燃气轮机高温合金激光焊接液化裂纹形成机制与微观模型研究

The research project foucses on the liquation cracking of the gas turebine Inconel 617 superalloy laser welding, and study the mechanism of liquation cracking in laser welding from the perspective of macro mechanism and micro model. The dynamic coupling effects and models of liquation cracking and laser welding thermal cycle, the combined mechanism of grain boundary liquation, the macro stess and strain of liquation cracking propagation are analyzed. The micro model of liquation cracking initiation is established, and the local micro stess and strain of the grains is analyzed. A new method of the mechanism of superalloy liquation cracking in laser welding is proposed, and the solution of liquation cracking in laser welding of the superalloy is offered.

本课题以燃气轮机Inconel 617高温合金激光焊接液化裂纹为研究对象，从宏观机制和微观模型两个角度开展对液化裂纹形成机制进行研究，深入分析液化裂纹萌生扩展与激光焊接热循环的动态耦合作用与模型，晶界液化复合作用冶金机制以及液化裂纹扩展的宏观应力应变，并建立液化裂纹萌生的微观热力学模型，解析建立晶粒间局部微观应力应变，从而提出一种新的高温合金激光焊接液化裂纹形成机制的研究途径，指导高温合金焊接液化裂纹问题的解决。

本项目针对燃气轮机高温合金Inconel 617激光焊接液化裂纹形成机制与微观模型进行研究，结果表明：母材的M23(C,B)6碳化物的组分液化和大角度晶界导致晶界富Mo和富Cr液膜的产生，并且在焊接热应力的作用下连续的晶界液膜被撕裂，从而产生液化裂纹，通过增加热输入量以及采用合适的双光束激光焊和摆动焊接工艺能大幅度降低高温合金Inconel 617激光焊接热影响区液化裂纹敏感性，同时提高热输入量能减少热影响区复合裂纹，甚至可以完全消除复合裂纹，而焊前预热可以在一定程度上可以减少复合裂纹；采用有限元计算方法，使用优先旋转体热源-旋转对数体热源-3D高斯热源模型构建的高温合金Inconel 617激光焊接热源模型准确性较好，热影响区的颈缩处冷却速率最低。当热影响区温度加热高于约1280℃，晶界和晶内开始发生组分液化，当HAZ温度冷却至1200℃过程中，随着激光焊接热输入增加，高温合金Inconel 617光纤激光焊和CO2激光焊的Von miss应力均无大幅度的下降；光纤激光焊HAZ的第一主应变逐渐增加，而CO2激光焊HAZ颈缩处附近的第一主应变增加明显，HAZ液化裂纹敏感性应变速率逐渐降低，热影响区的中部和底部区域液化裂纹敏感性应变速率均高于上部区域，且中部区域的裂纹敏感性应变速率最高相对于激光焊接HAZ的von Mises应力和第一主应变，液化裂纹敏感性应变速率更适合解释Inconel 617 高温合金激光焊接液化裂纹形成的主要因素；建立了微观应力应变场有限元模型，计算了液膜存在情况下的局部应力应变分布，晶间液膜处的应变集中是造成液膜断裂的重要原因。镍基高温合金激光焊控制液化裂纹方法和机制的研究，有助于将高温合金激光焊技术应用于超临界火电机组、燃气轮机中过渡导管、涡轮盘轴和核动力装置管路等高温部件中。