（材料加工工程专业论文）gh132焊接接头组织、性能及工艺研究.pdf

：7i - at h e s i si nm a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d y o f m i c r o s t r u c t u r e 、p r o p e r t i e sa n d t e c h n i c so fg h13 2a l l o yw e l d i n gj o i n t b yw a n g y a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n gx u q i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 与哆 日期： w 叼巧，7 _ 1 97 西 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 毒厮 签字日期：矽7 净1 日7 口 签字日期：叼、7 、弓 最雩 三记 口 亡、 牝覆 两 孙签 币 j i y导 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 g h l 3 2 合金是铁基变形高温合金的一种，以其较高的热强性和组织稳定性 代替了镍基和钴基高温合金，主要应用于工作环境在6 5 0 。c 左右的燃气涡轮发动 机的涡轮盘、压气机盘等高温部件。几乎所有的高温部件中都大量采用到高温合 金的焊接结构，焊接结构影响着零部件的使用寿命及可靠性。目前，可见到的关 于g h l 3 2 合金焊接工艺的研究仅限于等离子束焊接、激光焊接及电子束焊接( 三 束焊接) ，而对于钨极氩弧焊( t i g 焊) 在g h l 3 2 合金中的应用和研究未见报道。 本文研究了g h l 3 2 合金及t i g 焊焊接接头的室温和6 5 0 的组织及力学性 能，研究表明：“固溶+ 时效”处理可以明显提高焊接接头抗拉强度。室温下g h l 3 2 合金板材t i g 焊焊接接头焊态下的抗拉强度o b = 7 3 0 m p a ，母材抗拉强度的 a b = l l15m p a ；“固溶+ 时效”后焊接接头的抗拉强度6 b = 8 2 0 m p a ，母材抗拉强度 a b = l1 0 0m p a 。6 5 0 t i g 焊焊接接头焊态下的抗拉强度o b = 5 1 0 m p a ，母材抗拉强 度o b = 8 5 5m p a ，“固溶+ 时效”后焊焊接接头的抗拉强度o b = 7 3 0 m p a ，母材抗拉强 度o b = 8 1 0m p a 。 利用金相显微镜和扫描电镜对焊态及“固溶+ 时效”焊接接头组织和性能研究 表明：t i g 焊焊缝显微组织为粗大的树枝晶及柱状晶，这是焊缝强度低于母材主 要原因。“固溶+ 时效”后焊缝抗拉强度提高原因是：焊缝成分均匀，强化相y 呈 良好状态析出。s e m 的断口形貌观察表明g h l 3 2 合金室温拉伸断裂机制为混合 型断裂( 韧性断裂为主伴随部分脆断) ，焊接接头室温拉伸断口形貌表现为有取向 性的韧性断裂，高温拉伸断口取向性消失。 关键词：g h l 3 2 合金焊接合金板固溶+ 时效高温拉伸断口形貌 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t g h13 2a l l o yi so n eo ft h ef e - b a s e dd i s t o r t i o nh i g ht e m p e r a t u r ea l l o y , b e c a u s eo f i t sh i g h e rh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t ha n ds t r u c t u r es t a b i l i t y , i th a sr e p l a c e dn i - b a s e d a n dc o - b a s e dh i g ht e m p e r a t u r ea l l o y , a n dm a i n l yu s e di nh i g ht e m p e r a t u r ep a r t ss u c h a s ：t h et u r b i n e t r a yo ft h eg a st u r b i n e - e n g i n ea n dp r e s s u r em a c h i n et r a y a l m o s ta l l t h eh i g ht e m p e r a t u r ep a r t sa r eu s e dt h ew e l d i n gs 们l 曲】o fh i g ht e m p e r a t