定向凝固钴基高温合金DZ40M的TLP连接工艺及机理研究

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1、硕士学位论文定向凝固钴基高温合金DZ40M的TLP连接工艺及机理研究STUDYONTLPJOININGPROCESSANDMECHANISMOFDIRECTIONALLYSOLIDIFIEDCOBALT-BASESUPERALLOYDZ40M曹亮亮哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG454学校代码：10213国际图书分类号：621.791.1密级：公开工程硕士学位论文定向凝固钴基高温合金DZ40M的TLP连接工艺及机理研究硕士研究生曹亮亮导师冯吉才教授申请学位工程硕士学科材料工程所在单位材料科

2、学与工程学院答辩日期2018年6月授予学位单位哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG454U.D.C:621.791.1DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTLPJOININGPROCESSANDMECHANISMOFDIRECTIONALLYSOLIDIFIEDCOBALT-BASESUPERALLOYDZ40MCandidate：CaoLiangliangupervisor：Prof.FengJicaiAcademicDegr

3、eeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要航空涡轮叶片通常用含有较多耐火材料及贵重金属元素的高强度、耐高温的镍基或者钴基高温合金制造

4、而成，其价格昂贵。本课题基于叶片修复的背景，采用瞬态液相扩散焊（TransientLiquitPhase，TLP）的方法连接DZ40M定向凝固高温合金。TLP基本过程是用一种熔化温度较低的薄中间层合金作为连接合金，放置在焊接面之间，施加小的压力或不施加压力，并在真空条件下加热，由于达到中间层的熔点或者是由于中间层和母材相互扩散形成共晶反应产物而导致形成一种低熔点的液相合金，形成一层薄的液相中间层，液态的中间层合金润湿母材，在焊接面间形成均匀的液态薄膜。经过一定的保温时间，中间层合金与母材之间发生扩散,尤其

5、是通过降熔点元素不断向母材扩散，使得残留液相的熔点不断升高，从而在等温条件下凝固，最终得到致密的接头。本课题选用Al/Co/Al三明治型箔片作为TLP连接的中间层，DZ40M中的主要元素Co、Cr、Ni、W向中间层中扩散并发生冶金反应且反应产物熔点高于Al本身熔点，实现了在某一略高于Al熔点的温度下DZ40M母材之间的互连接。DZ40M中元素种类较多，直接焊接体系复杂。本课题先分别研究Al-DZ40M与Al-Co体系界面反应，对于二者的研究为最终Al/Co/Al复合中间层TLP连接DZ40M提供工艺与微观

6、组织分析上的指导。针对Al-DZ40M体系在不同工艺参数下界面反应的研究，结果显示在焊接温度T=820℃、保温时间t=30min的参数下，界面中开始出现润湿促进区（WettingPromotionArea，WPA），WPA的存在能有效促进Al在DZ40M上的进一步润湿铺展，WPA的主要相组成为(Ni,Co)3Al4单晶，另外在基体相(Ni,Co)3Al4上，还弥散分布着纳米级别的细长条状Cr基固溶体Ω相，其中Ω相中主要固溶元素为W。分析显示WPA的生长主要与Ni元素的扩散有关，生长速度与温度成正相关，时间

7、对其影响极小。在界面中出现WPA的情况下，随着温度升高，Al在DZ40M上均完全铺展成一薄层，但温度的进一步升高，导致热输入大，母材发生相变，影响力学性能；在界面中不出现WPA的情况下，通过延长保温时间，同样实现了Al与DZ40M宏观上的良好润湿，界面反应层主要为Al-Co化合物，无裂纹等缺陷。Al-Co体系在焊接温度T=940℃、保温时间t=30min的参数下，界面微观组织分为三层：基体金属区为纯Co，靠近纯Co区为AlCo相中间固溶体，另一侧为Al5Co2相中间固溶体，俩种中间固溶体均能固溶一定的Al

8、和Co，均有良好的延展-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性与韧性，有利于接头力学性能。对于温度T＞940℃、t=30min的试验表明，在焊接温度过高的情况下，热输入较大，且因为Al、Co间差异较大的线膨胀系数，出现了反应层脱落、界面出现大量裂纹的现象；通过把反应的温度控制在680℃~720℃之间，这些缺陷得到了良好的避免。采用Al/Co/Al复合中间层TLP连接定向凝固钴基高温合金DZ40M，在纯Al箔厚度50μm、纯Co箔