焊接參數對FGH96慣性摩擦焊接頭組織和高溫拉伸性能的影響

楊 俊,李京龍,董登科,廖江海

（1.西北工業大學 摩擦焊接陜西省重點實驗室，西安 710072；2.中國飛機強度研究所 金屬材料結構強度研究室，西安710065）

FGH96合金是第二代損傷容限型粉末高溫合金，優化了材料的抗裂紋擴展能力，是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[1-2]。慣性摩擦焊（inertia friction welding，IFW）是利用材料接觸面之間相對運動所產生的摩擦熱，使待焊件接觸面及其附近區域材料達到軟化狀態并迅速頂鍛，在熱力的持續作用下產生連續的塑性變形、原子擴散和動態再結晶，獲得致密鍛造組織的焊接技術[3-5]。慣性摩擦焊接頭并不熔化，從根本上避免了與熔化-凝固相關的焊接缺陷，減少了因焊接高溫所導致的材料損傷，因此，使用FGH96粉末高溫合金進行慣性摩擦焊，在飛機渦輪盤結構，尤其發動機轉子中，有明顯的應用潛力和研究價值[6-7]。

從發明至今，研究工作者除對慣性摩擦焊的溫度場、軸向縮短量、數值模擬與顯微結構等進行了大量研究外[8-11]，也對接頭性能進行了研究，主要集中在室溫力學性能。何勝春等[12]結合FGH96接頭特點研究了其顯微硬度和室溫拉伸強度，結果表明：接頭顯微硬度沿垂直于焊縫方向呈W形分布，熱處理后硬度最低點位于接頭熱力影響區，斷裂位置也位于該區域，斷裂形式為韌性斷裂。Wang等[13]對FGH96/GH4169高溫合金進行了焊接，分析了焊接接頭的微觀組織形貌和拉伸性能，結果表明：焊縫區組織為細小的等軸晶粒，熱力影響區晶粒被拉伸呈流線型，接頭室溫抗拉強度接近母材的80%，說明接頭性能不足，這與界面熱輸入條件有關。焊接參數決定界面熱輸入，進而影響接頭材料的塑性流動行為[14-15]，慣性摩擦焊接過程是基于摩擦熱及頂鍛成形的塑性加工工藝，因此材料的塑性流動行為是影響接頭質量和性能的關鍵因素[16]，如何選擇最佳的焊接參數，將為FGH96高溫合金慣性摩擦焊工藝研究提供依據。

本工作針對FGH96慣性摩擦焊，固定轉動慣量，研究不同摩擦壓力和飛輪轉速下的焊態接頭高溫拉伸性能，同時結合接頭宏觀形貌和微觀組織，分析焊接參數對接頭拉伸性能的影響，研究接頭斷裂方式。

1 實驗材料及方法

1.1 材料

FGH96粉末高溫合金的化學成分如表1所示。FGH96合金是鎳基γ′相沉淀強化型粉末冶金高溫合金，圖1為母材的金相組織照片，基體為γ相，均由等軸晶粒組成。由圖1（a）可以看出母材組織晶粒大小不均，晶界處有析出物[18]。FGH96合金主要強化相為γ′相，如圖1（b）所示，在晶界及晶內彌散析出，其體積分數約占33%～36%，完全固溶溫度為1110～1120 ℃，析出溫度為 1030～1090 ℃[19]。

圖1 粉末高溫合金FGH96母材組織 （a）光學顯微鏡下組織形貌；（b）SEM電鏡下γ′相分布Fig.1 Microstructure of FGH96 superalloy （a）optical microscope（OM）image；（b）SEM image of γ′phase distribution

表1 粉末高溫合金FGH96的化學成分（質量分數%）[17]Table 1 Chemical composition of FGH96 superalloy（mass fraction%）[17]

