MGH956高温合金钎焊用Cu-Mn-Ni-Co钎料制备及钎焊技术研究

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MGH956合金是采用机械合金化方法制造的氧化物弥散强化(简称ODS)高温合金,同时具有高温力学性能好、高温抗氧化和抗腐蚀性能优异的综合优势,可应用于航空、航天以及能源等领域。MGH956合金作为一种新型结构材料,为了扩大其应用,有必要解决其焊接问题。相比于其他焊接方法,采用钎焊工艺能保持MGH956合金原本的组织和结构,是解决该合金连接的一种较为有效的途径。目前用于钎焊该合金的钎料主要是镍基钎料,采用镍基钎料的钎焊温度较高,对母材的溶解量较大,会对接头性能产生一定的弱化影响。针对MGH956合金焊接接头应用温度不太高的环境,若采用铜基钎料,可有效减少温度对ODS合金母材的影响,且铜基钎料还具有加工性能好,价格低廉等优点。本文依据MGH956合金对钎焊接头的性能要求,设计并制备出5种新型Cu-Mn-Ni-Co钎料,研究了不同Mn、Ni含量对钎料组织和性能的影响。通过对钎料进行DSC分析和铺展试验,选取具有最佳钎焊工艺特性的钎料对MGH956合金进行钎焊连接试验,分析了不同钎焊温度和保温时间对钎焊接头组织和性能的影响规律。新型Cu-Mn-Ni-Co钎料由三相组织构成:γ-Cu基固溶体基体、沿晶界或枝晶间分布的有序η′-Mn基固溶体第二相和弥散分布在基体的σ-MnCo块/针状相。σ-MnCo是硬而脆的相,降低了钎料的塑性,不利于钎料的加工形变。可通过减少钎料中Mn、Co的添加量和提高钎料的铸造冷却速度来抑制σ-MnCo相的析出、长大。在5种新型Cu-Mn-Ni-Co钎料中,含有30wt.%Mn,10wt.%Ni的钎料熔化区间较窄,对母材的铺展面积较大,具有较好的钎焊工艺特性。采用该成分的钎料在1000-1050℃保温20min或1050℃保温10-40min工艺下钎焊MGH956合金,可获得良好的钎焊成形效果。钎焊接头由钎缝中心区和两侧扩散反应区组成。钎缝中心区由Cu-Mn基固溶体基体、沿晶界断续分布的(Mn,Ni)-Si相和分布在钎料与母材接合界面附近的σ′相构成;两侧的扩散反应区由Fe-Mn基固溶体基体和分布在其中的σ-FeCr针状相构成。提高钎焊温度和延长保温时间,钎缝中心区的脆性(Mn,Ni)-Si相数量减少、尺寸缩小,而σ′相逐渐增多、长大并向钎缝中央推移;接头两侧扩散反应区逐渐增厚,钎料与母材间界面冶金结合能力增强。在钎焊过程中,母材溶解析出的Y2O3颗粒和表面剥落的Al2O3颗粒进入钎缝的液态金属中,在随后的凝固过程中保留在钎缝中,并在磨制金相试样过程中因与钎缝基体结合力弱而容易脱落,以致在金相照片中观察到了少量微孔型缺陷。随着钎焊温度的升高和保温时间的延长,室温下钎焊接头的抗拉强度先逐渐提高后降低。钎焊接头的抗拉强度最高可达到564.3MPa,约为母材室温强度的78%;随着拉伸试验温度的升高,钎焊接头和母材的高温抗拉强度随之降低。在500℃的试验温度下,钎焊接头的抗拉强度达到428.7MPa,约为母材强度的95%,因此该钎焊接头在500℃左右的环境下具有较好的使用性能。钎焊接头的断裂失效源于钎缝中心Cu-Mn基体相晶界处断续分布的脆性(Mn,Ni)-Si相,裂纹主要沿基体相和脆性相的界面进行扩展,断裂形态以沿晶脆性断裂为主,部分区域为穿晶断裂。
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