CN114043085B - 一种消除激光焊接gh3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法 - Google Patents

一种消除激光焊接gh3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法，涉及焊接领域。用共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1作为桥梁激光焊接连接GH3030合金，实现了消除低熔点元素偏析和杂质相，进而避免焊缝断裂的目的。步骤一、配制共晶高熵合金原料；步骤二、熔炼共晶高熵合金铸锭；步骤三、形状加工；步骤四、拼装；步骤五、激光焊接。以共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1和GH3030合金为对象，对其进行单道激光焊接，获得了表面成形良好，均匀致密的焊接组织可有效消除低熔点元素偏析和杂质相，避免了镍基高温合金在焊接过程中容易出现焊缝组织偏析、脆性相析出以及焊接热裂纹等缺陷的问题。

Description

一种消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂 质相的方法
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法。
背景技术
GH3030合金(80Ni-20Cr)是一种固溶强化型高温合金，在800℃以下具有满意的热强性和高塑性，具有良好的抗氧化、抗疲劳、冷冲压和焊接工艺性，因而被广泛应用于制造发动机燃烧室部件，高温容器、热电偶保护套等。由于镍基高温合金中存在多种固溶强化元素，如:W、Mo、Cr、Co、Al、Ti等，同时合金中还有微量元素C、B、Mg、P、S、稀土等，这些元素使得镍基高温合金在焊接过程中容易出现焊缝组织偏析、脆性相析出以及焊接热裂纹等缺陷。
上述缺陷主要归因于焊接热循环作用下形成的低熔点金属相，晶粒之间的结合力会受到极大的损害，从而导致气孔形成；在凝固过程中，由于基体中存在杂质相，导致成分偏析，在焊缝凝固结束时，杂质不能从焊缝中完全去除，它们分布在枝晶间，会削弱晶粒之间的作用力，在外力作用下，优先形成裂纹源，一旦裂纹源开动，就会沿晶界开裂，最终导致焊缝的断裂。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法，用共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1作为桥梁激光焊接连接GH3030合金，实现了消除低熔点元素偏析和杂质相，进而避免焊缝断裂的目的。
本发明的技术方案为：包括以下步骤：
步骤一、配制共晶高熵合金原料；
将原料放入熔炼炉，采用抽气系统将真空度抽至5×10-3Pa以内，随后关闭抽气系统并充入氩气直到压力为0.01atm后关闭充气系统，重复抽充气操作三次以上，以确保炉内的高真空度；
步骤二、熔炼共晶高熵合金铸锭；
将熔炼电弧枪调节至共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1原料正上方，保证枪尖距离原料3～4mm，打开电源，开始熔炼；电弧保持3～5分钟，关闭电源，让共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1原料在循环水冷坩埚内自然冷却；将共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1原料翻面，继续熔炼；
步骤三、形状加工；
将熔炼的共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1圆饼状铸锭和铸件GH3030合金切割成预定形状的共晶高熵合金件以及GH3030合金件；
步骤四、拼装；
将切割好的共晶高熵合金件以及GH3030合金件拼装在一起，并使得共晶高熵合金件处在两个GH3030合金件之间；
步骤五、激光焊接；
采用单道激光焊接的方法使得共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1的两侧分别和两GH3030合金焊接在一起；选择激光功率变化范围600-1200W，焊接速度变化范围1.0-1.8m/min。
进一步的，在步骤一中，所述原料包括摩尔比为1:1:1:1:2.1的Al、Co、Cr、Fe、Ni。
进一步的，在步骤二中，所述熔炼的次数为5～6次，每次5～8分钟。
进一步的，在步骤四中，所述要将薄板打磨干净并用夹具固定。
进一步的，在步骤五中，所述激光焊接的激光功率采用900W，速度采用1.4m/min。
本发明的有益效果在于：
一、以共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1和GH3030合金为对象，对其进行单道激光焊接，获得了表面成形良好，均匀致密的焊接组织。采用共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1作为桥梁激光焊接连接GH3030合金，可有效消除低熔点元素偏析和杂质相，避免了镍基高温合金在焊接过程中容易出现焊缝组织偏析、脆性相析出以及焊接热裂纹等缺陷的问题。
