IC10单晶高温合金的TLP扩散焊工艺及机理研究

发布时间：2020-05-19 11:34

【摘要】：针对IC10单晶高温合金连接与修复的应用需求,本文根据IC10单晶高温合金的化学成分,采用BNi2+0/3/6/9%Al(wt.%)混合粉末作为中间层进行了瞬时液相(TLP)扩散焊实验研究,分析了中间层中Al元素含量对接头微观组织、力学性能、断口形貌和硬度分布的影响。在此基础上,研究焊接工艺参数对IC10/BNi2+3%Al/IC10接头的微观组织、力学性能、断口形貌和硬度分布的影响。分析了Al元素的加入对焊缝组织及其分布的影响。最后基于B元素的扩散和双相解模型对TLP扩散焊接头形成过程进行一些理论分析计算。采用BNi2+Al中间层,对IC10合金进行TLP连接,焊缝中产生的物相主要有焊缝基体γ?相、Cr B相、(γ-Ni+M23B6)共晶组织以及少量的(γ-Ni+M23B6+Co Si2)共晶组织,扩散区中产物主要为M5{B,Si}3析出相和M5B3析出相。随着中间层中Al元素含量的升高,焊缝中的析出相分布更加弥散。在相同焊接条件下,在采用BNi2+3%Al中间层时,接头常温抗剪强度最高,达到570 MPa。在采用BNi2中间层时,因接头中心处存在有大量连续的共晶组织,降低了接头的可靠性;而当加入Al元素含量过高时,根据其接头微观组织以及断口形貌发现,中间层的润湿铺展性能大大下降,导致接头中产生较多孔洞,恶化了接头力学性能。研究焊接工艺参数对IC10/BNi2+3%Al/IC10接头的影响。发现焊接温度对扩散区产物的形成与分布影响剧烈,在焊接温度较低时,焊缝内存在有较多的共晶组织以及Cr B相,扩散区无富Si析出相;当温度较高时,焊缝可实现等温凝固,且扩散区存在有富Si析出相。保温时间对于焊缝内反应产物的分布也有一定影响,随着保温时间的增加焊缝内反应产物均有不同程度的溶解扩散。随着焊接温度从1040°C升高到1140°C,接头平均抗剪强度也从220 MPa升高到550 MPa而后小幅度下降到480MPa;随着保温时间从0.5 h增长到3 h,接头平均抗剪强度也先升高后逐渐趋于稳定。测得IC10/BNi2+3%Al/IC10接头的1000°C高温抗拉强度为85 MPa到130 MPa。剪切断口主要是准解理断裂特征,高温拉伸断口主要表现为沿晶断裂特征。通过纳米压痕测试得出接头中各物相的硬度。通过显微硬度测试,发现焊缝中硬度与存在的析出相以及共晶组织的面积和分布有关,位于非等温凝固区的反应产物的硬度均高于母材及焊缝基体硬度。由于中间层中混合有Al粉,导致等温凝固阶段与传统的TLP扩散焊接头形成模型不再一致,接头不再以焊缝中心位置存在有连续分布的共晶组织以及析出相为特点,而是将低熔点液相分流于相界之间,使得在焊缝在形成γ′相的同时,Cr B析出相以及低熔点共晶组织沿着γ′相的相界析出。最后以双相解模型为基础,结合B元素的扩散理论,计算出在焊接温度为1100°C时,液相区域可达到的最大宽度Wmax=109.88μm,完成等温凝固过程所需要的理论时间t=9.4 h,B元素理论浓度为0.0271%~0.027%;在焊接温度为1140°C时,液相区最大宽度Wmax=118.07μm,完成等温凝固过程所需要的理论时间t=9 h,B元素理论浓度为0.024%~0.0239%。
【图文】：

1-1 枝晶的分布情况：左边是实验情况；右边是计算结果a) A 试样，b) B 试样，c) C 试样]采用钨极氩弧焊(GTA)对三种镍基合金 Inconel 738以及镍基单晶合金进行焊接研究。在采用IN625焊丝的热影响区没有观察到裂纹。并对单晶合金的焊缝的中心线和焊趾附近形成了较多的大角晶界，导致用电子束和激光研究镍基合金PWA1480的焊接性融区均有较大程度的开裂，经过分析认为裂纹主要向的杂晶是导致凝固裂纹产生的主要原因。并且，采用高能束焊接该合金，，只有在很窄的工艺参数缝。[27]利用实验和热/流体流动模拟研究了激光焊和电子镍基单晶合金 CMSX-4 上的杂晶形成的影响。实验中杂晶的含量，发现在焊接速度为 6 mm/s 时，该且随着焊接速度的增大，由于 G/V 的增大，杂晶数

图 1-2 钎焊接头截面微观形貌[36]a) 钎焊接头微观形貌，b) 接头中不连续的硼化物，c) 珍珠状硼化物，d) 针状的碳化物及硼化物[37]研究了粉末合金FGH96与镍基单晶合金DD6的钎焊较高强度的钎焊接头。在保温时间为 10 min 时，接头的作者研究了随着保温时间的延长从 1 h 到 16 h，接头的，其中脆性相开始细化，接头各区域的成分逐渐均匀化0 μm 增大到 140 μm，接头强度在保温时间为 16 h 时得
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG453.9

【参考文献】

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本文编号：2670833