大锻件材料内部空洞型缺陷高温焊合过程的研究

论文摘要

大锻件作为大型成套设备的核心零件,在电力、钢铁、石化、造船、交通、军工、重矿机械、航空航天等行业的发展中发挥着非常重要的作用,其技术水平是衡量一个国家工业发展的重要指标之一。近年来,我国对大锻件的需求量越来越大,质量要求也越来越严格。然而,大锻件内部往往存在着十分严重的冶金缺陷,如疏松、偏析、空洞、夹杂等,其质量难以控制。因此,大锻件锻造工艺的研究不仅需要着眼于如何生产出满足要求、具有一定形状尺寸的锻件,更需要的是研究如何修复消除内部缺陷、改善微观组织,从而改善材料的力学性能,提高大锻件的内在质量和承载能力。本文选取我国生产超超临界转子的大锻件材料30Cr2Ni4MoV钢作为研究对象,对空洞型缺陷进行了高温焊合实验研究。在此基础上分析了大锻件内部空洞型缺陷的焊合机理,得到了大锻件内部空洞型缺陷焊合的规律、影响空洞型缺陷焊合的因素和提高空洞型缺陷焊合效果的工艺条件。主要工作和研究成果如下:1.以金属扩散理论为基础,分析了空洞型缺陷焊合的扩散与再结晶机制,借鉴真空扩散焊接模型进行理论推导,研究了高温变形条件下大锻件内部空洞型缺陷焊合的理论模型,得出影响空洞型缺陷焊合过程的因素为:温度、保温时间、变形量以及应变速率。根据焊合理论模型,得到了在同一温度和变形量、不同应变速率条件下空洞型缺陷焊合所需要的时间。2.基于有限元软件MSC.Marc对大锻件内部空洞型缺陷的闭合过程进行了数值模拟研究,得到了空洞闭合所需的力学条件,定性地分析了空洞闭合对焊合的影响。3.建立了空洞型缺陷的高温扩散焊合物理模型,在Gleeble-3500材料试验机上通过对具有光滑表面的试件进行高温塑性变形焊合实验,模拟了大锻件内部空洞型缺陷的焊合过程。4.通过观察在不同温度、保温时间和变形量条件下空洞型缺陷的焊合界面微观形貌,系统地研究了温度、保温时间和变形量对空洞焊合过程的影响,得到了空洞型缺陷的焊合规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外大锻件生产现状
• 1.3 大锻件内部常见缺陷
• 1.4 提高大锻件质量的工艺方法
• 1.5 国内外大锻件内部空洞型缺陷修复的研究概述
• 1.5.1 大锻件内部空洞型缺陷闭合条件的研究
• 1.5.2 大锻件内部空洞型缺陷焊合的研究
• 1.6 本课题研究意义及研究内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 空洞型缺陷扩散焊合的基本理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 扩散的基本概念
• 2.2.1 扩散机制
• 2.2.2 扩散驱动力
• 2.2.3 菲克定律
• 2.3 扩散焊合基本机理
• 2.3.1 位错扩散机理
• 2.3.2 表面扩散机理、界面扩散机理
• 2.4 空洞型缺陷焊合物理过程
• 2.4.1 压力作用下空洞自由面紧密贴合
• 2.4.2 扩散以及再结晶作用下的晶界迁移与空洞消失
• 2.4.3 界面消失
• 2.5 空洞型缺陷焊合物理模型
• 2.5.1 真空扩散焊合物理模型
• 2.5.2 空洞型缺陷焊合过程物理模型的建立
• 2.6 空洞型缺陷焊合理论方程
• 2.6.1 空洞内表面张力作用下的质量传递
• 2.6.2 已焊合界面扩散作用下的质量迁移
• 2.6.3 塑性变形引起的质量迁移
• 2.7 空洞型缺陷焊合理论方程的计算程序
• 2.8 不同的应变速率对空洞型缺焊合时间的影响
• 2.9 本章小结
• 第三章 大锻件内部空洞型缺陷闭合过程的数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 热力耦合大变形有限元理论
• 3.3 大锻件内部空洞型缺陷闭合的有限元模拟研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 空洞型缺陷焊合实验设计
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料
• 4.3 试样制备及实验设备
• 4.4 实验模拟环境
• 4.4.1 加热方式设计
• 4.4.2 真空条件
• 4.4.3 温度
• 4.4.4 变形量
• 4.4.5 保温时间
• 4.5 制备金相并观测结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 空洞型缺陷焊合实验结果及分析
• 5.1 焊合区组织微观形貌及结果分析
• 5.1.1 温度对焊合效果的影响
• 5.1.2 变形量对焊合效果的影响
• 5.1.3 时间对焊合效果的影响
• 5.1.4 温度和保温时间对焊合过程的综合影响
• 5.1.5 晶内不连续小孔洞
• 5.2 保温保压时的应力松弛现象
• 5.3 实验给出的焊合规律
• 5.4 应变量对焊合区微观形貌的影响及其数值模拟研究
• 5.4.1 焊缝心部与边部的焊合区组织微观形貌
• 5.4.2 数值模拟
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书