1、銀基高溫合金激光焊接工藝研究1緒論1.1 選題的依據及意義高溫合金是航空發動機的關鍵材料,而銀基及保鐵基高溫合金是目前高溫合金結構材料的重要組成局部,銀基高溫合金由于具有優異的耐熱性及耐腐蝕性,被稱之為“航空發動機的心臟,具有組織穩定、工作溫度高、合金化水平強等特點,目前已成為航空航天、軍工、艦艇燃氣機、火箭發動機所必須的重要金屬材料,同時在高溫化學、原子能工業及地面渦輪等領域得到了廣泛的應用.據統計,在國外一些先進的飛機發動機中,高溫合金的用量己達發動機重量的55%60%.用于制造渦輪葉片的材料主要是銀基高溫合金,同時銀基高溫合金還是目前航空發動機和工業燃汽輪機等熱端部件的主要用材;在先進發

2、動機中這種合金的重量占50%以上.在銀基高溫合金的焊接上,目前主要采用氫弧焊、電子束焊、釬焊與擴散焊等.激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、適應性強、不需要真空裝置,熱輸入小,熱影響區小且焊縫深寬比大,焊后變形小,外表光潔,可自冷淬火,焊接工藝參數調節比擬容易等特性,因此非常適用于銀基高溫合金的焊接.1.2 國內外的研究概況及開展趨勢1.2.1 銀基高溫合金的開展及現狀高溫合金的開展與航空發動機的進步密切相關.1929年,英美Merica、Bedford和Pilling等人將少量的Ti和A1參加到soNiZoCr電工合金,使該合金具有顯著的蠕變強化作用,但這并未引起人們的注意.1937年,德

3、國HanSvonchain渦輪噴氣發動機Heinkel問世,1939年英國也研制出whittle渦輪噴氣發動機.然而,噴氣發動機熱端部件特別是渦輪葉片對材料的耐高溫性和應力承受水平具有很高要求.1939年英國Mond銀公司(后稱國際銀公司)首先研制成一種低C且含Ti的銀基合金Nimonic75,準備用作whittle發動機渦輪葉片,但不久,性能更優越的Nimonic80合金問世,該合金含鋁和鈦,蠕變性能至少比Nimonic75高50.1942年,Nimonic80成功地被用作渦輪噴氣發動機的葉片材料,成為最早的Ni.(Al,Ti)強化的渦輪葉片材料.此后,該公司在合金中參加硼、布浩、鉆、鋁等合

4、金元素,相繼開發TNimonic8OANimonie90等合金,形成Nimonic才合金系列.航空發動機用高溫材料本身的承溫水平由20世紀四十年代的750提升到近年來的1200C左右.應該說,這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設計和加工以及外表涂層各方面共同開展做出的貢獻.20世紀70年代以來,高溫合金在原子能、能源動力、交通運輸、石油化工、冶金礦山和玻璃建材等諸多民用工業部門得到推廣應用,這類高溫合金中一局部主要仍然利用高溫合金的高溫高強度特性,而另有一大局部那么主要是開發和應用高溫合金的高溫耐磨和耐腐蝕性能.據資料報導,目前美國高溫合金總產量約為每年2.33.6萬噸,大約1/2-1/3

5、應用于耐蝕的材料.高溫耐磨耐蝕的高溫合金,由于主要目標不是高溫下的強度,因此這些合金成分上的特點是以銀、鐵或鉆為基,并含有大約20%35%的鋁,大量的鴇、鋁等固溶強化元素,而鋁、欽等Y形成元素那么要求含量甚少或者根本不參加.1.3 銀基高溫合金的特性及強化機理1.3.1 銀基高溫合金的特性按集體元素分類,以鐵為主,參加的合金元素總量超過50%的鐵基合金稱為鐵基高溫合金;以保為主或以鉆為主的合金分別稱為銀基或鉆基高溫合金.由于本課題主要研究銀基變形高溫合金,這里著重介紹它的性質.四十年代后期,普拉特惠特尼飛機公司和通用電氣公司分別研制waspalloy和M一252合金.獨特的是這些合金以鋁作為固

