GH3535合金焊接热影响区组织演变及性能研究
陈双建
学位类型博士
导师黎忠
2017
学位授予单位中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
关键词镍基合金 热影响区 组织及力学不均匀性 热模拟
摘要GH3535固溶强化型镍基合金是第四代先进核能堆型--熔盐堆的主要候选结构材料,该合金虽然能够适用于熔盐堆高温、高耐腐蚀性的极端服役环境,但苛刻的工况也对焊接接头的性能提出了极高要求。在热循环不均匀的急速加热和冷却作用下,焊缝两侧的母材会形成组织梯度明显的热影响区(HAZ),进而影响区域组织塑性变形的协调性;此外在近熔合线高温区会产生复杂的组织转变,生成的非平衡态组织可能会引起裂纹萌生。强烈的组织和性能不均匀性使得HAZ可能成为焊接接头长期高温服役过程中的性能薄弱环节。因此针对GH3535合金开展焊接HAZ微观组织、应力和力学行为的演变研究,阐明HAZ的存在对接头短期和长期服役性能的影响,对于合金的应用具有重要的意义。本文首先采用堆焊工艺得到了尺寸较大的焊接HAZ,分析了碳化物形态、晶粒尺寸、位错密度、孪晶晶界随远离熔合线而发生的连续性变化。发现在焊接热循环作用下HAZ发生了显著的组织分化。在距离熔合线400μm的范围内,初始的颗粒碳化物发生了共晶转变;距离熔合线100μm范围内的层片状共晶碳化物在多次高温热循环作用下,进一步发生球化。随着远离熔合线,晶粒尺寸呈现缓慢下降然后上升的趋势,形成了粗晶区和细晶区;而Σ3孪晶晶界数量呈现出先快速上升后缓慢增加的趋势。EBSD和Marc有限元结果表明焊接残余应力和应变主要集中在熔覆金属与母材界面附近。此外近缝区存在高密度位错和严重的位错网格和纠缠现象,但随着远离熔合线,上述现象逐渐减少和消失。HAZ不同区域的硬度和拉伸试验结果表明,近缝区的硬度和强度值最高,而延伸率最低;随着远离熔合线,硬度和强度值逐渐下降,在距离熔合线较远区域趋于稳定;而延伸率却呈现出与强度变化相反的趋势。值得注意的是,HAZ力学性能的变化趋势与组织分布具有高度的一致性和相关性。近缝区的高强度和低塑性主要是由焊接残余应变引起的应变硬化效应和高位错密度对位错滑移的阻碍作用导致的。结合热模拟方法,分析了焊接热循环参数,包括峰值温度和热循环次数等对合金组织尤其是碳化物共晶转变的影响,揭示了近缝区共晶碳化物的转变机制。热模拟试验和合金的差热分析结果表明共晶碳化物的转变温度约为1300℃,确定了共晶碳化物存在(Ni+Cr)3Mo3C和(Ni+Cr)2Mo4C两种形式。此外,阐明了碳化物共晶转变过程和机制,建立了转变模型。热循环试样的力学试验结果表明,在峰值温度1300℃以下,热模拟试样具有较好的高温拉伸和抗应力松弛性能,热循环次数和峰值温度的改变,对合金力学性能没有产生明显影响;而当热循环峰值温度达到1340℃时,拉伸性能明显恶化。高温局部熔化形成的疏松组织是导致拉伸力学性能急剧下降的主要原因。通过控制焊接工艺规范,改变了HAZ和共晶碳化物转变区域范围,进而研究了HAZ对整个焊接接头力学性能的影响,明确了焊接接头短期和长期服役过程中HAZ的服役行为及接头性能的影响。短时拉伸试验表明,共晶范围的扩大对接头拉伸性能影响不明显,且焊接接头基本从母材处发生断裂,在650-725℃范围内,焊接接头显示出良好的高温强度稳定性;而对于长期持久试验来说,焊缝区则成为了整个接头性能的薄弱环节。综上可知HAZ不存在软化问题,也没有在接头承载过程中发生失效,这解除了对于HAZ可能是焊接构件服役应用中性能薄弱环节的顾虑,也为GH3535合金在核能和其他领域的进一步应用提供了试验和理论依据。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/27503
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
陈双建. GH3535合金焊接热影响区组织演变及性能研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2017.
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