铬镍铁合金的机械行为718薄壁激光焊接对飞机发动机组件

文摘

镍合金在许多航空航天应用中非常重要,尤其是制造燃气轮机和航空发动机零件,高强度和耐热性是必要的。这类合金焊接能量密度高的过程,为了保持其较高的机械性能。在这个工作中,有限公司₂激光之间的重叠关节铬镍铁合金有限厚度的718张没有焊后热处理。这种联合的主要应用是一架直升飞机的制造引擎组件。特别是目标是获得一个特定的截面几何形状,必须克服机械应力中发现这些工作条件没有失败。进行静态和动态测试,评估焊接和母体材料疲劳寿命行为。此外,生活趋势被确认。这项研究指出,一个完整的接头形状控制是可行的,通过选择合适的焊接参数和激光过程允许保持较高的抗拉强度和延性铬镍铁合金718但是引起很多液化裂纹的热影响区(HAZ)。尽管这些微裂隙,重叠焊缝的疲劳行为符合技术规格要求的应用程序。

1。介绍

镍合金通常高度积极的环境中使用,在良好的强度和耐高温等品质成为非常重要的。

这类合金是在二十世纪中叶,当需要提高燃气轮机的效率,用于民用和军事应用,引起研究人员寻找新的高度耐药的合金,从而提供更高强度的水平,即使在腐蚀性和高温环境。

最重要的一个材料使用这种应用程序是铬镍铁合金的718年,一个基于Ni-Cr-Fe合金具有优良的耐腐蚀性能加上杰出的拉伸、疲劳和蠕变特性。

与其他复杂的镍合金,这种材料显示了更好的焊接特点,提供更高的电阻焊后开裂[1,2]。

有限公司₂激光焊接(激光焊)是一种使用最广泛的焊接过程铬镍铁合金718。

高密度的能量可以迅速融化的材料:这导致窄深焊接,焊接率高和低热量的输入,减少扭曲和HAZ的延伸。

这个焊接过程实现的可能性小厚度焊接时接头形状控制,即使在不同的材料,它可以很容易地包含在一个完全自动化生产系统。

由于其特性,激光焊广泛发展在许多工业领域,特别是在汽车(3,4)、航空(5)、发电厂和军事的,它是强制性的非常复杂的焊接高质量和生产标准。

一些研究工作都集中在镍合金激光焊接接头的实现,主要关注臀部关节。第一个科学作品使用激光来加入部分是由米兰球迷et al。6)和Cantello et al。7]相比Nd-YAG和有限公司₂激光技术实现高铬镍铁合金厚度718臀部关节。在这些研究项目仔细分析的预处理和焊后热处理进行了消除冶金问题微裂隙的形成。

Ram et al。8]的微观结构和力学性能进行了分析2毫米厚铬镍铁合金718对接接头焊接使用Nd-YAG脉冲激光,关注不同的焊后热处理。

香港et al。9)进行的一项研究的机械特性与拉伸和疲劳试验进行5毫米厚铬镍铁合金718臀部关节。关节是焊接不同夫妻的力量和焊接速度和不同的焊后热处理,并指出增加相当大的机械阻力的接头焊后治疗。开发新的镍超合金领导Vishwakarma et al。10]研究热处理所需的冶金缺陷的消除期间开发的焊接。这些合金焊接与电子束集中能源技术。

几项研究已经涉及镍及其焊接性和集中精力。然而,除了这个伟大的扩散,激光焊接过程的信息效应的疲劳性能的高性能合金、铬镍铁合金等718年,仍然是在文献中很难找到。

在上面的研究中,一个小厚铬镍铁合金718激光焊搭接接头,用于制造的直升机发动机中一个重要的组成部分,是报道。这个关节必须由特定的截面几何特征,必须克服机械压力中找到这些工作条件没有失败。

有限厚度的连接不允许焊后热处理在不改变块的几何形状;强烈的扭曲的板块可能严重妥协组件的使用。实际上采用的热处理通常提供溶液化或老化温度约1000°C。在文献中没有研究,考虑到有限的材料厚度焊接。此外,所有的研究只关注臀部关节。Squillace et al。11]研究1.6毫米板Ti-6Al-4V合金的激光焊接性给出一个重要贡献的理解为了获得参数的正确macrogeometry关节。

疲劳行为的研究仍然是不完整的对接接头和完全没有镍合金搭接接头。这个工作的创新主要在于重叠的疲劳行为的研究激光关节之间的有限厚度铬镍铁合金718张没有焊后热处理。此外,疲劳强度也被评估的基础材料才能进行比较。

