Inconel718合金薄壁鑄件焊接接頭組織演變和熱裂紋研究.pdf

1、Inconel718鎳基高溫合金是應用最多的高溫材料。其具有高熱裂紋敏感性，焊接裂紋不但顯著降低了鑄造合金部件使用率和成品率，而且影響了部件安全可靠性。為此 Inconel718鎳基高溫合金焊接接頭組織演變和熱裂紋研究受到國內外學者高度關注。新一代高推重比動力系統(tǒng) Inconel718鎳基高溫合金薄壁鑄件的焊接技術，是我國迫切需要解決的關鍵技術之一。
　　本文以Inconel718鎳基高溫合金大型、復雜、薄壁鑄件為對象，對不同的母

2、材原始狀態(tài)和焊接線能量的TIG焊接頭進行微觀組織分析，測定了熱影響區(qū)（Heat Affect Zone:HAZ）、部分熔化區(qū)（Partially Melting Zone:PMZ）的寬度、晶粒大小、枝晶軸寬度，HAZ、PMZ、焊縫金屬（Welding Metal:WM）、各類析出相的數(shù)量、尺寸、分布，計算和分析了平衡相圖、相平衡分數(shù)圖、固液相線溫度區(qū)間等。微觀組織演變規(guī)律研究表明：（1）、在相同的Inconel718合金化學成分和焊接線

3、能量條件下，合金不同原始狀態(tài)焊接接頭的HAZ寬度排列順序為：軋制狀態(tài)<鑄態(tài)和均勻化處理（兩者寬度相當）；PMZ寬度為軋制狀態(tài)<均勻化處理<鑄態(tài)；三種母材原始狀態(tài)焊接接頭的HAZ均為等軸晶，軋制狀態(tài)HAZ晶粒尺寸最小，鑄態(tài)和均勻化處理晶粒尺寸相當，但等軸晶中仍能顯示出樹枝晶痕跡；軋制狀態(tài) PMZ中晶粒為等軸晶，鑄態(tài)和均勻化處理 PMZ晶粒為樹枝晶；HAZ中M23C6相數(shù)量的排列順序為軋制狀態(tài)>均勻化處理>鑄態(tài)，尺寸三者相當；MC相數(shù)量排列

4、順序為鑄態(tài)>軋制狀態(tài)>均勻化處理；軋制狀態(tài)HAZ中無Laves相，鑄態(tài)和均勻化處理HAZ中Laves相數(shù)量、尺寸相當；PMZ中第二相數(shù)量的總面積百分數(shù)排列順序為鑄態(tài)>均勻化處理>軋制狀態(tài)。（2）、隨著焊接線能量的增大，HAZ寬度、PMZ寬度、晶粒尺寸、樹枝晶間距增大，其中軋制狀態(tài)HAZ晶粒長大率是鑄態(tài)和均勻化處理的4.6倍；HAZ中MC、M23C6相總量隨著焊接線能量增大而減少，γ/MC+γ/Laves低熔點共晶相數(shù)量和尺寸幾乎不變；P

5、MZ中隨著線能量的增大，MC相、M23C6相和γ/MC+γ/Laves低熔點共晶相數(shù)量減少、尺寸增大。（3）WM存在層狀偏析、焊縫中心和弧坑的區(qū)域偏析和樹枝晶間微觀偏析，隨著焊接線能量的增大，宏觀偏析和枝晶間微觀偏析增大，γ/MC+γ/Laves低熔點共晶相數(shù)量減少但尺寸增大?；谀汤碚?、擴散理論和相變理論，詮釋了在焊接非平衡的加熱、冷卻過程中，HAZ、PMZ、WM的相變和MC相、M23C6相、Laves相溶化析出機制。
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6、用熱力學軟件JMatPro計算了Inconel718高溫合金固液共存溫度區(qū)間、合金密度、導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、凝固潛熱、比熱容、楊氏模量、泊松比、屈服強度等隨溫度變化的規(guī)律。采用熱彈塑性3D-FEM方法，計算分析合金薄板的平板堆焊和圓孔焊接時的溫度場和應力場，焊接線能量、封閉圓孔、分段焊等對焊接應力的影響。研究結果表明，平板對接焊時，焊接熱應力隨著焊接線能量每增大1.2 kJ/cm時；焊接方向拉應力（σx）增大6 MPa，小于垂直于焊接

7、方向拉應力（σy）增大的8 MPa。封閉的環(huán)形焊縫的焊接熱應力大于平板對接焊焊縫，隨著焊接線能量增大每增大1.2 kJ/cm，環(huán)形焊縫的切向（σt）應力增大9 Mpa，小于法向（σn）應力增大的11 MPa；采用分段焊焊接可有效減少焊接熱應力。
　　通過焊接試驗、焊后PT和X射線檢查，各類裂紋率表征，研究了焊接線能量、母材原始狀態(tài)、鑄件缺欠、焊道長度、多道多層焊對Inconel718合金TIG焊接頭熱裂紋敏感性的影響。研究結果表明

8、：（1）、焊接中會產(chǎn)生WM縱向與橫向凝固裂紋、HAZ液化裂紋、WM凝固裂紋和HAZ液化裂紋組成的復合裂紋、弧坑裂紋、弧坑裂紋和凝固裂紋組成的復合裂紋五類熱裂紋。（2）、焊接線能量越大則熱裂紋敏感性越大。（3）、線能量相同時，熱裂紋敏感性隨著母材原始狀態(tài)的不同而變化，其中鑄態(tài)母材焊接接頭熱裂紋敏感性最大，均勻化處理母材的次之，軋制母材的最小。（4）、在相同母材原始狀態(tài)和焊接線能量條件下，多道焊熱裂紋敏感性大于單道焊，在多層焊時后一層焊道與

9、前一層焊道的弧坑接觸區(qū)域，容易形成復合裂紋，構件熱裂紋敏感性大于平板，這與構件是封閉焊縫且拘束度比平板焊接時大有關?；谖⒂^組織、裂紋斷口形貌的SEM分析、合金相圖、物理性能和力學性能變化規(guī)律的熱力學計算和3D熱彈塑性FEM焊接熱應力分析計算結果，揭示了Inconel718鎳基高溫合金焊接熱裂紋萌生、擴展機制。
　　基于Inconel718鎳基高溫合金鑄件焊接接頭組織演變規(guī)律和焊接熱裂紋萌生和擴展機理研究結果，制定了 Incone