钎焊接头微区蠕变行为及寿命预测研究

Brazing joint has a series of advantages such as small welding distortion, high dimensional accuracy and smooth weld configuration. It has been widely used in the assembling process of sophisticated equipment, dissimilar metal components and complex thin plate structure. For a high temperature gas-cooled reactor (HTGR), the high temperature strength of the brazing joint determines the long term safety and reliability of the recuperator. However there is still lack of theory to predict the creep life of the brazing joint due to its complex microstructures and properties. In this project the function between the displacement rate and the load of the indenter is obtained based on the nano indentation creep technology and a framework will be established to transfer the data of nano indentation creep test and conventional creep tensile test. The creep parameters of subdivided region inside the brazing joint are acquired through the theoretical and experimental results. After performing the multi-parameters regression to the nano indentation creep test results which are derived from the brazing joint specimen containing different damage degrees, the creep damage constitutive equation and its material parameters for different micro regions of joint are deduced according to the neural network and genetic algorithm methods. Then the creep life of brazed joint is associated with the precipitated phases percentage and characteristics of grain size, which is possible to provide a theoretical basis and a judging criterion for residual life of brazing joint inside the recuperator working for the high temperature gas-cooled reactor.

钎焊结构具有焊接变形小、尺寸精度高、焊缝平滑等优点，广泛应用于精密设备、异种金属构件以及复杂薄板结构的封装工艺中。在高温气冷堆中，回热器钎焊接头的高温性能决定了其长时运行的安全可靠性，但是由于钎焊缝微观结构较为复杂，目前缺乏有效理论来准确预测其高温寿命。为此本课题基于纳米压痕蠕变技术，获得压头位移率与压力间的变化关系，通过理论分析与实验比较，得出纳米压痕蠕变与传统拉伸蠕变实验数据间的转换关系，并获得钎焊缝不同微区上的蠕变力学参量。在此基础上，利用神经网络和遗传算法对含损伤钎焊接头的纳米压痕蠕变数据进行多参数回归，获得不同钎焊微区材料的蠕变-损伤本构及材料参数。通过考察不同蠕变寿命下钎焊接头的析出相分布和晶粒特征尺寸，将其与蠕变寿命关联后，为高温回热器钎焊接头剩余寿命的确定提供理论依据及判断准则。

钎焊结构具有焊接变形小、尺寸精度高、焊缝平滑等优点，广泛应用于精密设备、异种金属构件以及复杂薄板结构的封装工艺中。在高温气冷堆中，回热器钎焊接头的高温性能决定了其长时运行的安全可靠性，但是由于钎焊缝微观结构较为复杂，目前缺乏有效理论来准确预测其高温寿命。为此本课题基于纳米压痕蠕变技术，小试样力学性能测试方法，T型钎焊接头剥离试验等手段，获得了钎焊缝不同微区上的蠕变力学参量，建立了不同钎焊微区材料的蠕变-损伤本构；通过考察不同条件下钎焊接头的析出相分布和晶粒特征尺寸，建立了更为准确的母材溶解厚度计算模型,为高温回热器钎焊接头剩余寿命的确定提供理论依据及判断准则。本课题取得的主要进展为以下几个方面：.1）基于纳米压痕理论，对钎焊接头微区力学性能进行了研究。获得了钎焊接头微区的硬度和弹性模量，对比拉伸实验证实了纳米压痕法测试材料力学性能的可行性。基于M. Dao模型，采用压痕做功法通过一系列无量纲方程反推获得了钎焊接头微区的塑性性能参数；结合有限元数值模拟和实验研究，通过反复修正材料的特征应力和特征应变，获得应力应变本构关系。.2）发展了小试样评估材料蠕变力学性能的测试方法。建立了固支C型环小试样和固支直杆小试样蠕变测试与单轴蠕变测试的转换关系式，并进行了蠕变实验验证和误差影响因素分析。通过确定临界位移的方法，借助有限元分析得到上述转换关系式的适用范围。当试样变形进入到大变形阶段，基于杆拉伸模型，建立了大变形阶段的转换关系式，并进行了实验验证。.3）研究了焊接工艺参数对焊缝微观结构和演化机理的影响。采用SEM，TEM对钎焊接头的微观结构进行观察，通过XRD，EBSD，SAED和EDS对钎焊接头的相和化学成分进行了分析，对其微观结构演化机理进行了解释。基于Nernst-Brunner方程，充分考虑钎焊过程中组分浓度差对母材溶解的影响，建立了更为准确的母材溶解厚度计算模型。.4）根据板翅式换热器结构特征，设计了T型钎焊接头，并基于钎焊接头剥离试验，研究了钎焊接头的剥离性能。通过对剥离力与位移曲线的分析，明确了最大剥离力，平均剥离力，断裂能等表征剥离性能的参数及其计算方法，分析了钎焊的结构尺寸、不同试验条件对接头剥离性能的影响，对T型钎焊接头剥离试验的设计及分析提供了一定的依据。