u r ea l l o y , w e l d i n gs t r u c t u r ea f f e c tt h eu s e f u ll i f ea n ds t a b i l i t yo ft h ep a r t s a tp r e s e n t , t h e w e l d i n gt e c h n i c ss t u d y i n go ft h eg h 13 2a l l o y l a tw ek n o w o n l ya b o u tl a s e rw e l d i n g a n dp l a s mb i n dw e l d i n g ，b u tm e r e l yh a st h er e p o r ta b o u tt h et i gw e l d i n gg hi3 2 a l l o y t h ep a p e rh a ss t u d y i n gt h em i c r o s 饥l c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg h13 2 a l l o ya n dt i gw e l d i n gj o i n tu n d e rr o o mt e m p e r a t u r ea n d6 5 0 ch i g ht e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s t h es t u d y i n gi n d i c a t e dt h a t ：s o l i ds o l u t i o na n dt i m ee f f e c t t r e a t i n gc o u l d e v i d e n t l yi n c r e a s et h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ew e l d i n gj o i n t a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e t e n s i l es t r e n g t ho fg h13 2a l l o yp l a t et i gw e l d i n gj o i n ta sw e l d i n gi s7 3 0 m p a ，a n d t h et e n s i l es t r e n g t ho fb a s e m a t e r i a la l l o yh a sr e a c h i n g1115 m p a t h et e n s i l es t r e n g t h o fs o l i ds o l u t i o n ( s o l i d9 8 0 h e a tlha n dt i m ee f f e c t7 2 0 c ，16 ht r e a t i n g ) a l l o yt i g w e l d i n gj o i n ta sw e l d i n gh a sr e a c h i n g8 2 0 m p a , t h et e n s i l es t r e n g t ho fb a s e m a t e r i a l a l l o yi s 110 0 m p a ，u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n a t6 5 0 ch i g ht e m p e r a t u r ea f t e rt e n s i l e t e s t ，t h et e n s i l ea l l o yt i gw e l d i n gj o i n t 弱w e l d i n gi s510 m p a , t h et e n s i l es t r e n g t ho f b a s e - m a t e r i a la l l o yi s8 5 5 m p a t h et e n s i l es t r e n g t ho fs o l i ds o l u t i o na l l o yt i g w e l d i n gj o i n ta sw e l d i n gh a sr e a c h i n g7 3 0 m p a , t h et e n s i l es t r e n g t ho fb a s e m a t 嘶a l a l l o yi s8 10 m p aa f t e rh e a t i n gt r e a t m e n t b yt h em i c r o s c o p i ca n ds e m 、t h ep a p e rh a ss t