研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
2GKN航空发动机系统公司研究与技术部，Trollhättan，瑞典
收到的日期: 06/07/2016;接受日期:29/08/2016;发布日期: 08/09/2016
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为了便于大型结构喷气发动机部件的生产，需要高强度、抗氧化、热稳定性和足够的可焊接性的材料。因此，沃斯帕洛伊®和海恩斯®282®的可焊性已经使用Varestraint可焊性测试进行了评估。实验表明，与Haynes®282®相比，沃斯帕洛伊®具有更高的热裂易感性。这一结论是由增加的总裂纹长度(10mm或更多)和更大的脆性温度范围(约。在Varestraint和Gleeble热延性测试中，分别与Haynes®282®相比，Waspaloy®为65°C)。Haynes®282®的开裂似乎与在熔合区观察到的基于Ti-Mo的mc型碳化物的次级相有关。此外，在这个次级相附近以及沿晶界存在一个周围的分离区。此外，显微维氏硬度结果显示，焊缝金属硬度基本相同(260- 280hv)，但母材硬度存在差异。焊缝金属硬度Waspaloy®低于母材硬度，而Haynes®282®具有较高的硬度。
应变测试，可焊性，高温合金
沉淀硬化镍基高温合金的焊接在航空航天工业中具有重要意义。1]。航空发动机的发展与沃斯帕洛尹合金等高温性能合金的发展密切相关®和海恩斯®282®(2]。在合金设计中，必须平衡机械性能与其他性能，如焊接性，以成功应用合金。合金性能和可焊性的重合点取决于所关注的实际应用和可用于生产特定部件的制造方法。然而，在设计和制造大型和先进的承重结构时，合金的可焊接性是至关重要的，以避免显著的成本冗余。
因此，本研究的目的是研究锻造海恩斯的热裂易感性®282®和Waspaloy®，采用Varestraint焊接性测试方法。海恩斯®282®是一种新开发的合金，文献中关于可焊性的信息有限[3.]。沃斯帕洛伊也是如此®在美国，缺乏系统的可焊性测试方法，如varestrain测试方法或类似技术[3.尽管这种合金已经存在了很多年。本研究将填补材料和焊接界对热裂的系统集中研究的知识空白，有助于理解这两种非常重要和有前途的高温合金的热裂行为。
沉淀硬化镍基高温合金
高温合金的名称源于这样一个事实，即这些合金在高温下具有“高性能”特性[4]。Waspaloy®和海恩斯®282®(化学成分列于表1)均为γ′(γ′)硬化ni基高温合金，假定使用温度为~700°C [5]和~800°C [3.),分别。γ '相有L12具有Ni化学计量结构的面心立方(FCC)晶体结构3.铝、钛(4]。因此，Al和/或Ti含量的增加将增加γ′相的数量，这对焊接性有众所周知的不利影响，或者更具体地说，增加应变时效开裂的敏感性。在这两种合金中发现的其他几个相也很有趣，即MC和M23C6碳化物(6，7]。
表1。沃斯帕洛伊的化学成分(wt. %)®和海恩斯®282®。
| 元素wt. % | 倪 | Cr | 菲 | 有限公司 | 莫 | 艾尔 | “透明国际” | C | P | B | 铜 | 锰 | 年代 | 如果 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Waspaloy® | 落下帷幕。 | 19.13 | 1.13 | 13.34 | 4.22 | 1.36 | 3.03 | 0.08 | 0.004 | 0.006 | 0.02 | 0.02 | 0.002 | 0.09 |
| 海恩斯®282® | 落下帷幕。 | 19.63 | 0.35 | 10.35 | 8.56 | 1.41 | 2.21 | 0.068 | 0.002 | 0.004 | - | 0.08 | 0.002 | - |
变约束焊接性试验
本研究中使用的Varestraint测试方法最初是在20世纪60年代开发的[8]，并建立在实际焊接过程中焊缝周围区域受到应变的原理上。通过改变增强应变的水平，这也是该方法名称(可变约束)的原因，可以评估热裂的敏感性[9-12]。与所有弯曲操作一样，拉伸应变(测试板的上半部分)和压缩应变(测试板的下半部分)都会发生。在varestrain测试中，有一个常见的误解，即压应变的存在会影响顶部表面裂纹的数量，因此建议只使用厚于~ 10mm的测试板。然而，最近的一项研究清楚地表明，压应变对测试板上表面热裂敏感性没有影响[12]。
