镍基高温合金激光焊接工艺研究
镍基高温合金激光焊接工艺研究
镍基高温合金激光焊接工艺研究 1 绪论
1.1 选题的依据及意义
高温合金是航空发动机的关键材料，而镍基及镍铁基高温合金是目前高温合金结构材料的重要组成部分,镍基高温合金由于具有优异的耐热性及耐腐蚀性，被称之为“航空发动机的心脏”，具有组织稳定、工作温度高、合金化能力强等特点，目前已成为航空航天、军工、舰艇燃气机、火箭发动机所必须的重要金属材料，同时在高温化学、原子能工业及地面涡轮等领域得到了广泛的应用。据统计，在国外一些先进的飞机发动机中,高温合金的用量已达发动机重量的55%~60%。用于制造涡轮叶片的材料主要是镍基高温合金，同时镍基高温合金还是目前航空发动机和工业燃汽轮机等热端部件的主要用材，在先进发动机中这种合金的重量占50%以上。
在镍基高温合金的焊接上，目前主要采用氩弧焊、电子束焊、钎焊与扩散焊等。激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强、不需要真空装置，热输入小，热影响区小且焊缝深宽比大，焊后变形小，表面光洁，可自冷淬火，焊接工艺参数调节比较容易等特性，因此非常适用于镍基高温合金的焊接。
1.2 国内外的研究概况及发展趋势
1.2.1 镍基高温合金的发展及现状
高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关。1929年，英美Merica、Bedford和Pilling等人将少量的Ti和Al加入到soNi一ZoCr电工合金，使该合金具有显著的蠕变强化作用，但这并未引起人们的注意。1937年，德国 HanS von
ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世，1939年英国也研制出whittle涡轮喷气发动机。然而，喷气发动机热端部件特别是涡轮叶片对材料的耐高温性和应力承受能力具有很高要求。1939年英国Mond镍公司(后称国际镍公司)首先研制成一种低C且含Ti的镍基合金Nimonic75，准备用作whittle发动机涡轮叶片，但不久，性能更优越的Nimonic80合金问世，该合金含铝和钛，蠕变性能至少比Nimonic75高50?。1942年，Nimonic80成功地被用作涡轮喷气发动机的叶片材料，成为最早的Ni。(A1，Ti)强化的涡轮叶片材料。此后，该公司在合金中加入硼、布浩、钻、铝等合金元素，相继开发了Nimonic8OA Nimonie90„„等合金，形成Nimonic才合金系列。
航空发动机用高温材料本身的承温能力由20世纪四十年代的750?提高到近年来的1200?左右。应该说，这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各方面共同发展做出的贡献。
20世纪70年代以来，高温合金在原子能、能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等诸多民用工业部门得到推广应用，这类高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高强度特性，而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温耐磨和耐腐蚀性能。据资料报导，目前美国高温合金总产量约为每年2.3~3.6万吨，大约1/2~1/3应用于耐蚀的材料。高温耐磨耐蚀的高温合金，由于主要目标不是高温下的强度，因此这些合金成分上的特点是以镍、铁或钻为基，并含有大约20%~35%的铬，大量的钨、铝等固溶强化元素，而铝、钦等Y形成元素则要求含量甚少或者根本不加入。
1.3镍基高温合金的特性及强化机理
1.3.1镍基高温合金的特性
按集体元素分类，以铁为主，加入的合金元素总量超过50%的铁基合金称为铁基高温合金;以镍为主或以钻为主的合金分别称为镍基
或钻基高温合金。
由于本课题主要研究镍基变形高温合金，这里着重介绍它的性质。四十年代后期，普拉特惠特尼飞机公司和通用电气公司分别研制waspalloy和M一252合金。独特的是这些合金以铝作为固溶强化元素和碳化物强化形成元素，后来这两个合金广泛地用于锻造涡轮工作叶片。事实上，许多变形镍基合金最初都是应用在涡轮工作叶片上。在以后几年，变形镍基合金也应用在其他方面。并且还为其它部件专门研制了一些合金。在早期的工作叶片合金中，M一252合金仍用于某些飞机和工业燃气涡轮动叶片。虽然是一种涡轮工作叶片合 金，但己成功的用作盘材和焊接薄部件。
