01 Papiereinführung
Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis-als Materialien, die in extremen Umgebungen verwendet werden, weisen bei hohen Temperaturen aufgrund der Heterogenität der Mikrostrukturen in der Schmelzzone (FZ), der Wärmeeinflusszone (HAZ) und dem Grundmaterial (BM) laser-geschweißter Strukturen eine komplexe un{2}einheitliche Verformung auf, die sich auf die Last-Belastbarkeit und die Lebensdauer von Komponenten auswirkt. Herkömmliche Prüfmethoden haben Schwierigkeiten bei der genauen Messung mechanischer Eigenschaften und können die Verformung bei hohen Temperaturen nicht genau vorhersagen. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wendet diese Studie einen mehrskaligen kollaborativen Charakterisierungs- und Modellierungsansatz an, der sich auf die Heterogenität von Mikrozoneneigenschaften in lasergeschweißten Verbindungen konzentriert. Durch die Integration von Nanoindentation, Finite-Elemente-Simulation (FE) und digitalen Bildkorrelationstesttechniken (DIC) wurde eine Methode zur Vorhersage ungleichmäßiger thermischer Verformung über den Temperaturbereich von 20 bis 800 Grad etabliert.
02 Volltextübersicht
In dieser Studie wird die Nickel-basierte Superlegierung GH3536 als experimentelles Material verwendet, um die Charakterisierung und Modellierung des heterogenen thermischen Verformungsverhaltens von lasergeschweißten Verbindungen durchzuführen. Durch die Integration von Nanoindentations-, FE-Simulations- und DIC-Testtechniken in Kombination mit dem Härtemodell (Ludwick-Modell) und der Methode zur dimensionslosen Parameteridentifizierung werden die mikro-mechanischen Eigenschaften und Verformungsmuster von FZ, HAZ und BM im Temperaturbereich von 20-800 Grad untersucht. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass diese Multi-{8}}Methode die mechanischen Parameter jeder Mikroregion genau ermitteln kann, mit einem maximalen Streckgrenzenfehler von nur 9,8 % im Vergleich zu DIC-Testergebnissen; Bei 800 Grad erreicht die ungleichmäßige Verformungsabweichung einer 3,0 mm breiten FZ-Zugprobe 67 %. Die Anwendung dieses Modells auf Blechstoß- und T--Verbindungsbiegetests verifizierte den Einfluss lokaler Eigenschaften auf die Hochtemperaturleistung und erklärte die intrinsische Korrelation zwischen der strukturellen Heterogenität von Mikroregionen und dem Verformungsverhalten. Diese Studie erläutert die Kernmechanismen der heterogenen Verformung in Hochtemperatur-Legierungsschweißverbindungen, befasst sich mit dem Problem der ungleichmäßigen Verformung, das mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu lösen ist, und bietet einen erheblichen theoretischen und technischen Wert für die Optimierung von Schweißprozessen in der Luft- und Raumfahrt und verwandten Bereichen.
Abbildung 03
visually analyses the load-depth (P-h) curves of nanoindentation for BM, HAZ, and FZ of laser-welded GH3536 high-temperature alloy joints from 20℃ to 800℃, revealing that the micro-mechanical properties of the laser-welded GH3536 alloy joints exhibit a gradient distribution of BM>HAZ>FZ, und dass ein Temperaturanstieg diese Heterogenität verschlimmert. Bei 500 Grad zeigt die Kurve gezackte Schwankungen, die dem Portevin-Le Chatelier-Effekt (PLC) entsprechen, einem plastischen Instabilitätsphänomen, das durch dynamische Belastung während der plastischen Verformung von Nickel-basierten Hochtemperaturlegierungen verursacht wird.
Abbildung 1. P-h-Kurven von Eindrucktests in verschiedenen Regionen bei unterschiedlichen Temperaturen: (a) 20 Grad; (b) 300 Grad; (c) 500 Grad; (d) 800 Grad
Abbildung 2 zeigt den DIC-Zugtest von lasergeschweißten GH3536-Hochtemperaturlegierungsverbindungen bei 20 Grad. Dies zeigt, dass die FZ die schwächsten mechanischen Eigenschaften aufweist, mit einer Dehnung von 0,544 bei 350 s, gefolgt von der HAZ, während sich die BM am wenigsten verformt, was die ungleichmäßige Verformung, die durch die Leistungsheterogenität der Mikroregionen verursacht wird, visuell darstellt. Die DIC-Testkurve stimmt mit der Extensometerkurve überein und bestätigt die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der DIC-Technik bei der Charakterisierung lokaler Verformungen von Schweißverbindungen.
Figure 3 shows the uniaxial tensile simulation of localised properties in different regions of laser-welded GH3536 high-temperature alloy joints, indicating that the strain distribution consistently follows FZ>HAZ>BM bei allen Temperaturen, und dass steigende Temperaturen diese ungleichmäßige Verformung verstärken; Die FE-Simulationskurven stimmen mit einem maximalen Streckgrenzenfehler von nur 9,8 % weitgehend mit den experimentellen Kurven überein. Dies bestätigt die Genauigkeit des Nanoindentation-Inversions-Plus-modifizierten Ludwick-Modells und bietet zuverlässige Unterstützung für die Vorhersage der Betriebsleistung bei hohen Temperaturen und die Optimierung von Schweißprozessen.
Abbildung 4 zeigt Konturkarten der äquivalenten plastischen Dehnung bei 20 Grad für lasergeschweißte Verbindungen aus GH3536-Hochtemperaturlegierungen mit unterschiedlichen FZ-Breiten. Die Ergebnisse zeigen, dass die FZ bei allen Temperaturen immer ein Bereich konzentrierter Verformung ist. Bei einer FZ-Breite von 3,0 mm ist die ungleichmäßige Verformung signifikant, mit einer Abweichung von 68 % von der gleichmäßigen Verformung bei 800 Grad, und diese Abweichung nimmt mit der Temperatur zu. Der Einfluss der FZ-Breite auf die Verformungsgleichmäßigkeit zeigt einen nichtlinearen Trend, der zunächst zunimmt und dann abnimmt. Bei 1,5 mm ist die Verformungsungleichmäßigkeit aufgrund starker Grundmaterialbeschränkungen schwächer, und bei 4,5 mm und 6,0 mm ist sie aufgrund der Spannungsumverteilung schwächer. Es ist klar, dass 3,0 mm eine kritische Breite ist, die es zu vermeiden gilt und die eine wichtige Orientierung für die Optimierung der Schweißprozessparameter bietet.
