K418镍基合金涡轮盘与42CrMo轴惯性摩擦焊研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 涡轮增压器能够使发动机的功率提高20%～35%，在汽车行业等领域应用日益 广泛。涡轮增压器工作温度一般高于600℃，多采用K418 镍基铸造合金，该合金 材料的高温组织稳定性、耐热腐蚀性和耐热性优良，但成本较高。为了降低成本， 工程应用中希望采用 “K418 涡轮盘—42CrMo 轴焊接”的技术路线制造涡轮增压 器。由于两者化学成分、热物理性能、高温力学性能差异导致焊接性差，成为亟 待解决的技术难题。 针对上述问题，本文以K418 镍基合金和42CrMo 合金钢为母材，开展了两种 材料的惯性摩擦焊焊接性研究、K418 涡轮盘和42CrMo 轴的惯性摩擦焊工艺研究， 并分析了两种材料的惯性摩擦焊界面结合机理，主要研究结果如下： ① 以棒状42CrMo 和K418 试样开展的惯性摩擦焊接性研究表明：在合适工 艺参数条件下，42CrMo 和K418 之间可以获得良好的焊接接头，仅在焊接界面外 围区域存在少量未焊合和微裂纹。初始动能增加，焊接界面的温度增加，K418 侧 在较窄区域发生变形，42CrMo 变形区域增大并发生动态再结晶，同时产生加工硬 化，两者共同作用使焊接界面实现良好的冶金结合和机械咬合；当初始动能为50.60 kJ 时，接头平均抗拉强度达到772 MPa （为母材的88% ），拉伸断裂发生在靠近界 面的K418 侧，为脆性断裂。 ② 42CrMo 轴与K418 涡轮盘的惯性摩擦焊时，采用空心轴—平面的接头结构 形式接头抗拉强度随初始动能和顶锻压力增加都呈先增加后降低的趋势，拉伸断 口均呈脆性断裂特征。当顶锻压力保持不变，飞轮初始动能为4.21 kJ 时，接头拉 伸断裂在焊接界面处，当初始动能增加为 19.75 kJ 时，接头拉伸断裂在K418 侧， 产品平均抗拉强度达到最大值1129 MPa ；当初始动能保持不变，顶锻压力为154 kN 时，产品平均抗拉强度达到峰值 1090 MPa，断裂同样发生在K418 侧；一定工艺 参数条件下接头高温拉伸强度优于42CrMo 。 ③ 当焊接热输入足够时，焊接界面处C 元素发生了从42CrMo 向K418 侧的 界面扩散。其机理应该是：42CrMo 中C 元素在浓度高，焊接过程的摩擦使界面温 度升高，为 C 原子扩散提供了扩散激活能；此外，界面处组织发生动态再结晶， 晶粒细化，晶界增多，为 C 原子沿晶界的短路扩散创造了条件。C 元素在 K418 侧热影响区聚集，与强碳化物元素形成了不连续分布的碳化物带，使该区域脆化。 ④ 惯性摩擦焊接过程是一个物理和化学作用共同作用的过程，在热-力耦合作 用下，界面金属发生塑性流动、机械咬合、元素扩散和动态再结晶。塑性变形区 的组织发生动态再结晶，界面中心区域再结晶晶粒较小，外围区域晶粒在热作用 I 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 下有所长大，在热影响区和热机械影响区存在少许粗大的晶粒。塑性变形层晶粒 细化，组织致密，力学性能提高。 关键词：42CrMo ；K418 ；惯性摩擦焊；界面特征；力学性能 II 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 Abstract Turbochargers can increase the power of engines by 20% ~ 35%, and are increasingly widely used in the automotive industry. Working temperature of the turbocharger is gene