镍基高温合金在整个高温合金领域内占有特殊重要的地位，它广泛的用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气涡轮的最热端部件，所以人们称镍基合金是“发动机的心脏”。目前在先进的发动机上镍基合金己占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍基合金。与铁基合金相比，抗氧化抗热腐蚀能力大。与钻基合金相比，镍基合金更为突出的优点为:工作温度高，组织稳定，有害相少，镍基合金能在较高温度与应力下工作，尤其在动叶片场合。
1.3.2 镍基高温合金的强化机理
镍基高温合金的强化方式主要为固溶强化，第二相强化和晶界强化。后两种强化手段也通常称为沉淀强化。
高温合金的固溶强化是通过提高原子间的结合力产生晶格畸变，降低堆垛层错能及产生短程有序或其它原子偏聚，降低固溶体中元素的扩散能力，提高再结晶温度，来达到强化合金基体的目的。 下面介绍一下几种机制:
(1)共格应变强化
对于沉淀硬化型高温合金来说，由于γ和基体的晶格常数不同，当γ’在γ基体上共格析出时，在γ周围造成高的弹性应力场。Nordhein和Mihalisn均发现合金的强化是共格造成的。γ与γ的点阵错配度越大，内应力场越强，相应的强化效果越显著，但同时也增大了γ本身的不稳定性。 (2)Orowan绕过机制
当第二相质点的颗粒比较大、强度很高、距离比较宽或者是第二相为非共格析出时，运动位错难以切割这类质点，则可以弯曲并最终绕过第二相质点，在外力作用下，位错运动到第二相粒子前，受粒子的阻碍作用，外力进一步作用，位错被迫向粒子间突入，由于粒子间距较大，强度较高，进一步突入使得相邻曲线的邻边连接到一起，位错就从粒子之间通过，并在这些第二相粒子周围留下了小位错环。
(3)有序粒子的切割机制
当第二相质点的本质是软的，强度降低，特别当二相的界面具有共格
关系时，位错可能以切割方式通过第二相质点。当基体和沉淀相有共同的滑移面，基体与沉淀相中位错的柏氏矢量相差很少，或者基体中全位错是沉淀相中的半位错时，容易发生有序化粒子的切割机制。 高温合金高温变形时，晶界表现为薄弱环节，成沿晶破断特征，晶体区原子排列规则性被破坏，存在各种晶体缺陷。因为晶界在低温形变条件下是位错运动的阻碍，起强化作用，细化晶粒是一种重要的强化手段。但当温度升高或应变速率降低时，晶界对位错运动的阻碍作用易被恢复，晶界区的位错塞积容易与晶界的缺陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑移及迁移。晶界滑动是晶界直接参与变形的机制。在一定条件下，晶界形变量可占总形变量的50%以上，这样，高温形变条件下晶界就成为薄弱环节。高温合金总是在等强温度区或更高温度下使用，所以晶界强化是高温合金的基本条件。
晶界强化主要考虑的问题:
(1)纯洁度与微合金化
高温下晶界变为薄弱环节直接与晶界结构有关。但从工程角度来看，晶界区的杂质可能起更重要的作用。由于晶界结构与晶内不同，一些杂质元素更倾向于在晶界发生偏析。杂质在合金中的平均含量很低时，就可能在晶界上产生很高的偏聚量。凡能够降低晶界能的元素都可能发生晶界平衡偏析。 从对高温合金的作用而言，可以分为两类:一是有害杂质，这些元素往往是低熔点的，并与基体元素形成低熔点的化合物或共晶体，使合金的热加工性及高温力学性能显著降低。愈是高级的高温合金，杂质
控制要求愈高。首先要严格控制气体含量。对于高级的镍基合金，氧
-6气和氮气的含量必须在几个10左右。如果高温合金中硫、磷的含量
-6降到 5×10水平，合金的性能可得到明显的提高。二是有益的合金化元素，主要包括稀土元素，镁、钙、硼等元素。这些元素往往通过净化合金及微合金化两个方面来改善合金。
(2)晶界控制
晶粒的大小及其与部件厚度比对力学性能有重要影响。大晶粒一般有较高的持久强度与蠕变强度，较小的蠕变速率。小晶粒材料却表现出较高的抗拉强度和疲劳强度。对于固溶合金，随着固溶温度的升高，晶粒长大，在一定的厚度比之下，蠕变速率随晶粒长大而减小，在一定的固溶温度下，随厚度比增加蠕变断裂时间增长。 晶界的平直与弯曲对蠕变性能有重要影响。通过一些特殊途径获得晶界是一种强化晶界的有效方法。业己证明，许多平直奥氏体铁基高温合金和镍基高温合金都可以得到弯曲的晶界组织。弯曲晶界有效地降低蠕变变形，同时弯曲晶界也有利于提高高温瞬时性能。
1.4镍基高温合金的激光焊接
镍基高温合金具有组织稳定、工作温度高、耐腐蚀性能好的优点，随着国民经济的发展，镍基高温合金的应用越来越广，几乎遍及钢铁冶金、能源电力、石油化工以及航空航天等国家命脉工业部门。因此，