6、溶強化元素和碳化物強化形成元素,后來這兩個合金廣泛地用于鍛造渦輪工作葉片.事實上,許多變形銀基合金最初都是應用在渦輪工作葉片上.在以后幾年,變形銀基合金也應用在其他方面.并且還為其它部件專門研制了一些合金.在早期的工作葉片合金中,M252合金仍用于某些飛機和工業燃氣渦輪動葉片.雖然是一種渦輪工作葉片合金,但已成功的用作盤材和焊接薄部件.銀基高溫合金在整個高溫合金領域內占有特殊重要的地位,它廣泛的用來制造航空噴氣發動機、各種工業燃氣渦輪的最熱端部件,所以人們稱鍥基合金是“發動機的心臟.目前在先進的發動機上銀基合金己占總重量的一半,不僅渦輪葉片及燃燒室,而且渦輪盤甚至后幾級壓氣機葉片也開始使用銀基

7、合金.與鐵基合金相比,抗氧化抗熱腐蝕水平大.與鉆基合金相比,銀基合金更為突出的優點為:工作溫度高,組織穩定,有害相少,銀基合金能在較高溫度與應力下工作,尤其在動葉片場合.1.3.2 銀基高溫合金的強化機理銀基高溫合金的強化方式主要為固溶強化,第二相強化和晶界強化.后兩種強化手段也通常稱為沉淀強化.高溫合金的固溶強化是通過提升原子間的結合力產生晶格畸變,降低堆垛層錯能及產生短程有序或其它原子偏聚,降低固溶體中元素的擴散水平,提升再結晶溫度,來到達強化合金基體的目的.下面介紹一下幾種機制：(1)共格應變強化對于沉淀硬化型高溫合金來說,由于Y和基體的晶格常數不同,當丫'在丫基體上共格析出時,

8、在Y周圍造成高的彈性應力場.Nordhein和Mihalisn均發現合金的強化是共格造成的.丫與丫的點陣錯配度越大,內應力場越強,相應的強化效果越顯著,但同時也增大了Y本身的不穩定性.(2)Orowan繞過機制當第二相質點的顆粒比擬大、強度很高、距離比擬寬或者是第二相為非共格析出時,運動位錯難以切割這類質點,那么可以彎曲并最終繞過第二相質點,在外力作用下,位錯運動到第二相粒子前,受粒子的阻礙作用,外力進一步作用,位錯被迫向粒子間突入,由于粒子間距較大,強度較高,進一步突入使得相鄰曲線的鄰邊連接到一起,位錯就從粒子之間通過,并在這些第二相粒子周圍留下了小位錯環.有序粒子的切割機制當第二相質點的本

9、質是軟的,強度降低,特別當二相的界而具有共格關系時,位錯可能以切割方式通過第二相質點.當基體和沉淀相有共同的滑移而,基體與沉淀相中位錯的柏氏矢量相差很少,或者基體中全位錯是沉淀相中的半位錯時,容易發生有序化粒子的切割機制.高溫合金高溫變形時,晶界表現為薄弱環節,成沿晶破斷特征,晶體區原子排列規那么性被破壞,存在各種晶體缺陷.由于晶界在低溫形變條件下是位錯運動的阻礙,起強化作用,細化晶粒是一種重要的強化手段.但當溫度升高或應變速率降低時,晶界對位錯運動的阻礙作用易被恢復,晶界區的位錯塞積容易與晶界的缺陷產生交互作用而消失,并產生晶界滑移及遷移.晶界滑動是晶界直接參與變形的機制.在一定條件下,晶界

