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Inconel718合金薄壁铸件焊接接头组织演变和热裂纹研究

叶欣  
【摘要】:Inconel 718镍基高温合金是应用最多的高温材料。其具有高热裂纹敏感性,焊接裂纹不但显著降低了铸造合金部件使用率和成品率,而且影响了部件安全可靠性。为此Inconel 718镍基高温合金焊接接头组织演变和热裂纹研究受到国内外学者高度关注。新一代高推重比动力系统Inconel 718镍基高温合金薄壁铸件的焊接技术,是我国迫切需要解决的关键技术之一。本文以Inconel 718镍基高温合金大型、复杂、薄壁铸件为对象,对不同的母材原始状态和焊接线能量的TIG焊接头进行微观组织分析,测定了热影响区(Heat Affect Zone:HAZ)、部分熔化区(Partially Melting Zone:PMZ)的宽度、晶粒大小、枝晶轴宽度,HAZ、PMZ、焊缝金属(Welding Metal:WM)、各类析出相的数量、尺寸、分布,计算和分析了平衡相图、相平衡分数图、固液相线温度区间等。微观组织演变规律研究表明:(1)、在相同的Inconel 718合金化学成分和焊接线能量条件下,合金不同原始状态焊接接头的HAZ宽度排列顺序为:轧制状态铸态和均匀化处理(两者宽度相当);PMZ宽度为轧制状态均匀化处理铸态;三种母材原始状态焊接接头的HAZ均为等轴晶,轧制状态HAZ晶粒尺寸最小,铸态和均匀化处理晶粒尺寸相当,但等轴晶中仍能显示出树枝晶痕迹;轧制状态PMZ中晶粒为等轴晶,铸态和均匀化处理PMZ晶粒为树枝晶;HAZ中M23C6相数量的排列顺序为轧制状态均匀化处理铸态,尺寸三者相当;MC相数量排列顺序为铸态轧制状态均匀化处理;轧制状态HAZ中无Laves相,铸态和均匀化处理HAZ中Laves相数量、尺寸相当;PMZ中第二相数量的总面积百分数排列顺序为铸态均匀化处理轧制状态。(2)、随着焊接线能量的增大,HAZ宽度、PMZ宽度、晶粒尺寸、树枝晶间距增大,其中轧制状态HAZ晶粒长大率是铸态和均匀化处理的4.6倍;HAZ中MC、M23C6相总量随着焊接线能量增大而减少,γ/MC+γ/Laves低熔点共晶相数量和尺寸几乎不变;PMZ中随着线能量的增大,MC相、M23C6相和γ/MC+γ/Laves低熔点共晶相数量减少、尺寸增大。(3)WM存在层状偏析、焊缝中心和弧坑的区域偏析和树枝晶间微观偏析,随着焊接线能量的增大,宏观偏析和枝晶间微观偏析增大,γ/MC+γ/Laves低熔点共晶相数量减少但尺寸增大。基于凝固理论、扩散理论和相变理论,诠释了在焊接非平衡的加热、冷却过程中,HAZ、PMZ、WM的相变和MC相、M23C6相、Laves相溶化析出机制。运用热力学软件JMatPro计算了Inconel 718高温合金固液共存温度区间、合金密度、导热系数、线膨胀系数、凝固潜热、比热容、杨氏模量、泊松比、屈服强度等随温度变化的规律。采用热弹塑性3D-FEM方法,计算分析合金薄板的平板堆焊和圆孔焊接时的温度场和应力场,焊接线能量、封闭圆孔、分段焊等对焊接应力的影响。研究结果表明,平板对接焊时,焊接热应力随着焊接线能量每增大1.2 kJ/cm时;焊接方向拉应力(σx)增大6 MPa,小于垂直于焊接方向拉应力(σy)增大的8 MPa。封闭的环形焊缝的焊接热应力大于平板对接焊焊缝,随着焊接线能量增大每增大1.2 kJ/cm,环形焊缝的切向(σt)应力增大9 Mpa,小于法向(σn)应力增大的11 MPa;采用分段焊焊接可有效减少焊接热应力。通过焊接试验、焊后PT和X射线检查,各类裂纹率表征,研究了焊接线能量、母材原始状态、铸件缺欠、焊道长度、多道多层焊对Inconel 718合金TIG焊接头热裂纹敏感性的影响。研究结果表明:(1)、焊接中会产生WM纵向与横向凝固裂纹、HAZ液化裂纹、WM凝固裂纹和HAZ液化裂纹组成的复合裂纹、弧坑裂纹、弧坑裂纹和凝固裂纹组成的复合裂纹五类热裂纹。(2)、焊接线能量越大则热裂纹敏感性越大。(3)、线能量相同时,热裂纹敏感性随着母材原始状态的不同而变化,其中铸态母材焊接接头热裂纹敏感性最大,均匀化处理母材的次之,轧制母材的最小。(4)、在相同母材原始状态和焊接线能量条件下,多道焊热裂纹敏感性大于单道焊,在多层焊时后一层焊道与前一层焊道的弧坑接触区域,容易形成复合裂纹,构件热裂纹敏感性大于平板,这与构件是封闭焊缝且拘束度比平板焊接时大有关。基于微观组织、裂纹断口形貌的SEM分析、合金相图、物理性能和力学性能变化规律的热力学计算和3D热弹塑性FEM焊接热应力分析计算结果,揭示了Inconel 718镍基高温合金焊接热裂纹萌生、扩展机制。基于Inconel 718镍基高温合金铸件焊接接头组织演变规律和焊接热裂纹萌生和扩展机理研究结果,制定了Inconel 718镍基高温合金薄壁铸件焊接热裂纹防治措施,经小批量生产验证,可以有效遏止Inconel 718镍基高温合金薄壁铸造构件焊接热裂纹的产生。


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