对高温合金的焊接工艺提出了更高的要求。
镍基高温合金的焊接性指的是在某一种焊接工艺条件下，合金对产生焊接裂纹的敏感性、焊接接头组织的均匀性、焊接接头的力学性能等强性和采取工艺措施的复杂性的综合评定。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。此外，由于镍基高温合金具有导热性差，液态金属粘性强、合金元素容易氧化等特点，这就使得高温合金的熔池金属不能像钢熔池金属那样容易润湿展开，因此焊缝成型较差、熔深较浅，即使采用增大电流的方法也不能改善其流动性，反而会增大焊缝的热裂纹敏感性。如目前通常采用的钨极惰性气体保护焊和熔化极惰性气体保护焊，焊接热输
242入较大但功率密度较低(10,10W/cm), 因此所得焊缝熔深很浅，而采用多层多道焊时工作效率低，同时增加了焊缝的缺陷敏感性。因此，需要采用一种热输入较小、能量密度较高的焊接手段来完成镍基高温合金的焊接。
激光焊(LBW)是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法。随着航空航天、微电子、医疗及核工业等的迅猛发展，对材料性能要求越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，激光焊日益得到广泛应用。激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强、不需要真空装置，热输入小，热影响区小且焊缝深宽比大，焊后变形小，表面光洁，可自冷淬火等特性，非常适用用于高温合金
的焊接。
a. 激光焊接机理
激光焊接的原理是:光子轰击金属表面形成蒸气，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子。这些原始激发能经过一定的过程再转化为热能。
激光焊随激光器输出能量方式不同可分为脉冲激光焊和连续激光焊。按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同，激光焊分为:热导焊和深熔焊。
b. 高温合金激光焊熔池行为
镍基粉末高温合金冶金工艺的研究与发展
镍基粉末高温合金冶金工艺的研究与发展
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｐ／Ｍ Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ
Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
国为民，冯涤，吴剑涛，张凤戈．张莹，张义文（钢铁研究总院，北京１０００８１）
ＧＵＯ Ｗｅｉ ｍｉｎ，ＦＥＮＧ Ｄｉ，ＷＵ Ｊｉａｎ ｔａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇ～ｇｅ．ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙｉ ｗｅｎ
（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００８１．Ｃｈｉｎａ）
摘要：叙述和分析了镍基粉末高温告金冶金工艺三十多年来在制粉及粉束处理工艺、成型工艺、热处理工艺等方面的
研究成果和存在的问题，总结了粉末高温音盅冶盅工艺今后的主要发展方向
关键词：高温音金；粉末冶盅工艺；研究和发展
中图分类号：ＴＦＩ３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ００１—４３８１（２００２）０３—００４４—０５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ ｏｎ ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ，ｐｏｗｄｅｒ ｔｒｅａｔｉｎｇ，ｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．ｈｅａｔ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｉ ｂａｓｅ ｓｕｐｅｒａ１Ｉｏｙ ｊｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｍａ—
