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慣性摩擦焊接技術(shù)作為制造業(yè)中的固態(tài)焊接技術(shù)之一,被廣泛地應(yīng)用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部件的連接。部件對加工精度要求非常高,因此,開展有關(guān)GH4169合金慣性摩擦焊接過程的形影響因素研究,對焊接工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、焊接頭質(zhì)量控制等具有重要的意義和很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景。傳統(tǒng)的焊接工藝探索以“試錯(cuò)法”為基礎(chǔ),這對于大型部件來說成本太高。采用數(shù)值模擬替代大量試驗(yàn),可以明顯降低工藝探索成本,縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期。本文運(yùn)用有限元軟件MSC.Marc建立了GH4169合金大環(huán)形件慣性摩擦焊接過程的軸對稱彈塑性有限元模型,選擇軸向子午面1/2為計(jì)算區(qū)域,將摩擦面附近區(qū)域單獨(dú)定義為形體并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃分,有效減少了單元數(shù)目。模型可以方便的研究摩擦面兩側(cè)物理參量場的對稱性。在本文的工件及焊接工藝參數(shù)下,焊接溫度場關(guān)于摩擦面呈現(xiàn)很強(qiáng)的對稱性,而等效應(yīng)力場關(guān)于摩擦面的對稱性較弱。環(huán)件軸向縮短量是焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵,其影響因素的研究結(jié)果表明:當(dāng)環(huán)件壁厚與工藝參數(shù)給定時(shí),軸向縮短量隨著內(nèi)徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律;當(dāng)環(huán)件內(nèi)徑與工藝參數(shù)給定時(shí),軸向縮短量隨著壁厚增大而快速減小,直至壁厚超過某一臨界尺寸;軸向縮短量對環(huán)件初始轉(zhuǎn)速的化非常敏感,隨著初始轉(zhuǎn)速的增加而快速增大,而其受到摩擦壓力的影響微弱;800℃熱影響區(qū)深度與環(huán)件軸向縮短量受到環(huán)件內(nèi)徑、壁厚、初始轉(zhuǎn)速以及摩擦壓力的影響規(guī)律非常相近。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性,本文針對GH4169合金大環(huán)形件慣性摩擦焊接過程的溫度場與軸向縮短量分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比研究。結(jié)果表明:焊接溫度場和軸向縮短量的計(jì)算值與測量值吻合較好,數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果是可靠的。
采用復(fù)合熔鹽凈化法對GH4169高溫合金的深過冷進(jìn)行研究,通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出GH4169高溫合金深過冷的*凈化劑及工藝參數(shù),從而使GH4169高溫合金獲得了250K的大過冷度,同時(shí)探討了復(fù)合熔鹽凈化劑及工藝參數(shù)作用機(jī)理;通過對不同過冷度下凝固組織的觀察發(fā)現(xiàn),隨著過冷度的增加,合金組織明顯細(xì)化,并發(fā)生兩次晶粒轉(zhuǎn),由樹枝晶向粒狀晶轉(zhuǎn)。當(dāng)過冷度超過250K后,晶粒平均尺寸達(dá)到5.5μm。對熱連軋(HCR)GH4169合金在固溶處理過程中晶粒長大行為進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明,該合金?相溶解溫度在990～1000℃之間,δ相對晶粒長大有顯著阻礙作用,在低于δ相溶解溫度進(jìn)行固溶處理時(shí),析出的δ相使得晶粒長大緩慢;在高于δ相溶解溫度以上時(shí),晶粒隨溫度的升高快速長大。