【摘要】：Inconel 718鎳基高溫合金是應用最多的高溫材料。其具有高熱裂紋敏感性,焊接裂紋不但顯著降低了鑄造合金部件使用率和成品率,而且影響了部件安全可靠性。為此Inconel 718鎳基高溫合金焊接接頭組織演變和熱裂紋研究受到國內(nèi)外學者高度關注。新一代高推重比動力系統(tǒng)Inconel 718鎳基高溫合金薄壁鑄件的焊接技術,是我國迫切需要解決的關鍵技術之一。本文以Inconel 718鎳基高溫合金大型、復雜、薄壁鑄件為對象,對不同的母材原始狀態(tài)和焊接線能量的TIG焊接頭進行微觀組織分析,測定了熱影響區(qū)(Heat Affect Zone:HAZ)、部分熔化區(qū)(Partially Melting Zone:PMZ)的寬度、晶粒大小、枝晶軸寬度,HAZ、PMZ、焊縫金屬(Welding Metal:WM)、各類析出相的數(shù)量、尺寸、分布,計算和分析了平衡相圖、相平衡分數(shù)圖、固液相線溫度區(qū)間等。微觀組織演變規(guī)律研究表明:(1)、在相同的Inconel 718合金化學成分和焊接線能量條件下,合金不同原始狀態(tài)焊接接頭的HAZ寬度排列順序為:軋制狀態(tài)鑄態(tài)和均勻化處理(兩者寬度相當);PMZ寬度為軋制狀態(tài)均勻化處理鑄態(tài);三種母材原始狀態(tài)焊接接頭的HAZ均為等軸晶,軋制狀態(tài)HAZ晶粒尺寸最小,鑄態(tài)和均勻化處理晶粒尺寸相當,但等軸晶中仍能顯示出樹枝晶痕跡;軋制狀態(tài)PMZ中晶粒為等軸晶,鑄態(tài)和均勻化處理PMZ晶粒為樹枝晶;HAZ中M23C6相數(shù)量的排列順序為軋制狀態(tài)均勻化處理鑄態(tài),尺寸三者相當;MC相數(shù)量排列順序為鑄態(tài)軋制狀態(tài)均勻化處理;軋制狀態(tài)HAZ中無Laves相,鑄態(tài)和均勻化處理HAZ中Laves相數(shù)量、尺寸相當;PMZ中第二相數(shù)量的總面積百分數(shù)排列順序為鑄態(tài)均勻化處理軋制狀態(tài)。(2)、隨著焊接線能量的增大,HAZ寬度、PMZ寬度、晶粒尺寸、樹枝晶間距增大,其中軋制狀態(tài)HAZ晶粒長大率是鑄態(tài)和均勻化處理的4.6倍;HAZ中MC、M23C6相總量隨著焊接線能量增大而減少,γ/MC+γ/Laves低熔點共晶相數(shù)量和尺寸幾乎不變;PMZ中隨著線能量的增大,MC相、M23C6相和γ/MC+γ/Laves低熔點共晶相數(shù)量減少、尺寸增大。(3)WM存在層狀偏析、焊縫中心和弧坑的區(qū)域偏析和樹枝晶間微觀偏析,隨著焊接線能量的增大,宏觀偏析和枝晶間微觀偏析增大,γ/MC+γ/Laves低熔點共晶相數(shù)量減少但尺寸增大�；谀汤碚摗U散理論和相變理論,詮釋了在焊接非平衡的加熱、冷卻過程中,HAZ、PMZ、WM的相變和MC相、M23C6相、Laves相溶化析出機制。運用熱力學軟件JMatPro計算了Inconel 718高溫合金固液共存溫度區(qū)間、合金密度、導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、凝固潛熱、比熱容、楊氏模量、泊松比、屈服強度等隨溫度變化的規(guī)律。采用熱彈塑性3D-FEM方法,計算分析合金薄板的平板堆焊和圓孔焊接時的溫度場和應力場,焊接線能量、封閉圓孔、分段焊等對焊接應力的影響。研究結(jié)果表明,平板對接焊時,焊接熱應力隨著焊接線能量每增大1.2 kJ/cm時;焊接方向拉應力(σx)增大6 MPa,小于垂直于焊接方向拉應力(σy)增大的8 MPa。封閉的環(huán)形焊縫的焊接熱應力大于平板對接焊焊縫,隨著焊接線能量增大每增大1.2 kJ/cm,環(huán)形焊縫的切向(σt)應力增大9 Mpa,小于法向(σn)應力增大的11 MPa;采用分段焊焊接可有效減少焊接熱應力。通過焊接試驗、焊后PT和X射線檢查,各類裂紋率表征,研究了焊接線能量、母材原始狀態(tài)、鑄件缺欠、焊道長度、多道多層焊對Inconel 718合金TIG焊接頭熱裂紋敏感性的影響。研究結(jié)果表明:(1)、焊接中會產(chǎn)生WM縱向與橫向凝固裂紋、HAZ液化裂紋、WM凝固裂紋和HAZ液化裂紋組成的復合裂紋、弧坑裂紋、弧坑裂紋和凝固裂紋組成的復合裂紋五類熱裂紋。(2)、焊接線能量越大則熱裂紋敏感性越大。(3)、線能量相同時,熱裂紋敏感性隨著母材原始狀態(tài)的不同而變化,其中鑄態(tài)母材焊接接頭熱裂紋敏感性最大,均勻化處理母材的次之,軋制母材的最小。(4)、在相同母材原始狀態(tài)和焊接線能量條件下,多道焊熱裂紋敏感性大于單道焊,在多層焊時后一層焊道與前一層焊道的弧坑接觸區(qū)域,容易形成復合裂紋,構(gòu)件熱裂紋敏感性大于平板,這與構(gòu)件是封閉焊縫且拘束度比平板焊接時大有關�；谖⒂^組織、裂紋斷口形貌的SEM分析、合金相圖、物理性能和力學性能變化規(guī)律的熱力學計算和3D熱彈塑性FEM焊接熱應力分析計算結(jié)果,揭示了Inconel 718鎳基高溫合金焊接熱裂紋萌生、擴展機制。基于Inconel 718鎳基高溫合金鑄件焊接接頭組織演變規(guī)律和焊接熱裂紋萌生和擴展機理研究結(jié)果,制定了Inconel 718鎳基高溫合金薄壁鑄件焊接熱裂紋防治措施,經(jīng)小批量生產(chǎn)驗證,可以有效遏止Inconel 718鎳基高溫合金薄壁鑄造構(gòu)件焊接熱裂紋的產(chǎn)生。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG132.3;TG407

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本文編號：2477196