ｊｏｒ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ Ｐ／Ｍ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｍｅｔａ１［ｕｒｇｉｅ ｔｅｃｈｎｉｃｓ ｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒａ１ｌｏｙ；Ｐ／Ｍ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ；ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
粉末高温合金与传统的铸锻高温台金相比，具有
组织均匀，无宏观偏析，以及屈服强度高、疲劳性能
好等优点，用其制造涡轮盘等关键部件可以满足先进
高推比发动机的要求。世界上粉末冶金高温台金工艺
GH3039脉冲激光焊接头组织性能研究
第３３卷 ２０１０芷 第３期 ５月 兵器材料科学与工程 ０ＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡ ＩＩＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ｜３３ Ｎｏ．３ Ｍａｙ，２０１０
ＧＨ３０３９脉冲激光焊接头组织性能研究
刘丰刚，成军，潘海莎，郑刚亮
（西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安７１００４８）
摘要采用脉冲激光焊接工艺对ＧＨ３０３９镍基高温合金进行实验研究。焊接工艺参数选择适当时。可以获得较好的焊接 接头。试验接头参数为：工作电流２４０ Ａ，脉宽６ ｍｓ，频率１４ Ｈｚ，焊接速度１０５ ｍｍ／ｍｉｎ，离焦量３ ｍｍ，气流量３ Ｌ／ｍｉｎ。通
过硬度测定，金相观察，拉伸试验对焊缝组织和形貌进行观察和分析。结果表明，焊缝组织主要为奥氏体基体，中心区域为 细小的等轴晶，边缘为柱状晶，焊缝中心的硬度高于母材硬度，焊缝组织中的层状形貌是由脉冲激光间断作用形成。 关键词镍基高温合金；激光焊；焊接接头；显微组织
中图分类号ＴＧ４５６．７ 文献标识码Ａ 文章编号１００４—２４４Ｘ（２０１０）０３—００６４—０３
Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｅｄ ｉｏｉｎｔ ｏｆ ＧＨ３Ｏ３９
ＬＩＵ Ｆｅｎｇｇａｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｊｕｎ，ＰＡＮ Ｈａｉｓｈａ，ＺＨＥＮＧ Ｇａｎｇｌｉａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ）
／ｋ￣ｈ－ａｅｔ Ｔｈｅ ＧＨ３０３９ ｎｉｃｋｅｌ—ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｗａｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｇｏｏｄ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ：ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉ＝２４０ Ａ，ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｗ＝６ ｍｓ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ １４ Ｈｚ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｖ＝１０５ ｍｉｎ／ｍｉｎ，ｄｅｆｏｃｕｓｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｆ＝３ ｍｍ，ａｉｒ ｆｌｏｗ ｈ＝３ Ｌ／ｍｉｎ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔ．ｈａｒｄｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ
镍合金焊接和热处理
镍
