【摘要】：針對(duì)IC10單晶高溫合金連接與修復(fù)的應(yīng)用需求,本文根據(jù)IC10單晶高溫合金的化學(xué)成分,采用BNi2+0/3/6/9%Al(wt.%)混合粉末作為中間層進(jìn)行了瞬時(shí)液相(TLP)擴(kuò)散焊實(shí)驗(yàn)研究,分析了中間層中Al元素含量對(duì)接頭微觀組織、力學(xué)性能、斷口形貌和硬度分布的影響。在此基礎(chǔ)上,研究焊接工藝參數(shù)對(duì)IC10/BNi2+3%Al/IC10接頭的微觀組織、力學(xué)性能、斷口形貌和硬度分布的影響。分析了Al元素的加入對(duì)焊縫組織及其分布的影響。最后基于B元素的擴(kuò)散和雙相解模型對(duì)TLP擴(kuò)散焊接頭形成過程進(jìn)行一些理論分析計(jì)算。采用BNi2+Al中間層,對(duì)IC10合金進(jìn)行TLP連接,焊縫中產(chǎn)生的物相主要有焊縫基體γ?相、Cr B相、(γ-Ni+M23B6)共晶組織以及少量的(γ-Ni+M23B6+Co Si2)共晶組織,擴(kuò)散區(qū)中產(chǎn)物主要為M5{B,Si}3析出相和M5B3析出相。隨著中間層中Al元素含量的升高,焊縫中的析出相分布更加彌散。在相同焊接條件下,在采用BNi2+3%Al中間層時(shí),接頭常溫抗剪強(qiáng)度最高,達(dá)到570 MPa。在采用BNi2中間層時(shí),因接頭中心處存在有大量連續(xù)的共晶組織,降低了接頭的可靠性;而當(dāng)加入Al元素含量過高時(shí),根據(jù)其接頭微觀組織以及斷口形貌發(fā)現(xiàn),中間層的潤濕鋪展性能大大下降,導(dǎo)致接頭中產(chǎn)生較多孔洞,惡化了接頭力學(xué)性能。研究焊接工藝參數(shù)對(duì)IC10/BNi2+3%Al/IC10接頭的影響。發(fā)現(xiàn)焊接溫度對(duì)擴(kuò)散區(qū)產(chǎn)物的形成與分布影響劇烈,在焊接溫度較低時(shí),焊縫內(nèi)存在有較多的共晶組織以及Cr B相,擴(kuò)散區(qū)無富Si析出相;當(dāng)溫度較高時(shí),焊縫可實(shí)現(xiàn)等溫凝固,且擴(kuò)散區(qū)存在有富Si析出相。保溫時(shí)間對(duì)于焊縫內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物的分布也有一定影響,隨著保溫時(shí)間的增加焊縫內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物均有不同程度的溶解擴(kuò)散。隨著焊接溫度從1040°C升高到1140°C,接頭平均抗剪強(qiáng)度也從220 MPa升高到550 MPa而后小幅度下降到480MPa;隨著保溫時(shí)間從0.5 h增長到3 h,接頭平均抗剪強(qiáng)度也先升高后逐漸趨于穩(wěn)定。測得IC10/BNi2+3%Al/IC10接頭的1000°C高溫抗拉強(qiáng)度為85 MPa到130 MPa。剪切斷口主要是準(zhǔn)解理斷裂特征,高溫拉伸斷口主要表現(xiàn)為沿晶斷裂特征。通過納米壓痕測試得出接頭中各物相的硬度。通過顯微硬度測試,發(fā)現(xiàn)焊縫中硬度與存在的析出相以及共晶組織的面積和分布有關(guān),位于非等溫凝固區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物的硬度均高于母材及焊縫基體硬度。由于中間層中混合有Al粉,導(dǎo)致等溫凝固階段與傳統(tǒng)的TLP擴(kuò)散焊接頭形成模型不再一致,接頭不再以焊縫中心位置存在有連續(xù)分布的共晶組織以及析出相為特點(diǎn),而是將低熔點(diǎn)液相分流于相界之間,使得在焊縫在形成γ′相的同時(shí),Cr B析出相以及低熔點(diǎn)共晶組織沿著γ′相的相界析出。最后以雙相解模型為基礎(chǔ),結(jié)合B元素的擴(kuò)散理論,計(jì)算出在焊接溫度為1100°C時(shí),液相區(qū)域可達(dá)到的最大寬度Wmax=109.88μm,完成等溫凝固過程所需要的理論時(shí)間t=9.4 h,B元素理論濃度為0.0271%~0.027%;在焊接溫度為1140°C時(shí),液相區(qū)最大寬度Wmax=118.07μm,完成等溫凝固過程所需要的理論時(shí)間t=9 h,B元素理論濃度為0.024%~0.0239%。
【圖文】：

1-1 枝晶的分布情況：左邊是實(shí)驗(yàn)情況；右邊是計(jì)算結(jié)果a) A 試樣，b) B 試樣，c) C 試樣]采用鎢極氬弧焊(GTA)對(duì)三種鎳基合金 Inconel 738以及鎳基單晶合金進(jìn)行焊接研究。在采用IN625焊絲的熱影響區(qū)沒有觀察到裂紋。并對(duì)單晶合金的焊縫的中心線和焊趾附近形成了較多的大角晶界，導(dǎo)致用電子束和激光研究鎳基合金PWA1480的焊接性融區(qū)均有較大程度的開裂，經(jīng)過分析認(rèn)為裂紋主要向的雜晶是導(dǎo)致凝固裂紋產(chǎn)生的主要原因。并且，采用高能束焊接該合金，，只有在很窄的工藝參數(shù)縫。[27]利用實(shí)驗(yàn)和熱/流體流動(dòng)模擬研究了激光焊和電子鎳基單晶合金 CMSX-4 上的雜晶形成的影響。實(shí)驗(yàn)中雜晶的含量，發(fā)現(xiàn)在焊接速度為 6 mm/s 時(shí)，該且隨著焊接速度的增大，由于 G/V 的增大，雜晶數(shù)

圖 1-2 釬焊接頭截面微觀形貌[36]a) 釬焊接頭微觀形貌，b) 接頭中不連續(xù)的硼化物，c) 珍珠狀硼化物，d) 針狀的碳化物及硼化物[37]研究了粉末合金FGH96與鎳基單晶合金DD6的釬焊較高強(qiáng)度的釬焊接頭。在保溫時(shí)間為 10 min 時(shí)，接頭的作者研究了隨著保溫時(shí)間的延長從 1 h 到 16 h，接頭的，其中脆性相開始細(xì)化，接頭各區(qū)域的成分逐漸均勻化0 μm 增大到 140 μm，接頭強(qiáng)度在保溫時(shí)間為 16 h 時(shí)得
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG453.9

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2670833