耐热钢瞬时液相扩散连接界面结构与强化机制研究

论文摘要

现代火电机组正在向着高参数大容量方向发展,蒸汽温度和压力进一步提高,新开发的一些新型耐热钢合金元素含量较以前的锅炉用钢更高,焊接性能相比之下有所下降,耐热材料的研制与相应焊接工艺的开发成为材料科学面临的重要课题。耐热钢是电站锅炉常用的耐热材料,目前主要采用氩弧焊进行连接,氩弧焊的主要问题是对工人技能水平要求高,需要开坡口,热影响区容易产生焊接裂纹。瞬时液相扩散连接界面质量高,接头成分和母材相似,强度高,没有明显的界面和焊接残留物,很适合电站锅炉耐热钢管的连接。本文介绍了瞬时液相扩散连接的研究进展,对电站耐热钢管瞬时液相扩散连接过程动力学、连接工艺模型进行了理论研究。试验采用电磁感应加热,氩气保护,用非晶箔合金做瞬时液相扩散连接中间层,根据工程背景需要完成了电站锅炉常用的T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB等耐热钢的瞬时液相扩散连接试验,研究了开放环境下瞬时液相扩散连接的强化机理。提出了瞬时液相扩散连接双温工艺理论模型,该模型连接的接头组织性能和母材十分接近。传统的瞬时液相扩散连接工艺是在恒定的温度下进行等温凝固,双温工艺先在较高的温度下短时加热一定时间,然后降到一定温度进行等温凝固,在液固界面形成成分过冷,接头结合更好;不像传统工艺连接的接头有一条平直的连接线,提高了接头的性能。试验表明瞬时液相扩散连接双温工艺消除了传统扩散连接工艺平直的连接界面,利用电子探针（EPMA）测定了连接界面附近元素分布,使用x-射线能谱仪测定了连接界面的成分分布,用透射电子显微镜分析了接头区域的微观结构特征。研究了T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB等耐热钢的结合组织和性能,试验结果表明,中间层基体的类别、降熔元素的含量与扩散能力对扩散连接接头质量有很大影响。对耐热钢室温下瞬时液相扩散连接接头的力学性能和显微组织进行了研究。采用扫描电镜（SEM）分析了T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB等常用耐热钢瞬时液相扩散连接结合状况和弯曲断口的微观形貌。结果表明,T91钢瞬时液相扩散连接选用中间层为FeNiCrSiBⅠ,连接压力6MPa,传统工艺为等温凝固温度1250℃,保温3min,双温连接工艺为1270℃,加热30秒,等温凝固温度1230℃,保温3min。TP304H/12Cr1MoV钢瞬时液相扩散连接双温连接工艺为1260℃,加热20秒,等温凝固温度1230℃,保温3min,连接压力6MPa,中间层为FeNiCrSiBⅡ+BNi2。T91/12Cr2MoWVTiB钢瞬时液相扩散连接双温连接工艺为1260℃,加热40秒,等温凝固温度1230℃,保温4min,连接压力6MPa,中间层为FeNiCrSiBⅠ,可以获得界面充分结合,弯曲强度较高的连接接头。相比之下,异种耐热钢管的瞬时液相扩散连接过程中主合金元素扩散存在不对称性。本文研究了T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB等耐热钢瞬时液相扩散连接界面的微观结构与中间层凝固过程的相变规律,对连接界面的强化机理进行了系统研究,为瞬时液相扩散连接技术在电站耐热钢连接领域的推广应用提供了试验和理论依据。所得到的研究成果为进一步开展耐热钢及其它材料的瞬时液相扩散连接工艺理论研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电站用耐热钢的发展与焊接性能
• 1.2.1 耐热钢的发展
• 1.2.2 耐热钢的焊接性
• 1.2.3 耐热钢的先进焊接方法
• 1.3 TLP扩散连接技术的理论与应用
• 1.3.1 TLP扩散连接技术的发展
• 1.3.2 瞬时液相扩散连接理论的研究进展
• 1.3.3 瞬时液相扩散连接中间层材料和工艺参数
• 1.4 本课题研究的目的、意义
• 1.5 本文的研究内容