镍是一种银白色金属，首先是1751年由瑞典矿物学家克朗斯塔特分离出来的。1775年才制得Ni。1825~1826年间，瑞典开始了Ni的工业生产，直到将Ni炼制成合金钢之后， Ni工业才有了较快的发展。由于它具有良好的机械强度和延展性，难熔耐高温，并具有很高的化学稳定性，在空气中不氧化等特征，因此是一种十分重要的有色金属原料，被用来制造不锈钢、高镍合金钢和合金结构钢，广泛用于飞机、雷达、导弹、坦克、舰艇、宇宙飞船、原子反应堆等各种军工制造业。在民用工业中，镍常制成结构钢、耐酸钢、耐热钢等大量用于各种机械制造业。镍还可作陶瓷颜料和防腐镀层，镍钴合金是一种永磁材料，广泛用于电子遥控、原子能工业和超声工艺等领域，在化学工业中，镍常用作氢化催化剂。
由于镍具有优良性能，已成为发展现代航空工业、国防工业和建立人类高水平物质文化生活的现代化体系不可缺少的金属。
Ni的性质：
（1）熔点： 1453℃，沸点： 3075℃；
（2）比重：8.8g/cm3；
（3）在空气中不氧化（即便加热到700~800 ℃ ）；
（4）抗腐蚀性强，碱不起作用；除HNO3外，其它酸类作用甚微。
纯镍纯度≮99.0%，冷变形性、焊接性与抗腐蚀性均好。
镍合金
蒙乃尔（MONEL）Ni-Cu合金
镍合金按用途可分为五类：镍基高温合金、镍基耐蚀合金、镍基耐磨合金、镍基精密合金以及镍基形状记忆合金。其中镍基耐蚀合金具有良好的综合性能，可耐各种酸腐蚀和应力腐蚀。最早应用镍基耐蚀合金的是镍铜合金，又称蒙乃尔合金。蒙乃尔合金等镍基耐蚀合金具有以下焊接特点：
焊接热裂纹问题：镍基耐蚀合金具有较高的热裂纹敏感性。热裂纹发生在高温状态，常温下不再扩展。
焊前清理方面：焊件表面的清洁性是成功地焊接镍基耐蚀合金的一个重要要求。焊件表面的污染物主要是表面氧化皮和引起脆化的元素。镍基耐蚀合金表面氧化皮的熔点比母材高得多，常常可能形成夹渣活细小的不连续氧化物。 限制热输入：采用高热输入焊接镍基耐蚀合金可能产生不利影响，包括在热影响区产生一定程度的退火和晶粒长大。高热输入可能产生过度偏析、碳化物沉淀或其他有害冶金现象。这可能引起热裂纹或降低耐蚀性。在选择焊接方法和焊接工艺时还必须考虑到母材的晶粒尺寸。当焊接出现问题时应改进焊接工艺，减少热输入或采用低热输入的焊接方法。
激光快速成形GH4169合金显微组织与力学性能
激光快速成形GH4169合金显微组织与力学性能
杜博睿;张学军;郭绍庆;李能;孙兵兵;唐思熠
【摘 要】The block samples of a Ni-based superalloy named GH4169 were
prepared by laser melting deposited method using the corresponding
GH4169 alloy powders,and then were heat treated with solution treatment
followed by double aging.The microstructure and element segregation
analysis of both as-deposited and heat treated samples were studied by
scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy
(EDS).The microhardness as well as tensile properties at room and elevated
temperatures were tested.The results indicate that the microstructure of as
deposited sample mainly consists of columnar dendritic crystals that grow
along with different directions.Grains are refined after solution and aging
heat treatment,but remain dendritic crystals substructure pared
焊接技术在航空航天制造中的应用研究分析
焊接技术在航空航天制造中的应用研究分析
在航空航天领域，高性能、高可靠性的零部件和结构是确保飞行器安全、高效运行的关键。焊接技术作为一种重要的连接工艺，在航空航天制造中发挥着不可或缺的作用。它不仅能够实现复杂结构的连接，还能满足轻量化、高强度等苛刻的要求。