2。材料和方法

在这项研究中使用的材料是718年铬镍铁合金,age-hardenable合金的特点是一个复杂的化学成分,表所示1(12]。

其高机械性能,保证在高和低的温度,都与Nb溶解在过量的矩阵,从而导致的降水meta-stable审美观正方阶段倪和斜方晶系的稳定阶段₃Nb (阶段),热处理后13]。

在这项研究中,轧制状态的铬镍铁合金718张,lap-joined有限公司₂激光焊接过程。两种不同厚度的0.4毫米和1.6毫米被实现不同的关节。每个板的长度是300毫米,210毫米宽。

板是焊接使用6千瓦最大电力有限公司₂ELEN-RTM机,配备了喷嘴提供连续氩保护气体流量直接焊接(图1)。氦是作为等离子体抑制气体。

第一个工作部分进行创建免费的焊缝缺陷,表现为特定的几何参数,上述所需的工业应用。特别是,它是必要的,以达到焊缝宽度的0.7 - -0.8毫米之间的接口表和焊缝的渗透(图1.0 - -1.2毫米2)。

验证的实现这一目标,每个焊缝受到宏观检验,执行与徕卡MZ6模块化立体显微镜。

在实验的第二部分测试中,力学性能的标本从焊接表进行调查,获得焊缝的疲劳行为的特别感兴趣。母体材料疲劳性能也评估,为焊缝相比。在这种情况下,铬镍铁合金718张,1.6毫米厚,40毫米宽,和190至200毫米长。进行静态和动态测试是英斯特朗8801伺服液压动态测试机配备了一个50 kN负载细胞。

焊缝的静态和疲劳行为进行评估测试矩形截面标本,40毫米宽,通过切割焊接板剪切机(图3)。承载截面28毫米²。

标本被插入在拉伸机控制通过使用两个金属标签的0.4和1.6毫米。为了避免振动薄钢板的应力频率,延长金属使用选项卡(图4)。

在这个实验,共有33个试样(21从母体材料的焊接和11)受到不同正弦压力周期,以负载率和一个频率10赫兹。

测试标本的宏观和微观结构进行疲劳实验段后,通过使用徕卡MeF3显微镜。

所有样品都是使用金刚石复合1机械抛光μm晶粒尺寸然后蚀刻解决方案由50 cc的H₂啊,50 cc HCl, 1.2 cc HNO₃的温度,加热到70°和85°C之间。

3所示。结果与讨论

3.1。公司的特点₂激光焊接

焊接会议强调了一些重要的焊接参数之间的相关性(激光功率和焊接速度)和几何(焊接渗透和焊缝宽度)联合方面,按照其他实验活动(4,14,15]。查看图5(一个)可以注意到,焊接速度的恒定值,联合维(焊透深度和宽度)是直接与激光输入功率成正比。图5 (b)相反,表明,恒定的激光功率输入,联合的主要维度是焊接速度成反比。

从这个焊接活动创建目标几何最优参数选择。在表2最优联合形状报道以及焊接参数用于创建它。

3.2。力学性能和疲劳寿命评估

实验的第一部分会议集中在搭接接头的静态特性。

焊缝的拉伸性能评估测试三个标本经焊接板。样品有相同的几何疲劳标本,如图3。拉力测试报告的结果在图6。焊线附近所有的样品失败最薄的纸边。

可以看到,关节呈现良好的延性,虽然它显然低于母材(12]。这三个样品显示良好的抗拉强度,分别为382.24,380.27,和412.44 MPa,结果平均值为391.65 MPa。

然后进行动态拉伸试验来评估激光焊接的行为和母体材料的循环强度性能。

收集的数据处理和报告在一个图表(图7),表示失败的周期数()在应力幅值的函数(),让我们指出焊缝的疲劳寿命的趋势和铬镍铁合金的718。

为了获得一个好的示范的疲劳行为,七种不同应力幅水平被使用,而只有5压力水平被认为是母质。

在激光焊的情况下,负载的第一步调查(MPa)导致了早期断裂的三个试验样品,后失败的平均只有4590周期。因此,降低一步水平进行测试,以达到疲劳耐久约2·10⁶周期,这是假定为代表的价值无限的生命。

疲劳数据进行的统计研究来定义一个线性化协同曲线,描述的标准实践报告在ASTM E 739 - 91 (16]。这个方法允许定义两个curves-identified为“”和““分别,焊缝和母材,对应于一个生存概率50%的标本。

分析这些曲线允许我们定义激光焊的疲劳极限和铬镍铁合金的718年,原来是,分别为51和116.9 MPa。

从图的分析,可以注意到一个更高的分散的数据比母材焊缝。这方面也证实了激光束的更高的标准偏差值标本。

都以同样的方式测试标本失败:裂缝开始从0.4毫米铬镍铁合金表,熔融区之间的接口(FZ)和基材(BM),这是一个非常窄的热影响区和发展沿着焊线或基材,直到试样完全断裂(图8)。