• 2 试验材料与研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 瞬时液相扩散连接设备与工艺
• 2.2.1 管道瞬时液相扩散连接试验机
• 2.2.2 瞬时液相扩散连接工艺
• 2.3 试验及研究方法
• 2.3.1 瞬时液相扩散连接接头的力学性能测试
• 2.3.2 瞬时液相扩散连接界面结合状态、成分及断口形貌分析
• 2.3.3 耐热钢瞬时液相扩散连接区的划分
• 2.4 本章小结
• 3 T91钢的瞬时液相扩散连接界面特征与组织性能
• 3.1 引言
• 3.2 中间层对T91钢TLP扩散连接界面和接头组织性能的影响
• 3.2.1 中间层的基本作用和要求
• 3.2.2 中间层对T91钢瞬时液相扩散连接组织性能的影响
• 3.3 工艺参数对T91钢扩散连接界面和组织性能的影响
• 3.3.1 工艺参数对瞬时液相扩散连接接头组织性能的影响
• 3.3.2 等温温度对T91钢瞬时液相扩散连接区组织性能的影响
• 3.3.3 等温时间对T91钢TLP扩散连接组织与成分的影响
• 3.3.4 压力对T91钢TLP扩散连接组织与成分的影响
• 3.4 T91钢瞬时液相扩散双温工艺连接界面及组织性能
• 3.4.1 T91钢瞬时液相扩散连接双温工艺接头力学性能
• 3.4.2 不同等温温度双温工艺扩散接头组织形貌和成分
• 3.4.3 瞬时液相扩散连接双温工艺与传统工艺接头组织性能的比较
• 3.5 本章小结
• 4 TP304H/12Cr1MoV异种钢瞬时液相扩散连接界面特征与组织性能
• 4.1 引言
• 4.2 中间层对TP304H/12CrlMoV异种钢TLP扩散连接的影响
• 4.2.1 单层中间层瞬时液相扩散连接接头性能和组织形貌
• 4.2.2 复合中间层瞬时液相扩散连接的接头组织形貌
• 4.3 工艺参数对TP304H/12CrlMoV异种钢TLP扩散连接的影响
• 4.3.1 TP304H/12CrlMoV异种钢扩散连接界面组织与性能
• 4.3.2 TP304H/12CrlMoV异种钢TLP扩散连接界面区域成分
• 4.4 TP304H/12CrlMoV瞬时液相扩散连接工艺优化
• 4.5 本章小结
• 5.T91/12Cr2MoWVTiB异种钢TLP扩散连接界面特征与组织性能
• 5.1.引言
• 5.2 T91/12Cr2MoWVTiB异种材料连接接头的显微组织
• 5.2.1 不同连接压力下TLP扩散连接接头形态和组织
• 5.2.2 等温凝固温度对TLP扩散连接接头组织的影响
• 5.2.3 等温时间对TLP扩散连接接头组织的影响
• 5.3 T91/12Cr2MoWVTiB扩散连结区域的成分分析
• 5.3.1 不同连接压力下TLP扩散接头区域成分
• 5.3.2 不同等温温度下TLP扩散连接接头区域成分
• 5.3.3 不同连接时间下扩散接头区域成分
• 5.4 T91/12Cr2MoWVTiB瞬时液相扩散连接接头的力学性能
• 5.4.1 T91/12Cr2MoWVTiB耐热钢TLP双温工艺接头的抗拉强度
• 5.4.2 等温凝固温度对TLP扩散连结区域显微硬度的影响
• 5.5.本章小结
• 6 瞬时液相扩散连接双温工艺理论及接头强化机制
• 6.1 引言
• 6.2 瞬时液相扩散连接双温工艺原理与界面特点
• 6.2.1 瞬时液相扩散连接双温工艺原理
• 6.2.2 瞬时液相扩散连接双温模型过冷度的形成
• 6.2.3 双温工艺加热温度对液态中间层性能的影响
• 6.3 耐热钢瞬时液相扩散连接界面反应与强化机制
• 6.3.1 开放环境下瞬时液相扩散连接中间层液体的净化机制
• 6.3.2 瞬时液相扩散连接界面形态演变机制与相变分析
• 6.3.3 耐热钢瞬时液相扩散连接金属化合物的形成
• 6.4 瞬时液相扩散连接界面断裂机理
• 6.4.1 瞬时液相扩散连接界面断裂形式
• 6.4.2 瞬时液相扩散连接界面裂纹的萌生与扩展机制
• 6.5 耐热钢瞬时液相扩散连接界面附近的微观结构
• 6.6 本章小结
• 7 结论及创新性
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间的科研获奖情况