u d y i n gt h em i c r o s t r u c t u r eo f a l l o ya sw e l d i n ga n d a ss o l i ds o l u t i o n 、t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：t h em i c r o s t r u c t u r eo f a l l o ym a t e r i a li sb r a n c ha n dc o l u m n i a t i o ng r a i n ，t h i si st h em a i n l yr e a s o no ft h a tt h e t e n s i l es t r e n g t ho ft i gw e l d i n gj o i n tl o w e rt h a nt h eb a s e - m a t e r i a la l l o y t h er e a s o no f t h a tt e n s i l es t r e n g t ho fw e l d i n g j o i n th a se n h a n c e da f t e rs o l i ds o l u t i o na n dt i m ee f f e c t t r e a t i n gi s ：t h ec o m p o s i t i o no fw e l d i n gl i n ei su n i f o r m i t y , a n dt h ei n t e n s i f i e dp h a s e 丫7 s e p a r a t i n go u tf o rt a k i n ga l lr i g h t t h es e mf r a c t u r es h a p ec o l o ro b s e r v a t i o ni n d i c a t e d i i i 东北大学硕士学位论文 t h a t ：t h er o o mt e m p e r a t u r et e n s i l er u p t u r em e c h a n i s mo fg h 13 2 a l l o yi s m i x - r a p t u r e ( t o u g h n e s sr u p t u r ea n db r i t t l e n e s sr u p t u r e ) ，t h e r o o mt e m p e r a t u r et e n s i l e f r a c t u r es h a p ec o l o ro fw e l d i n gj o i n tr e p r e s e n tt h et o u g h n e s sr a p t u r eo fo r i e n t a t i o n , a n dt h ef r a c t u r e o r i e n t a t i o nd i s a p p e a r e du n d e rh i g ht e m p e r a t u r et e n s i l e k e yw o r d s ：g h l 3 2a l l o y ；w e l d i n g j o i n t ；s o l i ds o l u t i o n + t i m ee f f e c tt r e a t m e n t ； h i g ht e m p e r a t u r et e n s i l e ；f r a c t u r ei m a g e i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要一i l 第一章绪论。1 1 1 引言1 1 2g h13 2 高温合金发展概况及组织性能特点l 1 2 1g h l 3 2 合金发展概况l 1 2 2g h l 3 2 高温合金的组织特点3 1 2 3g h l3 2 合金高温变形行为的研究4 1 3g h l 3 2 高温合金的工作环境5 1 4 铁基高温合金的特性及强化措施5 1 4 1 铁基高温合金的特性5 1 4 2 铁基高温合金的强化方式。6 1 5 高温合金连接工艺研究现状7 1 5 1 高温合金对接板对接工艺7 1 5 2 钨极氩弧焊的特点8 1 6 本文研究的目地及意义1 0 1 7 主要的研究内容1 0 第二章材料制备与试验方法1 1 2 1 实验过程( 实验方案) 1 l 2 2 材料制备与试验方法1 4 2 3 锻造准备及参数1 l 2 3 1 锻前准备1 2 2 3 2 锻造参数1 2 2 4 合金板材热处理工艺13 2 5g h l 3 2 钨极氩弧焊焊接工艺研究1 3 2 5 1g h l 3 2 高温合金板焊前准备1 3 2 5 2 氩弧焊焊接设备1 4 2 6g h 2 1 3 2 高温合金焊接板高温拉伸试验准备。