10、形變量可占總形變量的50%以上,這樣,高溫形變條件下晶界就成為薄弱環節.高溫合金總是在等強溫度區或更高溫度下使用,所以晶界強化是高溫合金的根本條件.晶界強化主要考慮的問題：1純潔度與微合金化高溫下晶界變為薄弱環節直接與晶界結構有關.但從工程角度來看,晶界區的雜質可能起更重要的作用.由于晶界結構與晶內不同,一些雜質元素更傾向于在晶界發生偏析.雜質在合金中的平均含量很低時,就可能在晶界上產生很高的偏聚量.凡能夠降低晶界能的元素都可能發生晶界平衡偏析.從對高溫合金的作用而言,可以分為兩類:一是有害雜質,這些元素往往是低熔點的,并與基體元素形成低熔點的化合物或共晶體,使合金的熱加工性及高溫力學性能顯著

11、降低.愈是高級的高溫合金,雜質限制要求愈高.首先要嚴格限制氣體含量.對于高級的銀基合金,氧氣和氮氣的含量必須在幾個10-6左右.如果高溫合金中硫、磷的含量降到5x10-6水平,合金的性能可得到明顯的提升.二是有益的合金化元素,主要包括稀土元素,鎂、鈣、硼等元素.這些元素往往通過凈化合金及微合金化兩個方面來改善合金.(2)晶界限制晶粒的大小及其與部件厚度比對力學性能有重要影響.大晶粒一般有較高的持久強度與蠕變強度,較小的蠕變速率.小晶粒材料卻表現出較高的抗拉強度和疲勞強度.對于固溶合金,隨著固溶溫度的升高,晶粒長大,在一定的厚度比之下,蠕變速率隨晶粒長大而減小,在一定的固溶溫度下,隨厚度比增加蠕

12、變斷裂時間增長.晶界的平直與彎曲對蠕變性能有重要影響.通過一些特殊途徑獲得晶界是一種強化晶界的有效方法.業己證實,許多平直奧氏體鐵基高溫合金和銀基高溫合金都可以得到彎曲的晶界組織.彎曲晶界有效地降低蠕變變形,同時彎曲晶界也有利于提升高溫瞬時性能.14銀基高溫合金的激光焊接銀基高溫合金具有組織穩定、工作溫度高、耐腐蝕性能好的優點,隨著國民經濟的開展,銀基高溫合金的應用越來越廣,幾乎普及鋼鐵冶金、能源電力、石油化工以及航空航天等國家命脈工業部門.因此,對高溫合金的焊接工藝提出了更高的要求.銀基高溫合金的焊接性指的是在某一種焊接工藝條件下,合金對產生焊接裂紋的敏感性、焊接接頭組織的均勻性、焊接接頭的

13、力學性能等強性和采取工藝舉措的復雜性的綜合評定.由于銀基高溫合金中存在多種固溶強化元素,如：w、Mo、Cr、Co、Al、Ti等,同時合金中還有微量元素C、B、Mg、P、S、稀土等,這些元素使得銀基高溫合金容易出現焊縫組織偏析、脆性相析出以及焊接熱裂紋等缺陷.此外,由于銀基高溫合金具有導熱性差,液態金屬粘性強、合金元素容易氧化等特點,這就使得高溫合金的熔池金屬不能像鋼熔池金屬那樣容易潤濕展開,因此焊縫成型較差、熔深較淺,即使采用增大電流的方法也不能改善其流動性,反而會增大焊縫的熱裂紋敏感性.如目前通常采用的鴇極惰性氣體保護焊和熔化極惰性氣體保護焊,焊接熱輸入較大但功率密度較低(102-104W/

14、cm2),因此所得焊縫熔深很淺,而采用多層多道焊時工作效率低,同時增加了焊縫的缺陷敏感性.因此,需要采用一種熱輸入較小、能量密度較高的焊接手段來完成銀基高溫合金的焊接.激光焊(LBW)是利用高能量密度的激光束作為熱源進行焊接的一種高效精密的焊接方法.隨著航空航天、微電子、醫療及核工業等的迅猛開展,對材料性能要求越來越高,傳統的焊接方法難以滿足要求,激光焊日益得到廣泛應用.激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、適應性強、不需要真空裝置,熱輸入小,熱影響區小且焊縫深寬比大,焊后變形小,外表光潔,可自冷淬火等特性,非常適用用于高溫合金的焊接.a. 激光焊接機理激光焊接的原理是:光子轟擊金屬外表形成蒸