晶粒長大動(dòng)力學(xué)表明:在高于δ相固溶線溫度以上進(jìn)行固溶處理時(shí),晶粒生長指數(shù)隨著固溶溫度的升高而增加;固溶處理溫度為1000和1050℃時(shí)的晶粒長大激活能為223.849kJ/mol,晶粒長大機(jī)制為自擴(kuò)散過程控制機(jī)制,并建立了相應(yīng)的晶粒長大動(dòng)力學(xué)方程。通過激光熔化同步輸送的GH4169合金粉末,在鍛態(tài)GH4169合金基板上沉積出薄壁試樣,分析了GH4169合金的微觀組織、相組成,測試了拉伸性能。結(jié)果表明,所制備試樣的沉積層和界面組織致密、無缺陷;激光沉積態(tài)組織為沿沉積高度方向生長的柱狀枝晶組織,沉積態(tài)組織經(jīng)過直接時(shí)效(DA)或固溶+時(shí)效(STA)處理后,枝晶間Laves相含量基本沒有化,經(jīng)過均勻化+固溶+時(shí)效(HSTA)處理后,組織向等軸晶轉(zhuǎn),Laves相含量減少;試樣經(jīng)過STA處理后,抗拉強(qiáng)度zui高,達(dá)到鍛態(tài)的84.5%,斷后伸長率為鍛態(tài)的96.7%,原始沉積態(tài)試樣斷后伸長率zui高,高于鍛態(tài)101.7%。鈮含量對直接時(shí)效態(tài)(DA)和標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)(STD)GH4169合金室溫拉伸性能、650℃拉伸性能以及650℃、690MPa持久性能的影響規(guī)律,并進(jìn)行了顯微組織觀察和熱力學(xué)計(jì)算分析。結(jié)果表明,隨著鈮的含量從5.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)提高到5.4%,DA態(tài)合金強(qiáng)化相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高,室溫和650℃下強(qiáng)度明顯提高,但鈮含量達(dá)到5.6%后強(qiáng)度有所下降;STD態(tài)合金在同一固溶溫度下,鈮含量的提高會(huì)增加δ相的質(zhì)量分?jǐn)?shù),但對強(qiáng)化相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不及DA態(tài)明顯,強(qiáng)度隨鈮含量提高而增高的幅度不大。DA態(tài)合金的持久壽命隨鈮含量的增加而增長,超過5.6%后基本保持不;STD態(tài)合金持久壽命在鈮含量升高到5.6%后明顯下降,這可能是由δ相數(shù)量及形貌的改引起的。
然而,電脈沖效應(yīng)在高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)用尚無先例,以往的應(yīng)用成果也多集中于形抗力下降的工藝研究,對于脈沖電流影響塑性形的微觀機(jī)制探討甚少,特別對于高溫合金這樣合金元素種類多、合金元素含量高、相析出復(fù)雜的合金。因此,研究電脈沖效應(yīng)影響高溫合金塑性形的規(guī)律和微觀作用機(jī)理,顯得尤為重要。為此,本研究設(shè)計(jì)并進(jìn)行了在施加脈沖電流條件下的GH4169合金室溫及高溫拉伸試驗(yàn),考察了不同脈沖電流參數(shù)對其拉伸性能、塑性形行為及微觀組織的影響。研究發(fā)現(xiàn),室溫拉伸試驗(yàn)中,施加了脈沖電流的GH4169合金試樣相比于未施加脈沖電流的試樣形抗力和抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降,并且下降的幅度隨著脈沖電流密度的增大和頻率的升高而不斷增大。在840A/mm2,2Hz,30μs的脈沖電流條件下,合金的zui大形抗力相較無電流拉伸時(shí)下降了14%。合金的微觀分析發(fā)現(xiàn),脈沖電流的施加使拉伸試樣位錯(cuò)密度得到了顯著的降低。研究表明,800℃高溫拉伸中,脈沖電流作用下GH4169合金的強(qiáng)度與未加脈沖電流常規(guī)拉伸情況下相比顯著降低,合金的斷裂延伸率顯著增加。施加4kA,10Hz,30μs的脈沖電流拉伸形,合金的抗拉強(qiáng)度比未加脈沖電流的相同溫度常規(guī)拉伸降低77.8%,而斷裂延伸率增加幅度達(dá)到750.2%。分析表明,脈沖電流的施加顯著降低了GH4169合金在拉伸形時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度,使合金在較低溫度拉伸時(shí)就發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
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