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TC4钛合金与Inconel718高温合金异种金属激光焊接基础研究

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1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 钛合金与高温合金概述

1.3 异种金属激光焊接研究现状

1.4 高温合金-钛合金异种金属焊接研究现状

1.5 本文主要研究内容

2 研究内容与方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3激光焊接试验方法

2.4 金相试样制备

2.5 焊缝组织及成分分析

2.6 焊接接头显微硬度分析

2.7 本章小结

3 TC4/Inconel 718异种金属激光焊接实验及接头缺陷分析

3.1 YAG脉冲激光焊接工艺参数实验结果

3.2 光纤激光焊接工艺参数实验结果

3.3 焊接接头裂纹分析

3.4 气孔缺陷分析

3.5 本章小结

4 TC4/Inconel 718接头焊缝显微组织分析

4.1 YAG脉冲激光焊接接头焊缝组织分析

4.2 光纤激光焊接接头焊缝组织分析

4.3 TC4/Inconel 718焊接接头元素分布

4.4 TC4/Inconel 718焊接接头显微硬度分布

4.5 本章小结

5 TC4/Inconel 718接头熔合区显微组织及元素分布

5.1 熔合区组织特征

5.2 熔合区组织点成分分析

5.3 熔合区的元素分布

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

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摘要

在先进航空发动机中,钛合金与高温合金是应用最多的两种材料,钛合金具有比重小、比强度高、耐蚀、可焊接等优异性能,但多数钛合金的耐热温度较低。高温合金的耐热温度虽然更高,但其密度更大,从而增加发动机重量,降低推重比。若可以实现高温合金和钛合金的可靠连接,将在航空发动机制造领域具有广阔应用前景。
  本文采用Nd:YAG脉冲激光器和光纤激光器,对TC4和Inconel718进行异种金属的激光搭接焊接实验,并在实验中互换两种材料放置位置。分析了工艺参数对焊缝宏观形貌的影响,使用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、维氏硬度计分别对四组接头进行显微组织及缺陷观察、组织成分分析和硬度测试。
  采用YAG脉冲激光器焊接时,随着焊接热输入的增加,焊缝表面质量逐渐变差,熔深熔宽也越大。使用光纤激光器焊接时,当采用大离焦量以及合适的功率与速度,获得的焊缝表面无飞溅、裂纹,上板金属熔化后与下板铺展过渡平滑。在TC4/Inconel718接头中最多的缺陷为裂纹,另外还出现了气泡缺陷。裂纹形式包括冷裂纹和凝固裂纹,气孔缺陷的气体来源可能有两方面:氢气和水气。分析了缺陷的产生原因以及对预防缺陷提出一些措施。
  焊缝内的晶内以及晶界处主要由Ti、Cr、Fe、Ni4种元素组成,Ti与Cr、Fe、Ni均会生成金属间化合物,焊缝组织多是Ti-Ni、Ti-Cr、Ti-Fe二元相的混合。熔合区是化学成分变化最剧烈的区域,从母材到焊缝Ti含量变化幅度最大。接头的硬度曲线呈梯形分布,焊缝熔化区硬度比两种母材大很多。当使用YAG脉冲激光,718置上板时熔化区的硬度最大,平均为824.7HV1000g;而当使用光纤激光,TC4置上板时熔化区的硬度最小,平均为619.5HV1000g。
  熔合区可划分为未混合区和半熔化区。TC4侧的半熔化区组织呈大小不一的块状相,Inconel718侧半熔化区的组织主要为树枝状晶;未混合区的组织细小致密,呈长条状或网状分布。熔合区与焊缝界面附近和与母材界面附近元素含量变化最大,在半熔化区内部,当下板为TC4时元素分布比较稳定,但下板为Inconel718时元素含量则有较明显的变化趋势。

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