15、氣,蒸發的金屬可預防剩余能量被金屬反射掉.如果被焊金屬有良好的導熱性能,那么會得到較大的熔深.激光在材料外表的反射、透射和吸收,本質上是光波的電磁場與材料相互作用的結果.激光光波入射材料時,材料中的帶電粒子依著光波電矢量的步調振動,使光子的輻射能變成了電子的動能.物質吸收激光后,首先產生的是某些質點的過量能量,如自由電子的動能,束縛電子的激發能或者還有過量的聲子.這些原始激發能經過一定的過程再轉化為熱能.激光焊隨激光器輸出能量方式不同可分為脈沖激光焊和連續激光焊.按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同,激光焊分為:熱導焊和深熔焊.b. 高溫合金激光焊熔池行為在激光深熔焊接中,熔池小孔的深度

16、和形狀與等離子體狀態密切相關.如果對等離子體限制得不好,等離子體狀態包括電子密度與等離子體的長度和擴散角的起伏將導致熔池小孔深度和形狀的起伏.由于小孔深度和形狀的起伏即孔形擴大或縮小,屏蔽氣體和金屬蒸汽將會在小孔底部形成氣泡,繼而氣泡向上漂浮,隨著熔池的迅速凝固,那么以氣孔形式滯留在焊接熔池底部第一類型氣孔.在激光深熔焊接中,隨著激光功率密度的增加,熔池鎖孔會變得不穩定,因而焊縫內氣孔率會急劇增加.焊接熔池不穩定是形成氣孔的主要原因.c.激光焊接的優點激光焊接的優點主要如下:(1) .能量密度高.高功率激光束經聚焦后,焦斑直徑很小,因此功率密度很高,可達105108W/C?擴,比電弧焊(5x1

17、02I0,w/c2)要高出幾個數量級,能焊接高硬度、高脆性及高熔點、高強度的材料.且在常規環境條件下即可實施.焊接質量高.激光焊接時通過小孔效應,能獲得較大的焊接深度(深寬比可達212),且焊縫的組織致密、強度高.熱影響區和變形區都很小.激光焊接焊接速度快、熱輸入小,加熱及冷卻速度極高,其結晶速度比一般熔焊的高幾十倍,熱影響區很小,材料變形及剩余應力小.(4)可焊接不同材料的組合.可對高熔點、高熱導率、物質性質差異較大的異種或同種金屬材料進行焊接.激光焊接技術適用于欽合金、鋁合金、銀基高溫合金,各種鋼材及工程塑料等.對于異種材料之間的焊接,如奧氏體不銹鋼與銅,奧氏體不銹鋼與易切鋼,鑄造高溫合金

18、與變形高溫合金等,也都能得到高強度的接頭.(5)激光焊接時無接觸加工.沒有工具損耗和工具調換等問題.(6)激光可通過玻璃焊接處于真空容器內的工件及處于復雜結構內部位置的工件.激光束易于導向、聚焦,實現各方向變換.激光束能量可精密控制,移動速度可調,可以進行多種焊接加工.(8)激光焊接系統具有高的柔性與CAD/CAM或機器人聯合組成的焊接系統可形成多功能的激光加工系統,焊接速度快,成效高,易于實現自動化.正是由于激光焊接具有功率密度高、焊接速度快、焊接深寬比大、工件熱變形小、容易實現自動化且不需要真空環境及不產生X射線等特點,特別適合焊接特殊難焊的同種和異種金屬材料.近十幾年來,在YAG激光加工