材料
沃斯帕洛尹的初始微观结构®和海恩斯®282®可在图1a及1b,分别。Waspaloy®在1010℃下固溶热处理2小时，然后强制风冷，提供了294HV的宏观维氏硬度，图1一个，晶粒尺寸为ASTM 4 (90 μm)，而Haynes®282®在铣削退火后进行聚合物淬火，其宏观维氏硬度为203HV，图1 b，晶粒尺寸符合ASTM 5 (64 μm)。试样和固溶热处理材料的宏观维氏硬度测试均在10kg载荷下进行，持续12秒，平均压痕为10个。显微维氏硬度值相似，海恩斯硬度为208HV®282®，但沃斯帕洛伊的340HV略高®。为了避免碳化物或晶界等微观成分的影响，对蚀刻表面进行微维氏测试，平均取5个凹痕。晶粒尺寸测量采用符合ASTM E112的线性截距程序[13]。按照标准金相程序进行显微组织制备。采用Kalling蚀刻剂和草酸电解蚀刻法对镍基材料进行了显微组织表征。
图1:接收沃斯帕洛尹的微观结构®(a)和Haynes®282®(b)在进行Varestraint测试之前。
测试材料的化学成分(wt. %)可见于表1在美国，主要的差异是合金元素Mo, Fe和Ti之间的差异，但P和B的数量也非常重要，特别是与焊接有关。
变约束试验与评价
Varestraint测试在厚度为3.2 mm的板上进行，并使用如图所示的设置图2。这些样品是用焊接在试样底部的支撑板制备的，以引起符合半径的弯曲，防止板的铰链，并且只在测试样品中引起拉伸应变。使用粘焊支撑板以防止测试板出现压应变，是在得知先前的研究结果之前进行的[12]，表明不需要采取这一行动。在varestrain测试中使用的焊接工艺是配有自动电压控制单元的钨极气体电弧焊(GTAW)，它可以调节电极与工件的距离。焊接电流为85 A，焊接速度为2mm /s，氩气流量为18 l/min进行保护。所使用的半径分别为50,75,100,133,200和400mm，理想的增强应变范围为1.1 - 8.6%(每个应变水平重复三次)，如下式(1)所示。行程速率设置为16mm /s。
图2:阿尔托大学的Varestraint测试设备展示了测试设置和完成的测试。
增应变ε [%]=100 x (t/2R)， (1)
在哪里
T =测试板的厚度，单位为mm
R=用于varestrain测试的模芯棒半径，单位为mm
在Varestraint测试后，通过几个步骤来评估裂缝量，以最小化测量误差。首先，使用染料渗透剂以使裂缝更容易暴露，并在擦拭过多的染料渗透剂后大约0.5-10 s拍摄照片。最后，利用NIS元软件进行标定，测量裂缝总长度®。实际裂纹测量采用2点/裂纹法，即只考虑裂纹两端1点之间的线性距离。这意味着没有考虑到裂缝挠度，因为它被假设为可以忽略不计，即裂缝呈直线，没有任何挠度。
Varestraint测试
总裂纹长度(TCL)毫米与增加应变(%)表示图3。Waspaloy®与Haynes相比，Haynes在所有应变水平下都具有更高的热裂敏感性®282®。就TCL而言，两种合金在大多数应变水平下的差异在10毫米范围内，标准偏差小于5毫米，这支持了Haynes的优势®282®在这种情况下。
图3:瓦斯帕洛伊瓦拉应变试验中总裂纹长度(mm)与增加应变(%)®和海恩斯®282®。
由于可用测试材料的限制，不可能在最高应变水平下完成比较。然而，两种材料构成了相同数量的测试板(11个测试板)，增加应变范围为1至6%，超过6%的额外测试板提供了饱和水平的信息。
微观结构分析
两种沃斯帕洛伊的裂纹模式相似®和海恩斯®282®如图4。需要注意的是，增加应变水平的差异，分别为3.2%和8.6%，影响传热，导致不同的焊缝尺寸。与应变水平无关，裂纹同时位于热影响区(HAZ)和焊缝熔合区(FZ)。通过截面和顶表面显微组织照片，可以清楚地看到微裂或HAZ液化开裂和凝固开裂。一般来说，Haynes的裂缝数量和长度较短®282®与沃斯帕洛伊岛相比®在相等的应变水平下。
图4:沃斯帕洛伊的横截面和顶面视图®(增强菌株3.2%)(a)和Haynes®282®(增加应变8.6%)(b)在HAZ和FZ都显示热裂纹。