航空航天制造对焊接技术的要求极高。首先是对材料的要求，航空航天中使用的材料多为高强度、耐高温、耐腐蚀的合金，如钛合金、镍基高温合金等。这些材料的焊接性能较差，焊接过程中容易出现裂纹、气孔等缺陷。其次是对焊接质量的要求，焊接接头必须具有足够的强度、韧性和抗疲劳性能，以承受飞行过程中的复杂载荷和恶劣环境。此外，对焊接精度和尺寸的控制也非常严格，微小的偏差都可能影响飞行器的性能和安全性。
在航空航天制造中，常用的焊接技术包括钨极惰性气体保护焊（TIG 焊）、熔化极惰性气体保护焊（MIG 焊）、电子束焊（EBW）、激光焊（LBW）等。
TIG 焊是一种传统的焊接方法，它使用非熔化的钨电极和惰性气体保护，能够焊接各种金属材料，尤其适用于薄板和薄壁结构的焊接。TIG 焊的优点是焊缝质量高、焊接过程稳定，但焊接效率较低，不适合大规模生产。 MIG 焊则是采用熔化的焊丝作为电极，通过惰性气体保护进行焊接。它的焊接效率较高，适用于中厚板的焊接，但焊缝质量相对 TIG 焊略逊一筹。
电子束焊是利用高速电子束撞击焊件表面产生的热能进行焊接。由于电子束的能量密度极高，焊接速度快，焊缝深宽比大，能够实现高精度、高质量的焊接。但电子束焊设备昂贵，操作复杂，通常用于焊接高要求的关键部件。
激光焊具有能量集中、焊接速度快、热影响区小等优点，能够实现精密焊接和异种材料的连接。在航空航天领域，激光焊被广泛应用于发动机零部件、机身结构等的焊接。
例如，在飞机发动机的制造中，涡轮叶片通常采用镍基高温合金制造，其焊接难度极大。通过采用先进的电子束焊或激光焊技术，可以实现叶片的高质量连接，提高发动机的性能和可靠性。
316L不锈钢表面激光熔覆Ni60合金涂层的工艺优化与性能研究
316L不锈钢表面激光熔覆Ni60合金涂层的工艺优化与性能研究
目录
一、内容描述................................................2
1.1 研究背景.............................................2
1.2 研究意义.............................................3
1.3 国内外研究现状及发展动态.............................5
二、实验材料与方法..........................................6
2.1 实验材料.............................................7
2.2 实验设备.............................................8
2.3 实验方法.............................................9
三、激光熔覆Ni60合金涂层的组织结构与性能分析...............10
3.1 组织结构分析........................................11
3.2 性能测试............................................12
四、工艺优化与性能关系研究.................................14 4.1 激光功率对涂层性能的影响............................15
4.2 熔覆速度对涂层性能的影响............................16
4.3 Ni60合金粉末粒度对涂层性能的影响....................16
铌合金-镍基高温合金异质材料激光焊接机理
铌合金-镍基高温合金异质材料激光焊接机理
铌合金-镍基高温合金异质材料的激光焊接机理主要包括以下几个方面：
1. 材料熔化与混合：在激光焊接过程中，激光束对铌合金和镍基高温合金异质材料表面进行局部加热，使其熔化。两种材料的熔池相互接触并混合，形成焊缝。
2. 元素扩散：激光焊接的高温条件下，镍基高温合金中的合金元素和铌合金中的元素会发生扩散，形成合金扩散层。这样可以提高焊接接头的强度和耐热性能。
3. 界面反应：在焊接界面处，铌合金和镍基高温合金之间可能会发生化学反应。这些反应可以改变材料的组织和性能，并对焊接接头的质量产生影响。
4. 热应力与冷却速率：激光焊接过程中，产生的热应力和冷却速率会影响焊接接头的组织和性能。不适当的热应力和冷却速率可能导致焊接缺陷，如裂纹和变形。
总的来说，铌合金-镍基高温合金异质材料的激光焊接机理是一个复杂的过程，涉及材料的熔化与混合、元素扩散、界面反应以及热应力与冷却速率等因素。了解这些机理可以帮助优化激光焊接工艺，提高焊接接头的质量和性能。
激光熔覆再制造镍基高温合金气门的组织和性能研究
