DD6单晶高温合金TLP焊及接头组织形成规律研究

摘要

第二代镍基单晶高温合金DD6是目前生产航空发动机涡轮叶片的先进材料,它拥有优异的力学性能,高的抗氧化、抗腐蚀性能,以及优良的高温组织稳定性。瞬时液相扩散焊(TLP焊),融合了熔化焊的冶金结合特性和钎焊的工艺特点,是实现DD6单晶高温合金焊接的有效方法。
　　本文根据Ni基单晶高温合金性能要求及成分特点,设计并制备出用于DD6合金TLP焊的Ni基中间层合金箔带,分析了合金组织及相组成,并测试了其熔点;然后用之在真空钼丝炉中实现DD6合金的TLP连接,研究了接头组织及性能,分析了接头元素分布;建立TLP焊扩散模型,理论计算了使用Ni-8Co-4Cr-0.5W-3.2B中间层合金TLP焊DD6合金的等温凝固、成分均匀化阶段所需时间,以及降熔元素B向母材的扩散距离;用DD6标准热处理制度对DD6单晶及Ni-8Co-4Cr-0.5W-3.2B接头进行热处理,分析DD6单晶及接头组织形成规律和硬度变化。研究结果表明:
　　采用快速凝固装置制备的Ni-8Co-4Cr-0.5W-3.2B及Ni-8Co-4Cr-0.5W-3.2B-4.5Si合金箔带成形性较好,组织细小、成分均匀,主要由Ni固溶体和金属间化合物组成。熔化区间较窄,分别为1084℃~1095℃和980℃~992℃,满足TLP焊对中间层合金短时间熔化的要求。
　　在焊接温度1200℃和1150℃,保温时间12h,焊接压力0.2MPa,真空度5×10-2Pa的工艺条件下,获得了组织致密、与母材结合良好的TLP焊接头,接头由焊缝区、扩散影响区及基体区构成;由上述两种中间层合金获得的TLP焊接头在焊接过程中均完成了等温凝固,中间层与母材中的合金元素发生充分互扩散,使得合金元素在接头分布较为均匀;采用两种中间层合金获得的焊接接头,室温剪切强度分别达到了母材的97％和92％。经理论计算可得,使用Ni-8Co-4Cr-0.5W-3.2B中间层合金TLP焊过程中,等温凝固、固相成分均匀化所需时间分别为6.43h、9.6h,均匀化所需时间理论计算值大于实际试验值。在1200℃/12h及1150℃/12h的焊接条件下,获得的两接头中降熔元素B向母材的扩散深度分别为170μm、130μm,随着向母材距离的增加,降熔元素的浓度梯度基本不再变化。
　　在固溶处理、一次时效及二次时效三个热处理阶段,基体中γ′强化相尺寸呈现逐渐增大的趋势,形状逐渐立方化,且固溶处理对基体硬度的影响较后两个热处理阶段大。Ni-8Co-4Cr-0.5W-3.2B接头经过热处理后,接头焊缝区及基体区组织相同,显微硬度分布逐渐趋于平缓,均在400~420HV范围内。DD6高温合金的强化方式有γ′沉淀相强化和固溶强化,前者强化作用更大。

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1 前言

1.1 高温合金概况

1.2 高温合金的焊接性分析

1.3 高温合金的焊接方法

1.4 高温合金TLP焊

1.5 高温合金TLP焊研究现状

1.6 问题的提出

1.7 本课题研究目的与内容

2 试验过程与方法

2.1 母材

2.2 中间层合金

2.3 TLP焊

2.4 TLP焊接头组织及性能分析

2.5 DD6单晶及TLP焊接头标准热处理

2.6 总体研究方案

2.7 本章小结

3 中间层合金的组织形态及熔点

3.1 中间层合金宏观形貌

3.2 中间层合金的相组成及组织形态

3.3 中间层合金的熔点

3.4本章小结

4 DD6单晶高温合金的TLP焊接

4.1 接头宏观形貌

4.2 接头微观组织及相组成

4.3 接头中合金元素的分布

4.4 液/固界面原子扩散理论分析

4.5 硼元素扩散深度

4.6 接头性能

4.7 本章小结

5 DD6单晶及TLP焊接头不同热处理状态下组织与性能分析

5.1 DD6单晶组织变化特征

5.2 DD6单晶硬度变化

5.3 接头组织形成规律

5.4 接头显微硬度分布规律

5.5 DD6合金强化机理分析

5.6 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

在校期间发表论文及所获奖励