粉末高溫合金FGH96線性摩擦焊接頭組織與力學性能

馬鐵軍，王為，李文亞，張 勇

（西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室 摩擦焊接陜西省重點實驗室，西安710072）

線性摩擦焊（LFW）以其優質、高效、節能、環保等優點，已逐漸成為高推重比航空發動機整體葉盤制造與維修的關鍵核心技術之一。目前，線性摩擦焊的研究與應用主要是針對風扇及低壓壓氣機的鈦合金整體葉盤進行。Vairis和Frost［1，2］系統研究了Ti－6Al－4V（TC4）的線性摩擦焊工藝，分析了焊接過程并進行了參數優化。馬鐵軍等［3，4］針對多種鈦合金進行了線性摩擦焊實驗，揭示了接頭組織特征、力學性能和工藝參數之間的關系。張田倉等［5，6］也對多種鈦合金進行了同質或異質線性摩擦焊，揭示了其組織演變規律與性能特征。

隨著線性摩擦焊技術的進一步發展，必將在高溫合金高壓壓氣機及渦輪轉子整體部件的制造與維修中得到應用。由于國內外針對高溫合金的線性摩擦焊研究均處于起步階段，因此文獻報道較少。陳曦等［7］進行了GH4169線性摩擦焊工藝研究，揭示了GH4169線性摩擦焊接頭的組織特征、形成機理，以及摩擦壓力、振幅、焊接時間等主要焊接參數對接頭組織性能的影響。Mary等［8，9］研究了In718合金的線性摩擦焊工藝參數，并對接頭的微觀組織進行了研究和分析，發現再結晶區域處晶粒尺寸約為母材的67%，而TMAZ處晶粒尺寸與母材相當。

FGH96合金是第二代損傷容限型粉末高溫金，其以面心立方（FCC）的奧氏體為基體，以FCC結構的γ′為主要強化相，是當前750℃工作條件下滿足高推比、高燃效發動機使用要求的渦輪盤、環形件和其他熱端部件的關鍵材料［10，11］。研究FGH96的線性摩擦焊接頭組織及性能特征，將為未來高溫合金線性摩擦焊工藝研究及整體葉盤的制造奠定基礎。

本研究進行了FGH96高溫合金線性摩擦焊的初步實驗研究，分析了接頭組織與力學性能。

1 實驗材料與方法

1.1 試件

FGH96粉末高溫合金的化學成分如表1所示，圖1為母材的金相組織照片。由圖1可以看出母材狀態是原始粉末經過熱等靜壓成型后再經過“固溶＋時效”處理后得到的等軸奧氏體晶粒＋部分淬火孿晶組織，晶粒度為6級，原始粉末顆粒邊界已溶入基體中。

表1 FGH96的名義化學成分（質量分數／%）［12］Table1 Nominal chemical composition of FGH96（mass fraction／%）［12］

圖1 FGH96合金母材截面組織Fig.1 Microstructure of base FGH96superalloy

1.2 實驗方法

進行線性摩擦焊實驗的試件尺寸為14mm×7.5mm×38.2mm，焊接面積為14mm×7.5mm，摩擦方向為長度14mm的方向。實驗設備為實驗室自行研制的XMH－160型線性摩擦焊機，實驗所用的焊接參數為：振幅3mm，頻率35Hz，摩擦壓力160MPa。

金相試樣表面垂直于焊縫界面。將拋光后的金相試樣進行腐蝕，腐蝕液為24mL CH3OH＋16mL HCl＋10mL H2O2。所用的顯微鏡分別為OLYMPUS QX71型光學顯微鏡和SUPRA 55型掃描電鏡。

拉伸試樣是從同一規范下的試樣中取出的5個標距26mm、寬度3mm、厚度1mm的非標準拉伸試樣；另以同樣規格制得3件母材拉伸試樣進行對比。拉伸試驗機型號為Shimadzu AG－X型，拉伸速率為1mm·min－1。顯微硬度是從焊縫中心開始，沿著與焊縫垂直的方向每隔100μm測量一次，直到母材區，所用儀器為Duramin－A300。

