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氧化物弥散强化(ODS)合金MGH956原位合金化与超声电弧TIG焊研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 ODS合金制造工艺

1.3 ODS合金的分类及性能

1.3.1 铁基ODS合金

1.3.2 镍基ODS合金

1.3.3 其他ODS合金

1.4 ODS合金强化机理

1.5 ODS合金焊接研究现状

1.5.1 TIG焊

1.5.2 高能束焊接

1.5.3 钎焊

1.5.4 过渡液相连接

1.5.5 摩擦焊

1.5.6 搅拌摩擦焊

1.6 超声电弧技术及应用现状

1.6.1 超声电弧的提出

1.6.2 超声电弧的激发原理

1.6.3 超声电弧的研究现状及应用

1.7 本文主要研究工作

第二章 试验过程、材料及方法

2.1 试验研究过程

2.2 试验材料和设备

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验设备

2.3 试验方案

2.4 焊缝组织结构分析及性能测试

2.4.1 金相组织观察

2.4.2 X射线衍射分析

2.4.3 SEM组织观察

2.4.4 硬度测试

2.4.5 抗拉强度测试

第三章 MGH956合金原位合金化TIG焊研究

3.1 引言

3.2 填加基体材料对MGH956合金进行TIG焊接

3.2.1 焊缝气孔形貌分析

3.2.2 焊缝显微组织观察

3.2.3 焊接接头抗拉强度分析

3.3 填加含Zr填充材料对MGH956合金进行TIG焊接

3.3.1 焊缝气孔形貌分析

3.3.2 焊接接头组织及增强相

3.3.3 焊接接头抗拉强度分析

3.4 填加含B4C的填充材料对MGH956合金进行TIG焊接

3.4.1 焊接接头显微组织分析

3.4.2 焊接接头抗拉强度分析

3.4.3 焊接接头显微硬度分析

3.5 本章小结

第四章 超声电弧激励电流对原位合金化TIG接头的影响

4.1 引言

4.2 超声电弧对焊缝气孔的影响

4.3 超声电弧对焊缝显微组织的影响

4.4 超声电弧作用原理分析

4.5 超声电弧对接头强度的影响及断口分析

4.6 超声电弧对接头硬度的影响

4.7 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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摘要

MGH956合金是一种氧化物弥散强化高温合金(Oxide DispersionStrengthened Alloy,ODS Alloy),采用机械合金化技术(Mechanical alloying)制造,基体中弥散分布着纳米级Y2O3颗粒,这些颗粒具有很好的高温热稳定性和化学稳定性,对基体起到明显的强化作用,该合金在高温下具有良好的力学性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能以及抗辐照肿胀性能,被广泛应用于航天、航空及核能等领域,是一种极具发展前途的聚变堆包层材料。但是,由于ODS合金特殊的制造工艺,在熔焊过程中容易出现一系列问题,如焊缝中产生大量气孔,纳米级颗粒增强相的聚集粗化、数量减少,焊缝晶粒组织粗大等,这些缺陷严重降低了接头的力学性能。目前该合金的焊接研究主要集中于摩擦焊和搅拌摩擦焊,然而,电弧焊具有适用性强,操作简单等优势,研究ODS合金的电弧焊对扩大ODS合金在工业中的应用具有重大的实际意义。
  本文以MGH956合金为研究对象,自制了含Zr和含B4C的两种合金粉末作为填充材料对其进行原位合金化TIG焊接,凭借光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)等分析测试手段,研究了原位合金化对接头组织和性能的影响;采用外加激励源的方式对电弧进行高频调制,进而激发出超声,在以含B4C的合金粉末作为填充材料的基础上,研究了激励电流不同的超声对焊缝气孔、显微组织以及力学性能的影响。
  填充材料中加入Zr元素后,焊缝中气孔数量显著减少,组织得到不同程度的细化,当加入1%Zr时,焊缝组织最细小均匀,通过原位合金化反应生成的ZrC、ZrO2等新生增强相颗粒补充了基体焊接过程中损失的纳米级Y2O3颗粒,且这些颗粒呈细小球状弥散分布在焊缝中,有效提高了焊缝的力学性能,但当Zr含量提高到2%时,焊缝晶粒粗大,出现了明显的增强相颗粒团聚现象。随着Zr含量的增加,接头强度先增大后减小,当Zr含量为1%时,接头的抗拉强度最高,为580MPa,达到母材强度的80%,拉伸断口中出现了一定数量的韧窝,断裂机制由完全脆性断裂变为韧-脆混合断裂。
  填充材料中加入B4C后,对比研究了填加质量比为0%、0.25%和0.5%的B4C时,焊缝显微组织和力学性能的变化情况。实验结果表明,填加0.25%B4C后焊缝晶粒细小均匀,呈等轴状,基本无氧化物聚集现象,晶粒内部的增强相呈颗粒状弥散分布,由于B元素特殊的晶界偏聚作用,晶界处也出现了增强相;当B4C含量增加到0.5%时,焊缝晶粒变得更加细小,但是晶内几乎已经不存在颗粒状增强相,大部分增强相都集中到了晶界上。拉伸试验结果表明,随着B4C含量的增加,接头的塑性持续下降,而抗拉强度先增大后减小,当B4C含量为0.25%时,接头的抗拉强度高达630MPa,达到了母材的87.5%,但接头微观断口表现出明显的脆性断裂特征。
  采用含0.5%B4C的填充材料进行TIG焊时,焊缝中存在大量气孔,增强相集中在晶界处,晶粒内部几乎没有增强相,此时接头的抗拉强度较低,为546MPa,而且塑性较差,断口中出现了冰糖状组织,属于典型的沿晶断裂。施加电弧超声后,焊缝中的气孔明显减少,而且颗粒增强相在晶界的聚集程度降低了,弥散均匀的分布在焊缝中,有效改善了接头的综合力学性能。当激励电流为20A时,焊缝中的气孔显著减少,晶粒细小均匀,新生增强相呈颗粒状弥散分布,此时接头的组织和性能最好,拉伸强度达到605MPa,约为母材强度的84%,拉伸断口中出现了大量韧窝,说明接头的塑性得到了极大提高,具有很好的综合力学性能。

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