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ISSN: 2321 - 6212
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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需要材料具有高强度、抗氧化性能、热稳定性和足够的可焊性,以促进大型结构的生产喷气发动机组件。因此,可焊性Waspaloy®和海恩斯®282®使用Varestraint可焊性测试评估。实验表明,Waspaloy®有更高的敏感性热裂解相比,海恩斯®282®。这一结论支持增加总裂纹长度(10毫米或更多)和较大的脆性温度范围(约。65°C) Waspaloy®相比,海恩斯®282®Varestraint和Gleeble热延性测试,分别。破解282年海恩斯®®似乎与第二个阶段大概可以与基于Ti-Mo MC-type硬质合金中观察到融合区。同时,周围的隔离区域附近存在这第二阶段以及沿晶界。此外,硬度结果显示或多或少相同的焊缝金属硬度(260 - 280高压),但贱金属硬度的差异。焊缝金属的硬度Waspaloy®低于贱金属的硬度,而海恩斯®282®相比有较高的硬度。
Varestraint测试、可焊性、高温合金
沉淀硬化的焊接镍基超合金具有十分重要的意义在航空航天工业1]。重击——航空发动机的星航工程科从事高温性能的发展密切相关Waspaloy等合金®和海恩斯®282年®(2]。在合金设计、力学性能必须平衡与其他属性可焊性等合金的成功应用。的合金性能和可焊性同时取决于感兴趣的实际应用和制造方法可用来产生特定的部分。然而,在设计和生产大型和先进的承重结构至关重要,合金可焊,以避免重大裁员成本。
本研究的目的是探讨对热裂解造成的海恩斯®282年®和Waspaloy®使用Varestraint可焊性测试方法。海恩斯®282年®是一个新开发的合金和有限的信息就可焊性在文献[3]。同样对于Waspaloy®,缺乏系统的可焊性测试我们——ing Varestraint测试方法或类似的技术(3)尽管合金已经存在多年。本研究将填补丢失的知识缺口和焊接材料的社区的一个系统的研究集中在热裂化艾滋病的热裂解行为的理解这两个非常重要的和有前途的超合金。
沉淀硬化镍基超合金
这个名字从这些合金高温合金下降拥有“高性能”属性在温度升高4]。Waspaloy®和海恩斯®282年®(化学成分表表1)在本研究调查都是γ'(γ)硬化镍基超合金温度与假定服务能力~ 700°C (5)和~ 800°C (3),分别。γ'相L12面心立方(FCC)晶体结构与化学镍的结构3铝、钛(4]。所以,增加大量的铝和/或钛将增加γ’相的一个众所周知的不良影响可焊性,或者更具体地说,对应变时效开裂的敏感性。其他几个阶段中发现这两种合金也感兴趣的,即MC和M23C6碳化物(6,7]。
表1。Waspaloy的化学成分(wt %)®和海恩斯®282年®。
| 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年® | 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 | - - - - - - |
Varestraint可焊性测试
Varestraint测试方法在本研究最初是在1960年代开发的(8),是建立在焊缝周围的区域的原则是紧张在实际的焊接。通过改变增强应变水平,这也是该方法的名字的原因(变量约束),对热裂纹的敏感性可以评估(9- - - - - -12]。与所有弯曲操作,拉伸应变(测试板的上半部分)以及压缩应变(低一半的测试板)。有一个常见的误解,压缩应变的存在影响裂缝的数量在Varestraint顶面测试,因此只比~ 10毫米厚测试板。然而,最近的一项研究清楚地表明,任何影响压缩压力的热开裂敏感性测试板的上表面可以观察到12]。
材料