1 5 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 6 1 拉伸卡具的要求与设计1 5 2 6 2 试验材料与试验尺寸。1 5 2 6 4 试验方法1 7 2 6 5 拉伸试样的理论分析方法。1 7 2 7 组织分析方法18 2 7 1 光学显微镜分析1 8 2 7 2 扫描电镜分析( s e m ) l9 2 8 显微硬度测试1 9 第三章g h l 3 2 合金焊接接头室温组织及力学性能研究2 l 3 1 引言2 1 3 2 焊接工艺参数对焊缝组织的影响2 1 3 3 拉伸试验结果及实验分析2 2 3 3 1 未经热处理的g h l 3 2 合金及焊接板室温拉伸结果分析2 2 3 3 2 热处理后焊缝的机械性能2 3 3 4 光学显微镜和扫描电镜分析2 4 3 4 1 热处理前后g h l 3 2 合金母材的显微组织及断口形貌分析2 5 3 4 2 热处理前后g h l 3 2 合金焊接接头组材组织分析2 8 3 5 显微硬度分析3 4 3 6 本章小结3 5 第四章g h l 3 2 合金焊接接头6 5 0 。c 瞬时拉伸分析3 7 4 1 引言3 7 4 2 实验结果及实验分析3 7 4 2 1 未经热处理的g h l 3 2 合金及焊接板高温拉伸结果分析3 7 4 2 2 热处理后g h l 3 2 合金及焊接板的高温拉伸结果分析3 8 4 3 高温拉伸形貌显微观察4 0 4 4 高温拉伸断口扫描电镜分析4 2 4 5 本章小结：4 6 第五章结论4 7 一v i 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 高温合金( s u p e r a l l o y ) 又称耐热合金，按其成分可分为铁基、镍基、钻基合金； 按强化方法可分为变形、铸造、粉末合金，通常用于工作温度5 4 0 以上的涡轮部件。 高温合金不仅具有良好的热稳定性、热强性和耐热腐蚀性能，同时还要有良好的耐疲劳 性能、抗高温蠕变性能、断裂韧性、塑性及组织稳定性。自三十年代以来，随着喷气技 术的发展，因解决飞机发动机涡轮增压器的耐用材料的需要而发展起来的。目前，高温 合金广泛应用于导向叶片、涡轮和压气机盘、燃烧室及其它高温部件，但是用量最大的 仍然是应用在燃气涡轮发动机上的铁基高温合金。现代航空发动机中，高温合金的重量 占发动机重量的7 0 以上，几乎完全用镍基合金来制造涡轮叶片，用镍基或铁基合金来 制造涡轮斟卜2 】。航空喷气发动机上大量采用高温合金制造各种零部件，焊接是制造中 的主要工艺，有的结构需要对接后再成型，可见，高温合金板材焊接后的力学性能直接 影响着部件的质量和使用寿命，因此，有必要研究一下高温合金的对接板组织与性能。 钨极氩弧焊是以钨极或钨合金( 钍钨、铈钨等) 为电极，用氩气作为保护气体的电 弧焊方法，简称t i g 焊。主要用于不锈钢、高温合金、高强钢、以及铝、镁、铜、钛等 有色金属及其合金的焊接。t i g 焊生产率虽然不如其它的电弧焊高，但是容易得到高质 量的焊缝。它特别适宜于薄件、紧密零件的焊接。通常开l 形坡口，可不添加填充金属， 在焊接较厚的工件时，开y 形坡口或双y 形坡口并添加填充金属。早在五十年以前， 自从惰性气体在价格和数量方面都成为可以利用的气体之后，人们就研究了用惰性气体 代替焊剂的保护方法【3 】。气体保护有许多优点，如减少焊缝金属的污染，由于焊后无渣， 简化了焊后的清理工作；焊丝上不用压涂焊药，因此使手工电弧焊和自动焊都成为可能 了。钨极氩弧焊可以根据它的工艺特点，进行不同方式的分类。但是最通常的是根据使 用的焊接电流种类和极性来进行分类，可分为直流钨极氩弧焊、交流钨极氩弧焊及脉冲 钨极氩弧焊等。氩气是一种无色无味的惰性气体。它比空气重2 5 ，而比热容和传热系 数却比空气小。这些性质使氩气在焊接时不易漂浮失散，能够起到良好的保护作用和良 好的稳定电弧的作用。虽然许多电弧焊接方法都使用非熔化极，但是目前只有钨极惰性 气体保护焊使用最普遍1 4 5 】。 1 2 g h l3 2 高温合金发展概况及组织性厶匕b t ；灶- r r 点 1 2 1g h l 3 2 合金发展概况 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 g h l 3 2 合金与a 2 8 6 基本相似，是国外五十年代发展起来的合金，被广泛地应用于 制作发动机涡轮盘及其他耐热承力结构件。例如，美国军用j 7 5 、j 6 9 、j 7 9 发动机和民 用j t 4 a 、j t 8 d 、j t 9 d 等发动机的涡轮盘都是采用a 2 8 6 合金或部分采用a - 2 8 6 合金制 造的。g h l 3 2 合金从1 9 6 6 年开始试制，目前我国已有十多个冶金工厂采用双联工艺生 产这种合金，产品性能稳定，均能达到美国a 2 8 6 合金的新规范。1 9 7 0 年，两种冶炼 工艺生产的g h l 3 2 合金，用水压机或锻锤模锻的涡轮盘均通过了航空发动机的长期试 车、试飞和小批量生产的考验，证明了g h l 3 2 合金具有生产工艺稳定和易于掌握、加 工性能好、成材率高、综合性能好、无缺口敏感性及长期使用的组织比较稳定等优点。 g h l 3 2 是时效强化型铁基高温合金，以1 5 c r - 2 5 n i 。f e 为基组成稳定的7 基体，以金 属间化合物丫相强化的变形高温合金。相当于国外的a - 2 8 6 合金，适于作6 0 0 - - 7 0 0 长期使用的高温部件，其使用寿命较短( 1 0 3 h 以内) ，对g h l 3 2 合金在5 5 0 6 5 0 长 期时效过程中组织变化已有较全面的研究【6 。8 】，在6 5 0 c 下使用，具有较高的强度和组织 稳定性，并有良好的综合性能。目前我国炼油厂的烟气轮机涡盘都广泛采用g h l 3 2 合 金【9 】。亦广泛应用于其它环形件和其它高温部件【l o 1 1 l ，其工作温度较低( 5 5 0 。c 以下) ， 破坏已蠕变因素为主【1 2 】，使用寿命长( 1 0 4 h 以上) 。是一个在不太高的温度下使用的多 用途高温合金。其典型的化学成分如表1 1 所示1 5 j 表1 1g h 2 1 3 2 合金的典型化学成分 t a b l e 1 1t h et y p i c a lc o m p o s i t i o n so ft h eg h 2 13 2a l l o y ( 、揣) 目前国内生产的g h l 3 2 合金，一般均采用双联的冶炼工艺路线，即电弧炉冶炼真 空自耗炉重熔与电弧炉冶炼一电渣炉重熔。实践表明，两种双联工艺路线各具特点所生 产的合金都能满足技术条件和使用要求。采用电渣重熔工艺生产的g h l 3 2 合金各种规 格饼材、棒材、环材、异型件等，质量比较稳定，成材率在5 8 左右。但铁基高温合金 是一类高t i 低a 1 含量的高温合金，控制t i 的烧损是这类合金电渣重熔所遇到的共同 问题之一。g h l 3 2 合金在高温的抗拉强度是普通碳钢的三倍左右，因此热变形较普通碳 钢困难，但比g h l 3 5 、g h l 3 6 合金的变形抗力小，塑性也比较好。 g h l 3 2 合金虽已在航空航天、汽车及船舶等工业领域使用多年，但在使用过程中其 性能波动较大，据统计数据，波动幅度断面收缩率t i j 1 8 倍，o 1 3 倍， a l 【2 0 倍，持久强度7 6 倍。显然，这样大的性能波动不可能充分发挥该合金的性能潜力。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 实验证明，上述性能波动与技术条件内的化学成分波动无关，与标准热处理工艺参数的 波动关系不大，而模锻工艺则是影响性能的关键【1 3 】。保证锻件具有理想组织的工艺因素 是：模锻加热温度和时间合适，不会产生过烧和过量富集晶界元素；模锻温度范围窄， 变形剧烈，锻件截面变形均匀，这就可以保证得到晶界状态良好晶粒细小均匀的完全再 结晶组织。 1 2 2g h l 3 2 高温合金的组织特点 无论哪一种高温合金，其基体均为面心立方晶格的奥氏体。g h l 3 2 高温合金是以成 分为f e - 2 5 n i 1 5 c r 为基的面心立方结构的稳定奥氏体组织，其晶格常数为3 5 8 2 埃，奥 氏体基体中溶有m o 、m n 、v 及少量的s i 、t i 、灿、b 等及其他微量常存元素，奥氏体晶 o o 柏一 图1 1y7 相的晶体结构图1 2m c 的晶体结构 f i 9 1 1a u s t e n i t ec r y s t a ls t r u c t u r ef i 9 1 2m cc r y s t a ls t r u c t u r e 粒在一般情况下浸蚀后显示出晶界平直的等轴晶粒。存在于奥氏体晶界的析出相对奥氏 体晶粒的长大起阻碍作用，在9 8 0 左右或更高的温度固溶处理，随晶界的溶解奥氏体 晶粒不断长大。 在正常热处理状态下，合金除奥氏体基体外，析出相有起主要第二相强化作用的成 分为n i 3 ( t i ，a 1 ) 型的丫7 相，其晶格结构如图1 1 所示为面心立方，晶格常数为3 6 0 6 埃，n i 3 ( t i ，a 1 ) 型的丫7 相是亚稳定的，稳定结构为密排六方的n i 3 t i 型r l 相。在合 金中存在有两种形态的丫相，一般是圆球状均匀细散的分布于y 基体的变态奥氏体相 起第二相强化作用。通常铁基高温合金的变态奥氏体相r l 相是g h l 3 2 合盒的过时效组 织，通常r 1 相首先在晶界呈胞状组织析出，很容易呈片层状向晶内长大。合金在正常热 处理状态是处于r l 相析出的边缘，有无i i 相析出与合金的t i 含量有关，t i 含量较低没 有析出，t i 较高时易析出。