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GH4169合金瞬时液相连接及后热处理工艺与机理研究.pdf

GH4169合金瞬时液相连接及后热处理工艺与机理研究

564851482
2013-09-10 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《GH4169合金瞬时液相连接及后热处理工艺与机理研究pdf》,可适用于工程科技领域

硕士学位论文(工程硕士)GH合金瞬时液相连接及后热处理工艺与机理研究RESEARCHONPROCESSANDMECHANISMOFTRANSIETLIQUIDPHASEBONDINGOFGHALLOYANDPOSTWELDHEATTREATMENT王义峰年月国内图书分类号:TG学校代码:国际图书分类号:密级:公开工程硕士学位论文GH合金瞬时液相连接及后热处理工艺与机理研究硕士研究生:王义峰导师:冯吉才教授申请学位:工程硕士学科:材料工程所在单位:材料科学与工程学院答辩日期:年月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TGUDC:DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONPROCESSANDMECHANISMOFTRANSIENTLIQUIDPHASEBONDINGOFGHALLOYANDPOSTWELDHEATTREATMENTCandidate:WangYifengSupervisor:ProfFengJicaiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MaterialsEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence:July,DegreeConferringInstitution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文I摘要本文针对空心涡轮盘连接的实际工程课题需求对GH高温合金的瞬时液相连接进行了研究。分别以BNi和自配钎料为中间层利用扫描电镜、能谱分析、X射线衍射分析等方法分析了接头界面结构研究了工艺参数对接头界面结构及力学性能的影响规律探讨了瞬时液相连接GH高温合金的连接机理并对接头进行了焊后热处理研究了后热处理对接头界面结构及力学性能的影响简要分析了后热处理对接头的影响机制。以BNi为中间层对GH高温合金进行了连接重点分析了接头界面结构。常规工艺得到的接头由等温凝固区和化合物扩散区组成等温凝固区中心晶界处存在少量尺寸较小的NiSiNb三元化合物扩散区主要由不同形态的Cr的硼化物和CrMoNb的硼化物组成随连接温度的增加或连接时间的增长NiSiNb三元化合物尺寸增加且变连续硼化物分布更加弥散。尝试采用改进的连接工艺对接头反应产物进行控制高温连接低温扩散接头中仍存在较多的化合物随低温扩散时间的增长化合物数量减少但不会消除前期控制没有明显改善作用低温连接高温扩散接头中化合物数量明显减少高温扩散温度为℃时原始化合物分区现象消失接头组织均匀对化合物进行后期控制得到了较好效果。研究了工艺参数对BNi连接接头力学性能的影响规律工艺参数对常规工艺连接接头抗拉强度的影响均呈现先升高后降低的趋势当连接温度℃、连接时间min时接头最高抗拉强度为MPa达到焊后母材的断裂主要发生在扩散区接头塑性较小低温扩散时间对高温连接低温扩散接头抗拉强度的影响不明显当低温扩散时间为min时接头强度最高为MPa断裂发生在焊缝处断口呈现脆性断裂特征高温扩散温度对低温连接高温扩散接头影响较大高温扩散温度为℃时接头延伸率达实现了瞬时液相连接接头与母材的同步塑性变形。以GH高温合金主要元素为基体自行配置了NiCrFeSiB钎料其中基体成分Ni、Cr、Fe三种元素质量比与GH高温合金相同降熔元素B和Si的含量分别为wt和wt强化元素Nb、Mo、Ti的含量分别为wt、wt和wt。以自配钎料为中间层对GH高温合金进行了连接研究了工艺参数对接头界面结构及力学性能的影响规律。常规连接工艺所得接头由碎小的NiSiNb三元化合物和扩散区的硼化物组成连接温度对界哈尔滨工业大学工程硕士学位论文II面结构的影响更为明显改变工艺参数无法大量消除界面存在的化合物接头强度低塑性差低温连接高温扩散接头无论从组织结构还是元素分布上都达到了高度均匀性优于BNi连接接头此时接头延伸率超过。为了进一步优化连接质量研究了后热处理对接头界面结构及力学性能的影响。热处理之后BNi连接接头的等温凝固区重新生成了NiSiNb三元化合物自配钎料连接接头局部析出了少量CrMoNb的硼化物相比之下后者接头更加纯净。