2 接頭組織特征及形成過程分析

2.1 接頭宏觀組織特征

接頭的宏觀組織如圖2所示。圖2（a）是接頭界面及周圍區域的宏觀剖面金相照片，水平方向是試樣的摩擦方向。可以看到，接頭中心區域組織的顏色比兩側區域深，深色區域的晶粒不能明顯分辨，而此區域外母材中的晶粒比較明顯，初步說明此區域的晶粒十分細小；還可以看出中心區域顏色深淺不一，說明此區域組織不均勻，原因可能是由于FGH96合金具有較高的高溫變形抗力，在高溫時塑性金屬流動性仍然較差，因而在焊接結束時界面周圍塑性金屬難以均勻擠出，這些金屬溫度較高，其晶粒的形變程度及與周圍金屬的動態再結晶程度不同，所以表現出圖中顏色不均勻的現象。

圖2 接頭截面光鏡組織（a）接頭全貌；（b）圖（a）中B區Fig.2 OM micrographs of joint cross－section（a）full view；（b）zone B in fig.（a）

圖2（b）為圖2（a）中矩形框B位置的局部放大圖，可以看出接頭中部深色區域的晶粒非常細小，與兩側組織的晶粒大小差異很大，這個區域為焊縫區，焊縫區兩側組織不均勻的區域則為熱力影響區。焊縫區與熱力影響區的界面非常明顯，這是由于FGH96合金有著優良的高溫性能，即使在很高的溫度下其力學性能仍然保持在較高狀態，故兩側組織變形量與焊縫區相比很小，導致動態再結晶程度差異很大，因此兩個區域的組織形貌差異也很大。

2.2 焊縫區微觀組織

圖3為焊縫區中部微觀組織。由圖3（a）可以看出焊縫區組織為非常細小均勻的等軸晶粒，與母材組織的晶粒大小差異較大。

圖3 焊縫區SEM組織形貌（a）焊縫區中部；（b）圖（a）中B區Fig.3 SEM micrographs of weld zone（a）middle part of weld zone；（b）zone B in fig.（a）

焊縫細晶的晶粒度約為9級，該組織的形成是由于摩擦焊形變過程的工藝特點和FGH96粉末高溫合金材料本身的性質所共同決定的。線性摩擦焊的特點是加熱升溫快，時間短，更重要的是，運動端的高速線性運動與移動端軸向壓力的共同作用使摩擦界面及其近區產生了高的剪切變形速率、大的剪切變形量以及一定的軸向縮短變形速度和程度。高的焊接溫度達到了合金的強化相γ′的固溶溫度，使γ′相溶于基體，而FGH96合金主要是γ′相的沉淀強化作用，當γ′溶于基體，合金失去了強化作用，強度便迅速下降，達到熱塑性狀態，流動性顯著增強向四周流動，這樣有利于氧化物和雜質的自清理，也有利于分子間的擴散和再結晶。

從焊縫附近區域即將進入焊縫的金屬，由于發生了較大的塑性變形會產生大量的亞晶粒，這些亞晶粒會成為再結晶的晶核，在焊縫區高溫的作用下，進一步促進了焊縫區及周圍組織的再結晶。然而，焊縫金屬的再結晶是在快速變形的過程中進行的，再結晶晶粒處在不斷滑移和變形的過程中，新晶核大量形成，晶粒不斷長大，又不斷被擠出。另外，摩擦焊過程的加熱時間很短，冷卻速度很快，晶粒的長大受到很大程度的制約，因此，焊縫中再結晶晶粒十分細小。在圖3（b）中虛線內側是接頭兩邊在焊縫區的分界區域，可以看出這個區域非常窄，晶粒極小，基本是未長大的再結晶晶粒。

在線性摩擦焊過程中，由于接頭中心區域的溫度遠高于γ′的固溶溫度，使γ′溶于基體中。而在摩擦停止以后，接頭熱量迅速通過工件熱傳導散失，使接頭溫度迅速降到強化相析出溫度以下，所以在接頭中心區的細晶組織中基本上沒有強化相［13，14］。

焊縫界面上還存在一些微觀孔洞，這些微觀孔洞可能是由于接頭溫度不均勻導致應力不均而形成的縮孔，還有可能是少量雜質被腐蝕后形成的孔洞。

2.3 熱力影響區微觀組織

接頭熱力影響區的微觀組織如圖4所示，圖4（a）為TMAZ靠近焊縫區低倍照片，圖4（b）為TMAZ中部低倍照片，圖4（c）為TMAZ靠近焊縫區SEM照片。由圖4可以看出整個熱力影響區的微觀組織呈粗晶和細晶共存的特征，而且與焊縫距離的不同，熱力影響區中粗晶和細晶的比例也不同，近縫區中粗晶較多，中部粗晶則較少。