初始组织Waspaloy®和海恩斯®282年®中可以看到图1 a和1 b,分别。Waspaloy®解决热处理在1010°C 2 h后强制空气冷却提供macro-Vickers硬度294高压,图1一个和晶粒尺寸的ASTM 4(90μm),而海恩斯®282年®是用于mill-annealed条件其次是聚合物淬火提供macro-Vickers硬度203高压,图1 b和晶粒尺寸的ASTM 5(64μm)。asreceived macro-Vickers硬度测试和解决热处理材料进行了使用10千克负载平均12,作为10首行缩排。硬度显示类似的价值观,208高压海恩斯®282年®340年Waspaloy高压的,但稍高一些®。micro-Vickers测试进行蚀刻表面,以避免有何影响,如碳化物或晶界和平均5缩进。晶粒尺寸测量进行了使用线性拦截过程按照ASTM E112 [13]。根据标准金相显微结构的制备进行了程序。粗铁镍基材料的蚀刻剂以及电解蚀刻与草酸被用来揭示了微观结构。
图1:微观结构的应用基Waspaloy®(一)和海恩斯®282年®(b) Varestraint前测试。
化学成分(wt %)测试的材料中可以看到表1,之间的主要差异是钼的合金元素,铁、钛,而且大量的P, B的重视,尤其是焊接连接。
Varestraint测试和评估
Varestraint测试进行板的厚度3.2毫米和使用中所示的设置图2。样本准备使用支持板钉焊接在底部一侧的测试样本,以调用弯曲半径符合,防止板要和诱发拉伸菌株在测试样本。使用点焊的支撑板,以防止任何压缩应变在测试板进行了之前研究的结果是已知的(12],它透露,这个动作是不必要的。Varestraint测试中使用的焊接工艺是钨电极惰性气体保护焊(GTAW)配备一个自动电压控制装置调整工作电极片的距离。焊接电流设置为85是一起2 mm / s的焊接速度和Ar-gas流量(18 l / min)的保护。使用的半径50、75、100、133、200和400毫米实施理想增强压力从1.1到8.6%(三个重复在每个应变级别)根据方程(1)所示。中风率设置为16毫米/秒。
图2:阿尔托大学Varestraint检测设备显示测试设置和完成测试。
增强应变ε(%)= 100 x (t / 2 r) (1)
在哪里
t =测试板的厚度毫米
半径R = Varestraint测试中使用的模芯的mm
Varestraint测试后,裂缝的数量均通过几个步骤来减少测量误差。首先,染料渗透应用,让它更容易透露裂缝和照片拍摄在-10年代大约0.5擦拭后过度染料渗透。最后,总裂纹长度测量校准后的软件称为NIS元素®。实际的裂缝测量2点/裂纹的方法,也就是说,只有一个点之间的直线距离两端的裂缝被认为是。这意味着没有考虑有关裂纹偏转,自认为可以忽略不计,即。,连续裂缝出现歪斜。
Varestraint测试
总裂纹长度(TCL)毫米和增强应变(%)提出了图3。Waspaloy®具有更高的热裂纹敏感性的应变水平相比,海恩斯®282年®。之间的区别这两种合金的TCL在10毫米的范围最多应变水平的标准偏差小于5毫米,支持海恩斯的一个优势®282年®在这种情况下。
图3:总裂纹长度(毫米)和增强应变(%)在Waspaloy Varestraint测试®和海恩斯®282年®。
是不可能完成的比较在最高压力水平由于限制可用的测试材料。然而,两种材料构成了相同数量的测试板测试板(11)增强应变范围从1到6%,额外的测试板6%以上给的信息饱和水平。
微观结构分析
Waspaloy裂缝模式是相似的®和海恩斯®282年®所示图4。aug-mented应变水平的差异,分别为3.2%和8.6%,分别对传热的影响导致不同的焊缝大小是指出。不管应变水平裂缝位于热影响区(HAZ)和焊缝融合区(FZ)。通过检查顶部截面以及表面微观结构照片,micro-fissuring或热影响区熔融开裂和硬化裂纹清晰可见。一般来说,裂缝和裂缝的长度是海恩斯的短®282年®相比Waspaloy®在相同应变水平。
图4:横截面和Waspaloy顶面视图®(增强应变3.2%)(a)和海恩斯®282年®(增强应变8.6%)(b)显示热裂缝在HAZ FZ以及。
