不同取向DD3单晶合金扩散连接接头组织及性能.pdf

不同取向ＤＤ３单晶合金扩散连接接头组织及性能不同取向ＤＤ３单晶合金扩散连接接头组织及性能ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＤＤ３ＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌＡｌｌｏｙＪｏｉｎｔｓｗｉｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｔＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ李晓红，钟群鹏，曹春晓，陈波，毛唯（１北京航空材料研究院，北京１０００９５；２北京航空航天大学，北京１００１９１）——ＬＩＸｉａｏｈｏｎｇ，ＺＨＯＮＧＱｕｎｐｅｎｇ，ＣＡＯＣｈｕｎｘｉａｏ，ＣＨＥＮＢｏ，ＭＡＯＷｅｉ（１ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ；２ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用Ｄ１Ｆ非晶态箔中间层合金对Ｏ。＋３０。，０。＋６０。取向组合的ＤＤ３单晶合金试样进行了ＴＬＰ扩散焊，研究了被焊单晶合金试样相互之间的取向对接头组织和性能的影响。结果表明：当被焊二母材取向不一致时，由于在焊缝中央存在较大块状７相组成的界面，且此界面与外加应力方向垂直，是高温应力作用下的薄弱环节，从而使接头持久性能明显降低，低于母材持久性能的４Ｏ，接头断裂均发生在焊缝；而采用同样的中间层合金和连接规范，取向一致配对焊接的单晶合金接头具有均匀的焊缝组织和优良的持久性能，可达到或接近与母材等强。因此为了获得高性能的接头，应尽可能使被焊部件的晶体取向一致。关键词：ＤＤ３单晶合金；ＴＩＰ扩散焊；组织中图分类号：ＴＧ１３２．３２文献标识码：Ａ—文章编号：１００１４３８１（２０１１）１２０００１０５Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＤ３ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌａｌｌｏｙｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆ０。＋３０。ａｎｄ０。＋—６０。ｗｅｒｅＴＬＰｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｅｄｗｉｔｈＤ１Ｆａｍｏｒｐｈｏｕｓｆｏｉｌｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｌｌｏｙ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｃｒｙｓｔａ１ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔＷＯｂｏｎｄｅｄｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌａｌｌｏｙｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ，ｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔｂｏｎｄｅｄｂｙｔｗｏｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｙｓｔａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｅｄａｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｐｈａｓｅｓｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆｌａｒｇｅｂｌｏｃｋ，ｗｈｉｃｈｗａｓｖｅｒｔｉｃａｌｔｏｔｈｅａｐｐｌｉｅｄｓｔｒｅｓｓａｎｄＳＯｂｅｃａｍｅｔｈｅｗｅａｋｐａｒｔｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔ．—Ａｓａｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ～ｒｕｐｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔｗａｓｂｅｌｏｗｔｏ４０ｏｆｔｈａｔｏｆｔｈｅｂａｓｅｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄａｌｌｏｆｔｈｅｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓｆｒａｃｔｕｒｅａｔｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｓｅａｍ．Ｈｏｗｅｖｅｒ。ｕｓｉｎｇｔｈｅｓａｍｅｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ—ａｌｌｏｙａｎｄｔｈｅｓａｍｅｂｏｎｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｊｏｉｎｔｆｏｒｍｅｄｂｙｔｗｏｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｃｒｙｓｔａｌｏｒｉ—ｅｎｔａｔｉｏｎｅｘｈｉｂｉｔｅｄｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｊｏｉｎｔｗａｓｃｏｍｐａｒａｂｌｅｔｏｔｈａｔｏｆｔｈｅｂａｓｅｍａｔｅｒｉａ１．Ｓｏｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｊｏｉｎｔｓｏｆｈｉｇｈｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｉｔｓｈｏｕｌｄｍａｋｅｔｈｅｔＷＯｂｏｎｄｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓａｓｍｏｒｅａｓｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＤ３ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌａｌｌｏｙ；ＴＬＰｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ航空发动机性能正在不断改善与提高，这就要求作为发动机心脏的涡轮转子叶片不但要具有优良的性能，而且工作温度也要进一步提高，从而提高发动机效率。航空发动机等轴晶高温合金叶片的运行经验表明，在高温、热应力和机械应力、腐蚀气氛的长时作用下，大多数裂纹发生在晶界，且与主应力方向垂直，说明与主要应力垂直的晶界是叶片内部薄弱环节之一。为此，定向凝固和单晶合金在近些年得到迅速发展，其中单晶合金较等轴及定向凝固高温合金有更高疲劳寿命、持久塑性及工作温度，叶片的使用寿命较传统铸造叶片提高４～５倍口］，是目前最优越的涡轮叶片用材料。国外研究发展了多种单晶合金，并用于航空发动机涡轮叶片的制造［３］。ＤＤ３合金为国内自行研制的第一代镍基单晶高温合金，其成分比较简单，不含稀缺贵重元素，成本较低，中、高温性能良好，力学性能与国外第一代单晶合金ＰＷＡ１４８０相当。该合金还具有优越的抗热疲劳性能，组织稳定性好，适合于制作１０４０￣Ｃ以下工作的燃℃气涡轮转子叶片和在１１００以下工作的导向叶片ｌ８－９＿。然而，在单晶高温合金叶片制造过程中，叶片端部通常留有脱芯工艺孑Ｌ，这些孔需要焊接来封堵。钎焊和液相扩散连接方法（ＴＩＰ扩散焊）是单晶叶片最有效的焊接方法，特别是ＴＩＰ扩散焊，不会破坏母材组织，而且焊缝组织可实现与母材相近或相同，从而纯钛高应变率拉伸力学行为的实验研究合结果与实验结果吻合较好，表明该模型（式（４））可以较好地表征纯钛在实验应变率范围内的拉伸力学行为。４结论（１）纯钛拉伸力学行为在本工作实施的应变率范围内具有明显的应变硬化效应、应变率强化效应和绝热温升软化效应。（２）高应变率实验过程可以近似为一个绝热过程，通过冲击拉伸复元实验获得了纯钛的高应变率等温应力一应变曲线，实现了应变硬化效应与绝热温升软化效应的实验解耦。（３）采用修正的ＫＨＬ模型对纯钛的应力一应变曲线进行数值拟合，结果表明，该模型可以较好表征纯钛在准静态和动态实验应变率范围内的拉伸力学行为。［１］［２］［３］Ｅ４３Ｅ５］参考文献王礼立．应力波基础［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００５．——ＧＲＡＹＧＴ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎ：ｃｌａｓｓｉｃｓｐｌｉｔＨｏｐ—ｋｉｎｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｂａｒｔｅｓｔｉｎｇ．ｍｅｔａｌｓｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．Ｏｈｉｏ：Ａｍｅｒｉ—ｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＭｅｔａｌｓ，２０００．４６２４７６．ＲＯＤＮＥＹＪＣ．Ｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０００，３７（１）：１Ｏ５１１３．——ＣＨＩＣＨＩＩＩＤＲ，ＲＡＭＥＳＨＫＴ，ＫＥＭＫＥＲＫＪ．Ｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒａｉｎ——ｒａｔｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆａｌｐｈａｔｉｔａｎｉｕｍ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａ—ｎｉｓｍｓａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，１９９８，４６（３）：１０２５１０４３．——ＮＥＭＡＴＮＡＳＳＥＲＳ，ＧＵＯＷＧ，ＣＨＥＮＧＪＹ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐ—ｅｒｔｉｅｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆａｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｌｙｐｕｒｅｔｉｔａｎｉ—ｕｍ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，１９９９，４７（１３）：３７０５３７２０．［６］ＬＩＱ，ＸＵＹＢ，ＢＡＳＳＩＭＭＮ．Ｄｙｎａｍｉｃｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｐｕｒｅｔｉｔａｎｉｕｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，—２００４，１５５１５６：１８８９１８９２．Ｅ７３常亚晶，刘楚明，詹从望，等．高应变率下纯钛动态压缩力学性能—各向异性［Ｊ］．湖南有色金属，２００８，２４（４）：３３３６．［８］ＧＵＲＡＯＮＰ，ＫＡＰＯＯＲＲ，ＳＵＷＡＳＳ．Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆ—ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｌｙｐｕｒｅｔｉｔａｎｉｕｍａｔｅｘｔｒｅｍｅｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａ—ｔｅｒｉａｌｉａ，２０１１，５９（９）：３４３１３４４６．［９］孙智，苏铁健，李淑华，等．