L'effetto dell'aggiunta di niobio nella saldatura

1. Il niobio serve come elemento di lega per migliorare le prestazioni di saldatura dell'acciaio inossidabile.

--Impariamo a conoscere l'effetto.

In alcuni acciai inossidabili austenitici, come l'acciaio inox 347, il niobio viene aggiunto come elemento di lega per migliorare la resistenza alla corrosione intergranulare. Ciò è particolarmente importante durante la saldatura.

Il niobio, infatti, quando interagisce con il carbonio forma il carburo di niobio (NbC), impedendo al carbonio di sequestrare il cromo e formare carburi di cromo (Cr23C6). I carburi di cromo sono inclini a causare la corrosione intergranulare, che può compromettere gravemente l'integrità del materiale.

Formando carburo di niobio, il niobio impedisce efficacemente questo processo, migliorando così la resistenza alla corrosione della saldatura e della zona termicamente alterata (ZTA).

Gli acciai inossidabili legati al niobio sono quindi ideali per l'impiego in ambienti ad alte prestazioni, come scambiatori di calore, recipienti a pressione e componenti esposti a temperature elevate e condizioni chimiche aggressive.

--Tale effetto è stato dimostrato da numerosi esperimenti.

Diversi studi hanno confermato gli effetti benefici del niobio nelle applicazioni di saldatura. Ad esempio, il ruolo del niobio nella zona termicamente alterata (ZTA) è stato analizzato utilizzando la Electron Backscatter Diffraction (EBSD) per studiare la struttura dei grani nei giunti saldati. Questi studi dimostrano che l'aggiunta di niobio porta a un affinamento dei grani nella ZTA, riducendo l'estensione della zona termicamente influenzata a grana grossa (CGHAZ). I grani più fini nella ZTA migliorano la microstruttura e la tenacità, rendendo il materiale saldato più resistente alla rottura sotto sforzo.

Fig. 1 Confronto tra le saldature di acciai inossidabili con diverse aggiunte di niobio (l'aggiunta di niobio nella parte superiore è inferiore rispetto all'altra).

Fonte:
"Lo stato dell'arte dei gasdotti a lunga distanza in Cina". Chengjia Shang - IGRC - Rio 2017

Inoltre, i dati di ricerca provenienti da progetti come la collaborazione del CBMM a Mosca indicano che gli acciai con un contenuto di niobio più elevato mostrano una maggiore tolleranza all'aumento dell'apporto di calore durante la saldatura. Questa flessibilità aumenta la capacità del materiale di resistere ai cicli termici di saldatura e garantisce l'affidabilità del giunto saldato.

2. Tecnologia di saldatura di metalli dissimili in lega di niobio e acciaio inox

--Importanza e sfide della saldatura di metalli dissimili

Le leghe di niobio e l'acciaio inossidabile sono spesso saldate insieme nei settori in cui sono richieste entrambe le proprietà ad alte prestazioni. La combinazione tra le eccezionali prestazioni ad alta temperatura, la resistenza alla corrosione e la superconduttività del niobio e la forza e l'economicità dell'acciaio inossidabile rende particolarmente interessante la saldatura di metalli dissimili. Tuttavia, la saldatura di questi due materiali presenta diverse sfide a causa delle loro differenze nelle proprietà fisiche, chimiche e metallurgiche.

• Differenze di proprietà termiche: Il coefficiente di espansione termica delle leghe di niobio (7,3×10-⁶/°C) differisce significativamente da quello dell'acciaio inossidabile (17,3×10-⁶/°C), con conseguenti tensioni residue.
• Incompatibilità metallurgica: Esiste il rischio di formazione di composti intermetallici fragili, come Fe₂Nb e Cr₂Nb.
• Sensibilità all'ossidazione: Il niobio è altamente suscettibile all'ossidazione a temperature elevate e richiede misure di protezione rigorose.
• Controllo della diluizione di saldatura: Il controllo della composizione del bagno fuso è impegnativo.