二、由于随着激光功率的增加，焊缝的熔深、熔宽、束腰高和束腰宽均增大；随着焊接速度的增加，焊缝的熔深、熔宽、束腰高和束腰宽均减小。因此，激光功率对熔深的影响更明显，焊接速度对熔宽、束腰高、束腰宽的影响更明显。在激光功率采用900W，激光焊接速度采用1.4m/min的情况下，获得了表面成形良好，均匀致密的焊接组织接头。
附图说明
图1a为激光焊GH3030合金接头焊缝处线扫描图一；
图1b为激光焊GH3030合金接头焊缝处线扫描图二；
图2为激光焊共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1接头焊缝处线扫描图；
图3为激光焊共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1/GH3030合金接头焊缝处线扫描图。
图4为激光焊接头硬度分布图。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
本发明包括以下步骤：
步骤一、配制共晶高熵合金原料：本发明使用高纯粒状金属作为原料，纯度在99wt％以上。按摩尔比1∶1∶1∶1∶2.1称量Al、Co、Cr、Fe、Ni五种元素。配制总质量约为100g的共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1铸态试样；共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1的成分如表1所示。
表1共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1的组成成分
成分 Al Co Cr Fe Ni
摩尔比(mol) 1.0 1.0 1.0 1.0 2.1
质量(g) 8.50 18.55 16.37 17.57 39.01
原料放入坩埚后，使真空电弧熔炼炉保持密闭，使用机械泵进行预抽至20Pa，然后用分子泵抽真空到炉内气压为5×10-3Pa以内，关闭分子泵，充入高纯气体Ar，直到压力为0.01atm，关闭充气系统，重复上述操作三次以确保炉内的高真空度；
步骤二、熔炼共晶高熵合金铸锭：确保循环水冷却系统和动力系统正常运行，将熔炼电弧枪调节至原料所在的坩埚正上方，保证枪尖距离原料约3mm，打开电源，开始熔炼。通过控制电弧枪摇杆来确保原料始终在电弧的熔炼范围内以及调节熔炼电流的大小，使要熔炼的原料充分熔化，电弧保持一段时间，关闭电源，使之在循环水冷坩埚内自然冷却。使用设备配备的翻转勺将原料翻面，继续熔炼，如果想要获得成分均匀的高熵合金铸锭，每个试样熔炼次数为5次，每次5分钟；
步骤三、形状加工：将熔炼的共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1圆饼状铸锭和铸件GH3030合金切割成预定形状的共晶高熵合金件以及GH3030合金件；具体来说：
将熔炼的共晶高熵合金A1CoCrFeNi2.1圆饼状铸锭和铸件GH3030合金利用线切割的方法切割为10mm×10mm×2mm的薄板，GH3030合金化学成分如表二所示。
表2 GH3030合金化学成分(wt％)
ω(C) ω(Cr) ω(Ni) ω(Al) ω(Ti) ω(Fe) ω(Mn) ω(Si) ω(P) ω(S) ω(cu)
≤0.12 19-22 余量 ≤0.15 0.15～0.35 ≤0.15 ≤0.70 ≤0.8 ≤0.03 ≤0.02 ≤0.200
步骤四、拼装：将切割好的薄板依次使用80#、200#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#金相砂纸磨，注意保证均匀用力，尽量减少损伤，然后拼装在一起，使用专用夹具对其进行固定。
步骤五、激光焊接：采用单道激光焊接的方法焊接共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1和GH3030合金；选择激光功率变化范围600-1200W，焊接速度变化范围1.0-1.8m/min。激光表面重熔试验工艺参数如表3所示。
表3激光焊接工艺参数
对激光焊共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1接头、GH3030合金接头和共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1/GH3030合金接头焊缝做元素测试分析。
如图1a、1b所示，通过EDS线扫结果可以看出，从熔合线到焊缝中心区域各元素分布比较均匀，在焊缝中心除了Ti元素，其他元素含量明显下降，而在母材中成分含量低的Ti元素在焊缝中心的含量急剧增加，发生了区域偏析，主要的原因是因为在熔炼过程中由于钛的熔点高，没有充分熔炼均匀，在凝固过程中形成了杂质相，激光焊接过后，随着凝固过程的进行，沿垂直于熔合线方向呈现较大的温度梯度，随着柱状晶的形成，使合金中的杂质被推到焊缝中心。
