镍基高温合金钎料成分设计及钎焊工艺试验

摘要

随着航空航天技术的发展，飞机航程和发动机推重比的不断提高，对于结构材料的性能要求也越来越苛刻。镍基高温合金具有优异高温强度、良好抗氧化腐蚀性能的特点而被广泛应用于航空航天领域。镍基高温合金的实际应用中离不开各部件的焊接工作，钎焊作为一种方便有效率的焊接方法常被用于连接镍基高温合金。镍基钎料因其钎焊接头强度高，抗氧化腐蚀性能良好，服役温度高以及低成本的优点，成为镍基高温合金钎焊中使用最为广泛的钎料。同时镍基钎料可通过快冷技术被制备成非晶箔带，相比传统的粉状及膏状晶体钎料，非晶镍基钎料具有成分均匀、厚度薄和扩散效率高的优点，因此更适用于镍基高温合金的钎焊。 本课题基于团簇加连接原子模型及非晶形成能力的24电子判据，设计了[B-Ni9-xCrx]BSiNi(x=0,1,2)和[Cr-Ni12]B2Cr+[B-Ni7Cr2]BSiNi两种团簇类型，四种Ni-Cr-Si-B系钎料，并将其制备成宽度为~5mm，厚度为~50μm的镍基钎料箔带。采用[Cr-Ni12]B2Cr+[B-Ni7Cr2]BSiNi镍基钎料箔带对GH4169镍基高温合金以及采用[B-Ni9-xCrx]BSiNi(x=0,1,2)镍基钎料箔带对K4169镍基高温合金分别进行了同种材料真空钎焊。探究了钎焊工艺（钎焊时间、钎焊温度）对GH4169钎焊合金的界面接头微观组织及力学性能的影响。研究了不同Cr含量对钎料箔带组织和非晶形成能力的影响，以及分析了不同Cr含量钎料所钎焊K4169合金接头的组织、剪切强度和断口形貌的演变。 钎焊接头可分为钎缝（Brazed Seam，BS）以及扩散区（Diffusion Zone，DZ）。GH4169合金接头钎缝由γ-Ni固溶体组成。一次碳化物（NbC,TiC）和富（Nb、Mo、Cr）硼化物在扩散区形成。随着扩散距离增加或钎焊时间延长导致基体中B含量降低，由于Nb、Mo相较于Cr具有更强的硼化物形成能力，而优先在扩散区生成富（Nb、Mo）硼化物。粗大析出相（Laves相、δ相和硼化物相）在1240℃接头中形成。GH4169合金接头的力学性能主要由扩散区脆性硼化物决定。随着钎焊温度的提高，接头强度先减后增。接头在1150℃时剪切强度为602MPa，随即在1180℃时由于接头扩散区硼化物增多而下降至500MPa，在1210℃时扩散区硼化物逐渐消除而增加至624MPa。GH4169合金接头最高剪切强度在1240℃时获得为824MPa，界面组织的均匀化极大地提高了接头力学性能。随着钎焊时间从10min延长至40min，扩散区中脆性硼化物减少，GH4169合金接头强度从566MPa增加至624MPa。 [B-Ni9-xCrx]BSiNi(x=0,1,2)三种不同Cr含量镍基钎料中，[B-Ni9]BSiNi和[B-Ni8Cr1]BSiNi钎料的组织均匀，而[B-Ni7Cr2]BSiNi钎料中有黑色块状CrB相生成。同时钎料的非晶形成能力随着Cr含量的增加而降低，与24电子准则预测结果相符合。采用[B-Ni7Cr2]BSiNi钎料1150℃/20min条件下得到K4169合金接头的钎缝由镍固溶体、CrB相以及Nb6Ni16Si7相组成。Cr能通过产生空位聚集促进母材中Nb向钎缝扩散，故钎缝中Nb6Ni16Si7相的量随着钎料Cr含量的增加而增加。针状富Cr硼化物和一次碳化物MC(NbC,TiC)在扩散区处形成，且扩散区中富Cr硼化物随着钎料中Cr含量提高而增多。K4169合金接头在使用[B-Ni9]BSiNi钎料时获得最高剪切强度689MPa，使用[B-Ni8Cr1]BSiNi钎料时接头强度降至562MPa，因为扩散区较多的富Cr硼化物损害了接头的力学性能。当使用[B-Ni7Cr2]BSiNi钎料时，接头强度最低为450MPa，钎缝中连续的析出相（Nb6Ni16Si7相和CrB相）严重降低了接头的强度。 所有接头均断裂在扩散区或钎缝处，并呈现出准解理断裂和脆性断裂模式。扩散区中Laves相和硼化物相以及钎缝中连续的析出相（Nb6Ni16Si7相和CrB相）在外力作用下容易形成微裂纹，随即裂纹扩展，从而成为接头失效的源头。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 镍基高温合金焊接研究现状

1.2.1 高能束流焊

1.2.2 气体保护焊

1.2.3 摩擦焊

1.2.4 瞬时液相扩散焊

1.3 钎焊及其在镍基高温合金中的应用

1.3.1 钎焊简介

1.3.2 镍基高温合金用钎料

1.3.3 非晶钎料箔带的优点

1.4 本课题主要研究内容

2 基于团簇结构模型的镍基钎料成分设计

2.1 团簇加连接原子模型简介

2.2 镍基钎料成分的设计与优化

2.2.1[B-Ni9-xCrx]BSiNi (x=0,1,2)镍基钎料的设计

2.2.2 [Ni-Ni12]B2Cr+[B-Ni7Cr2]BSiNi镍基钎料的设计

2.3 本章小结

3 试验材料、设备及方法

3.1 试验材料

3.2 试验设备

3.3 试验过程

3.3.1 钎料箔带的制备

3.3.2 镍基高温合金的钎焊试验

3.4 组织与性能的表征

3.4.1 钎料箔带的表征

3.4.2 钎焊试样的表征

4 采用[Cr-Ni12]B2Cr+[B-Ni7Cr2]BSiNi钎料钎焊GH4169合金

4.1 钎料的性能

4.2 钎焊接头的典型界面组织

4.2.1 典型接头组织

4.2.2 钎焊接头元素分布

4.3 钎焊温度对接头组织和力学性能的影响

4.3.1 接头组织

4.3.2 接头力学性能

4.4 钎焊时间对接头组织和力学性能的影响

4.4.1 接头组织

4.4.1 接头力学性能

4.5 断口形貌

4.6 本章小结

5采用[B-Ni9-xCrx]BSiNi (x=0,1,2)钎料钎焊K4169合金

5.1 钎料的组织和性能

5.1.1 钎料组织

5.1.2 钎料的晶体结构及热性能

5.2 钎焊接头的典型界面组织

5.2.1 典型接头组织

5.2.2 钎焊接头元素分布

5.3 钎料中不同Cr含量对接头组织和力学性能的影响

5.3.1 接头组织

5.3.2 接头力学性能

5.4 断口分析

5.4.1 断裂路径

5.4.2 断口形貌

5.5 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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