刘小忠毕业翻译

焊接条件对单晶焊接时杂散晶体形成的影响J.M. Vitek *Metals and Ceramics Division, Oak Ridge National Laboratory, P.O. Box 2008, Oak Ridge, TN 37831-6096, USAReceived 8 July 2004; received in revised form 23 AΦgΦst 2004; accepted 24 August 2004Available online 22 October 2004摘要杂散晶体在镍基单晶高温合金焊缝凝固的时候会导致其机械性能的下降和开裂，根据原发性过冷的机制，在树突晶体生长前沿，对焊接条件（焊接速度和功率）在凝固过程中形成的杂散晶体倾向的影响进行了评估。

考虑枝晶生长方向的影响，利用一个简单的几何三维热模型，根据焊接的条件和位置以确定杂散晶体的形成的程度。

分析计算并描述了杂散晶体的形成程度、平均分布在整个凝固前的一个参数。

加工图显示因为焊接速度，功率和方向杂散晶体形成变得严重起来。

结果发现，低功率、高焊接速度的最佳选择可尽量减少杂散晶体形成可能性。

晶体取向的影响在焊接的总体趋势形成杂散晶体最小，虽然基于方向局部变化是量化的。

理论分析比较以前的实验工作，激光焊接镍基单晶和所有实验结果可在计算器上复制。

本文由爱思唯尔公司代表Materialia发表.。

关键词：激光焊接；镍合金；凝固；晶体生长；杂散晶体1.简介为了实现涡轮发动机更高的效率和性能，发动机部件的合金的发展集中于微观结构的控制。

本大多数现代地面和航空涡轮机使用单晶镍基合金的许多成分具有最大工作温度和高温度抗蠕变强度。

这些部件都是极昂贵的，因此它是可取的开发技术可以修复缺陷铸件以及维修损坏，磨损，或破裂的服务组件。

而一些焊接修复技术存在，这些程序没有达到性能修复部分相媲美那些在原始成分。

目前的修复技术妥协的焊补区因为是多晶硅和修复焊接往往有显着不同的组成，导致一个微观结构（减少部分加强不同阶段）和相关的强度变化。

主要的原因合金焊接时凝固形核与生长等轴晶时无法获得理想的性能修理单晶体元件。

这些新的颗体被称为杂散晶体。

生成的杂散颗体去除理想的单晶组织，此外，由此产生的晶界行为容易开裂路径传播。

本文探讨的凝固在焊接条件作为一个功能的焊接条件以确定最佳焊接条件为避免杂散晶体的形成。

J.M. Vitek / Acta Materialia 53 (2005) 53–67术语a 常数Ak用于计算环的面积在凝固前任何给定的位置上热梯度GGd 沿枝晶的组成部分增长方向热梯度Gx Gy Gz xy z方向的热梯度部分热梯度方向焊接速度VbTo 环境温度r 径向YZ平面Vn凝固前正常速度Q 热功率Gr Φ=0时熔池表面热梯度方向K 热导率α热扩散率No 成核密度的液体θ负X方向和n方向的夹角ψ任意位置n 向量与晶体生长方向的夹角n 材料参数n 单位方向向量Vd 焊接速度X Y Z平面x y zΦ分散晶体的分布面积φ方向的环形截面分散晶体平均值X 方向和φ方向的部分Φ的平均值当j=c时考虑树突生长方向否则不考虑在过去的十年左右，有许多研究树突状的单晶体在焊接条件凝固行为的文献。