19、技術中采用了光纖傳輸技術,使激光焊接技術獲得了更廣泛的推廣與應用.1.4.1 銀基高溫合金激光焊接工藝研究現狀目前,國內外學者對鍥基高溫合金激光焊接的研究主要集中在焊接工藝、焊縫微觀組織以及焊縫接頭力學性能和耐腐蝕性能等方面.熊建鋼等研究了厚度為2mm的國產鑄造鍥基高溫合金K3和GH140的CO?激光焊接工藝,結果說明采用適宜的焊接參數,盡量減小焊接熱輸入時仍可以得到強度高、無氣孔、無焊接熱裂紋的焊縫接頭,對航空發動機葉片的修復具有一定意義；龐銘和劉秀波等人研究了K418高溫合金和42CrMo合金鋼異種接頭的激光焊接,結果說明：采用接近瑞利長度范圍內的負離焦量,和大功率、高焊速的激光焊接參數進

20、行焊接時焊接接頭的熔深較大,焊縫組織主要由Y相的樹枝晶、細小彌散分布的Y'相和局部碳化物組成,并且存在由Laves相所導致的焊縫區微小熱裂紋；劉豐剛等研究了GH3039保基高溫合金的脈沖激光焊接工藝,并確定了最正確焊接參數：工作電流240A、脈寬6ms,頻率14Hz、焊接速度105mm/min、離焦量為3mm、保護氣體流量為3L/minoA.T.Egbewande等人研究了不同焊前熱處理條件下的Inconel738銀基高溫合金的CO2激光焊接接頭微觀組織,研究結果顯示：在產生晶界液化現象最少的熱處理狀態下焊接時焊縫熱影響區裂紋最多,產生晶間液化現象較多的熱理條件下焊接時熱影響區的裂紋敏

21、感性較小,這個現象可以由下而(1-1)公式來解釋o=2ysi/h(1-1)其中,.為產生HAZ裂紋所需拉應力,丫sl為晶界外表張力,h為晶界液膜厚度.此外,由于焊接熱過程的影響,焊接熱影響區晶界上的低熔點共晶組織發生了液化現象,在焊接應力的作用下產生了微裂紋.而與其他學者研究結果不同的是,該研究發現焊接熱影響區裂紋隨著焊接速度的增加而減少,作者認為這是由于焊速過低時焊接不穩定造成的,如圖1-1所示.X.Cao等人在研究3mm厚Inconel718合板材Nd：YAG激光焊接時也發現了類似的結果,同時還發現焊接熱影響區裂紋更容易在焊縫“釘頭(nailhead)附近產生,但不同的焊前熱處理狀態對焊接

22、接頭熱影響區裂紋的影響不大.S.Gobbi等人在研究4mm和8mm厚Inconel718合金激光焊接接頭時指出：焊接熱影響區微裂紋在母材晶粒度較小的狀態下與8相的產生有關,而母材晶粒度較大的狀態下那么與NbC和Laves相的出現有關,此外焊接速度也是影響熱影響區裂紋產生的一個重要因素.Zhang等人在研究Waspaloy高溫鍥基合金板材激光焊接工藝時發現,當焊接速度降低到0.2in/min,板材厚度小于2mm時熱影響區一般不會產生微裂紋,同時發現Nd：YAG激光焊接接頭比CO2激光焊接接頭的裂紋傾向性要小.圖1-1焊接速度不穩定引起的焊接裂紋O.A.Idowu等人采用137J/mm和472J/

23、mm兩種熱輸入對Allvac718P1US銀基高溫合金進行激光焊接.研究發現在采用137J/mm的熱輸入進行焊接時熱影響區發現了焊接熱裂紋,裂紋附近存在晶界液化現象,在472J/mm的熱輸入下施焊時晶界液化現象更為明顯,但焊縫熔合區和熱影響區均未發現裂紋.作者認為這是由于采用較大的熱輸入進行焊接時熔池金屬的溫度梯度減小,從而金屬凝固而產生的應力隨之減小,同時粗大的晶間液膜的存在使得焊接應力得到釋放,降低了焊接熱裂紋的敏感性.Liu等人建立了單晶高溫銀基合金的激光外表熔池3D幾何模型(圖1-2),并通過該模型研究了熔池幾何形狀的變化對單晶銀基合金凝固過程中晶粒長大模式和微觀組織轉變過程的影響,最