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 。相为四角晶系，a = 8 7 8 2 埃、e - - 4 6 1 3 埃。o 相析出会引起合金脆化，塑性指标明 显下降。因此，是否有o 相析出是合金组织稳定性的重要表现之一，有。相析出说明合 金的组织结构不稳定。o 相引起合金脆化的程度与合金的晶粒大小和。相析出的数量、 状态有关，对于粗大晶粒合金引起的脆化程度比对细晶的影响要大，o 相在晶界呈半连 续状或片状析出就更容易引起合金的脆化，g h l 3 2 合金是否有o 相析出，取决于剩余y 基体的成分。 以夹杂物形式存在于合金中的t i c 与t i n 是在液态合金中就已经形成的一次析出 相，以后基本上不参予合金一般热处理过程的组织转变。t i c 与t n 均为面心立方结构 如图1 2 所示【1 4 】，点阵常数分别为a - - 4 3 1 2 埃和a = 4 2 0 7 埃。t i c 比较稳定，1 1 8 0 c 以上 才开始明显溶解，1 2 1 0 c 保温仍没能完全溶解。在g h l 3 2 合金的低温断口试样上用电 子显微镜观察，发现有少量的二次t i c 呈片状弥散地分布于晶界或沿一次t i c 的边缘析 出。 1 2 3g h l 3 2 合金高温变形行为的研究 评定材料热强性能时，主要考虑其蠕变极限和持久强度，但在某些情况下，如火箭 上的零件，工作时间短，蠕变现象不起决定作用，又如制定钢的热锻轧工艺，需要了解 钢材的热塑性，这时高温瞬时拉伸的机械性能就有其重要的参考价值了。高温短时拉伸 试验主要是测定金属材料在高于室温时的抗拉强度、屈服强度、延伸率及断面收缩率等 性能指标。其中抗拉强度是试件拉断以前的最高载荷除以试件的横断面积，即 ob = p b f o ( m p a ) ( 1 1 ) p b 为断裂以前的最高载荷，f o 为试件原始横断面积。 对塑性材料来说，ob 为均匀塑性变形与集中塑性变形( 即颈缩) 的分界点。它是试 件产生最大均匀变形的抗力，也是材料能承受的最大拉应力。抗拉强度是工程设计、材 料研究及材料定货的主要依据之一。ob 是材料五大机械性能指标之一。 对于一定化学成分和组织状态的金属材料来说，变形的温度、变形速度、变形程度 以及变形时间等因素构成了综合的变形条件。流变应力可依据变形条件由下式表达： o = f 【、t 、t ) ( 1 - 2 ) 变形时间对材料的硬化和再结晶软化现象没有影响，故此因素可以不考虑，则式( 1 2 ) 可以变为： o = f 【、t ) ( 1 - 3 ) 求出材料在高温塑性变形时的流变应力与变形温度、应变速率、应变之间的关系后， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 即可以得到其高温塑性变形流变应力的变化规律，建立材料高温塑性变形的流变应力模 型。利用这种流变应力关系的特征还可以求解材料高温变形时的有关材料常数，据此可 建立组织和性能的预测模型。 g h l 3 2 合金的主要应用是作为一种变形合金，通过设定锻造工艺来得到所需的成形 锻件。但该种类合金的组织对锻造工艺十分敏感，若想得到最佳性能则必须在成形中精 确控制其显微组织。因此对其流变应力与变形条件的关系的研究就显得十分重要了。 1 3g h l 3 2 高温合金的工作环境 涡轮盘是喷气涡轮发动机的重要热部件，其重要性在于涡轮盘使用时直接关系到飞 机飞行的安全。涡轮盘的结构包括盘体和轮缘两部分，g h l 3 2 合金主要应用在涡轮盘体， 盘体主要承受有轮盘和固定在楔齿上的叶片在高速旋转中产生的离心力，以及由于沿轮 盘半径和厚度方向的受热不均而产生的热应力。其工作温度为7 6 0 以下，工作应力为 2 8 0m p a 5 6 0m p a 。轮缘部分除承受离心力和热应力之外，还受到气动弯曲力和由于叶 片振动而传递给轮缘的振动负荷，所以应用在涡轮盘上的高温合金是在复杂的应力条件 下和高温腐蚀气氛的环境中工作的。 某航空用喷气涡轮发动机有二级涡轮，涡轮额定转速为1115 0 转分，工作温度约 5 0 0 6 5 0 。c 。这种发动机的涡轮盘和承力环原用材料为g h 3 6 合金。经过多年的大量 使用和反厂修理表明，涡轮盘存在有严重的故障问题，一级盘的主要故障时楔槽槽底裂 纹，其次是楔齿裂纹、封严齿裂纹及径向伸长；二级盘的主要故障是楔齿裂纹【l 引。g h 3 6 合金是f e - c r - n i m n 型耐热钢，比起f e c r - n i 基高温合金的抗氧化和抗腐蚀性能要差， 线膨胀系数也大，所以，涡轮盘在高温长期工作后，表面的氧化、腐蚀现象较为严重。 槽底裂纹的主要起因是由于晶界腐蚀的结果，据有关资料介绍【1 6 1 ，高温涡轮部件的腐蚀 主要是硫腐蚀。g h 3 6 合金一级盘产生槽底裂纹的主要原因是晶界被腐蚀，然后在应力 作用下产生的应力腐蚀裂纹，而不属于低循环大应力周期疲劳裂纹。