高应变率下工业纯钛ＴＡ２变形与失效—研究＿Ｊ］．兵器材料科学与工程，２００７，３０（３）：４３４７．—［１ｏ］ＮＥＭＡＴＮＡＳＳＥＲＳ，ＩＳＳＡＣＳＪＢ，ＳＴＡＲＲＥＴＴＪＥ．Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｒｅｃｏｖｅｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃＲＳｏｃ—Ｌｏｎｄｏｎ，１９９１，Ａ２Ｏ：３７１３９１．１１１］ＸＩＡＹＭ，ＷＡＮＧＹ．Ｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔｉｎｇｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｄｉｓｋｉｎｄｉｒｅｃｔｂａｒ－ｂａｒｔｅｎｓｉｌｅｉｍｐａｃｔａｐｐａｒａｔｕｓ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ—ＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，２００７，３５（１）：３１３５．—Ｌ１２］ＫＨＡＮＡＳ，ＳＵＨＹＳ，ＫＡＺＭＩＲ．Ｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｇｒｅｓｐｏｎｓｅｓａｎｄｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ—［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｓｔｉｃｉｔｙ，２００４，２０（１２）：２２３３２２４８——收稿日期：２０１卜Ｏ５１９；修订日期：２０１１０９２７作者简介：张银喜（１９８５一），男，硕士研究生，主要从事材料动态力学行—为研究，联系地址：中国科学技术大学近代力学系（２３００２７），Ｅｍａｉｌ：ｚｈｙｘｚ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：汪洋（１９６８一），男，理学博士，教授，主要从事极端条件下的材料力学行为和冲击动力学的研究工作，联系地址：安徽省合肥市中国—科学技术大学近代力学系（２３００２７），Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｗａｎｇ＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米（上接第５页）［３］ＧＥＬＬＭ，ＤＵＨＬＤＮ，ＧＩＡＭＥＩＡＦ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ［Ａ］．Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ１９８０［Ｃ］．Ｗａｒ—ｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ：ＴＭＳ，１９８０，２０５２ｌ４．［４］ＧＥｌＩＭ，ＤＵＨＩＤＮ，ＧＵＰＴＡＤＫ。ｅｔａ１．Ａｄｖａｎｃｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｉｒｆｏｉｌｓ［Ｊ］．ＪｏｆＭｅｔａｌｓ，１９８７，（７）：１１１５．［５］ＥＲＩＣＫＳＯＮＧＩ．ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＭＳＸ一１０—［Ａ］．Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ１９９６［Ｃ￣．Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ：ＴＭＳ，１９９６．３５４４．［６］ＧＩＡＭＥＩＡＦ，ＳＡＬＫＥＤＲＷ，ＨＡＧＥＲＳＣＷ．Ｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔ————ｅｎｇｉｎｅｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｖａｎｅａｎｄｂｌａｄｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｐｏｒｔ［Ｒ］．ＮＡＳＡＣＲ一１６４５００，１９８Ｌ［７］ＦＯＲＤＤＡ，ＡＲＴＨＥＹＲＰ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌａｌｌｏｙｓ—ｆｏｒｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｇｉｎｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ａ］．Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ１９８４［ｃ］．Ｗａｒｒｅｎ—ｄａｌｅ，ＰＡ：ＴＭＳ，１９８４．１１５１２４．［８］吴仲棠，温仲元，陈德厚．ＤＤ３单晶合金的成分设计和实验研究［Ｊ］．金属学报，１９８７，２３（４）：１７１１７８．［９］中国航空材料手册编辑委员会．中国航空材料手册第２卷变形高温合金铸造高温合金［Ｍ］．北京：中国标准出版社，２００２．［１０］张新平，史耀武，任耀文．镍基非晶态及晶态钎料真空钎焊时母材—溶解模型特性的研究口］．航空材料学报，１９９５，１５（４）：３４４０．［¨］张新平，史耀武，任耀文．镍基非晶态及晶态钎料真空钎焊时母材在钎料中溶解特性的研究［Ｊ］．航空材料学报，１９９６，１６（３）：——５０５６．——收稿日期：２０１１－０３１８；修订日期：２０１１－０９１２作者简介：李晓红（１９６２一），男，博士，研究员，主要从事新型材料及结构件钎焊、扩散焊方面研究工作，联系地址：北京市朝阳区曙光西里甲５—号院２０号楼Ｅ座１１２３（１０００２８），Ｅｍａｉｌ：ｌｉｘｉａｏｈｏｎｇ６２１＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