磁场辅助镍基高温合金瞬时液相连接及其机理研究

Based on the problems appeared during welding repair of high-temperature alloy, joining experiments of nickel-base high-temperature alloy and related mechanisms will be performed using magnetic field-aid transient liquid-phase bonding method. There main works are as follows. First, the influence of magnetic field on the microstructure characteristics and its evolution and the properties of the bonded joint will be investigated, and the process parameters will be optimized. Fracture mechanisms during loading and hot corrosion mechanisms will be explored. Thus, these will provide a guide for process engineering and its optimization. Second, mechanisms for diffusion of element and isothermal solidification of residual liquid during magnetic field-aid bonding process will be revealed. A model for simulation and calculation of isothermal solidification during magnetic field-aid bonding will be proposed. Therefore, these supply guide to improve microstructure. Third, mechanisms for formation and growth of intermetallic compounds during magnetic field-aid bonding process will be disclosed in order to control the detrimental effect of intermetallic compounds on properties . After study, a novel joining method will be developed for special materials. The problems arisen in conventional bonding process will be resolved. Microstructure will be improved and time will be shortened, and thus joint properties and economic benefit will be increased. The research findings will provide technical support for the application of new materials and the manufacture of complex-structure components, act an important role in expanding the application of transient liquid-phase bonding, and have a great academic value to enrich and develop bonding theory, in the meantime open up a novel way to the application of magnetic field to materials processing.

基于高温合金焊接修复时存在的问题，采用磁场辅助瞬时液相连接方法，对镍基高温合金进行连接试验和相关机理研究。主要开展三个方面的工作：其一，研究磁场对连接接头微观组织特征及其演化和性能变化的影响规律，探明载荷作用下接头的断裂机制和热腐蚀机理，为工艺设计及优化提供指导；其二，揭示磁场辅助连接过程中元素扩散和剩余液相等温凝固机理，提出磁场辅助作用下等温凝固模拟计算模型，为改善接头微观组织提供指导；其三，揭示磁场辅助连接过程中金属间化合物的形成和长大机制，以控制金属间化合物对接头性能的不利作用。通过研究，为特殊材料提供一种新的焊接方法，解决传统连接中存在的问题，改善微观组织和缩短时间，提升接合性能和提高经济效益。研究成果为新材料的应用和复杂结构件的设计制造提供了技术支撑，对拓展瞬时液相连接的应用具有重要意义，也对丰富和发展连接理论具有重要的学术价值，同时为磁场在材料加工中的实际应用开辟新的途经。

针对高温合金在应用中遇到的焊接及焊接修复问题，在研究瞬时液相连接技术的基础上，以外加磁场作为辅助手段，分析了高温合金瞬时液相连接的焊接性和相关机理。主要研究内容：研究磁场对连接接头微观组织特征及其演化和性能变化的影响规律，探明载荷作用下接头的断裂机制和热腐蚀机理；揭示磁场辅助连接过程中元素扩散和剩余液相等温凝固机理，提出磁场辅助作用下等温凝固模拟计算模型；揭示磁场辅助连接过程中金属间化合物的形成和长大机制。研究了连接温度、连接时间、焊后热处理等对连接接头组织演化规律和性能变化规律的影响，为磁场辅助提供了试验研究基础。在等温凝固完成之前外加磁场辅助时，连接接头存在热影响区、等温凝固区、残余液相区，热影响区以Cr-B化合物为主，残余液相区以Ni-B基、Cr-B基化合物为主，等温凝固区以镍基固溶体为主。与没有磁场辅助时相比，剩余液相区相对数量少；降熔元素扩散的速率较快，以降熔元素控制的等温凝固机制进行得较快；抗拉强度值较高，磁场从弱到强依次高出32MPa、53MPa、39MPa，随着磁场增强抗拉强度值先升高后降低，过高的磁场强度对改善连接接头力学性能是不利的；拉伸断裂发生在剩余液相区和界面区，施加辅助磁场时，断在剩余液相区的相对量较少；通过SEM、BSE、TEM表征了连接接头金属间化合物，以Cr-B基化合物为主，以棒状、块状形式分布在晶界处，因为B元素在晶界中的扩散速率高于晶内，由降熔元素B不断从中间层扩散而来形成长大。在等温凝固完成之后外加磁场辅助时，连接接头中不存在以Ni-B、Cr-B化合物为主的剩余液相区，中间层以等温凝固形成的镍基固溶体为主。与没有磁场辅助的情况相比较，接头区各元素成分分布更加均匀，磁场有助于元素扩散，但影响扩散的效果比液相时较弱；连接接头的抗拉强度值升高了17MPa，得益于更均匀的成分分布和元素偏聚程度降低；拉伸断裂发生在中间层与母材界面处，磁场辅助时断口面相对均匀一致。界面处形成的硼化物与镍基固溶体基体存在电极电位差，热腐蚀优先发生在界面处化合物区域，出现了大小不一的腐蚀坑；由于成分较均匀，硼化物数量和尺寸相对小，磁场辅助时获得的连接接头中腐蚀坑相对较少、较小，说明接头在磁场辅助时比没有磁场辅助时更耐腐蚀。研究成果为高温合金焊接及焊接修复提供了试验依据和技术支撑，为磁场在材料加工中的应用开辟了新的途径，丰富了瞬时液相连接理论。