海恩斯的实际焊缝宽约1毫米®282®而不是沃斯帕洛伊®如图所示图4这是由于不同半径(测试板与半径之间接触长度的差异)所施加的不同传热。雷竞技网页版同样在根侧的是沃斯帕洛伊®钢板变形更大，焊池形状更圆。然而，在相同半径下测试的其他部分显示出相同的宽度和形状。在Haynes热影响区液化裂缝尖端附近的融合区外的一个小区域®282®样品中，可以观察到二次相，如图所示图5a和5b。裂纹相对较小，几乎延伸到焊缝熔合区，但没有延伸到熔合区，说明没有足够的液网支撑充填体。二次相可能在晶界上形成，并被分割成几个小段，如果彼此位置足够接近，这些小段可以充当可能的裂纹路径。在二次相周围有一个较亮的区域，在融合区观察到类似的区域。此外，裂纹附近的区域显示了部分溶解的碳化物的证据。
图5:HAZ液化在Haynes中出现二次相®282®样品(a)和近距离视图(b)，其中裂纹尖端附近的二次相周围存在明亮的隔离区域。
在200g负载下进行显微维氏硬度测试，发现沃斯帕洛伊合金的总体硬度一般要高100HV®如在图6。两种合金在FZ中都达到了大致~250HV的相似硬度水平。当比较FZ中中心线的硬度与各母材的硬度时，沃斯帕洛尹的FZ®的硬度低于母材，而Haynes®282®具有比贱金属更高的硬度。
图6:在焊缝横截面上进行显微维氏硬度测量®和海恩斯®282®,分别。的Waspaloy®焊缝横截面插件用于说明。
当比较两种瓦斯帕洛合金的热裂敏感性时®和海恩斯®282®根据本研究的评估，其他调查的结果[14，15]的热延性试验。目前的研究和以往关于热延性的研究都支持Haynes的结论®282®具有较低的热开裂敏感性，由于较窄的脆性温度范围(BTR)以及较低的总开裂量，由varestrain测试证明。影响热裂敏感性的其他主要参数有:晶粒尺寸、硬度和微量元素(S、B、P)的含量。
Varestraint测试
Varestraint测试的结果清楚地表明，海恩斯®282®热裂易感性比沃斯帕洛伊低®。在所有增强应变水平下，沃斯帕洛尹族之间的TCL差异约为10毫米，最高可达4.3%®和海恩斯®282®。有趣的是，Haynes的菌株高于4.3%®282®TCL饱和不表现出任何趋势，表明TCL饱和所需应变水平在8.6%以上。通过对接收到的沃斯帕洛伊进行varestrain测试®，这些结果是在先前的研究中获得的(使用相同的测试参数)，并将它们与本研究的结果一起绘制在图7，可以看出，1010℃的固溶热处理2 h对沃斯帕洛伊的热裂敏感性影响非常有限®。如图所示，大部分数据点为接收到的沃斯帕洛伊®在不包括~4.5%应变水平的两个数据点的固溶热处理条件下，材料重合并匹配开裂结果向更高应变水平的假定线性外推。收到的沃斯帕洛伊®该材料与本研究中测试的材料来自同一批次，因此具有相同的化学成分。晶粒尺寸为ASTM 5.7 (~53 μm)，宏观维氏硬度为238HV，进一步表明晶粒尺寸的具体差异和硬度对热裂敏感性的影响均不显著。这进一步支持了Haynes的优势®282®在比较中。
图7:瓦斯帕洛伊瓦拉应变试验中总裂纹长度(mm)与增加应变(%)®和海恩斯®282®与沃斯帕洛伊的早期研究相比®在接收条件下[9]。
在沃斯帕洛伊增大应变外推到较低应变水平的降低水平®结果是0，而海恩斯®282®似乎能承受一定程度的应力而不会出现热裂。然而，为了验证这一点，需要在较低水平的增强应变下进行更详细的研究。HAZ的微观结构分析揭示了二次相分布在Haynes中扩展裂纹之前的可能证据®282®样本。这个次级阶段可以与其他研究中确定的FZ中分布在树间的相同[5-16]]为Ti-Mo基mc型碳化物，具有FCC晶体结构。MC碳化物在γ相中随机分布，晶粒大小在2 ~ 15 μm之间。小角度衍射图样(SADP)技术已用于[5]来检测富含Mo-B的粒子，这些粒子似乎是M5B3.-颗粒，在晶界处以及晶界三点处。与本研究中观察到的次级相相比，粒子似乎太小了。另一方面，焊接方法的不同和晶界分布的不同也可以解释这种现象。此外，二次相周围的区域似乎被隔离，这可能是相变的先决条件。两种合金的裂纹似乎都倾向于在FZ区沿枝晶间路径生长，而在HAZ区沿分离晶界生长。对于Waspaloy®，裂纹附近的可见区域没有显示出任何低熔化相的痕迹，这表明需要在更高的放大倍率下进行更高级的评估，以确认或排除早期研究中观察到的MC碳化物的存在[9]。
Gleeble测试
