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(yīng)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(nèi)外學(xué)者高度關(guān)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(shù)，是我國迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　本文以Inconel718鎳基高溫合金大型、復(fù)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(jìn)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(jì)算和分析了平衡相圖、相平衡分?jǐn)?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(xué)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?yàn)椋很堉茽顟B(tài)<鑄態(tài)和均勻化處理（兩者寬度相當(dāng)）；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(dāng)，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?yàn)檐堉茽顟B(tài)>均勻化處理>鑄態(tài)，尺寸三者相當(dāng)；MC相數(shù)量排列

4、順序?yàn)殍T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(dāng)；PMZ中第二相數(shù)量的總面積百分?jǐn)?shù)排列順序?yàn)殍T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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)共晶相數(shù)量減少但尺寸增大?；谀汤碚?、擴(kuò)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(jī)制。
　　運(yùn)

6、用熱力學(xué)軟件JMatPro計(jì)算了Inconel718高溫合金固液共存溫度區(qū)間、合金密度、導(dǎo)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(qiáng)度等隨溫度變化的規(guī)律。采用熱彈塑性3D-FEM方法，計(jì)算分析合金薄板的平板堆焊和圓孔焊接時的溫度場和應(yīng)力場，焊接線能量、封閉圓孔、分段焊等對焊接應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明，平板對接焊時，焊接熱應(yīng)力隨著焊接線能量每增大1.2 kJ/cm時；焊接方向拉應(yīng)力（σx）增大6 MPa，小于垂直于焊接

7、方向拉應(yīng)力（σy）增大的8 MPa。封閉的環(huán)形焊縫的焊接熱應(yīng)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(yīng)力增大9 Mpa，小于法向（σn）應(yīng)力增大的11 MPa；采用分段焊焊接可有效減少焊接熱應(yīng)力。
　　通過焊接試驗(yàn)、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(jié)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(fù)合裂紋、弧坑裂紋、弧坑裂紋和凝固裂紋組成的復(fù)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(fù)合裂紋，構(gòu)件熱裂紋敏感性大于平板，這與構(gòu)件是封閉焊縫且拘束度比平板焊接時大有關(guān)。基于微觀組織、裂紋斷口形貌的SEM分析、合金相圖、物理性能和力學(xué)性能變化規(guī)律的熱力學(xué)計(jì)算和3D熱彈塑性FEM焊接熱應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果，揭示了Inconel718鎳基高溫合金焊接熱裂紋萌生、擴(kuò)展機(jī)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(kuò)展機(jī)理研究結(jié)果，制定了 Incone