后热处理显著提升了低温连接高温扩散接头强度℃min℃min(BNi)接头室温抗拉强度为MPa达热处理后母材的延伸率为~高温强度为MPa延伸率约断裂在焊缝处℃min℃min(NiCrFeSiB)接头室温抗拉强度为MPa达到热处理后母材的延伸率为高温强度略低于前者接头但断裂路径由焊缝扩展向母材高温强度可达母材的以上接头延伸率仍为左右。经过焊后热处理上述两种接头的强度和延伸率都能达到课题要求。但采用自配NiCrFeSiB钎料作中间层瞬时液相连接GH高温合金所得接头经热处理之后界面微观组织更加纯净且无论是室温还是高温综合力学性能都优于BNi连接接头因此自配的NiCrFeSiB钎料更适合于完成本课题。关键词:GH高温合金TLP连接界面结构抗拉强度后热处理哈尔滨工业大学工程硕士学位论文IIIAbstractInordertomeetthedemandofactualprojectsubjectofbondinghollowturbindisks,transientliquidphasebondingofGHsuperalloyswascarriedoutinthispaperRespectivelyusingBNiinterlayerandselfmadeinterlayer,theinterfacialmicrostructureofjointswasanalyzedbymeansofscanningelectronmicroscope(SEM),energydispersivexraydetector(EDS)andXraydiffractometer(XRD)Theeffectofparametersonmicrostructureandmechanicalpropertieswasinvestigated,andthemechanismoftransientliquidphasebondingofGHsuperalloywasdiscussedPostweldheattreatmentwascarriedoutonthejoints,andtheeffectoninterfacialmicrostructureandmechanicalpropertieswasinvestigatedTheaffectingmechanismofpostweldheattreatmentwasalsoanalyzedTransientliquidphasebondingwascarriedoutwithBNiinterlayerInterfacalmicrostructurewasmainlyanalyzedCommonjointsconsistedofisothermalsolidificationzoneandprecipitatesdiffusionzoneSmallNiSiNbternaryprecipitateswereobservedatthegrainboundariesnearthecenterlineCrrichandCrMoNbborideswithdifferentmorphologieswereobservedinthediffusionzoneWithincreasingthebondingtemperatureordiffusiontime,thesizeofNiSiNbternaryprecipitatesincreasedTheternaryprecipitatesbecamecontinuousandtheboridesbecamemoredisperseImprovedprocessesweretriedtocontrolthereactionproductsinthejointsManyprecipitatescouldbeseeninthehightemperaturebondinglowtemperaturediffusionjointsWithincreasingthediffusiontime,precipitatescouldbereducedbutnotbeeliminatedTherewasnoobviouslyimprovingimpactintheinitialperiodTheamountofprecipitatesintheLowtemperaturebondinghightemperaturediffusionjointswassignificantlyreducedTheprecipitatesdisappearedwhenincreasingthediffusiontemperatureto℃JointswithhomogeneousstructurewereobtainedGoodresultswerereceivedbycontrollinginthelaterperiodTheeffectofparametersonmechanicalpropertiesofjointswithBNiinterlayerwasinvestigatedAtendencyoffirstlyincreasedandfinallyreducedwasobservedduiringthechangingoftensilestrengthofcommonprocessbondingjointsBiggesttensilestrengthofMPawasobtainedat℃andmin,whichwasoftheweldedbasemetalThefracturemainlyoccurredatdiffusionzone,andtheplasticpropertyofthejointswaspoorThelowtemperaturediffusiontimehadlittleeffectonthetensilestrengthofthejointsThehighesttensilestrengthwasMPawhenthelowtemperaturediffusiontimewasminBrittlefractureoccurredat哈尔滨工业大学工程硕士学位论文IVweldedseamThediffusiontemperaturesignificantlyaffectedthelowtemperaturebondinghightemperaturediffusionjointsTheelongationpercentageofthejointswaswhenthediffusiontemperaturewas℃SynchronismdeformationoftransientliquidphasebondingjointsandbasemetalwasobservedNiCrFeSiBinterlayerwithasamemassratioofNi,CrandFetoGHsuperalloywasselfmadeThemeltingpointreducingelementsandstrengtheningelementsweredeterminedasB(),Si(),Nb(),Mo(),Ti()(wt)TheeffectofparametersonmicrostructureandpropertiesofGHsuperalloyjointsbondedwithselfmadeinterlayerwasanalyzedMicrostructureofcommonprocessbondingjointsconsistedofsmallNiSiNbternaryprecipitatesandboridesBondingtemperaturehadamoresignificantlyeffectonthemicrostructureDuetomanyprecipitatesexistinginthejoints,thetensilestrengthwaslowandtheplasticpropertywaspoorExcellentuniformityofthestructurewasachievedwhenbondingwithlowtemperaturebondinghightemperaturediffusionprocessThepropertywasbetterthanthatofthejointsbondedwithBNiinterlayer,andtheelongationpercentagewasmorethanEffectofpostweldheattreatmentoninterfacialmicrostructureandmechanicalpropertieswasinvestigatedinordertoimprovethejoiningqualityNiSiNbternaryprecipitatesappearedintheisothermalsolidificationzoneofthejointsbondedwithBNiinterlayerAfewCrMoNbboridesprecipitatedinthejointsbondedwithNiCrFeSiBinterlayerThelatterjointswerepurerThetensilestrengthoflowtemperaturebondinghightemperaturediffusionjointswasobviouslyincreasedbypostweldheattreatmentThetensilestrengthof℃min℃min(BNi)jointswasMPa,ofthatofthebasemetal,andtheelongationpercentagewas~ElevatedtemperaturestrengthofthatjointwasMPawithanelongationpercentageofThestrengthof℃min℃min(NiCrFeSiB)jointswasMPa,ofthestrengthofbasemetal,andtheelongationpercentagewasElevatedtemperaturestrengthofthisjointwasalittlelowerthantheformer,butthefractureoccurredfromweldlinetobasemetalTheelevatedtemperaturestrengthreachedtomorethanofbasemetal,withtheelongationpercentagemaintainingatTheabovetwokindofjointsafterpostweldheattreatmentcouldbothsatisfiedtherequestofthissubjectAmorepuerinterfacialmicrostructurewithexcellentmechanicalpropertiescouldbeobtainedusingNiCrFeSiBinterlayerItismoreappropriatetoachievethissubjectbytheselfmadeNiCrFeSiBinterlayerKeywords:GHsuperalloyTLPbondinginterfacialmicrostructuretensilestrengthpostweldheattreatment哈尔滨工业大学工程硕士学位论文V目录摘要IAbstractIII第章绪论课题背景GH高温合金的研究现状镍基高温合金的连接现状钨极氩弧焊等离子弧焊高能束焊接钎焊摩擦焊扩散连接TLP连接研究现状TLP连接的影响因素高温合金液相扩散连接研究现状主要研究内容第章试验材料及方法试验材料试验设备及工艺试验设备连接工艺微观组织观察及成分分析扫描电镜分析X射线衍射分析力学性能测试第章采用BNi中间层TLP连接GH合金前言常规TLP连接接头组织与性能界面结构分析工艺参数对接头界面结构的影响哈尔滨工业大学工程硕士学位论文VI工艺参数对接头力学性能的影响断口分析接头断裂的半拉伸法分析高温连接低温扩散工艺连接接头组织与性能界面结构分析低温扩散时间对典型界面结构的影响低温扩散时间对接头力学性能的影响低温连接高温扩散工艺连接接头组织与性能典型界面结构低温连接高温扩散接头力学性能分析低温连接高温扩散接头断口分析本章小节第章采用NiCrFeSiB中间层TLP连接GH合金前言中间层成分的设计中间层基体元素的选择中间层降熔元素的选择中间层强化元素的选择常规TLP连接接头组织与性能界面结构分析工艺参数对接头界面结构的影响工艺参数对接头力学性能的影响断口分析接头断裂的半拉伸法分析低温连接高温扩散工艺连接接头组织与性能界面结构分析低温连接高温扩散接头力学性能分析NiCrSiB系钎料TLP连接GH高温合金机理研究本章小结第章GH合金TLP连接后热处理工艺研究前言后热处理工艺的选取焊后热处理对TLP接头界面结构的影响焊后热处理对BNi连接接头界面结构的影响哈尔滨工业大学工程硕士学位论文VII焊后热处理对自配钎料连接接头界面结构的影响焊后热处理对接头力学性能的影响焊后热处理对接头常温力学性能的影响热处理后接头室温拉伸断口分析焊后热处理对接头高温力学性能的影响热处理后接头高温拉伸断口分析后热处理影响机制研究本章小结结论参考文献攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明致谢哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第章绪论课题背景GH合金是NiCrFe基高温合金在℃以下的强度居高温合金之首同时具有优良的抗热疲劳、抗氧化以及热加工性能。GH合金在整个高温合金领域占有重要地位广泛应用于制造发动机涡轮盘、压气机叶片、紧固件、发动机轴、发动机燃烧室、尾喷管等部件。涡轮盘是航空发动机的核心部件它的质量和性能对于发动机的安全性、可靠性具有决定性影响。传统的涡轮盘为实心锻造件减轻其质量就减轻了发动机的重量可以显著增加推重比提高工作效率。由于涡轮盘是超高速旋转部件减轻其质量还可以降低转动惯量易于启停。基于以上要求某型号发动机对空心涡轮盘制造提出了迫切的需求由于该涡轮盘的空心结构无法通过传统的锻造方式直接制造出来需要首先制造尺寸相同的两个对分盘再利用焊接技术将其连接成空心涡轮盘。瞬时液相(TLP)连接综合了固相扩散焊及高温钎焊的优点接头变形量小表面氧化膜容易去除接头与母材在化学成分、组织结构上能够均匀一致因而得到了越来越广泛的应用。为了尽量减少母材变形得到性能最接近母材的接头本课题采用TLP连接方法选取合适的中间层进行了GH高温合金的连接研究解决空心涡轮盘的制造的瓶颈技术对新型涡轮盘的应用具有极其重要的意义。