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1、先进材料连接1高温合金的焊接性1 引言高温合金是航空发动机的关键材料，而镍基及镍铁基高温合金是目前高温合金结构材料的重要组成部分,镍基高温合金由于具有优异的耐热性及耐腐蚀性，被称之为“航空发动机的心脏”，具有组织稳定、工作温度高、合金化能力强等特点，目前已成为航空航天、军工、舰艇燃气机、火箭发动机所必须的重要金属材料，同时在高温化学、原子能工业及地面涡轮等领域得到了广泛的应用。据统计，在国外一些先进的飞机发动机中,高温合金的用量已达发动机重量的55%60%。用于制造涡轮叶片的材料主要是镍基高温合金，同时镍基高温合金还是目前航空发动机和工业燃汽轮机等热端部件的主要用材，在先进发动机中这种合金的重
2、量占50%以上。从高温合金的发展史来看，高温合金经历了变形高温合金、普通铸造高温合金、定向凝固高温合金、单晶高温合金4个阶段。低膨胀高温合金具有高强度和低膨胀系数相结合的独特性能, 有良好的冷热疲劳性能, 耐热冲击、抗高压氢脆。自70年代开始研究开发低膨胀高温合金以来, 相继有十几种不同类型的低膨胀高温合金问世, 并被广泛用于航空航天工业中。航空工业上低膨胀高温合金主要用于涡轮发动机机匣、涡轮外环以及封严圈、蜂窝支撑环等零部件的制造, 以缩小叶片与机匣、封套之间的间隙, 降低燃气损失, 提高发动机的推力和效率。美国的CFM56、V2500 和F101发动机都大量采用这类合金,有的用量已达到发动
3、机质量的25%。航天工业上采用这类合金制造宇宙飞船和火箭发动机的主燃烧室、涡轮泵和喷嘴等零件。低膨胀高温合金的应用不可避免要涉及到焊接加工。已有的研究表明, 这类合金焊接时存在一定的焊缝结晶裂纹和热影响区微裂纹倾向。这不仅会限制新材料的应用范围, 还有可能引发再热裂纹和疲劳裂纹造成产品的报废, 甚至给飞机的安全飞行埋下严重隐患。因此, 开展低膨胀高温合金的焊接性研究, 研究其焊接裂纹的形成机理、影响因素和控制措施,不仅能够丰富焊接裂纹理论, 而且对于提高航空航天发动机的可靠性和安全性有着重要意义。该领域的研究日益受到人们的重视, 并且取得了一定的进展。2 低膨胀高温合金的成分特点及焊接性大致可
4、以把低膨胀高温合金分为四类。第一类是含Nb低膨胀高温合金, 它包括Incoloy 903 和 Pyroment CTX1及国产GH903 。此类合金以 Fe-Ni-Co为基, 添加Nb、Ti、Al等元素进行强化。第二类是降Al低膨胀高温合金, 它包括Incoloy 907 和CTX3及国产GH907。为提高抗应力加速晶界氧化脆性, 此类合金中限制Al含量均匀化(HOMO)均匀化+固溶(HOMO+S.T),裂纹敏感性的变化同晶界B 的析出关系密切。为减小HAZ 微裂纹的发生, Richards 等人研究了电子束焊接参数对Incoloy 903 HAZ 微裂纹的影响, 并定量确定了微裂纹敏感性同焊
5、接参数及熔池形状的关系。CI =0.000394v-0.0034I-0.0027U +0.013(P/Wmid)+0.0016dw式中C I为微裂纹敏感性指数, P/W mid为焊缝深宽比, d w电子束工作距离。I为电子束电流,U为加速电压, v为焊接速度。该方程表明, 增加热输入即增加电子束电流I、U和降低v , 能够减少裂纹。椭圆形熔池与泪滴状熔池相比, 降低裂纹倾向。此后Richards 等人又对Incoloy 903电子束焊接参数进行了优化, 以回归方程的形式揭示了焊接速度、电子束电流、聚焦电流和电子束振幅对HAZ 微裂纹的影响。但该回归方程仅适用于Incoloy 903,史常瑾等人
