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钼基难熔合金与镍基高温合金扩散连接研究

钼基难熔合金与镍基高温合金扩散连接研究

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作者：郑天明兰州理工大学

学位级别：硕士

由于航空工业发展对高温结构件的需求日益增进,将高熔点、高强度的钼合金与耐高温、耐腐蚀的镍基高温合金GH4099无变形连接具有实际意义,既能改善钼合金脆性较大问题,使接头具有良好的综合力学性能,又能提高焊接接头高温强度,拓宽服役... 详细信息

由于航空工业发展对高温结构件的需求日益增进,将高熔点、高强度的钼合金与耐高温、耐腐蚀的镍基高温合金GH4099无变形连接具有实际意义,既能改善钼合金脆性较大问题,使接头具有良好的综合力学性能,又能提高焊接接头高温强度,拓宽服役领域。扩散连接具有焊接变形小、可焊范围广的特点。由于两种材料物理性能差异较大,传统熔焊方法难以实现有效连接,因此借助Gleeble热模拟机先对小尺寸试样进行焊接性研究,选择适宜的中间过渡层,然后通过热等静压设备对大尺寸构件连接实现工业化生产。本文主要研究添加cu中间层对mo10cu合金与GH4099合金扩散连接;添加Ag cu Ti、Ti Zr cu Ni、Ni Cr Si B、B-Ni2钎料以及Nb+Ni中间层对钼铪碳(MHC)合金与GH4099合金连接。通过接头组织、元素扩散情况探究中间层和温度变化对焊接接头力学性能的影响,以得到最佳中间层类型及焊接工艺参数。通过物理气相沉积(PVD)cu膜在mo10cu表面实现了mo10cu与GH4099的热等静压扩散连接,焊缝主要为铜镍固溶体和纯铜,接头力学性能良好。分析发现,mo10cu中10%的铜含量对焊接性有较大影响,cu(母材)-cu(中间层)的有效扩散是实现连接的主要原因,中间层厚度控制着铜镍固溶体的形成,影响着接头力学性能。试验表明,PVD cu膜做中间层不能实现MHC与GH4099的连接,因此通过添加合金箔片对其进行试焊。当采用Ag cu Ti中间层连接GH4099与MHC时,Ag cu Ti中间层焊接温度低,元素向两侧母材扩散不明显,同时还有脆性相TiNi聚集,导致接头强度极低。采用Ti Zr cu Ni中间层扩散连接MHC与GH4099,焊接温度对接头力学性能影响较大,在950℃保温10min时,接头剪切强度最高,为76 MPa,焊缝中存在的裂纹是接头失效的主要原因。Ni Cr Si B箔片做中间层时,热等静压(HIP)不能实现GH4099/MHC的扩散连接,主要原因是接头mo Ni脆性金属件化合物长大严重。Ni Cr Si B箔片做中间层通过热模拟机连接GH4099/MHC,焊缝成型较好,mo Ni金属件化合物得到了有效抑制,接头剪切强度最高可达116 MPa。剪切试验发现接头失效主要发生在MHC基体处,少部分发生在中间层处。对MHC与GH4099进行真空感应钎焊,主要成分与Ni Cr Si B箔片相近的B-Ni2焊膏作为钎料。焊缝由等温凝固区和非等温凝固区组成,等温凝固区为镍基固溶体,非等温凝固区主要为NiB和NiSi,在靠近MHC侧界面也出现了mo Ni脆性相。针对焊接结构件服役温度较高,引入Nb+Ni中间层旨在提高接头高温强度。采用分步扩散焊的方法先将Nb与MHC在1300℃扩散连接,然后通过添加纯Ni中间层在1000℃实现(MHC-Nb)/Ni/GH4099热等静压扩散连接。虽然Nb与mo无限固溶,但所需元素扩散激活能较大,在1300℃焊接时MHC/Nb接头剪切强度仅41 MPa。Nb/Ni/GH4099连接良好,在1000℃下保温1h焊接接头抗拉强度可达260 MPa。因此,提高MHC-Nb扩散连接的强度是整个接头强度提升的关键。

关键词： mo10cu MHC合金 GH4099合金热模拟扩散焊热等静压扩散焊

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