江蘇科技大學(xué)、江蘇省高端鋼鐵材料重點(diǎn)實(shí)驗室的科研人員報道了鎳基高溫合金焊接過程中的熱裂紋問題綜述。相關(guān)論文以“Review: Hot cracking during welding nickel-based superalloys”為題發(fā)表在《Journal of Materials Science》上。
導(dǎo)讀
鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性、耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于航空航天、能源和化學(xué)工業(yè)。然而，鎳基高溫合金在焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋，這會嚴(yán)重?fù)p害焊接部件的結(jié)構(gòu)完整性、承載能力、疲勞壽命和整體安全性。因此，本文系統(tǒng)綜述了鎳基高溫合金的成分分類體系，以及熔焊、固相焊和釬焊等焊接技術(shù)在鎳基高溫合金中的當(dāng)前應(yīng)用。同時，深入分析了鎳基高溫合金焊接過程中常見的熱裂紋問題，包括凝固裂紋、液化裂紋和塑性跌落裂紋的形成機(jī)制，以及元素偏析、熱應(yīng)力集中和晶界弱化等重要因素對熱裂紋的影響。此外，本文還梳理了鎳基高溫合金熱裂紋敏感性測試方法。本綜述為開發(fā)新型鎳基高溫合金焊接技術(shù)、熱裂紋敏感性測試方法以及探索更有效的熱裂紋抑制策略提供了堅實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
部分圖文
圖1：鎳基高溫合金的應(yīng)用：a現(xiàn)代商用高旁通發(fā)動機(jī)，b GE航空制造的高旁通CF6航空發(fā)動機(jī)按成品重量的材料使用情況，c燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，d燃?xì)鉁u輪燃燒器，e燃?xì)鉁u輪燃燒室過渡管道。
圖2：四種鎳基高溫合金焊接設(shè)備示意圖。
圖3：焊接過程中鎳基高溫合金熱裂紋的分類與特征。
圖4：用于固溶處理的鎳基高溫合金合金元素。
圖5：單晶鎳基高溫合金制造設(shè)備示意圖。
圖6：激光焊接工藝參數(shù)對GH3539鎳基高溫合金焊接接頭影響的分析。
圖7：K465鎳基高溫合金接頭形貌分析。
圖8：焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)。
圖11：焊接過程中焊縫熔池周圍存在的半固態(tài)材料，即部分熔化的母材晶粒和糊狀區(qū)。
圖12：焊縫裂紋形成機(jī)制：a熔池開始凝固，b形核，c晶粒生長，d低熔點(diǎn)液膜形成，e嵌入裂紋，f貫穿裂紋。
圖17：不同電流下的焊道形貌：a 150A, b 170A, c 190A, d 210A, e 230A, f 250A, 以及g最大裂紋長度隨焊接電流（熱輸入）變化的函數(shù)。
圖22：液化裂紋的微觀形貌：a IN-738 LC的液化裂紋，b Inconel 718的液化裂紋，c, d K447A的液化裂紋。
圖26：不同熱輸入下718Plus鎳基高溫合金熱影響區(qū)液化裂紋分析：a低熱輸入，b高熱輸入焊接條件下718Plus合金激光焊縫的熔合區(qū)和熱影響區(qū)的光學(xué)顯微照片，c共晶回填，d無裂紋高熱輸入激光焊縫熱影響區(qū)的晶界液化，e熱影響區(qū)晶界增厚形貌。
圖28：電子束粉末床熔融多重預(yù)熱工藝及液化裂紋機(jī)制：a基于多重預(yù)熱工藝的EB-PBF設(shè)備，b采用多重預(yù)熱法的EB-PBF工藝示意圖，c液化裂紋機(jī)制，d開裂和未開裂樣品中碳化物和硼化物的平均尺寸，e開裂和未開裂樣品中碳化物和硼化物的分布曲線。
圖30：晶間析出相對晶界滑移、應(yīng)變集中和空洞形成的影響：a平直晶界，b晶間析出相的影響，c晶間析出相和曲折晶界的影響。
圖35：自拘束裂紋試驗：a魚骨裂紋試驗，b圓形鑲塊焊接試驗，c雙角焊縫試驗的試樣形狀，d鑄件拉伸試驗裝置。
圖36：外載下的裂紋試驗方法：a可變拘束試驗，b橫向可變拘束試驗，c U型熱裂紋試驗，d橫向運(yùn)動焊接性試驗，e程序變形速率試驗，f水平拉伸型熱裂紋試驗。
結(jié)論/展望
總結(jié)：
1.鎳基高溫合金焊接面臨的主要熱裂紋問題——凝固裂紋、液化裂紋和塑性跌落裂紋——具有不同的形成機(jī)制，但均與高溫下晶界的局部弱化或塑性不足密切相關(guān)。元素偏析是影響熱裂紋敏感性的關(guān)鍵因素。抑制措施需要多管齊下，包括成分設(shè)計、工藝控制和熱處理。
2.準(zhǔn)確評估熱裂紋敏感性依賴于多種測試方法，主要分為自拘束試驗和外載試驗兩大類。自拘束試驗更接近實(shí)際工藝的固有應(yīng)力狀態(tài)，而外載試驗?zāi)芴峁└_的力學(xué)邊界條件和定量數(shù)據(jù)。需根據(jù)目標(biāo)熱裂紋類型和數(shù)據(jù)精度要求選擇或結(jié)合使用。
展望：
盡管研究已取得顯著進(jìn)展，但以下方向仍需進(jìn)一步探索：
1.未來需結(jié)合多因素模擬技術(shù)，揭示成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能的多維關(guān)系，特別是熱應(yīng)力與微觀偏析的協(xié)同作用機(jī)制。
2.針對單晶或定向凝固合金，需開發(fā)低熱損傷焊接技術(shù)，并研發(fā)合適的高溫釬料和中間層材料。
3.結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和熱裂紋預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)焊接工藝的跨學(xué)科融合與智能化，通過大數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測優(yōu)化工藝，預(yù)防熱裂紋，提高焊接效率和質(zhì)量控制水平。
未來研究需要在理論深度與工程實(shí)踐之間架設(shè)橋梁，將基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用中的有效解決方案，推動鎳基高溫合金焊接技術(shù)不斷向高精度和高可靠性發(fā)展。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