对于二级盘楔齿裂 纹，观察其宏观裂纹断口可以清晰看到疲劳源和裂纹发展区，表明二级盘楔齿裂纹与发 动机的使用地区无关，裂纹程度与涡轮盘的制造工艺有关。 1 4 铁基高温合金的特性及强化措施 1 4 1 铁基高温合金的特性 铁基高温合金的特点是以铁为主，含有大量镍和铬，又称为铁镍基高温合金或铁 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 镍铬基高温合金。根据不同的合金化强化类型又可分成如下三种： 固溶强化型合金：其成分特点是含有约2 5 4 0 n i ，以便稳定其奥氏体组织，同 时加入2 0 以上的铬以便获得良好的抗氧化能力。为强化固溶体还添加钨、钼、铌和少 量铝、钛、氮等元素。一般来说，( w + m o + n b ) 约占2 1 1 。这种合金加工性能良好， 加工成板材制作高温部件，于8 0 0 - 9 0 0 c 使用。 碳化物实效硬化型合金：其成分特点是含有一定量的碳和氮，并含有钨、钼和铌等 元素，它们不但起强化固溶体作用，而且形成碳化物起实效强化作用。一般来说，合金 含有约1 3 一2 0 c r ，8 之5 n i ，0 - 1 0 c o ，6 * 0 - 1 0 m n ，3 一7 ( w + m o + n b ) ， 0 2 - 4 ) 3 ( c + n ) 。这种合金加工性能好，可制作涡轮盘和其它高温受力部件，在6 0 0 一6 5 0 范围使用。 金属间化合物实效硬化型合金：其成分特点是含有铝、钛、或铌等元素，形成 y - n i a ( a 1 、t i ) 或y - n i 3 n b 实效强化。一般来说含有1 0 1 6 c r ，2 5 - - 4 5 n i ， 1 8 r v 3 5 1 i ，0 2 * 0 - 2 8 a 1 ，3 ，5 n b ，1 - - 3 w ，1 - 5 m o ，0 0 6 - 4 ) 0 8 c ，这 种合金主要做涡轮盘和其它高温部件，在6 5 0 8 0 0 范围使用。 铁基高温合金主要以变形合金为主，它具有足够高的高温强度及良好的加工性能， 可作为类似的镍基高温合金的代用材料制作涡轮盘、环及叶片。因为铁基高温合金含有 大量的铁，节约大量镍，降低合金成本，所以各国都注意铁基高温合金的发展【i7 1 。 1 4 2 铁基高温合金的强化方式 金属间化合物强化热强钢的特点是w e 很低( 一般为0 0 8 ) ，所以又称为铁基高温 合金。合金中的强化相是金属间化合物丫7 - n i 3 ( t i ，a i ) 、n i 3 t i ，故w n i 较高( 2 5 0 0 ) ， 同时含有a l 、t i 、m o 、v 、b 等合金元素，在合金中的基本作用可归纳为六个主要方面： ( 1 ) 形成面心立方元素镍、铁、钴和锰构成高温合金的奥氏体基体y 。 ( 2 ) 表面稳定元素一铬、铝、钛、钽。铬和铝主要提高合金抗氧化能力，钛和钽有利 于抗热腐蚀。 ( 3 ) 固溶强化元素钨、钼、铬、铌、钽和铝，溶解于y 基体强化固溶体。 ( 4 ) 金属间化合物一铝、钛、铌、钽、和钨，这些元素形成金属间化合物n i 3 a 1 、n i 3 n b 、 n i 3 t i 等强化合金。 ( 5 ) 碳化物、硼化物强化元素碳、硼、铬、钨、钼、钒、铌、钽、锆和氮，主要形 成出生和次生的各种类型碳化物和硼化物，强化合金。 ( 6 ) 晶界和枝晶间强化元素硼、铈、钇、锆和，这些元素以间隙原子或第二相形式 东北大学硕士学位论文第一章绪论 强化晶界或枝晶间。 为了使材料具有较好的强化效果，需要进行适当的热处理。例如，g h l 3 2 钢通常采 用9 8 0 - - , 1 0 0 0 1 2 两小时的固溶处理，然后在7 0 0 1 2 7 6 0 范围内经过1 6 h 的时效处理，属 于一种简单的先固溶后时效的热处理工艺。此时丫相便以极细小的颗粒分布于奥氏体 基体上，从而达到最好的强化效果。如果对g h l 3 2 钢配以冷变形时效，则强化效果将 进一步增强。为了避免临界变形量，导致的晶粒异常长大，冷变形量必须超过6 ，热 变形量必须超过1 0 。因为冷变形加速了7 相的沉淀，故随着冷变形量的增加，时效 后达到最大硬度的温度移向低温，但冷变形后钢的机构稳定性变差，所以冷变形后通常 采用两次时效，第一次7 6 0 c 1 6 h , 第二次7 0 0 1 6 h 以增加组织结构的稳定性和硬度的 均匀性。 若在g h l 3 2 钢的基础上，再向钢中加入w 、m o 、t i 、n b 等元素，同时增加n i 含 量，以稳定奥氏体，可使钢的使用温度提高到7 5 0 8 0 0 。 1 5 高温合金连接工艺研究现状 1 5 1 高温合金对接板对接工艺 对于固溶强化的高温合金，主要问题是焊缝结晶裂纹和过热区的晶粒长大，焊接接 头的“等强度 等。对于沉淀强化的高温合金，除了焊缝的结晶裂纹外，还有液化裂纹 和再热裂纹。