GH高温合金的研究现状GH高温合金在经过焊接热循环之后由于长期处于较高的连接温度下母材与焊缝的组织及相组成较原始母材均发生了较大变化研究GH高温合金的相组成及其变化规律为制定合理的焊后热处理规范获得达到性能要求的TLP连接接头奠定基础。GH高温合金以γ''相(NiNb)为主要强化相以γ'相(NiAlTi)为辅助强化相同时包括与γ˝相平衡的δ相是一种固溶加时效强化的镍基变形高温合金。GH高温合金的研究始于美国通用公司外国牌号为Inconel国内对GH高温合金的研究始于二十世纪七十年代主要应用在航空航天领域。哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Burke对γ"相、γ′相以及δ相的成分变化做了研究发现随热处理工艺的改变三种相成分变化不大。Kirman的研究显示γ″相的析出位置主要在位错上其原因在于位错部位的形核可以减少应变能从而缓解γ″相形核析出时产生的应力。γ′相和γ″相的粗化过程遵循LSW理论其中γ″相的粗化过程取决于合金元素的扩散速率长大激活能为kJmol。Davies认为只有第二相刚刚析出时的尺寸分布才严格符合LSW理论他将γ″相的连接粗化称为“相撞机制”即两个同一取向分布的γ″相沿其长轴方向连接形成“颈”。δ相为有序正交结构针状的δ相在溶解过程中由长针状向短针状甚至球状转变。其中针状δ相的溶解主要是受Ni或Nb原子长程扩散过程控制而球状δ相的溶解主要受界面反应过程控制。CaiDayong等人利用X射线技术确定了δ相的完全溶解温度为℃而Muralidharan的研究表明δ相的完全溶解温度为℃。Azadian也对δ相的完全溶解温度做了相关研究发现δ相的完全溶解温度与Nb含量有关结果表明当Nb含量在~之间时δ相的完全溶解温度范围在℃~℃之间。GH高温合金的抗拉强度随温度提高而降低其拉伸塑性在℃时最小超过这一温度抗拉强度又显著提升在℃MPa条件下GH高温合金的持久时间高达hmin分析表明主要是因为在℃下基体中析出了点状和棒状魏氏体从而延长了空洞萌生的时间。中国石油大学的宋宜四等人研究了热处理对GH高温合金组织的影响发现在~℃随着固溶温度的升高第二相的强化作用减弱合金晶粒变粗硬度值下降℃以后合金组织为单相奥氏体再经过固溶时效处理许多细小的强化相(主要是γ˝相)开始在合金中析出℃时析出最多且呈细小弥散状分布此时合金的硬度值比单纯经过固溶处理的合金硬度值大很多且硬度值在℃时最大。镍基高温合金的连接现状高温合金因其优良的高温性能可以在高温下长期工作关于镍基高温合金连接技术的研究相对较多主要涉及到钨极氩弧焊、等离子焊接、激光焊接、电子束焊接、摩擦焊、钎焊及扩散焊等各种方法。钨极氩弧焊钨极氩弧焊具有熔池可见性好操作方便等优点应用广泛。徐涛等人针对燃气轮机机组用高温合金焊接接头质量的要求采用钨极氩弧焊填充焊丝哈尔滨工业大学工程硕士学位论文对焊手工氩弧焊的方法对GH高温合金进行了焊接。研究表明GH氩弧焊接头易产生热裂纹、未熔合、气孔等缺陷必须注意焊前清理采用高纯度的惰性气体保护以及小线能量、小截面焊道的操作规范。由于焊缝呈铸造组织即使焊后经过热处理也未能获得同基体金属一样的γ′相。焊缝的过热区有显著的晶粒粗化现象严重降低了高温合金的高温塑性和疲劳强度且板材越厚焊道层数越多焊缝性能越差因而厚板TIG焊不宜用于重要的零部件及焊接结构。等离子弧焊郭必新等人利用等离子弧焊对板厚为mm的GH高温合金进行了连接发现采用较快的焊接速度时接头热影响区小和熔池保护效果好且焊缝正反面成形美观焊缝内部质量好。等离子弧焊接头的机械性能与氩弧焊接头相差不多但抗腐蚀能力和热稳定性要优于后者。如果参数不当也会造成气孔、裂纹、弧坑等缺陷。高能束焊接激光焊和电子束焊属于高能束焊接与传统的熔焊相比高能束焊接具有能量密度高热影响区小接头质量高等特点。王亚军用电子束焊焊接了GH和GH(铁基高温合金)由于高温合金母材的流动性差使得到的电子束焊接接头常出现凹陷、咬边等缺陷但接头的主要缺陷是根部钉形和近缝区液化裂纹虽然采取一定的工艺措施可以减少这两种缺陷但无法避免。Idowu对ATIAllvacPlus合金进行了激光焊接研究了热输入对焊缝热影响区液化裂纹的影响。发现在较低的热输入下容易产生晶间液化裂纹增加热输入后这种缺陷大量减少。经过分析大的热输入优势在于能够产生厚的晶间液相层晶间液相层越厚冷却过程中产生的应力越小直至接头中不存在液化裂纹。钎焊钎焊是一种简单快捷的连接高温合金的方法钎焊接头能避免熔焊中易产生的裂纹问题且母材变形量小。但是由于高温合金在冶金过程中俘获气体以及本身的缺陷会导致接头钎角处及附近钎缝中存在较多的气孔使得接头强度降低无法满足高强度的使用要求。哈尔滨工业大学工程硕士学位论文郭领军等人在~℃范

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