Mar-M247镍基高温合金瞬时液相连接研究

摘要

Mar-M247铸造镍基高温合金因具有良好的高温强度、组织稳定性被广泛应用于制造航空发动机和重型燃气轮机热端部件（喷嘴叶片或动叶片）。热端部件的制造和修复过程中，常常需要实施连接工艺，但由于该合金含有较高Al、Ti含量，焊接裂纹敏感性很强，不宜采用熔焊技术。瞬时液相连接技术（TLP）不仅综合了固相扩散连接接头强度高和钎焊工艺简便易于实施的优点，而且规避了熔焊的热影响区敏感性和组织不均匀性等缺点，被普遍认为是连接沉淀硬化型镍基高温合金的最佳方法。 MBF-80是应用范围较广的一种Ni-Cr-B三元成分非晶态箔带中间层合金。本文首先研究了使用MBF-80中间层合金TLP连接Mar-M247时各工艺参数对接头组织和力学性能的影响，采用扫描电镜SEM、透射电镜TEM对接头微观组织进行了表征，研究了接头扩散区（DAZ）沉淀析出相的形态、晶体结构和形成机制；开展了接头的室温、高温瞬时拉伸试验和高温持久试验，通过对接头组织和微区成分的表征分析，得出W、Co等难熔合金元素的扩散行为对接头高温力学性能有着较大影响，从而认为中间层的成分设计及其与基材合金的匹配性对接头的微观组织及力学性能有着关键作用。 鉴于中间层合金在TLP连接过程中的重要作用，本文研制了新型多元复杂成分的中间层合金，首先采用Thermo-Calc和DICTRA软件模拟计算的方法，围绕合金非晶化能力、熔点和接头的预期高温力学性能，筛选出了3种中间层合金成分。通过试制、表征和连接试验，结果表明DFB-1（Ni-7W-5Co-5Cr-2Ta-B）和DFB-10（Ni-10W-2Cr-2Ta-B）两种中间层合金能达到预期效果，可以实现高强度连接Mar-M247。 通过对两种不同成分的自制中间层箔带TLP连接接头的微观组织和力学性能的试验分析，以及采用电子探针（EMPA）对接头不同区域进行微区合金元素含量的检测，分析研究了各种合金元素在TLP连接过程中的扩散行为以及对接头力学性能的影响。并通过与商业化中间层合金MBF-80的对比分析，得出了中间层合金初始成分中含有较高W、Co元素含量可有效提高连接区高温持久断裂时间。另外，自制复杂合金中间层在连接Mar-M247合金过程中连接区中心线处析出的富W相可通过合理的连接后热处理（PBHT）进行消除，采用1230℃/6H的TLP连接工艺，并进行1230℃/24H-1250℃/4H,AC+1080℃/4H,AC+870℃/20H的PBHT处理后，以DFB-1、DFB-10和MBF-80为中间层的TLP接头高温持久性能均得到较大程度的提升，尤其是含W量高达10wt%的DFB-10中间层接头持久断裂时间与母材Mar-M247相当。 TLP连接过程是中间层与基材合金元素交互扩散的过程，连接后热处理也是合金元素继续扩散重新分配的过程。本文采用了按照电子空位数评估合金高温长时组织稳定性的方法，依据EMPA检测获得的接头连接区各位置化学成分实测结果，评估结果表明采用MBF-80、DFB-1和DFB-10三种中间层合金获得的组织均匀的TLP接头在长时间高温使用过程中，析出有害相从而导致性能衰减加快的可能性比较低。 本文从接头元素分布、析出相表征、力学性能试验入手，系统分析了商业化的简单三元系Ni-Cr-B中间层合金、自制的多元复杂成分中间层合金成分对铸造镍基高温合金Mar-M247的TLP连接过程和接头组织性能的影响。TLP过程的核心是元素的扩散和均匀化，但前期研究着大多重点关注降熔元素B的扩散规律和等温凝固机制，而对于决定合金高温强度的各种合金元素的扩散行为缺乏系统研究，本文在对比分析三种典型不同初始成分的中间层合金的接头成分均匀性差异的基础上，分析研究了扩散影响区中多类硼化物沉淀相的形貌、晶体结构及其析出行为，揭示了各类硼化物的析出机制，提出了析出相的控制措施，实现了该合金的高强度连接，有效提高了Mar-M247合金的TLP接头高温强度。根据各元素扩散行为特点，成功设计研制了两种含有Co、W元素的非晶箔带中间层合金DFB-1和DFB-10，与国外同类型产品的对比试验结果表明，所研制的中间层合金连接效果更优。另外，本文研究还率先发现了Hf、W元素对等温凝固行为的影响规律，提出了“利用析出相加速等温凝固速率，并在特定均匀化温度下消除析出相实现均匀化”的TLP工艺思想。

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