Ultrasound-assisted low temperature brazing of titanium/titanium joints using aluminum filler alloys

Abstract

Neste estudo, a vibração ultrassónica (USV) foi aplicada, numa primeira fase, durante a produção dos materiais de adição e, posteriormente, durante o processo de brasagem. Esta parte do trabalho teve como objetivo estudar a viabilidade da utilização de USV na preparação dos materiais de adição e compreender o efeito da aplicação de ultrassons a uma maior quantidade de metal fundido, antes de a aplicar ao material de adição durante a operação de brasagem propriamente dira, para além de otimizar o sistema de ultrassons a alta temperatura. Como resultado deste estudo, foram obtidas ligas de alta qualidade, cuja afinação microestrutural foi, em grande parte, resultado da erosão do radiador acústico/sonotrodo de titânio durante o tratamento ultrassónico. A erosão do sonotrodo, apesar de ter tido um efeito positivo na afinação das ligas, contribuiu para o enriquecimento das mesmas em Ti, que não era um efeito desejado. Como consequência da melhor compreensão do efeito do USV no metal de adição durante a brasagem, este tratamento não voltou a ser aplicado na preparação do metal de adição. Relativamente à operação de brasagem propriamente dita, foi concebido, projetado e construído um dispositivo de brasagem, estabelecido um método experimental para realização do trabalho experimental e estudados e selecionados os materiais de adição que viriam a ser utilizados. O aparelho de brasagem incluiu a conceção, fabrico e montagem de peças mecânicas e elétricas que permitem uma monitorização e controlo precisos sobre o processo de brasagem. O processo de brasagem ultrassónica foi melhorado através da aplicação de carga de compressão de forma controlada antes e depois do processo. O processo de brasagem assistido por ultrassons foi estudado tanto numericamente como experimentalmente. O sistema de brasagem por ultrassons foi modelado considerando as condições reais de brasagem. A brasagem foi feita utilizando cargas múltiplas e em condições e parâmetros múltiplos. Os materiais de adição estudados começaram por ser Al-1Si, Al-13Si, Al-9Si-3Cu e terminaram com as ligas Al-9Si-4Cu-(Sr) e Al-8Si-4Cu-2Ni-(Sr) preparadas em laboratório. Foi estudado o efeito da aplicação de carga inicial, da influência do teor de silício da liga e da temperatura de brasagem nas microestruturas e interfaces das juntas obtidas. Para adaptar as condições de brasagem e aumentar a qualidade da junta em condições de brasagem ao ar, foram estudados múltiplos ciclos de brasagem com diferentes parâmetros e materiais de adição, que permitiram o estabelecimento de um ciclo de brasagem otimizado. O estudo incluiu a caracterização detalhada das microestruturas dos metais de adição em bruto e após a brasagem, para além da caracterização detalhada das interfaces das juntas, segregação de elementos e variação da composição química nas interfaces. O comportamento mecânico das juntas foi avaliado e comparado para diferentes condições experimentais. O estudo apresenta ainda uma visão detalhada sobre as principais causas de falha das juntas soldadas.

In this study, ultrasonic vibration (USV) was first applied to melts of the bulk materials during their preparation and later to the brazing process itself. This part of the work aimed to study the capability of USV in bulk filler preparation and understand the ultrasonic application on a larger melt quantity before applying it to the filler during the brazing operation itself. The main objective was to optimize the ultrasonic system at a high temperature. As a result of this study, high-quality casts were achieved, with the refining of the microstructure enhanced by the erosion of the sonotrode during the ultrasonic treatment and the consequent presence of Ti in the cast alloys. Due to the sonotrode erosion and to have a better understanding of the effect of USV on the filler during brazing, this treatment was no further applied to the filler alloys bulk preparation. For the brazing work itself, a brazing device, method, and filler materials were studied, designed, and developed. The brazing apparatus included the designing, manufacturing, and assembling of mechanical and electrical parts that permit precise monitoring and controlling of the brazing process. The ultrasonic brazing process was enhanced by the application of controllable compression load before and after the process. The ultrasonic-assisted brazing process was studied both numerically and experimentally. The ultrasonic brazing system was modeled by considering the actual brazing conditions. Brazing was done using multiple fillers and at multiple conditions and parameters. The studied fillers started by Al-1Si, Al-13Si, Al-9Si-3Cu and ended by the lab-made filler alloys Al-9Si-4Cu-(Sr) and Al-8Si-4Cu-2Ni-(Sr). The effect of the initial load application, Si percent in the alloys, and brazing temperature on the joint microstructures and interfaces were studied and reported. For adapting the brazing conditions and increasing the joint quality at air conditions, multiple brazing cycles at different parameters and filler materials were studied, ended by an optimized brazing cycle. The study included the detailed characterization of the microstructures of the filler alloys in bulk form and after brazing, in addition to the detailed characterization of the joint’s interfaces, element segregation, and composition variation at the interfaces. The mechanical strength of the joints was evaluated and compared. In addition, the study presents a detailed insight into the cause of failure of the brazed joints.