24、后通過試驗進行了驗證.研究結果說明：單晶銀基高溫合金基體材料的取向決定熔池中晶體的生長模式及其數量、分布.其中1/w和a可以影響(001)方向的柱狀晶區域的大小和該區域晶粒大小；當aW45°時,熔池中100方向的等軸晶區會出現,而枝晶長大速率和激光掃描速率的最大比值與a和1/w有關.當激光掃描方向與母材的晶體取向相同時,熔池內晶體的生長是對稱的,并且晶體的生長速率與掃描速率的比值V/Vb最大為1.414；當掃描方向與基體晶體取向不同時,熔池內晶體的生長是非對稱的,晶體的生長速率與掃描速率的比值V/Vb最大為1.732o同時,作者發現基體的晶體取向和熔池的幾何形狀會影響熔池內液態金屬的

25、溫度梯度與晶體長大速率的比值.綜上所述,雖然國內外許多學者對高溫合金的激光焊接工藝、接頭性能等方面進行了一些研究,但該方面的研究還不夠系統,有待進一步一親兀香.1.4.2 銀基高溫合金激光焊接接頭強化的研究現狀高溫銀基合金的性能主要由其化學成分和微觀組織結構來決定.對于某一特定型號的高溫合金而言其化學成分是不變的,此時微觀組織結構的不同和成分的偏析可以導致其性能有很大的差異.焊接過程是一個快速加熱和冷卻的過程,焊接熔池在凝固過程中液態金屬的過冷度很大,屬于非平衡凝固,焊縫形成過程中極易產生空位、微孔洞、熱影響區液化裂紋以及合金成分的局部偏析等缺陷.熱處理是改善合金的微觀組織和性能的一個最重要的

26、手段之一.通過在不同加熱溫度、保溫時間以及冷卻速度下進行焊后熱處理可以實現消除焊接應力,調節成分偏析,限制合金的晶粒大小以及合金強化相和析出相的形態、數量和尺寸,甚至可以到達改善合金的晶界狀態的目的.對于銀基高溫合金而言,其熱處理一般可以分為時效熱處理、中間熱處理和固溶熱處理三種.近些年來,為了改善合金結構的工藝性能,國內外的研究學者對銀基高溫合金的熱處理工藝做了大量的深入研究,大局部集中于不同熱處理溫度、保溫時間以及冷卻速率對合金的抗腐蝕性能、力學性能以及微觀結構的影響等方面.例如,文獻102研究了熱處理對含Nb的高銘銀不銹鋼耐腐蝕性能的影響,結果發現隨著固溶溫度的提升,合金的耐腐蝕水平逐漸

27、增加.經穩定化處理的合金耐腐蝕性能降低,但當穩定化處理時間超過6h后,合金的耐腐蝕性能有所上升.文獻103在研究長期服役后的Inconel617合金的抗腐蝕水平時發現,由于長時間的服役導致合金中出現大量貧Cr、貧Mo區域,導致其抗腐蝕水平下降,而經過1170C固溶處理lh后合金的抗腐蝕水平明顯提升.文獻104發現固溶狀態的Inconel601在經過不同時間敏化處理(700/2,5,24,72h)時合金的微觀組織結構經歷了三個階段的轉變,即：晶粒正常長大、晶粒的異常長大、多邊化現象引起的晶粒尺寸減小.其中,處于第二階段的合金耐晶間腐蝕水平最低.文獻105研究了熱壓成形Ni-Cr-Mo合金固溶前后的組織形態、端口形貌以及力學性能,結果說明固溶處理消除了熱壓成形過程中析出的有害金屬間化合物,并使Cr、Mo、W等元素的固溶度增大,改善了合金的力學性能.文獻106研究了Inconel718保基合金在750-850C時長期時效熱處理過程中的組織轉變及高溫持久性能,研究發現經過長期時效熱處理后合金有針狀TCP相析出,隨著時效時間的延長TCP析出量增加.文獻107發現電子束物理氣相沉積銀基合金薄板