1.2 試樣加工與實驗方法

采用MTI MODEL300BX慣性摩擦焊機進行焊接，試件待焊面尺寸為60 mm × 40 mm 的圓環面，工藝參數：轉動慣量固定為 35.6 kg·m2（843lb·ft2），飛輪轉速和頂鍛壓力見表2，共9種參數匹配狀態，分別研究轉速和摩擦壓力對性能的影響，焊接后的試樣見圖2。金相試樣表面垂直于焊縫界面，用鹽酸、酒精和雙氧水按照40%∶60%∶20%比例配制的試劑對試樣進行磨削、拋光和腐蝕，使用OLYMPUS BX41型光學顯微鏡觀察接頭的微觀組織，使用Leica DCM 3D體視鏡觀察宏觀形貌，并測量接頭5個位置的焊接寬度，獲得平均焊核區寬度，見圖3。合金γ′強化相通過SUPRA 55型掃描電鏡觀察，用20%硫酸 + 80%甲醇溶液電解拋光，然后用 150 mL 磷酸 + 10 mL 硫酸 + 15 g 鉻酐溶液電解腐蝕，直流電壓5 V，浸入時間5 s左右。

表2 慣性摩擦焊焊接參數組合Table 2 Welding parameter combinations of IFW

圖2 高溫合金 FGH96 慣性摩擦焊接頭Fig.2 IFW joint of FGH96 superalloy

圖3 高溫合金 FGH96 慣性摩擦焊接頭焊核區寬度Fig.3 WNZ width of IFW joint of FGH96 superalloy

1.3 接頭高溫靜力實驗

對焊態下接頭進行高溫拉伸實驗，實驗溫度為700 ℃，每套參數下拉伸試件3件，試件尺寸如圖4所示。拉伸實驗按照國標GB/T 228—2002 《金屬材料拉伸試驗方法》進行，實驗設備為QBG-100，拉伸速率為 1 mm?min–1，最終獲得各個焊接參數組合下的高溫拉伸性能數據。

2 結果及分析

2.1 宏觀形貌

圖5為FGH96慣性摩擦焊接頭橫截面宏觀組織。由圖5可知，接頭主要分為焊核區（weld nugget zone，WNZ）、熱力影響區（thermo-mechanically affected zone，TMAZ）和母材區（base metal），接頭中心焊核區組織的顏色比兩側區域深，深色區域的晶粒不能明顯分辨，焊核區兩側組織不均勻的區域則為熱力影響區，其中部分區域晶粒長大明顯，焊核區與熱力影響區的界面明顯，而熱力影響區與母材的界面不明顯。

圖4 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接高溫拉伸試件（700 ℃）Fig.4 Tensile test pieces of IFW joints of FGH96 superalloy at high temperature（700 ℃）

圖5 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接接頭截面光鏡組織Fig.5 OM cross-sectional micrograph of IFW joints of FGH96 superalloy

表3為不同焊接參數下焊核區的寬度。圖6為焊核區寬度隨轉速和摩擦壓力的變化曲線。由圖6（a）可知，隨著飛輪轉速的增加，焊核區寬度逐漸增大，當轉速達到 800 r?min–1時，焊核區寬度達到最大 750 μm 并保持穩定；由圖 6（b）看出，焊核區寬度隨摩擦壓力的增加而增大，當摩擦壓力達到最大 11.72 MPa時，焊核區寬度達到最大700 μm并保持穩定。這說明飛輪轉速和摩擦壓力的增大，增加了接頭界面的熱輸入量（單位時間內產生的摩擦熱），可屈服并發生塑性變形的材料就越多，增強了材料的塑性流動性，所以焊核區寬度增加[20]。繼續提高焊接參數，界面摩擦熱增加的同時，摩擦面上的材料也向面外擠出，且速度增加，導致更多的熱量通過飛邊擠出流失，所以焊核區寬度保持穩定。

表3 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接接頭焊核區寬度Table 3 Widths of WNZ of FGH96 IFW joints

通過圖6對比分析可知，焊核區寬度隨摩擦壓力的增幅較轉速大，說明摩擦壓力對于提高流動速度幅度較轉速更有效。在慣性摩擦焊接過程中，摩擦壓力除與摩擦熱相關，還可使試樣增加軸向縮短量，使試樣沿軸向的移動距離增加，加大摩擦面上的材料向面外的擠出速度，這就解釋了增加摩擦壓力更有利于提高材料流動速度的原因，該結果與文獻[21]研究結果一致。焊核區寬度隨摩擦壓力的變化如圖7所示。由圖7看出，隨著焊接過程的進行，部分塑性金屬在軸向壓力的作用下會被擠出摩擦界面，而隨著摩擦壓力的增大，界面熱輸入增加，摩擦界面及其附近區域的金屬材料流動性增強，發生動態再結晶和塑性變形的區域增大，因此焊核區寬度變大。