这个标本失败可以通过考虑联合图式化报道图来解释9抗,这突显出焊缝横截面(灰色地带),断裂区(红色区域),各自的应用。

的灰色地带完全由材料FZ,受到剪切应力的应用负载。失败,相反,基本上是由材料的热影响区,由于其特殊的几何,受到一个正常和切向力的组件。此外,这方面比焊接窄截面:由于这些原因,裂缝面积比焊接截面压力更大。

3.3。金相分析

在图10共同塑造的一个例子是:报道,所有焊缝的特点是一碗形状,用锥形卫星传回的焊根。

图11突出了一个各向同性的基础材料微观结构,其特点是一个equiaxic奥氏体晶粒的矩阵在横向和纵向方向。

高能量密度的激光束加工过程提供了低热量的输入,导致一个很窄的热影响区(图12)。

FZ礼物树突微结构,柱状晶粒形状,特点是大维度在边境与热影响区和薄向焊缝中心。这种结构可以解释为高与熔合线相关的热梯度,促进连续柱状树突的生长结构接近于热影响区,而快速冷却速率和减少温差与周围物质导致FZ[内精细结构的形成8,17]。

微裂隙观察在热影响区,沿垂直方向发展FZ(图13)。

Ti的替换和艾尔Nb precipitation-hardened加强元素合金铬镍铁合金718提高了电阻焊后热处理应力松弛开裂(PWHT),因为缓慢沉淀硬化阶段的(1,18,19]。

另一方面,许多研究[6,19- - - - - -21)强调了Nb的存在之间的关系并熔融裂纹的形成。这一现象与浓缩沿着FZ晶界Nb的内容,只是部分水溶性的热影响区由于低热量输入与激光焊。这导致熔化温度的降低,并确定融化区域的形成。

硼材料的化学成分的存在也促进了熔融开裂敏感性,导致不同的调查(1,10,19,22]。隔离的熔点镇静剂导致边界熔融在焊接过程中,增加的概率微裂纹的形成与焊接热应力的存在有关。

因此,微裂隙出现压力时,产生的焊接热循环、足够高的分离是谷物,细长的谷物技巧的树突结构,发生应力集中的地方。

这种缺陷的存在也会解释疲劳测试标本的失败的形态,它发生在热影响区之间的接口和FZ,裂缝的存在是相当大的。

几项研究已经提出可能的解决方案在热影响区微裂纹的形成。例如,Cantello et al。7]解释冷热的晶粒细化机制工作材料很好,如果在焊接热输入高足以产生一个静态再结晶。实际上,在这个过程的扩散铌停止和新的细颗粒生长,没有变形子结构,这减少了微观结构的应力水平,这限制了微裂纹的形成。

另一个重要参数,影响热影响区显微裂纹阻力的平均晶粒尺寸(9,19,21,23]。测试材料揭示了粗糙的微观结构,特点是粒径为4.3,通过测量平面的过程,按照ASTM E112 [24]。这也解释了高灵敏度微裂缝现象,验证了焊接的样品。

4所示。结论

在这项研究中,一个铬镍铁合金的可行性718激光搭接,用于直升机引擎组件的制造,验证了。

实验测试了高性能一有限公司₂激光焊技术在这种合金:高能量密度的典型焊接工艺减少材料的结构变化,使保护大部分杰出的机械性能和极低的失真的薄板,必须妥善运作的极端工作条件。

这项研究指出以下几方面。(我)完整的接头形状控制可以通过仔细设置激光机器参数。(2)激光过程允许保存718年铬镍铁合金的抗拉强度高、延性好、拉伸测试执行的结果。(3)Nb的存在和B包含在一个金属粗粒度矩阵的特征,与低热量输入相关的焊接过程,导致许多液化裂纹的生成热影响区。(iv)除了微裂隙的存在,铬镍铁合金的疲劳行为718焊缝重叠(51 MPa,对应2·10的耐力⁶周期)符合技术规格要求的项目。

此外,这项工作允许重要数据的收集718年铬镍铁合金搭接接头的抗疲劳强度,在文献中很难找到。目前,大多数科学工作讨论了厚厚一层臀部关节。

进一步的工作来评估焊后热处理的影响为了减少热影响区裂纹可能是试图限制执行完成的变形尽可能多。

利益冲突

所有作者声明没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢焦燕雄比亚乔航空产业。提供材料在焊接和IIS的支持。

引用

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