其中的一些研究表明，晶体取向在树突可确定一个几何模型，根据凝固前[ 4 , 5]焊缝方向和位置，确定了枝晶生长方向。

更多的研究已经说明杂散晶体在焊接–[79]的形成原理。

这些研究表明，就在凝固前的原发性过冷可导致等轴体子成核，如果这是不够广泛，单晶体凝固组织将取代多晶硅组织与许多杂散体子。

在这项研究中，熔池的形状将根据焊接条件来确定。

先前建立的模型描绘了过冷度和杂散晶体在不同焊接条件下分布的程度，根据的熔池表面方向结合几何模型描述的枝晶生长方向的确定依赖杂散晶体形成焊接条件。

分析得出具体关于在单晶焊接时杂散晶体最低的最佳焊接条件和焊接方向。

2。

数值分析程序2.1。

计算焊缝形状尺寸多年来，许多数值模型已根据焊接条件描述了熔池的形状。

作为模型的改进，他们包括了许多现象的影响最后的熔池形状。

然而，比较这些进展，人们对此模型越来越苛刻。

在这项研究中，准确度先进的模型已经牺牲，以便能够更加彻底地估算树突状增长的细节，以及它们如何影响焊接条件。

因此，根据焊接条件，在凝固前简单的三维罗森塔尔方案已解决用于定义的熔池形状和热条件。

温度是由下面的表达式：上面的公式中To是环境温度，Q是热功率Vb热扩散速率α热扩散率。

To为300K，Q和Vb是变化的，其他参数的值是表1给出了。

由于这项研究的目的是材料参数所对应的镍基高温合金杂散体子形成。

材料特性是基于JMatPro软件计算的ReneN5合金成分而且假定温度独立。

一个单一的温度是用来确定凝固前温度（1640K）。

因此，事实上的实际凝固时的温度范围被忽略，并影响和非平衡偏析凝固也被忽略。

许多组合焊接速度、焊接功率检查如表2所示。

三维罗氏方案有温度场对称焊接轴线性能。

这种对称性已利用在随后分析杂散晶体形成，所述后来会更详细。

图 1表 2焊接速度功率热输入量2.2。

计算G、V、θ、Φ和w图1显示一个示意图的焊缝和许多相关变量定义使用分析。

焊缝方向上是的X负方向与样品表面法线是沿着z轴正方向上的。

由于3D罗森塔尔解决方案是对称的对焊缝方向,计算了x - y平面和剖面合成焊接进行旋转关于x轴屈服整个三维焊缝。

图1显示的是一个具有代表性的凝固前沿位置。

凝固前普通算法由单位向量n。

n的方向可以被定义由这两个角度θ和φ,如图1。

此外，对于XYZ轴，晶体方向相对应的基础材料的极易生成枝晶方向需要被指定。

这些方向是通过试样得到的，其中一个枝晶生长方向，[ 100]，同样显示如图。

在凝固前任何给定的位置，六个不同的组其中之一Æ001æ容易生长方向（例如，[ 100]，½100，[ 010]，½010，[ 001]，½001）将是最好的正常凝固前状态，这将是积极的枝晶生长方向的那个位置[ 4 , 5]。

之间的夹角凝固前正常和积极的枝晶生长方向的定义是瓦特，如图1所示。

晶体取向该基地的材料，它定义了方向六个可能的枝晶生长方向，指定通过确定焊缝方向（负方向）和样品表面（×–平面）方面的晶体轴，即，为香港传奇]和[（中），分别。

在大多数的这项研究中，七个不同的样品方向检查并列于表3。

图2熔池在X- Y平面示意图（Z= 0）。

在左侧的大箭头表示焊接方向（沿负X轴）和原点代表点热源。

（一）计算熔池的剖面尺寸。

（二）平分凝固部分，离散部分，并计算热在每个部分的中心属性（X标记）。

（三）竟似逼近熔池剖面为直边部分（虚线）“X”用于整节。

在实际计算中，熔池被分成至少10个部分，准确地代表曲池的形状。

表 1计算时的材料参数参数参数值备注凝固前温度1640K热导率K 温度范围1573-1673 K热扩散率在近似1573-1673K温度范围适合因为内在对称性的三维罗森塔尔解决方案,这是必要的计算x - y 平面内温度分布（z = 0）见图1。

