Metall. Mater. Trans. A：硼化物对利用瞬间液态连接技术修复的Inconel 738高温合金机械性能的影响

【引言】

由于其优异的高温强度和耐热腐蚀性，INCONEL 738高温合金被广泛用于航空发动机和燃气轮机的受热区域。但制造成本高，因此修复在恶劣使用环境中损坏的合金部件，对行业具有实际意义。在20世纪70年代中期，美国普拉特.惠特尼公司（UTC-PW）开发了瞬间液态连接技术(TLPB)来修复高温合金部件，具有显著的效果。目前，对高温合金TLPB技术进行了大量研究，已知断裂发生在扩散影响区（DAZ）中金属间化合物的边界，降低接合处强度，并且金属间化合物被证实为硼化镍（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对接合强度的影响尚未得到系统的研究。

【成果简介】

近日，清华大学孙振国副教授（通讯作者）在Metall. Mater. Trans. A上发表了题为“The Effects of Borides on the Mechanical Properties of TLPB Repaired Inconel 738 Superalloy”的文章。在该文中，研究人员利用飞秒激光制造Inconel 738中人造裂纹，在1373K（1100℃）的接合温度，保持2?36小时，研究BNi-1a：DF-4B的复合比以及硼化物对利用TLPB技术修复的合金接合处力学性能的影响。研究结果表明B的扩散可以增强或降低接合处强度，取决于其分布和形态，并且随保持时间不同，其断裂模式发生改变。

【图文解读】

图一 剪切强度测试示意图

通过线切割获得测试样品，室温，加载速度1mm/min。

图二 不同混合比（BNi-1a：DF-4B）和保温时间时TLPB接合处的微观结构

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

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

(e) (c)中Ⅰ区放大图；             (f) (d)中Ⅰ区放大图。

图三 TLPB接合处扩散影响区微观结构

扩散影响区由块状硼化物和针状硼化物组成。

图四 TLPB接合处扩散影响区TEM分析（BNi-1a:DF-4B = 5:5 ，8 h）

(a) 块状硼化物微观结构；

(b) 针状硼化物微观结构。

图五 TLPB接头处剪切强度分析

(a) 剪切强度与混合比关系；

(b) 平均剪切强度与保温时间关系。

图六 TLPB接头处断裂路径

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

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

图七 不同保温时间TLPB接头处断裂路径

混合比4:6，保温6h试样断裂时在扩散影响区存在大量裂纹，不同于其他试样。

图八 混合比为4:6时TLPB接头处断裂路径

(a) 保温8h；                                       (b) A区域组织放大图；

(c) 沿针状硼化物断裂路径；       (d) 裂纹处共晶相；

(e) 保温28h；                                     (f) C区域组织放大图。

图九 TLPB接头处断裂形貌（混合比5:5）

(a) 保温2h；                         (b) 保温4h；

(c) 保温6h；                        (d-i) A、B、C、D、E、F区域组织放大图。

图十 TLPB接头处断裂形貌（保温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区域组织放大图。

图十一 TLPB接头处表征

(a) 混合比3：7，保温28h，EDS 分析；

(b) 混合比5：5，保温6/8/24h，XRD分析。

图十二 TLPB接头处断裂模型(1373K)

(a) 沉淀区底部存在大量块状Ni-B化合物，断裂主要发生在沉淀区；

(b) 沉淀区底部无大量块状Ni-B化合物，断裂发生在沉淀区和扩散影响区；

(c) 沉淀区底部无块状Ni-B化合物，断裂发生在扩散影响区。

【小结】

本文研究了不同混合比（BNi-1a：DF-4B）和保温时间对TLPB接头处的组织和力学性能的影响。研究发现最优参数为混合比5：5，保温时间6h，此时剪切强度为420MPa，达到60pct基体金属强度。随着B含量的增加，生成大量块状Ni-B化合物，或者保温时间较短，断裂在主要在沉淀区产生。 随着B含量的降低，保温时间较长，断裂最初在块状Ni-B化合物处形成，然后沿扩散影响区针状硼化物改变断裂路径，呈现混合断裂模式。当块状Ni-B从沉淀区完全析出时，断裂仅发生在扩散影响区，并且针状硼化物交叉引起脆性断裂，降低接头强度。

文献链接：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)

本文由材料人编辑部金属学术组liunian投稿，材料牛编辑整理。

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