实际的焊接是海恩斯约1毫米宽®282年®比Waspaloy®见的截面图4这是由于不同的传热的不同半径(测试板之间的接触长度差异和半径)。雷竞技网页版也在根端,Waspaloy®板变形和熔池的形状比较圆。然而,其他部分板半径相同的测试显示同等宽度以及相同的形状。在一个小区域外的融合区附近的热影响区熔融裂纹在海恩斯®282年®可以观察到的样本,第二个阶段,见图5 a和5 b。裂纹相对较小,几乎延伸到,但不进入焊缝融合区,这就意味着没有足够的液体网络支持回填。第二阶段,可能形成晶界,分成几小段可以作为一个可能的裂纹路径如果定位接近彼此。亮区域围绕第二阶段和类似地区观察融合区。同时,面积接近裂纹显示了部分溶碳化物的证据。
图5:热影响区熔融裂缝与海恩斯的第二个阶段®282年®样本(a)一起仔细查看(b)在明亮的隔离区域周围的裂纹尖端附近的第二阶段。
进行硬度测试用负载200克、和显示,整体硬度Waspaloy一般100高压更高®见图6。类似硬度水平大致~ 250高压合金在FZ达到。当比较的硬度的中心线FZ与每个基本金属、FZ Waspaloy®有较低的硬度比贱金属,虽然FZ海恩斯®282年®有一个更高的硬度比贱金属。
图6:硬度测量焊缝截面Waspaloy的进行®和海恩斯®282年®,分别。的Waspaloy®焊缝横截面插入解释。
当比较Waspaloy之间的热裂纹敏感性®和海恩斯®282年®在这项研究中,评价结果与其他调查(14,15在Gleeble热延性测试被认为是。目前的调查和先前的研究在炎热的延性支持海恩斯的结论®282年®具有较低易热开裂由于脆性温度范围窄(BTR)以及更低的总开裂了Varestraint测试。其他主要参数影响热裂纹敏感性:粒度、硬度和微量元素(年代、B、P)。
Varestraint测试
Varestraint测试结果清楚地表明,海恩斯®282年®热裂纹敏感性较低比Waspaloy吗®。大约10毫米的差异在TCL增强Waspaloy之间观察应变水平高达4.3%®和海恩斯®282年®。有趣的是,海恩斯的菌株在4.3%以上®282年®不显示任何TCL饱和的趋势,这表明所需的应变水平TCL饱和度在8.6%以上。通过考虑Varestraint测试数据应用基Waspaloy®获得的,这是在前面研究(使用相同的测试参数)及策划一起从这个研究结果图7可以看到,它的固溶热处理2 h在1010°C的影响非常有限Waspaloy的热裂纹敏感性®。正如图中所看到的,大多数的数据点的应用基Waspaloy®开裂的材料一致,匹配一个假定的线性外推结果向更高的应变水平解决热处理条件不包括两个数据点的应变水平~ 4.5%。的收到基Waspaloy®材料来自同一批次的材料进行的这项研究,因此具有相同的化学成分。然而,晶粒尺寸是5.7 ASTM(~ 53μm) macro-Vickers硬度238高压进一步表明具体不同粒度和硬度有显著影响对热裂纹的影响。这进一步支持海恩斯的优势®282年®在比较。
图7:总裂纹长度(毫米)和增强应变(%)在Waspaloy Varestraint测试®和海恩斯®282年®相比Waspaloy的早期研究®在收到基条件下(9]。
在减少水平的增强应变外推为Waspaloy应变水平较低®导致零,而海恩斯®282年®似乎能维持一定程度的压力没有任何热开裂。然而,为了验证这一点,更详细的研究在较低水平的增强应变是必需的。HAZ陶醉的微观结构分析可能的证据二次相位传播之前,海恩斯的裂缝分布®282年®样本。这第二阶段可以一样的分布式interdendritically FZ识别在其他研究5- - - - - -16]]是基于Ti-Mo MC-type碳化物FCC晶体结构。MC碳化物被发现随机分布的粒间和晶内的γ相的典型尺寸范围内的男童μm。小角衍射模式(SADP)技术已被用于(5检测Mo-B丰富的粒子,这似乎是M5B3粒子,在晶界以及晶粒间界三分。粒子似乎太小相比,第二阶段在这项研究中观察到。另一方面不同焊接方法和沿晶界分布可以解释出现。此外,第二阶段似乎周围地区隔离,可以相转换的先决条件。裂缝在这两种合金的枝晶间路径似乎喜欢FZ HAZ和沿晶界分开。对于Waspaloy®,可见裂缝附近区域不显示任何的痕迹低熔点阶段,这意味着需要更先进的评价更高放大为了证实或排除MC碳化物的存在中观察到早期的研究(9]。
Gleeble测试
