加压燃烧原位合成NiAl连接Ni基高温合金High_Temp_Alloy_CHN.doc

加压燃烧原位合成NiAl连接Ni基高温合金上海交通大学（200030） 朱丹平大连铁道学院（116028） 刘伟平摘要： 使用Ni-Al元素粉末混合压坯，采用加压燃烧合成连接技术，利用Gleeble-1500热力模拟试验机研究了金属间化合物NiAl的原位合成，成功地连接了Ni基高温合金。对接头进行了拉伸试验。研究分析了接头界面的金相组织和接头的断裂形式。关键词： 燃烧合成 连接 NiAl 金属间化合物JOINING OF NICKEL BASED SUPERALLOYS USING NiAl IN-SITU SYNTHESIZEDBY PRESSURIZED COMBUSTIONShanghai Jiaotong University Zhu DanpingDalian Railway InstituteLiu WeipingAbstract In this study, the in-situ synthesis of intermetallic compound NiAl was studied. The pressed blanks of blended Ni-Al elemental powders were synthesized by pressurized combustion synthesis technique. The superalloys based on nickel had successfully bonded on the Gleeble-1500 thermal-mechanical simulation tester. The tensile test of the joint was done. The microstructure of the joint interface was investigated. The fracture of the joint was also analyzed.Key words: combustion synthesis, joining, NiAl, intermetallic compounds0 前 言发展新的焊接方法、研究先进材料的连接技术具有十分重要的理论和现实意义。由于B2型有序金属间化合物NiAl其高熔点、低密度、良好的高温抗氧化和耐腐蚀性而倍受关注1。燃烧合成(Combustion Synthesis-CS)是近年来迅速兴起的材料制备新技术，将燃烧合成技术与连接技术相结合形成的燃烧合成焊接新技术对于新型高温结构材料（金属间化合物及其复合材料、陶瓷等）的连接具有较大的优越性2。1 试验材料及方法将纯度分别是99.8%和99.5%的Ni、Al元素粉末以50：50的配比（原子百分比）配置成混合粉，充分混合研磨后，干燥去除在研磨过程中吸入的水蒸气，取1 g混合粉在400 MPa的单轴压力下制成10 mm的压坯，其密度达到70%的理论密度。焊接用母材采用IC-221M Ni3Al基高温合金的铸造件和GH-141 Ni基高温合金。焊接试验是在Gleeble-1500热模拟试验机的真空室（真空度高于510-1Pa）中进行的。典型焊接参数是：从室温以2 /s 加热到200 ，在200 保温5 min，以去除压坯中的残余气体，然后以20 /s加热到1 100 ，同时加压力35 MPa，保温保压一段时间后冷却至室温。采用Neuphot32光学显微镜、Philip X-30扫描电子显微镜/Oxford 360能谱分析仪分析金相组织并进行元素的含量分析；并采用Shimadzu XRD-6000 X射线衍射分析仪进行物相确定。焊接接头的拉伸实验在WE-10A型材料试验机上进行。2 试验结果及讨论2.1 接头分析光学金相照片（图1）显示：焊缝组织均匀，没有明显的显微缺陷，晶粒大小均匀，焊缝金属与母材结合良好。高倍光学金相照片显示结合面有明显的锯齿状结构；图2是焊缝的扫描电子显微镜（SEM）照片，根据电子能谱（EDS）分析，焊缝基体是NiAl，组织均匀，平均晶粒尺寸在20m左右，在晶界上分布有少量亮白的Ni3Al第二相颗粒，颗粒最大为5 m，SEM照片中可见一些微孔，是燃烧合成过程中未完全致密化的结果。Ni3Al第二相颗粒零星地分布在NiAl晶粒之间，其可能会成为潜在的裂纹源，而影响焊缝的力学性能。2.2 拉伸试验及断口分析拉伸断口的XRD谱（图3）表明：焊缝中主要成分是NiAl，并有微量的Ni3Al，与SEM+EDS分析结果相吻合。利用XRD谱中NiAl的（200），（210），（211），（220）衍射峰，采用最小二乘法计算得到多晶NiAl的晶格常数a=0.286 676 nm。根据NiAl的化学成分与点阵常数关系的公式1，可以计算出焊缝中的NiAl中的Ni元素的原子百分比是45.335 6%，对应于Ni45Al55。因为焊缝中生成了少量的Ni3Al，消耗了部分的Ni原子。金属间化合物NiAl的物理、化学性能与其化学计量比关系密切，而且关系复杂。研究4证明：NiAl的弹性模量是成分的函数，并不是Ni50Al50具有最高的强度，而是偏离了化学计量比的NiAl，大约在含Al量 48%处（原子百分比），这可能与NiAl在化学计量比成分附近的缺陷特征有关。而且NiAl的弹性模量具有各向异性，具有软取向和硬取向。对于富Ni和富Al的NiAl，其晶格内部产生缺陷也不同。焊接接头的拉伸断口的SEM照片（图4）显示出河流花样，是典型的解理断裂。与文献3中的有关论述是一致的。拉伸试验中，焊接试样均断在焊缝上，说明合成的单相NiAl焊缝与高温合金母材结合良好，得到的平均抗拉强度是190 MPa。将该结果与文献5中提供的化学计量比的多晶NiAl材料的抗拉强度对比，本试验中得到的NiAl焊缝的强度较低。主要原因是：（1）焊缝中NiAl不仅偏离了化学计量比，而且偏离了强度最高的成分，导致NiAl晶体中产生了内部结构缺陷。 （2）焊缝没有完全致密化，存在少量微孔，成为裂纹源。3 结 论采用燃烧合成焊接技术，成功地实现了金属间化合物NiAl焊缝的合成。实现了Ni基高温合金和Ni3Al基高温合金的连接。获得较为均匀的单相NiAl焊缝，焊缝组织较均匀，焊缝与母材结合面存在相互微熔的锯齿状界面，与母材结合良好。在力学性能试验中，焊接接头以解理断裂形式断在焊缝上，焊接接头的室温拉伸断裂强度是190 MPa，达到多晶NiAl强度的70%。参考文献1 Noebe R D, Bowman R R and Nathal M V. Inter. Mater. Rev,1993（38）:193232.2 Moore J J. Feng H. J.Prog. in Mater. Sci., 1995（39）：243273.3 Hu J, Levit V. and Kaufman M. J.Mat. Res. Soc. Symp. Proc.1995（364