第３６卷第３期 ２０１３年 ５月 兵器材料科学与工程
０ＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ－３６ Ｎｏ．３ Ｍａｙ，２０１３
网络出版时间：２０１３－５．１６ １０：５４ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３３．１３３１．ＴＪ．２０１３０５１６．１０５４．００３．ｈｔｍｌ
激光熔覆再制造镍基高温合金气门的组织和性能研究
郑子云 ，马冰’，依颖辉’，郭昌明 ，冯胜强’，刘光 ，潘力平’
（１．中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波３１５１０３；２．中国北方发动机研究所，山西大同０３７０３６）
摘要采用激光熔覆技术对磨损失效的Ｎｉｍｏｎｉｃ ８０Ａ气门进行修复。利用金相显微镜观察熔覆层组织，用扫描电镜和
能谱仪对熔覆层进行组织和成分分析，研究熔覆层硬度的变化，采用渗透探伤检测熔覆层表面缺陷，对合格的再制造气 门进行装机考核实验。结果表明：激光熔覆层组织主要由柱状树枝晶和枝晶间的共晶组织组成，熔覆层和基体之间形成
冶金结合，熔覆层内部无气孔和微裂纹等缺陷；熔覆层平均硬度较基体提高了３７．７％；再制造气门的耐磨性是新气门的
ｌ＿５倍。
关键词激光熔覆；Ｎｉｍｏｎｉｃ ８０Ａ；气门；再制造
中图分类号ＴＧＩ５６．９９ 文献标识码Ａ 文章编号１００４—２４４Ｘ（２０１３）０３—０１０１—０４
Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｎｉｃｋｅｌ－ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ｖａｌｖｅ ｂｙ ｌａｓｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ
ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
ＺＨＥＮＧ Ｚｉｙｕｎ ，ＭＡ Ｂｉｎｇ ，ＹＩ Ｙｉｎｇｈｕｉ ，ＧＵＯ Ｃｈａｎｇｍｉｎｇ２，ＦＥＮＧ Ｓｈｅｎｇｑｉａｎｇ ，ＬＩＵ Ｇｕａｎｇ ，ＰＡＮ Ｌｉｐｉｎｇ
（１．ＮｉｎｇｂｏＢｒａｎｃｈ ｏｆＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙ ｏｆＯｒｄｎａｎｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｉｎｇｂｏ ３１５１０３，Ｃｈｉｎａ；
激光熔敷(焊)技术在航空发动机生产中的应用
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激光熔敷（焊）技术在航空发动机 生产中的应用
中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室 （沈阳１１００１６） 王茂才 沈阳黎明航空发动机集团公司 （辽宁１１００４３） 段绪海 一、概述 激光熔敷（焊）技术的特点是：可以实现热输入的准 确控制，焊接速度高，冷却速度快，热畸变小，厚度、成 分和稀释率可控性好，可以获得组织致密、性能优越的堆 敷熔焊层，可以节省高性能的材料。另外，可以实现在普 通材料上覆盖高性能（耐磨、耐高温、耐蚀等）堆焊层， 而且激光加工为无接触加工，无加工惯性，且焊接参数一 经确定，焊接质量易于保证，焊接可靠性高，故易于实现 自动化，符合现代生产的发展趋势，在经济上和敷层质量 上也优于传统的堆焊和热喷涂工艺。 激光熔敷（焊）技术能用于高温合金、钛合金、镁 合金和合金钢零件的表面局部强化，修复零件磨损表 面，消除零件的铸造缺陷，愈合零件服役产生的早期热 裂纹。目前世界发达国家都将激光加工技术广泛应用于 航空发动机的制造和修复过程。在中国，自１９９０年起 激光熔敷技术就开始应用于航空发动机生产，当时主要 解决某航空发动机涡轮转子叶片叶尖磨短接长问题，经 过十多年的发展，激光熔敷技术已经用在各种航空发动 机叶片与部件的强化与修复上。 二、镍基高温合金的激光熔敷（焊） 镍基高温合金是航空发动机上广泛使用的一类材 料，随着Ａｌ、Ｔｉ含量增加，二次强化相Ｎ （Ａｌ，Ｔｉ）体 积百分数增加，合金的高温强度增加。现代高性能的航 空发动机涡轮叶片、导向器等热端部件都是由高Ａｌ＋Ｔｉ 镍基高温合金制成的，如Ｒｅｎｅ１２５、ＤＺ２２、ＤＺ１２５、 ６ｙ、Ｋ２４及Ｋ４１８。