铁基和镍基合金都具有较大的焊接热裂纹倾向，其主要原因是合金元素复 杂，特别是沉淀强化的合金，溶解度有限的元素n i 和f e ，易在晶界处形成低熔点物质， 同时对某些杂质( s 、p 、p b 、b i 、s n 等) 非常敏感；这些高温合金易形成方向性强的 单相奥氏体柱状晶，促使杂质偏析；这些高温合金的线膨胀系数很大，易形成较大的焊 接应力。实践证明，沉淀强化的合金比固溶强化的合金具有更大的热裂倾向【1 8 】。不论哪 种强化型高温合金，目前主要采用以下几种焊接方法： ( 1 ) t i g 焊接。t i g 焊接是铁基合金比较好的焊接方法，特别适用于1 2 5 m m 以下 的薄板，其焊接工艺参数如表1 2 。从防止产生裂纹的角度出发，焊接时采用小焊接线 能量，获得窄焊道。为了获得窄焊道，应采取小直径的电极；保护气体为a r ，特别是 焊接含有a l 、t i 等元素的合金时，由于它们极易氧化，因此焊接时要有可靠的保护。 t i g 焊也适用于镍基高温合金，焊接时一般工艺要求与铁基合金相同。 ( 2 ) m i g 焊接。m i g 焊的热输入量较大，对铁基合金焊接时防止裂纹的产生是很 不利的，所以只用于板较厚( 1 2 5 m m ) 或要求生产率高的场合。对于镍基合金，可 - 7 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用于固溶强化型合金的焊接，不适用于沉淀强化型合金的焊接。 ( 3 ) 自动埋弧焊。自动埋弧焊只用于厚板或要求高效率的场合。焊接接头型式和 坡口形状与碳钢焊接大致相同，可用直流反接或交流电源。此法只在n i c k e l 2 0 0 、 m o n e l 4 0 0 、i n c o n e l 6 0 0 、6 0 1 、6 2 5 等固溶强化型镍基合金中应用，对于h a s t e l l o y 系合金 因焊后焊缝金属韧性恶化，所以不用此法焊接；沉淀强化型合金也不用此法焊接。 ( 4 ) 等离子弧焊接。高温合金t i g 焊每层只能溶透深度约为2 3 m m ，而用等离子 弧焊接溶透的深度可大大增加，i n c o l o y 8 0 0 合金焊接时，可达7 8 m m ，提高了生产效。 ( 5 ) 电子束焊接。电子束焊接热量集中，使用于高温合金的焊接。但是电子束焊 接时易出现一些特有的缺陷，如气孔、冷隔等，裂纹敏感性也较大。对于镍基合金，因 其中含有很多a l 、t i 、n b 等活泼元素，在大气中焊接时要求较严格的保护，不然焊接 质量难于保证。用真空电子束焊接，可得到溶透好、变形小的焊接接头，便于自动化， 故可进行精密高效率的焊接。 ( 6 ) 扩散焊。扩散焊属于固相焊，扩散焊时接触界面处材料的塑性流变是获得可 靠接头的关键。高温合金的特点是高温强度高，变形困难，因此，扩散焊此类材料时， 要求特别高的焊接压力和长的焊接时间。然而焊接时间的增长，焊接过程中产生一些大 晶粒常对高温合金的性能有很大的损害。由于焊后热处理不同于材料在生产时的定向再 结晶热处理，因此也不能改善接头的高温性能。 ( 7 ) 高温合金的钎焊连接。钎焊是连接高温合金的一种简单而又经济的焊接方法。 研究表明【1 9 】，钎焊在焊接过程中，在钎角附近的钎缝中以及钎角中有大量的气孔存在， 这些气孔的形成原因与高温合金在粉末冶金过程中俘获的气体和缺陷有关，当钎料凝固 时通过钎缝外逸的气泡受到了阻碍，形成了气孑l 。 1 5 2 钨极氩弧焊的特点 虽然许多电弧焊接方法都使用非熔化极，但是目前只有钨极惰性气体保护焊使用最 普遍【2 0 ，2 1 1 。但是钨极却比较昂贵，所以必须加以保护以防止氧化，焊接示意图如图3 所示四】。钨极气体保护点弧焊方法几乎大都使用氩、氦或这两种混合气体作为保护气体。 焊接钢材时，如果保护适当，并且根据电极的直径，使用j 下常推荐的电流，则钨极实际 上是不消耗的。因为惰性气体也保护着熔池，故焊缝不易吸收空气中的氧或氮。当钢材 的厚度超过4 m m 时，t i g 焊的焊接速度较慢，因此，常用它来焊接薄板。当必须严格 控制焊缝质量，且又有可能使用填充金属来形成融合区时，不管成本如何，即使断面很 厚，也仍要使用这种焊接方法。钨极氩弧焊的焊接优点及缺点归纳如下： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 l 喷嘴；2 钨极；3 一电弧；4 焊缝；5 焊件；6 熔池；7 - 填充焊丝；8 - - 氯气 图1 3 钨极氩弧焊示意图 f i g 1 3t i gw e l d i n gd i a g r a m ( 1 ) 保护作用好，焊缝金属纯净。焊接时整个焊接区包括钨极、电弧、溶池、填 充金属棒的端部及溶池附近的工件表面均受到氩气的保护，隔离了周围空气对它们的侵 害，避免了焊缝金属的氧化和氮化，同时也杜绝了氢的来源，因此焊缝金属纯净，含氢 量小于0 5 m l 1 0 0 9 。 ( 2 ) 焊接过程