيئة اللحام أمرًا ضروريًا عند لحام سبائك النيوبيوم، والتي تكون حساسة للغاية للأكسدة في درجات الحرارة المرتفعة. يوصى باستخدام الغازات الخاملة مثل الأرجون أو الهيليوم بدرجة نقاء لا تقل عن 99.999%. يجب التحكم بعناية في محتوى الأكسجين إلى أقل من 10 جزء في المليون، ويجب استخدام أنظمة حماية مزدوجة الغاز لضمان سلامة اللحام. بالنسبة للحام بالتفريغ، يجب إبقاء الضغط أقل من 5×10-³Pa لمنع الأكسدة.

الخاتمة

حققت تكنولوجيا اللحام لسبائك النيوبيوم والفولاذ المقاوم للصدأ تقدماً كبيراً. تعمل إضافة النيوبيوم إلى الفولاذ المقاوم للصدأ على تحسين أداء اللحام بشكل كبير من خلال تعزيز مقاومة التآكل، وتحسين بنية الحبوب، وزيادة المتانة. نأمل أن يكون لديك فهم أفضل لتأثير إضافة النيوبيوم في اللحام. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] تشين قوه تشينغ، جان زانهوا، زانغ جي، لينغ شويسونغ (2023). التقدم البحثي لتكنولوجيا اللحام بين سبائك النيوبيوم والمعادن المتباينة من الفولاذ المقاوم للصدأ. تكنولوجيا تصنيع الطيران. https://doi.org/http://www.amte.net.cn/CN/10.16080/j.issn1671-833x.2023.19.093

[2] شينغوين زهو، ويوهوا تشن، ويونغدي هوانغ، ويوتشينغ ماو، ويانغيانغ يو، تأثيرات إضافة النيوبيوم على البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية للوصلات الملحومة بالليزر لسبائك NiTiNb وTi6Al4V، مجلة السبائك والمركبات، المجلد 735، 2018، الصفحات 2616-2624، https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838817340896