Gleeble热延性测试结果显示沃斯帕洛伊的BTR为187°C®，表明合金比Haynes更容易发生HAZ开裂®282®，其BTR分别为110-125℃。主要解释是[15- - - - - - (17]]依赖于增长灵敏度根据峰值温度与延性恢复温度(DTR)的差值，可以对BTR较宽的热裂进行评价。然而，批评家认为[18在高温下具有高抗拉强度的合金可能具有抗裂性，尽管其延展性较低，而在高温下具有较低抗拉强度且仅具有中等延展性的合金通常对开裂敏感。
影响焊接性的主要参数
在评价焊接性能时，需要考虑许多不同的参数。在本研究中，可焊性是指材料在FZ和HAZ中避免热裂的能力。为了支持初步结论，需要进行不同类型的冶金检查，以支持试验后所作的观察，其中一些已经提到。
硬度
Waspaloy®贱金属的显微维氏硬度为340HV，而海恩斯®282®硬度为208HV，主要由γ′析出硬化程度决定。还可以考虑沉淀物的大小、形状和失配[19]，因为它们会影响HAZ中的错配位错密度，从而影响HAZ开裂的易感性。此外，焊缝金属的显微维氏硬度为250HV，而母材的沃斯帕洛伊硬度较高®但海恩斯的硬度较低®282®。硬度的降低可以解释为快速冷却，因此避免了γ′的析出，但从母材到焊缝金属硬度的增加很可能与铣削后进行聚合物淬火有关退火速度非常快，甚至可能比焊接后直接冷却还要快，至少在一定的温度范围内(例如900至500°C)。γ′析出硬化和(或)局部高度塑性变形可以解释热影响区局部硬度较高的过渡区。沃斯帕洛伊合金的整体硬度水平一般较高®除了FZ中相似的硬度水平外，这可能意味着在固化焊缝金属中有更高程度的局部塑性变形和开裂。沃斯帕洛氏硬度较高®通常会导致热裂敏感性增加，因为它可能不太能够应对在测试或焊接中引起的应变，但如果与所接受的沃斯帕洛伊合金相比®资料载于图7时，硬度的差异似乎不显著。
晶粒尺寸
更小的晶粒尺寸ASTM 5 (64 μm)的海恩斯®282®与astm4 (90 μm)进行了比较®可能对焊接性很重要。一般认为，晶粒越大，焊接性越差[7，20.-23]，因为晶粒结合面积减小，可容纳的应变更小。晶界三点处的应力集中增大，可能是裂纹萌生点。此外，在粗颗粒结构中，较厚的液膜通常与较长的时间相关联凝固冷却后，因此具有更大的开裂风险。相反的结果会出现[24]当考虑718合金的不同类型铸件时。考虑到已被接受的沃斯帕洛伊®在三种不同条件(ASTM 5.7, 53 μm)中，晶粒尺寸最小的材料，似乎在用于测试的特定范围和边界条件下，晶粒尺寸的差异不显着。
微量元素，磷和硼
两种合金的硫含量相等，碳含量也相当，即沃斯帕洛伊合金的含碳量为0.08 wt.%®海恩斯0.068 wt.%®282®。因此，我们假设这些元素之间的差异不那么重要。当考虑到沃斯帕洛伊磷含量为0.004 wt.%时®与海恩斯相比，这一数字翻了一番®282®和硼含量分别为0.006 wt.%和0.004 wt.%时，沃斯帕洛尹合金的焊接性普遍被认为较差®(7，25-28]。的元素种族隔离熔点的镇静剂像硼和磷一样，可以降低晶界的熔点。晶间液体湿润和沿晶界扩散的需要被认为是重要的，通常表现为润湿性、二面角和界面能。目前尚不清楚B或P在多大程度上影响这些性质。另一方面，硼和磷被认为具有协同作用的改善晶界的效果凝聚力在升高的温度下，这就为包括它们提供了强有力的理由。回填，即热影响区液化裂纹被来自熔合区的液体愈合，在评估焊缝裂纹时可能很重要。其他影响也可能来自于错位/空缺之间的隔离和相互作用。然而，之前对海恩斯的研究®282®例如，TEM表明，液化开裂的敏感性可能取决于硼化物(M5B3.)温度范围为1150-1170°C。
沃斯帕洛伊合金对热裂的敏感性较高®而不是海恩斯®282®根据本研究中进行的Varestraint测试，该测试进一步得到了早期对接收到的沃斯帕洛伊的Varestraint测试的支持®Gleeble热延性测试表明沃斯帕洛伊的BTR显著增大®在比较中。
在海恩斯®282®， HAZ液化开裂与晶间次级相的存在有关，该次级相似乎与之前在FZ中发现的次级相类似，即Ti-Mo基MC-type FCC碳化物。
两种合金的焊缝金属硬度相似(250HV)，而与各自的母材相比;海恩斯®282®显示焊缝金属硬度增加，而沃斯帕洛伊硬度水平下降®焊缝金属。
加拿大马尼托巴大学的Olanrewaju Ojo教授因对这篇论文进行评审而获得认可。
