Metall. Mater. Trans. A：硼化物對利用瞬間液態連接技術修復的Inconel 738高溫合金機械性能的影響

【引言】

由于其優異的高溫強度和耐熱腐蝕性，INCONEL 738高溫合金被廣泛用于航空發動機和燃氣輪機的受熱區域。但制造成本高，因此修復在惡劣使用環境中損壞的合金部件，對行業具有實際意義。在20世紀70年代中期，美國普拉特.惠特尼公司（UTC-PW）開發了瞬間液態連接技術(TLPB)來修復高溫合金部件，具有顯著的效果。目前，對高溫合金TLPB技術進行了大量研究，已知斷裂發生在擴散影響區（DAZ）中金屬間化合物的邊界，降低接合處強度，并且金屬間化合物被證實為硼化鎳（Ni23B6），W-Mo-Cr硼化物， Cr-Mo-Nb富硼化物等。然而硼化物的研究及其對接合強度的影響尚未得到系統的研究。

【成果簡介】

近日，清華大學孫振國副教授（通訊作者）在Metall. Mater. Trans. A上發表了題為“The Effects of Borides on the Mechanical Properties of TLPB Repaired Inconel 738 Superalloy”的文章。在該文中，研究人員利用飛秒激光制造Inconel 738中人造裂紋，在1373K（1100℃）的接合溫度，保持2?36小時，研究BNi-1a：DF-4B的復合比以及硼化物對利用TLPB技術修復的合金接合處力學性能的影響。研究結果表明B的擴散可以增強或降低接合處強度，取決于其分布和形態，并且隨保持時間不同，其斷裂模式發生改變。

【圖文解讀】

圖一 剪切強度測試示意圖

通過線切割獲得測試樣品，室溫，加載速度1mm/min。

圖二 不同混合比（BNi-1a：DF-4B）和保溫時間時TLPB接合處的微觀結構

(a) 10:0, 2 h; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(b) 5:5, 2 h;?

(c) 10:0, 6 h; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(d) 5:5, 6 h;

(e) (c)中Ⅰ區放大圖； ? ? ? ? ? ??(f) (d)中Ⅰ區放大圖。

圖三 TLPB接合處擴散影響區微觀結構

擴散影響區由塊狀硼化物和針狀硼化物組成。

圖四 TLPB接合處擴散影響區TEM分析（BNi-1a:DF-4B = 5:5 ，8 h）

(a) 塊狀硼化物微觀結構；

(b) 針狀硼化物微觀結構。

圖五 TLPB接頭處剪切強度分析

(a) 剪切強度與混合比關系；

(b) 平均剪切強度與保溫時間關系。

圖六 TLPB接頭處斷裂路徑

(a) 10:0, 2 h； ? ? ? ? ? ? ? ? ?(b) 5:5, 2 h；

(c) 10:0, 6 h； ? ? ? ? ? ? ? ? ?(d) 5:5, 6 h。

圖七 不同保溫時間TLPB接頭處斷裂路徑

混合比4:6，保溫6h試樣斷裂時在擴散影響區存在大量裂紋，不同于其他試樣。

圖八 混合比為4:6時TLPB接頭處斷裂路徑

(a) 保溫8h； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??(b) A區域組織放大圖；

(c) 沿針狀硼化物斷裂路徑； ? ? ??(d) 裂紋處共晶相；

(e) 保溫28h； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??(f) C區域組織放大圖。

圖九 TLPB接頭處斷裂形貌（混合比5:5）

(a) 保溫2h； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??(b) 保溫4h；

(c) 保溫6h； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(d-i) A、B、C、D、E、F區域組織放大圖。

圖十 TLPB接頭處斷裂形貌（保溫28h）

(a) 3:7； ? ? ??(b) 4:6； ? ? ?(c) 5:5；

(d) 6:4； ? ? ?(e) 7:3； ? ? ??(f) 8:2；?

(g) 9:1； ? ? ? (h-i) A、B區域組織放大圖。

圖十一 TLPB接頭處表征

(a) 混合比3：7，保溫28h，EDS 分析；

(b) 混合比5：5，保溫6/8/24h，XRD分析。

圖十二 TLPB接頭處斷裂模型(1373K)

(a) 沉淀區底部存在大量塊狀Ni-B化合物，斷裂主要發生在沉淀區；

(b) 沉淀區底部無大量塊狀Ni-B化合物，斷裂發生在沉淀區和擴散影響區；

(c) 沉淀區底部無塊狀Ni-B化合物，斷裂發生在擴散影響區。

【小結】

本文研究了不同混合比（BNi-1a：DF-4B）和保溫時間對TLPB接頭處的組織和力學性能的影響。研究發現最優參數為混合比5：5，保溫時間6h，此時剪切強度為420MPa，達到60pct基體金屬強度。隨著B含量的增加，生成大量塊狀Ni-B化合物，或者保溫時間較短，斷裂在主要在沉淀區產生。 隨著B含量的降低，保溫時間較長，斷裂最初在塊狀Ni-B化合物處形成，然后沿擴散影響區針狀硼化物改變斷裂路徑，呈現混合斷裂模式。當塊狀Ni-B從沉淀區完全析出時，斷裂僅發生在擴散影響區，并且針狀硼化物交叉引起脆性斷裂，降低接頭強度。

文獻鏈接：The Effects of Borides on the Mechanical Properties of TLPB Repaired Inconel 738 Superalloy(Metall. Mater. Trans. A, August 11, 2017, DOI: 10.1007/s11661-017-4243-2)

本文由材料人編輯部金屬學術組liunian投稿，材料牛編輯整理。

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