凝固前被确认为等温的1640 K。

当时的焊缝进行细分分成相等的长度沿x轴,点最大宽度(例如,位置在开始给最终凝固熔池。

图2显示一个示意图的焊缝(在x - y平面)。

图2(a)展示了一个代表焊缝,图2(b)显示相同的焊缝分开在离散数据(3)的等长部分。

在热条件和方向边缘焊缝中心之后,每节计算和这些价值观作为代表整个部分。

在本质上,池就分裂了在离散数据的直边部分显示在图2(c)。

考虑到树突成长方向,它需要识别的角度和在任何给定的位置θ和Φ就在凝固前面。

这是通过计算,Gx和Gz)作为一个函数的位置焊缝,如下表所列。

在凝固前沿的X - Y平面（Z = 0）对于Y>0对应的位置，其中Φ = 0。

在这些位置，在X的热梯度分量和Y方向是由GX和Gy0。

这些组件被用来计算总热梯度G，使用关系：在X - Y平面的，因为Φ = 0，凝固前沿指定的方向是由只有一个角度，θ. 的值θ和凝固前的正常速度，VN，计算使用下列计算式[4]：当三维熔池个人资料被认为是对称要求J〜GJ是独立的Φ的时根据Gr Gz Gyo 之间的关系式：因此，φ 0时，可以考虑Gr的Y - Z平面，径向渐变。

Gy0;~Gr;Gy和Gz相关的公式：一旦Gx，Gy和Gz是已知的，凝固前沿正常的方向，因为它是平行的，可以认定总的热梯度向量G。

的值前正常和取向差角一个特定的枝晶生长的方向（图 1中ψ）可以被确定. 这必须是已知的，以评估实际的枝晶生长速度（Vd）在枝晶生长方向的热梯度（Gd），这是由：确定确定的图 3 计算池的各种焊接速度（标示为MS1）和功率的大小。

水平轴是Y 轴，垂直轴为X 轴和焊接方向是从底部到顶部。

M ：550;1000;1600，2000和4000 W 。

表 4 焊速s m / 宽度 mm 长度 mm 长宽功率比 W表 5表 62.3。

计算部分区域杂散晶体在凝固前沿等轴核和生长的条件前进前面的晶体，导致形成杂散晶体，已在Hunt[10]和Ga umann[7,9]等人研究下定量确定。

Ga“umann等推断一个简化的分析，适用于复杂的多组分合金系统派生[9]。

，将在这项工作中使用。

Ga¨ umann考虑的合金CMSX4，在这项研究中考虑的高温合金是假定该材料在他的方程中使用的参数是普遍适用的整个单晶镍基类。

一个参数û面的一小部分被定义为提前推进新组成的凝固前沿核体。

因此，当Φ= 0，有没有核等轴（杂散）晶体增长的同时，时Φ= 1，等轴晶的存在，他们完全取代增长的外延从柱状树突基底材料。

事实上，已经价值高达0.5文献中提出的判断，有效地对应于完全等轴的增长，其中原始单晶基材料的微观结构是完全更换，φ60.0066对应的值充分柱状，外延生长条件[9,10]。

Ga“umann等的理论分析。

产生以下φ之间的关系，热梯度G和增长速度V：其中a和n是材料的相关参数，No是在液体中的成核密度。

如果考虑结晶的影响，然后Gd和Vd必须使用这个表达式。

如果忽略的晶体影响，那么J〜GJ和Vn使用。

计算使用两个变量，描述的那样。

对于合金CMSX4，为常量的值分别为a=，和No= 2 · 10153m。

方程（7）在目前的研究，为参数a，n和No 使用相同的价值观。

Φ为G的一个功能，表达解决和V，收益率：在当前的分析中，G的必要的价值观和V测定沿整个凝固前沿（即在10 Φ和离散部分的间隔沿熔池长度），使价值φ可以计算整个熔池凝固前面。

此外，计算许多组合焊接条件（见表2）和基体材料的晶体取向（见表3）。

如果晶体取向枝晶生长的方向考虑，评估Φ将取决于Φ为x的值。