6、对于GH907的研究表明, 线能量和高温停留时间的增加以及加热和冷却速度的提高, 会加剧组分液化, 增加裂纹敏感性, 表现出了与上述方程不同的关系规律。这可能是两种合金成分差异而致。Boucher等将裂纹行为同由横截面测得的焊缝最大宽度与熔深比(W top/P)联系起来。发现裂纹总长度随W top/P的增大而减小, 在W top/P的值大于1.6时,裂纹得以消除。高焊速通过减小W top/P来影响裂纹行为。作者进一步推断, 电子束摆动和预热能够通过影响焊接熔池的形状和所产生热应力的大小, 减少微裂纹的发生。Richards等结合焊接热循环时HAZ 温度位置图和温度时间曲线分析了焊接速度的影响。
7、研究发现, 低焊速能够造成液膜厚度减小、LFM 发生量增大、熔池呈椭圆形以及热应力的降低, 因而降低微裂纹倾向。5 低膨胀高温合金焊接性的定量研究焊缝结晶裂纹和HAZ微裂纹的产生不仅取决于凝固终了低熔点共晶和晶界液膜的形成, 还要受到作用于该液膜上的应力或应变的影响。为了预测给定焊接条件下合金裂纹的敏感性, 有必要对以焊缝凝固过程和晶界液化为中心的组织演变和应力应变发展进行模拟。B.Radhakrishnan 最先提出了HAZ晶界液相的形成与凝固过程的一维热流与物质流耦合模型, 并采用该模型计算了伪双元合金的组织演变过程, 确定了增加瞬时晶界液相寿命的因素。这向预测合金焊接液化裂纹敏感性迈出了
8、重要的一步。此后T.Zacharia 采用数值模拟研究了不同焊接速度时薄板GTA 焊的焊缝结晶组织变化。 Z.Yang采用模拟求得的冷却速度和CCT 图预测了HSLA100钢熔合区的显微组织。Dupont等针对含Nb 高温合金熔化焊模拟了熔合区凝固过程溶质重新分布和组织发展。将基体(Fe ,Ni ,Cr)元素看成溶剂,作为“三元系”-Nb-C的组元,在忽略固相中Nb 的扩散并假定C 扩散无限快的条件下计算了初始L和共先进材料连接4晶型L(+Nb)凝固阶段液相比率和成分的变化。计算结果叠加在伪三元-Nb-C凝固相图上, 预测凝固反应顺序以及凝固时形成的/NbC 和/Laves共晶组分的总量和各自
9、的量。该模拟使对含Nb 试验合金中成分组织结晶裂纹之间关系的定量理解成为可能。最初的焊接过程数值模拟主要集中于焊接残余应力和变形的预测。O.R.Myhr最先将数值热流模型、显微组织模型和力学模型依次结合, 成功地预测了6082T6铝合金空心挤压件焊接过程中显微组织演变、残余应力和变形。关于焊接热裂纹形成条件的焊接过程应力应变演变数值模拟, 目前主要注意力集中在熔合区结晶裂纹的研究上。在这方面T.Zacharia和冯智利等先后作了有益的探索。冯智利为模拟凝固效应发展了两种建模技术, 引入了微观凝固动力学和单元再生技术。此后他采用该模型定量评价了Sigmajig试验中局部热力学条件, 通过构造应力
10、/温度/位置图, 揭示了移动的熔池尾部复杂的应力发展, 利用BTR内局部应力演变解释了不同试验条件下的热裂纹启裂现象。6 结语总的看来, 目前对于低膨胀高温合金焊接性的研究, 主要停留在采用微观分析手段和焊接性试验从冶金角度定性研究裂纹敏感性的阶段。将焊接过程组织演变和应力应变发展数值模拟引入焊接裂纹的研究, 是材料焊接性研究的重要研究方向之一。这方面的研究还刚刚起步。另外应指出, 电子束焊和激光焊等高能量密度焊接方法在航空航天领域的精密制造中应用前景看好。但这类焊接热源物理模型明显不同于普通的熔化焊, 热过程也具有不同的特点。因此进行高能量密度焊接条件下热过程、力学过程和组织演变的数值模拟更具针对性和重要性。只有将焊接性试验、微观组织分析和数值模拟相结合, 才能从冶金和力学两方面更清楚地揭示低膨胀高温合金焊接裂纹的形成机理及各种因素的影响, 为最终制定合理的焊接工艺并有效防止焊接裂纹提供理论上的指导。
