【摘 要】
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焊接是高温合金部件在制造和修复过程中不可或缺的一种加工工艺。然而,由于传统的Ni沉淀强化高温合金在焊接过程中极易出现各种焊接热裂纹,因此传统Ni基沉淀强化高温合金往往被认为是不可焊的。沉淀强化型Co-Al-W基高温合金的各种特性表明该合金很有可能具备良好的焊接性,因此Co-Al-W基高温合金合金也有潜力成为一种兼具高温承温能力和优异的可焊性的新型高温合金焊接材料。但是目前针对Co-Al-W基高温合
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焊接是高温合金部件在制造和修复过程中不可或缺的一种加工工艺。然而,由于传统的Ni沉淀强化高温合金在焊接过程中极易出现各种焊接热裂纹,因此传统Ni基沉淀强化高温合金往往被认为是不可焊的。沉淀强化型Co-Al-W基高温合金的各种特性表明该合金很有可能具备良好的焊接性,因此Co-Al-W基高温合金合金也有潜力成为一种兼具高温承温能力和优异的可焊性的新型高温合金焊接材料。但是目前针对Co-Al-W基高温合金的元素-可焊性影响规律以及焊接接头的失效变形行为尚未开展系统性的研究。本研究针对晶界强化元素B以及沉淀强化元素Nb、Ta对Co-Al-W基高温合金的可焊性的影响及其作用机理开展了研究,并对具有良好焊接性的Co-Al-W基高温合金焊接接头的拉伸变形行为及其焊后热处理工艺的作用机制开展了研究,并且获得了兼具高温力学性能以及可焊性的Co-Al-W基高温合金成分,主要的研究内容及结论包括:通过SEM和TEM方法,研究了 B元素对Co-9.2Al-9W(at.%)合金接头的熔化区、热影响区的显微组织以及裂纹敏感性的影响,并通过调控B的含量,获得了无焊接裂纹且高温拉伸强韧性优异的接头熔化区金属。研究结果表明适量的B元素(0.05at.%)能够抑制熔化区中μ相的析出;另一方面,B元素促进了微观组织在晶粒内部的动态连续再结晶回复过程,消除了初始高角度晶界周围的应力集中,因此抑制了熔化区中DDC开裂的发生。而随着B元素含量的进一步升高,在凝固最终阶段,枝晶间析出M3B2相,同时固液相线温度区间STR显著扩大,导致熔化区中凝固裂纹、液化裂纹敏感性显著上升。焊缝金属的高温拉伸实验结果表明,合理的控制焊缝金属中B的含量能够显著提高焊缝金属的高温拉伸强度与韧性,避免沿晶脆性开裂的发生。另外,B元素能够沿着晶界从熔化区扩散至热影响区,导致热影响区发生晶界液化并形成液化裂纹。研究了沉淀强化元素Ta、Nb及其交互作用对合金显微组织及其可焊性的影响规律,设计了 Nb、Ta含量水平在3.5at.%以及6at.%的6种合金成分,采用差热分析方法(DTA)对合金在凝固过程中的相转变过程及转变温度进行了研究,并结合有限元模拟软件分析了沉淀强化元素Nb、Ta的含量对接头中焊接应力的演化过程和分布的影响规律。研究结果表明接头中的应力随着焊接冷却的过程逐渐升高,同时高应力区随着焊接冷却过程,从熔化区传导至热影响区,最终在热影响区与母材区交接处达到应力峰值。材料的强度的升高会导致焊接应力升高。一方面来说,沉淀强化元素Nb、Ta能够显著影响熔化区中组分液化相的共晶反应转变温度以及体积分数,从而影响高温液化晶界的强度与延展性;另一方面来说,沉淀强化元素Nb、Ta对合金的强度的贡献机制不同,显著影响的影响了接头中的应力分布水平。而Nb、Ta的交互作用会导致合金的完全凝固温度Ts下降,同时热影响区中的焊接应力明显升高,导致热影响区液化裂纹的敏感性上升,因此Nb、Ta元素的交互作用不利于合金的焊接性。研究了 Alloy-3.5Ta合金的焊接接头在室温、760℃、850℃、1000℃下的微观变形机制以及接头失效行为。研究结果表明,焊接接头在中温及中高温条件下的强韧性较母材样品显著下降,断裂发生在熔化区,并且呈现出典型的沿枝晶间脆性断裂。采用SEM和TEM分析了接头中的微观变形机理以及失效机制。研究结果表明,接头中各个区域的显微组织与合金成分存在差异,导致接头中不同位置的变形机制随实验温度变化的规律明显不同。中温变形条件下,枝晶间与枝晶干的元素偏析导致变形过程中在枝晶间发生应变局域化,这造成了在该温度下接头熔化区段发生沿枝晶间的脆性开裂,并最终使接头强度下降。室温条件下,熔化区变形均匀,断裂发生在母材段,中温及高温(850℃以及1000℃)条件下,熔化区中的χ相以及MC相为二次裂纹和微孔的形核聚集提供了位置,因此断裂都发生在熔化区。研究了不同焊后热处理制度对Alloy-3.5Ta合金的显微组织和力学性能的影响。研究结果表明,在对接头进行时效处理前必须进行固溶处理,因为固溶处理能够消除接头中的残余应力,避免时效后接头中γ’相筏化,抑制了应变时效裂纹的形成。采用高温固溶处理能够有效的消除枝晶间偏析,形成均匀且细小的γ’相,另外高温固溶过程形成的亚晶界,有效阻碍了裂纹的扩展,提高了中温拉伸强韧性。经过焊后热处理,接头760℃的抗拉强度达到703MPa,面收缩率达到8%。采用低温时效处理能够在释放残余应力的同时,避免接头中发生再结晶,通过焊后热处理,接头的持久寿命达到母材的85%。
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