这些高温合金部件制造时选用了 优良的耐高温合金材料和先进的铸造成型工艺，生产成 本高、造价昂贵。然而，这些部件服役时受高温、高压 和腐蚀性燃气作用，常常出现各种早期损伤，严重影响 发动机的安全和性能。为此将那些因早期损伤而报废的 部件翻新再用是极具吸引力的事情。然而，高Ａｌ＋ 镍 基高温合金由于含有大量的Ｎ （Ａｌ，Ｔｉ）相，热裂纹 敏感性很高，在焊接和焊后过程中容易产生凝固裂纹、 晶界液化裂纹和应变时效裂纹，这就给熔焊带来了极大 的困难。 十余年来中国科学院金属研究所激光表面改性实验 室在国家重点军工项目支持下，在高温合金的激光熔敷 方面进行了比较多的基础实验研究与工程应用。试验表 明，高Ａｌ＋Ｔｉ镍基超合金的激光熔焊与熔敷，是工艺性 很强的修复系统工程，涉及到激光辐照前后的热处理与 表面处理，激光束能的控制辐照与辐射方式，表面预涂 材料与填补材料，防氧化保护与基材温度控制以及修复 质量的检测性能评价等。一些不可焊的部件，通过局部 焊接改变工艺而得到修复。激光熔焊与熔敷技术的多项 国家发明专利，为我国新型航空发动机和国外进口航空 发动机研制、生产与修复方面解决了许多重大关键问 题。本文作为抛砖引玉之目的，列出如下主要的激光熔 敷应用工作： １．叶片叶尖的激光仿形熔铸接长修复 航空发动机高压涡轮Ｉ级叶片，在高温高速工作条 件下，热膨胀伸长和湍流震动以及外封严环上的燃灰沉 积等原因均会引起叶片与封严环的接触磨损，从而导致 叶片叶尖磨短。据计算，叶片叶尖每磨短０．１ｍｍ，燃气 温度升高１０℃。某新型高推比发动机验证机的叶片叶尖 被磨短０．７～１．２ｒａｍ左右，温升达１００℃左右，由此引 起叶片及其热端部件热损伤，发动机的动力性能下降， 更换新叶片不仅价格昂贵而且很难及时获得。采用激光 仿形熔铸技术可以将磨短叶尖接长。图１为叶片激光仿 形熔铸接长示意图。 缸板ｌ 热加工 ｚ 曼塑圜 ｗｗ ．，７阳ｄ ．ｃ０ｒ
镍基高温合金异形筒体零件的焊接工艺研究
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镍基高温合金异形筒体零件的焊接工艺研究
作者：杨海钢 李塞川
来源：《中国新技术新产品》2012年第20期
摘要：镍基高温合金异形筒体零件由拉深成形的上、下半部通过氩弧焊（TIG）焊接方法连接成整体。本文从镍基合金的焊接性能和零件焊接参数选择出发，分析了异形筒体零件TIG焊产生焊接缺陷和焊接变形的原因，并讨论了减少焊接缺陷和控制焊接变形的相关措施。
关键词：镍基高温合金；氩弧焊接；焊接变形；焊接缺陷
中图分类号：TE973.3 文献标识码：A
镍基高温合金异形筒体零件，是重型燃机燃烧室部分的一个单件（过渡段），用于燃机燃烧室后部高温燃气整流，将燃烧室火焰筒出口的圆形截面燃气流过渡为透平导叶前的扇形截面燃气流。通过异形筒体零件截面形状的渐变，将燃气流截面积收敛到一定程度而达到涡轮进口要求的轴向流速，实现推动涡轮转动的目的。零件在900℃～1100℃的高温条件下工作，要求零件的型面截面积收敛速度适当，由圆形到扇形过渡平滑，并能够改善出口流场均匀性。但是从加工角度讲，异形筒体零件是一个复杂的空间异形结构，无法实现整体成形，需要通过拉深成形上、下半部，再由纵向焊缝连成整体。
不同型别的异形筒体零件，空间曲面的变化差异较大，如图1给出两个型别的异形筒体零件结构示意图。由图1可以看出，在高温环境中零件要改变流道气流方向，各部位受力是不均匀的，频繁的热冲击易产生较大内应力和应力集中，在经过一段时间后就难以保证零件的刚度和热强度要求，而焊缝质量是影响零件使用寿命的关键部位。本文通过确定异形筒体的TIG焊接工艺参数，分析了零件焊接缺陷和焊接变形的产生原因，讨论了提高零件焊接质量和控制焊接变形的措施，为其他异形筒体零件的焊接提供了参考和依据。
1 镍基高温合金异形筒体零件的焊接方法分析
镍基高温合金异形筒体零件连接着燃烧室火焰筒的出气口和涡轮的进气口，筒体空间构造复杂，焊缝亦是如此，图2给出了镍基高温合金异形筒体零件的UG数模示意图。从图中可以看出，两条纵向焊缝中心是异形筒体零件上下半部分型面与零件的相交线，相对于圆口中心和扇型方口中心所构成的垂直平面对称，焊缝起始于零件圆口端面，终止于扇形方口端面上半部转接圆角的切点。因为零件成形后型面回弹较大，导致零件装配间隙不均，不能制造有效的焊接背保夹具实现机械化自动焊接。而且不同型别燃机的异形筒体零件，尺寸和形状差异较大，焊缝线性长度从400mm到2000mm不等，因此，对于高温镍基合金异形筒体零件的焊接一直采用手工氩弧焊（TIG）。