选区激光熔化成型Inconel 718高温合金钎焊性能研究

摘要

Inconel718高温合金是一种高强度、高应力断裂、耐腐蚀、延展性有限的Ni-Cr合金，具有良好的可铸性、热加工性和焊接性，广泛应用于燃气涡轮盘、火箭发动机、航天器、核反应堆、泵和工装等高科技领域。选区激光熔化（selective laser melting,SLM）成型的Inconel718高温合金成型质量好，无明显的缺陷形成，组织呈现大量的柱状树枝晶。SEM结果表明，由于较高的激光热源和较快的冷却速度，晶内析出了大量的Laves脆性相，试样表面显微硬度均值为315.8HV。 首先分别采用非晶BNi2钎料和AgCu钎料钎焊连接选区激光熔化成型Inconel718高温合金，研究其基体的钎焊性能。研究结果表明，两种钎料均能较好的实现SLM成型Inconel718高温合金的钎焊连接。当采用BNi2钎料，在钎焊温度1060℃，保温时间30min条件下，钎缝合金区完全等温凝固，形成由γ-Ni组成的等温凝固区，具有良好的性能。钎焊接头剪切强度达802MPa，剪切断口表现为韧脆混合的断裂特征。当采用AgCu钎料，AgCu钎料中Cu元素与母材中Ni元素之间的固溶反应是确保钎焊成功连接的关键。钎焊接头剪切强度达502MPa，剪切断口表现为韧性断裂特征。 其次，本课题研究了SLM成型Inconel718高温合金和Si3N4陶瓷之间的钎焊。分别采用AgCuTi钎料、AgCuTi+W颗粒增强型钎料和AgCuTi/Cu泡沫/AgCuTi复合钎料成功实现了SLM成型Inconel718高温合金和Si3N4陶瓷之间的钎焊。采用AgCuTi钎料钎焊连接SLM成型Inconel718高温合金和Si3N4陶瓷，钎焊接头组成为Si3N4陶瓷/TiN+Ti5Si3反应层/Ag(s,s)+Cu(s,s)/Ti2Cu/Fe2Ti/Ag(s,s)/SLM成型Inconel718高温合金组成。剪切试验结果表明，裂纹起源于陶瓷母材近缝区，后延伸至钎缝合金区，剪切强度达339MPa。W颗粒增强钎料可以降低钎料和母材之间热膨胀系数的差值，还可以为Ag-Cu共晶提供更多的形核位置，从而提高钎焊接头剪切强度至352MPa。Cu泡沫复合钎料可以大幅度提高钎焊接头中Cu元素的含量，形成更多具有较低热膨胀系数值的Ti2Cu，避免生成过多的脆性大的Fe2Ti金属间化合物，从而提高钎焊接头剪切强度至395MPa。 对SLM成型Inconel718高温合金进行固溶+双时效热处理，晶粒间Laves脆性相溶解，析出大量Inconel718高温合金的主要强化相γ″(Ni3Nb)，试样表面硬度提升至465HV，性能整体得到大幅度提升。 采用BNi2钎料连接热处理后SLM成型Inconel718高温合金，由于母材晶间析出了大量的γ″(Ni3Nb)相，导致扩散影响区析出的硼化物和硅化物呈现细小颗粒状，不再连续，从而提高热处理后SLM成型Inconel718高温合金钎焊接头强度至884MPa。采用AgCuTi钎料钎焊热处理后SLM成型Inconel718高温合金和Si3N4陶瓷，陶瓷母材一侧应力集中区和高温合金一侧脆性相距离增加，导致断裂过程中裂纹无法扩展至钎缝，从而提高热处理后SLM成型Inconel718高温合金和Si3N4陶瓷钎焊接头强度至384MPa。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 Inconel 718高温合金概述

1.2.1 Inconel 718高温合金的特征

1.2.2 Inconel 718高温合金主要析出强化相

1.3SLM技术原理和SLM成型Inconel 718高温合金研究现状

1.3.1 SLM技术原理

1.3.2 SLM成型Inconel 718高温合金研究现状

1.4 SLM成型件焊接研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.1.1 试验母材

2.1.2 钎料特征

2.2 试验设备和工艺参数

2.2.1 真空钎焊试验设备

2.2.2 热处理设备

2.2.3 钎焊接头设计

2.2.4 钎焊工艺参数

2.2.5 组织分析

2.2.6 性能分析

第3章 SLM成型Inconel 718高温合金基体钎焊研究

3.1 前言

3.2 SLM成型Inconel 718高温合金微观特征和力学性能

3.2.1 微观特征

3.2.2 力学性能

3.3 BNi2钎料钎焊接头组织和性能研究

3.3.1 微观特征

3.3.2 力学性能

3.4 AgCu钎料钎焊接头组织和性能研究

3.4.1 微观特征

3.4.2 力学性能

3.5 本章小结

第4章SLM成型Inconel 718/Si3N4钎焊研究

4.1 前言

4.2 AgCuTi活性钎料钎焊接头组织和性能研究

4.2.1 微观特征

4.2.2 力学性能

4.3 AgCuTi+W颗粒增强钎料钎焊接头组织和性能研究

4.3.1 微观特征

4.3.2 力学性能

4.4 AgCuTi+Cu泡沫复合钎料钎焊接头组织和性能研究

4.4.1 微观特征

4.4.2 力学性能

4.5 本章小结

第5章 热处理态SLM成型Inconel 718钎焊研究

5.1 前言

5.2 固溶+双时效热处理对SLM成型Inconel 718组织和性能的影响

5.2.1 热处理工艺

5.2.2 热处理对组织的影响

5.2.3 热处理对性能的影响

5.3 热处理态SLM成型Inconel 718高温合金钎焊研究

5.3.1 微观特征

5.3.2 力学性能

5.4 热处理态SLM成型Inconel 718/Si3N4钎焊研究

5.4.1 微观特征

5.4.2 力学性能

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及专利

致谢