含鎢高溫合金鎢夾雜形成原因

含鎢高溫合金是指用於服役較高溫度環境的含鎢合金,如GH4037合金、GH4049合金、GH4098合金、GH5188合金等,廣泛應用於航空、航太、艦船、發電、動力、機車以及石油和化工等領域,可製作噴氣發動機中的渦輪葉片及其他高溫承力件。

由於金屬鎢較難熔化,含鎢高溫合金中容易出現鎢夾雜。鎢夾雜會引起應力集中,並成為交變載荷下的疲勞源,嚴重影響航空發動機渦輪葉片、箍段和箍套等零件的使用可靠性。因此,分析含鎢高溫合金中鎢夾雜的形成原因,對提高合金產品品質有重要的意義。

含鎢高溫合金作渦輪葉片圖片
以GH4049合金(W的品質分數為5.0%~7.0%,在高達950℃的溫度下仍具有高強度)為例,GH4049合金中鎢夾雜物形貌極其不規則,與基體存在類似於裂紋的間隙,夾雜內部存在黑色圓點。進一步能譜分析可知,該夾雜物主要成分為鎢和少量的鈰,黑點主要成分為鈰。高溫合金中金屬鎢夾雜的形成原因有:

一是真空感應爐熔煉含鎢較高的高溫合金時,高熔點的鎢可能未完全熔化而殘留於合金中,形成鎢夾雜。因此為防止鎢夾雜的形成,真空感應熔煉含鎢較高的高溫合金時,冶煉用的鎢是以Ni-W中間合金的形式加入,並且選用足夠的熔化時間,熔煉時不會產生鎢夾雜。

二是真空感應熔煉+電渣重熔工藝熔煉時,若電極棒採用手工焊接進行接長,電極棒焊接的焊縫容易粘結鎢極,產生鎢夾雜。多年來,國內用於高溫合金電極棒焊接的方法有鎢極氬弧焊和等離子弧焊兩種:

氬弧焊所用鎢極是探出焊槍噴嘴之外,操作不慎將導致熔化的鎢極粘結在焊縫位置;另外,氬氣噴嘴的陶瓷管內壁會有鎢極的“積存物”,加大氬氣流量可能把“積存物”吹落到焊縫之中,因而形成鎢夾雜。

結構不合理的等離子弧焊槍,導致等離子焊機設備沒有形成真正意義的等離子弧,加熱能力下降,如果使用大電流,鎢極容易出現熔化現象,並且電流越大,熔化的可能性越大,高溫合金電極在焊接過程中出現鎢夾雜的幾率也越大。

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