Gleeble热延性试验结果披露的BTR Waspaloy 187°C®,这表明合金更suscep-tible HAZ海恩斯相比®282年®,BTR 110 - 125°C,分别。主要的解释(15- - - - - - (17]]依靠增加灵敏度与更广泛的热裂化BTR可以评估基于峰值温度之间的差异和延性恢复温度(DTR)。然而,批评者指出[18]合金抗拉强度高,耐高温可能开裂尽管低延性和合金具有高温抗拉强度相对较低,加上只有温和的延性,通常裂纹敏感。
主要参数影响可焊性
有许多不同的参数时,必须考虑焊接性能评估。在这项研究中可焊性是指材料的能力,以避免热裂纹的FZ和热影响区。支持最初的结论需要不同类型的冶金检查支持测试后的观察,其中一些已经提到。
硬度
Waspaloy®有硬度340高压贱金属,而海恩斯®282年®硬度208高压主要可以解释为γ的析出硬化的程度。大小、形状和不合群的沉淀也可以考虑19),因为他们影响HAZ的失配位错密度,从而热影响区裂纹的敏感性。此外,micro-Vickers测试显示类似的焊缝金属的硬度250高压,而Waspaloy贱金属硬度较高水平®海恩斯但硬度较低水平®282年®。降低硬度可以解释为快速冷却,因此通过避免γ的降水,但贱金属的硬度增加焊缝金属是最可能相关的聚合物淬火机后执行退火非常快,甚至快于冷却后直接焊接,至少在一定的温度范围内(例如,900到500°C)。过渡区与本地高硬度在热影响区可以解释为γ的沉淀硬化的和/或高度的局部塑性变形。硬度的总体水平是Waspaloy通常更高®除了硬度水平FZ相似,这可能意味着更高程度的局部塑性变形和开裂固化焊接金属。Waspaloy硬度越高®通常导致热裂纹敏感性增加,因为它可能不太能够应对压力诱导的测试或焊接,但如果收到基相比Waspaloy®材料中给出图7,硬度的差异似乎微不足道。
晶粒尺寸
较小的晶粒尺寸ASTM 5(64μm)的海恩斯®282年®相比之下,在Waspaloy ASTM 4(90μm)®可能是重要的可焊性。一般来说,相信更大的谷物恶化的可焊性7,20.- - - - - -23),因为粮食绑定——必要可以适应面积减少和更少的压力。同时,压力在晶界浓度三分的增加,这可能是裂纹萌生的网站。此外,在粗粒结构液膜较厚通常是与时间相关的凝固在冷却,因此具有更大的开裂风险。相反的结果可以发现24]在考虑不同类型的718合金铸件。考虑到应用基Waspaloy®材料中具有最小的粒度三个不同条件(ASTM 5.7, 53μm)看来,颗粒大小的差异是无关紧要的,在这个特定的范围和边界条件用于测试。
微量元素,磷和硼
这两种合金的含硫量是平等和碳的数量也相当,即。0.08在Waspaloy wt. %®在海恩斯和0.068 wt. %®282年®。因此,这些元素方面的差异被认为是不那么重要了。当考虑的磷含量0.004 wt. Waspaloy %®,相比之下,海恩斯的两倍®282年®和0.006 wt. %的硼含量与0.004 wt. %相比,分别可焊性是公认为Waspaloy更糟®(7,25- - - - - -28]。的元素种族隔离的熔点镇静剂如硼和磷,可以减少晶界的熔点。粒间的液体需要湿沿着晶界和传播被认为是重要的,通常表现为润湿性,二面角和界面能。现在还不知道B或P在多大程度上影响这些性质。另一方面,硼和磷的建议协同作用的改善晶界的影响凝聚力在升高的温度下显著使强大的原因包括他们。回填,热影响区熔融裂纹愈合的液体融合区,当评估非常重要焊缝的开裂。其他影响也可以涉及来自种族隔离和混乱之间的交互/职位空缺。然而,一项研究在海恩斯®282年®例如,使用TEM表明熔融开裂的敏感性可能取决于硼化的组份液化(M5B3)的温度范围1150 - 1170°C。
Waspaloy对热裂纹的敏感性较高®比海恩斯®282年®根据Varestraint测试在这个研究进一步支持了早些时候Varestraint测试应用基Waspaloy®和Gleeble热延性显著Waspaloy较大BTR披露的测试®在比较。
在海恩斯®282年®,热影响区熔融开裂是连接到一个晶间中学阶段的存在似乎类似于早些时候确认FZ,即基于Ti-Mo MC-type FCC碳化物。
焊缝金属硬度相似(250高压)的合金,而与各自的基本金属相比;海恩斯®282年®披露增加焊缝金属硬度相比硬度下降Waspaloy水平®焊缝金属。
Olanrewaju Ojo教授在加拿大曼尼托巴大学被公认为审查。