氧化物颗粒增强Pt-20Rh合金焊接组织与力学性能研究
铂及其合金具有卓越的耐蚀性、抗高温蠕变性,且熔点高、成形性好,既是性能优异的结构材料,也是功能独特的功能材料,是目前唯一能在大气中使用到1800℃的材料,是硝酸制备等工业流程中必不可少的催化材料。铂及其合金在汽车、电子电气、化学、石油化工、玻璃制造、航空航天、军工、首饰等领域发挥着重要的,甚至是不可替代的作用。金属铂在高温下晶粒会急剧长大,高温持久强度降低,无法满足玻璃纤维拉丝成型漏板、平板显示玻璃成型通道、硝酸制备工业催化网等铂制品在耐高温、耐腐蚀、形状尺寸稳定性等方面的使用要求,通过固溶强化、氧化物颗粒增强则可使合金性能得...
铂及其合金具有卓越的耐蚀性、抗高温蠕变性,且熔点高、成形性好,既是性能优异的结构材料,也是功能独特的功能材料,是目前唯一能在大气中使用到1800℃的材料,是硝酸制备等工业流程中必不可少的催化材料。铂及其合金在汽车、电子电气、化学、石油化工、玻璃制造、航空航天、军工、首饰等领域发挥着重要的,甚至是不可替代的作用。金属铂在高温下晶粒会急剧长大,高温持久强度降低,无法满足玻璃纤维拉丝成型漏板、平板显示玻璃成型通道、硝酸制备工业催化网等铂制品在耐高温、耐腐蚀、形状尺寸稳定性等方面的使用要求,通过固溶强化、氧化物颗粒增强则可使合金性能得到大幅度改善。漏板、通道、催化网、热电偶、首饰等铂制品成型中大多涉及到大量的焊接加工,焊接质量的优劣对制品性能、寿命影响很大,研究铂及其合金尤其是固溶、弥散强化等主流强化手段制备的铂合金的焊接组织及性能具有重要的科学价值和工程应用价值。
  本研究通过向铂铑合金中添加不同量的 Zr、Y元素,经合金熔炼、粉末制备、内氧化、烧结锻压、轧制成型等步骤得到弥散强化Pt-20Rh薄板,运用手工氩弧焊焊接薄板,研究不同含量弥散强化相Pt-Rh合金焊接组织与力学性能。研究结果表明,合金中的弥散强化相为 Zr、Y的氧化物颗粒。轧制态 Pt-20Rh合金金相腐蚀非常困难,常规电解腐蚀效果欠佳,在50-60℃下沸腾的王水中腐蚀15-30min,可得到较为清晰的金相图片,具体腐蚀时间与温度依合金成分及组织而定。Pt-20Rh-xZr-0.015Y合金薄板钨极氩弧焊可获得表面光滑、内外均无缺陷的焊缝,在焊缝表面形成一层由氧化物颗粒浮现形成的黑色薄层,氧化物薄层覆盖面积随Zr添加量的增加而增大。轧制态合金在1150℃/20min退火后合金组织出现回复和少量再结晶,TD-ND平面分布着丝状的轧制态原始晶粒、扁平的及点状的再结晶晶粒。Zr添加量增加,会形成更多的氧化物颗粒,产生钉扎晶界阻碍晶粒长大的效果,使合金晶粒变细,再结晶晶粒体积百分数减少,再结晶晶粒细化。焊接过程中接头(焊核区)WNZ发生了重熔,中心区域为粗大的等轴晶,靠近(融合区) TMAZ区域为粗大的柱状晶,(热影响区)HAZ发生了回复、再结晶和部分晶粒长大,不同Zr含量的铂铑合金平均晶粒尺寸在5.6μm-12μm之间,未添加强化元素未经过粉末冶金的Pt-20Rh合金晶粒尺寸为40.3μm,TMAZ没有明显的熔合线。Pt-20Rh-0.3Zr-0.015Y合金焊缝区 RD-TD平面晶粒基本以焊缝中心为对称轴对称分布,两熔合线间均为不同取向的柱状晶,两熔合线外为大粒径等轴晶。Pt-20Rh合金在700-800℃间发生了物相变化。Pt-20Rh-xZr-0.015Y合金焊后常温下拉伸,0.3Zr的合金抗拉强度(σb)、屈服强度(σ0.2)分别为最高值452MPa和222MPa,Zr添加量增加,形成更多氧化物增强相阻碍位错运动、造成应力集中,合金强度提高,延伸率下降,未添加 Zr的合金延伸率(δ)为最大值20.3%。1000℃下,材料原子扩散更加容易,变形机制增多,一些常温下的强化机制失效,焊接拉伸力学性能较常温明显降低,0.3Zr的合金σb、σ0.2分别为最高(127MPa,112MPa),未添加 Zr的合金δ为最大值9.0%。Zr增加时,强度和延伸率变化趋势与常温下一致。Pt-20Rh-xZr-0.015Y合金常温拉伸断面为韧性断口,包含大量的韧窝,第二相会阻碍位错运动,引起应力集中,成为微空洞源,微空洞聚集长大形成韧窝,当Zr含量增加,断口韧窝数量增多,深度加深,在韧窝底部出现逐渐增多的质点(EDS分析为Zr、Y的氧化物),粉末冶金的合金1000℃拉伸断口出现沿晶断裂、撕裂棱等脆性断裂的特点,韧窝消失,未添加强化元素铸造后轧制成薄板的Pt-20Rh合金断面含大量韧窝,为韧性断口,δ达到了22%。Pt-20Rh-0.15Zr-xY合金焊缝表面光滑无缺陷。焊缝上表面及下表面靠近熔合线的WNZ均覆盖由第二相浮现形成的黑色薄层。1150℃/30min退火后,母材区晶粒发生了回复和少量再结晶,由丝状原始晶粒、扁平状或点状的再结晶晶粒组成。焊接接头由焊缝区中心到母材区,晶粒变化依次为粗大的等轴晶、长条状的柱状晶、较大粒径再结晶晶粒、细小的丝状或扁平状的轧制态晶粒,晶粒尺寸依次减小, HAZ晶粒平均直径在5.1-7μm之间。不同Y含量合金焊接接头组织形貌差别较小。Pt-20Rh-0.15Zr-xY焊后常温下拉伸,未添加Y的合金强度最高,σb、σ0.2分别为413MPa和193MPa,0.05Y的合金δ最好,为13.5%。1000℃下拉伸,未添加Y的合金σb最高(106MPa),0.05Y的合金σ0.2和δ均为最大值(87MPa,6.3%)。不同Y含量合金常温、高温拉伸力学性能差距非常小。与铸造后轧制得到的Pt-Rh合金相比Pt-20Rh-0.15Zr-xY合金常温抗拉强度提高约30%,延伸率降低约73%。
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作者: 胡发平
学科专业: 材料科学与工程
授予学位: 硕士
学位授予单位: 重庆大学
导师姓名: 谢卫东
学位年度: 2017
语 种: chi
分类号: TG457.19 TG401
在线出版日期: 2018年4月16日