--Confronto e selezione dei metodi di saldatura

--Metodi di saldatura tradizionali

Quando si saldano leghe di niobio all'acciaio inossidabile, la scelta del metodo di saldatura appropriato è fondamentale. Ecco un elenco dei metodi di saldatura tradizionali.

--Tecnologie di saldatura avanzate

Le tecniche di saldatura avanzate, come la saldatura per attrito (FW), la saldatura per diffusione (DFW) e la saldatura esplosiva (EXW), possono essere utilizzate anche per affrontare le sfide uniche della saldatura delle leghe di niobio all'acciaio inossidabile.

1. Saldatura per attrito (FW)

• La saldatura a stato solido evita i difetti di saldatura.
• Particolarmente adatta per le giunzioni di tubi.
• Richiede un controllo rigoroso dei parametri (velocità, pressione, tempo).

2. Saldatura per diffusione (DFW)

• Utilizza strati intermedi (Ti, Cu, Ni) per migliorare l'adesione.
• Richiede un controllo rigoroso della temperatura (800-950°C) e della pressione.
• La resistenza del giunto può raggiungere il 90% della resistenza del materiale di base.

3. Saldatura esplosiva (EXW)

• Adatta ai compositi a piastra di grande superficie.
• L'interfaccia di saldatura ha una forma ondulata, meccanicamente interbloccata.
• Richiede un successivo trattamento termico per alleviare le tensioni residue.

--Punti chiave per il controllo del processo

1. Selezione del materiale dello strato intermedio

La selezione dei materiali intermedi svolge un ruolo fondamentale nel migliorare la qualità della saldatura e nell'attenuare il disallineamento dei materiali tra le leghe di niobio e l'acciaio inossidabile. Gli strati intermedi, come il nichel puro, i compositi a base di rame e gli strati di transizione vanadio/titanio, contribuiscono ad attenuare le tensioni residue e a prevenire la formazione di fasi fragili.

Ad esempio, uno strato intermedio di nichel puro sopprime efficacemente la formazione di fasi fragili Fe-Nb, mentre gli strati a base di rame possono alleviare le sollecitazioni termiche e fornire una buona conducibilità elettrica. L'uso di strati di transizione di vanadio o titanio offre un'eccellente compatibilità con il niobio e l'acciaio inossidabile, ma richiede un attento controllo delle temperature di diffusione.

2. Controllo dell'atmosfera protettiva

Il controllo dell'ambiente di saldatura è essenziale quando si saldano leghe di niobio, altamente sensibili all'ossidazione a temperature elevate. Si raccomanda l'uso di gas inerti come argon o elio con una purezza di almeno il 99,999%. Il contenuto di ossigeno deve essere attentamente controllato al di sotto di 10 ppm e si devono utilizzare sistemi di protezione a doppio gas per garantire l'integrità della saldatura. Per la saldatura sotto vuoto, la pressione deve essere mantenuta al di sotto di 5×10-³Pa per evitare l'ossidazione.

Conclusioni

La tecnologia di saldatura delle leghe di niobio e dell'acciaio inossidabile ha fatto notevoli progressi. L'aggiunta di niobio all'acciaio inossidabile migliora significativamente le prestazioni di saldatura, aumentando la resistenza alla corrosione, affinando la struttura dei grani e aumentando la tenacità. Spero che possiate comprendere meglio l'effetto dell'aggiunta di niobio nella saldatura. Per ulteriori informazioni, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Riferimenti:

[1] CHEN Guoqing, GAN Zhanhua, ZHANG Ge, LENG Xuesong (2023). Progressi nella ricerca della tecnologia di saldatura tra lega di niobio e metallo dissimile in acciaio inossidabile. Tecnologia di produzione aeronautica. https://doi.org/http://www.amte.net.cn/CN/10.16080/j.issn1671-833x.2023.19.093

[2] Xingwen Zhou, Yuhua Chen, Yongde Huang, Yuqing Mao, Yangyang Yu, Effects of niobium addition on the microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of NiTiNb and Ti6Al4V alloys, Journal of Alloys and Compounds, Volume 735, 2018, Pages 2616-2624, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838817340896