以上微觀組織形貌特征的形成是接頭不同區域組織在線性摩擦焊過程中的熱力歷程不同導致的。熱力影響區的近縫區受到力和熱的作用僅次于焊縫區，部分變形晶粒在熱的作用下會發生再結晶，但此區域晶粒的變形量遠小于焊縫區，所以該區域組織的再結晶程度及再結晶晶粒的數量相對較少。另外，此區域的熱量是通過焊縫區熱傳遞和自身變形產熱形成的，溫度高于強化相的固溶溫度，使部分強化相溶于基體，減小了對晶粒長大的阻礙，而此區域的熱量不會通過飛邊大量快速散失，使高溫保留時間相對較長，故部分晶粒長大明顯。

圖4 熱力影響區的微觀組織（a）TMAZ靠近焊縫區；（b）TMAZ中部；（c）靠近焊縫區SEM 照片Fig.4 Microstructure of TMAZ（a）TMAZ near weld；（b）middle part of TMAZ；（c）TMAZ near weld by SEM

熱力影響區中部，由于溫度相對較低，晶粒的形變也較小，故此區域基本未發生動態再結晶；此外由于溫度低于γ′相的固溶溫度，大量的γ′相阻礙了晶粒的長大，因此該區域晶粒的平均尺寸小于近縫區［15］。從圖4（b）還可以看出，此區域晶界較粗，說明在熱的作用下一些雜質和溶質富集在晶界上。

在圖4（c）中能明顯看到流線組織形貌，流線的方向顯示出了在摩擦過程中熱塑金屬的流動和晶粒的變形方向。流線組織特征是線性往復摩擦過程晶粒被拉長導致的，與鈦合金相比FGH96合金晶粒的拉長程度較低，顯然是由于FGH96合金具有更高的變形抗力。

3 接頭的力學性能

3.1 拉伸實驗

圖5為拉伸實驗后的試樣照片，實驗結果如表2所示。由圖5可以看出試樣均在接合面附近處斷裂。由表2的結果可以得出接頭的拉伸強度達到母材強度的93%以上，而伸長率不到母材值的50%，說明接頭的抗拉強度良好而韌性較差。

圖5 拉伸斷裂試樣照片Fig.5 Photos of fractured tensile specimens

表2 試樣拉伸性能Table2 Tensile properties of specimens

由于FGH96線性摩擦焊接頭的焊縫區形成了細小等軸奧氏體晶粒，故獲得了較高的綜合性能。但焊縫界面存在一些微觀孔洞，這些孔洞會對焊縫的質量造成一定的影響，須采取一定的工藝措施予以消除。

靠近焊縫區的熱力影響區，由于焊接過程回復與再結晶進行的不夠充分，晶粒大小差異較大，容易存在較大的焊后殘余應力，熱力影響區中部晶粒的晶界明顯粗大，而整個區域的強化相部分溶于基體，沉淀強化作用降低。這些因素都可能會影響接頭的力學性能，需通過焊后熱處理予以改善。

3.2 顯微硬度實驗

圖6 接頭截面顯微硬度Fig.6 Microhardness of the joint cross－section

顯微硬度實驗結果如圖6所示，焊縫處顯微硬度較高，進入熱力影響區后逐漸減小，到熱力影響區中部達到最小值后又逐漸增大。顯然，整個接頭的顯微硬度受到晶粒尺寸、強化相尺寸及其含量、晶格畸變等多種因素的共同作用。焊縫區的強化相幾乎全部溶于基體會使顯微硬度降低，然而由于細晶強化的作用又使得焊縫區硬度增高。熱力影響區中強化相的含量逐漸增加，但熱力影響區靠近焊縫部分和中部的強化相富集而不是彌散分布這對接頭的強化作用不明顯，所以顯微硬度主要受晶格畸變的影響。靠近焊縫處的熱力影響區由于變形量較大，嚴重的晶格畸變導致顯微硬度升高。

4 結論

（1）線性摩擦焊FGH96接頭的微觀組織特征是焊縫區為細晶區，熱力影響區粗、細晶粒共存，且靠近焊縫處粗晶較多，中部粗晶較少。

（2）接頭的抗拉強度接近母材，韌性較差；顯微硬度從焊縫到母材呈現為高低高的變化趨勢，熱力影響區中部最低。上述特征除與晶粒尺寸有關外，還與不同區域的強化相含量與分布及晶格畸變程度等因素有關。

（3）需通過改進焊接工藝來消除接頭界面的孔洞缺陷，需通過焊后熱處理改善接頭的組織及力學性能，從而實現FGH96線性摩擦焊可靠連接。

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