如图2所示，从激光焊接AlCoCrFeNi2.1高熵合金焊缝的EDS线扫结果可以看出焊缝区Al、Co、Cr、Fe、Ni五种元素分布相对均匀，相对于母材区域，Al元素在焊缝区的分布较母材区更加均匀，而且偏聚程度与母材相比明显减弱，主要原因是焊缝区晶粒细化，晶界增多，使得元素分布更加均匀，进而使偏聚减弱。
如图3所示，母材GH3030合金侧的Ni、Cr元素向焊缝区发生扩散，共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1侧的Al、Co、Fe元素也向焊缝区发生了扩散，整个焊缝区域元素分布均匀，没有出现元素偏析现象，解决了了激光焊接GH3030合金焊缝中心出现的低熔点元素偏析和杂质相的问题。
对激光焊共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1接头、GH3030合金接头和AlCoCrFeNi2.1/GH3030合金接头焊缝做显微硬度分析。
如图4所示，对GH3030合金接头、共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1接头、AlCoCrFeNi2.1/GH3030接头的母材区、熔合区、热影响区进行显微硬度测量。GH3030合金硬度值约为240HV，焊接过后热影响区的硬度值(211HV)明显低于母材，归因于微观结构有所差异，同是奥氏体，热影响区由于受激光焊接温度的影响，奥氏体晶粒尺寸长大，熔合区平均硬度为206.3HV，由于凝固过程中温度梯度较大，熔合区附近产生大量枝晶，激光焊接冷却速度快，导致成分偏析，低熔点和杂质元素集中在焊缝中心区，明显的焊缝中心硬度最低约为200HV。AlCoCrFeNi2.1高熵合金硬度值为275HV，焊接后热影响区硬度为240HV，熔合区平均硬度为232.5HV，相结构的转变导致硬度值较母材低。AlCoCrFeNi2.1/GH3030接头熔合区平均硬度为237.4HV，硬度比GH3030接头熔合区高15％，从GH3030侧至HEA侧区域的硬度值呈逐渐增大，其分布并未出现硬度值的突变，进一步说明AlCoCrFeNi2.1/GH3030接头界面没有形成脆性的金属间化合物。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、配制共晶高熵合金原料；
按摩尔比1：1：1：1：2.1称量Al、Co、Cr、Fe、Ni五种元素作为原料，将原料放入熔炼炉，采用抽气系统将真空度抽至5×10-3 Pa以内，随后关闭抽气系统并充入氩气直到压力为0.01atm后关闭充气系统，重复抽充气操作三次以上，以确保炉内的高真空度；
步骤二、熔炼共晶高熵合金铸锭；
将熔炼电弧枪调节至共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1原料正上方，保证枪尖距离原料3~4mm，打开电源，开始熔炼；电弧保持3~5分钟，关闭电源，让共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1原料在循环水冷坩埚内自然冷却；将共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1原料翻面，继续熔炼；
步骤三、形状加工；
将熔炼的共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1圆饼状铸锭和铸件GH3030合金切割成预定形状的共晶高熵合金件以及GH3030合金件；
步骤四、拼装；
将切割好的共晶高熵合金件以及GH3030合金件拼装在一起，并使得共晶高熵合金件处在两个GH3030合金件之间；
步骤五、激光焊接；
采用单道激光焊接的方法使得共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1的两侧分别和两GH3030合金焊接在一起；选择激光功率变化范围600-1200W，焊接速度变化范围1.0–1.8m/min。
2.根据权利要求1所述的一种消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法，其特征在于，在步骤二中，所述熔炼的次数为5~6次，每次5~8分钟。
3.根据权利要求1所述的一种消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法，其特征在于，在步骤四中，将共晶高熵合金件以及GH3030合金件打磨干净并用夹具固定。
4.根据权利要求1所述的一种消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法，其特征在于，在步骤五中，所述激光焊接的激光功率采用900W，速度采用1.4m/min。
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