圖6 焊接參數對FGH96高溫合金慣性摩擦焊接接頭焊核區寬度的影響 （a）15.17 MPa摩擦壓力下焊核區寬度隨轉速的變化；（b）750 r?min–1轉速下焊核區寬度隨摩擦壓力變化Fig.6 Effect of welding parameters on width of WNZ of FGH96 IFW joints （a）width vs rotational speed at friction pressure of 15.17 MPa；（b）width vs friction pressure at rotational speed of 750 r?min–1

圖7 在 750 r?min–1 轉速下，不同摩擦壓力下 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接接頭橫截面宏觀形貌Fig.7 Cross-sectional morphologies of FGH96 IFW joints at rotational speed of 750 r?min–1 with different friction pressures（a）8.27 MPa；（b）11.72 MPa；（c）15.17 MPa；（d）18.62 MPa；（e）22.00 MPa

2.2 微觀組織

FGH96慣性摩擦焊接頭的微觀組織如圖8所示。由圖8可以看到，焊核區為非常細小均勻的等軸晶粒，該組織的形成是由慣性摩擦焊形變過程的工藝特點決定的，焊接過程中摩擦界面及附近區域產生了高的剪切塑性變形和速率，會產生大量的亞晶粒，這些亞晶粒會成為再結晶的晶核，焊核區的高溫進一步促進了焊核及周圍組織的再結晶，而慣性摩擦焊的特點是加熱升溫快，時間短，晶粒的長大受到很大程度的制約，因此，焊核中再結晶晶粒十分細小。熱力影響區受到力和熱的作用僅次于焊核區，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核區，所以該區域組織的再結晶程度及數量相對較少，呈粗晶和細晶共存特征，見圖8（a）。由圖8（b）、圖1（b）對比可知，接頭焊核區細晶組織中基本上沒有γ′強化相，這是因為焊核區溫度峰值達到 1254.62 ℃[21]，超過 γ′相完全固溶溫度（1110～1120 ℃），使 γ′強化相完全溶于基體中。

圖8 在轉速 750 r?min–1 摩擦壓力 15.17 MPa 下的 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊焊接區組織 （a）焊接區光鏡組織；（b）焊核區電鏡形貌Fig.8 Microstructure of FGH96 IFW joint at rotational speed of 750 r?min–1 and friction pressure of 15.17 MPa （a）OM image of welding zone；（b）SEM image of WNZ

2.3 高溫靜力性能

表4為不同焊接參數下接頭高溫拉伸性能，主要包含抗拉強度、屈服強度、伸長率和斷面收縮率。圖9為拉伸性能隨轉速的變化，圖10為拉伸性能隨摩擦壓力的變化。由圖9可知，隨著飛輪轉速增加，抗拉強度和屈服強度保持不變，分別穩定在910 MPa、1300 MPa 左右，而伸長率和斷面收縮率略微提升，說明轉速對接頭高溫靜力性能影響較小。結合圖10分析可知，隨著摩擦壓力增加，屈服強度保持不變，抗拉強度、伸長率和斷面收縮率有大幅增加，隨后保持穩定，且該趨勢與焊核區寬度隨摩擦壓力變化趨勢一致。當摩擦壓力從8.27 MPa增加到 15.17 MPa時，抗拉強度、伸長率和斷面收縮率分別從990 MPa、6.0%、4.0%增加到1330 MPa、15.2%、14.1%，焊核區寬度從 431 μm 增加到658 μm，繼續提高摩擦壓力，拉伸性能和焊核區寬度保持不變。這說明摩擦壓力對接頭高溫拉伸性能影響非常大，決定了界面熱輸入量和焊接區材料流動性，進而決定拉伸性能，而焊核區寬度正好反映了這種變化關系，可作為接頭性能和摩擦壓力的中間特征量進行微觀解釋。當轉速達到750～850 r?min–1，摩擦壓力為 15.17 MPa 以上時，接頭抗拉強度和屈服強度最高可達母材的87.5%和75.8%，而伸長率和斷面收縮率只有母材的68.5%和68.4%，說明焊態接頭韌性不足，還需通過焊后熱處理進行改善。

表4 不同焊接參數下FGH96慣性摩擦焊接頭拉伸性能Table 4 Tensile properties of FGH96 IFW joints at different welding parameters

圖9 摩擦壓力15.17 MPa下轉速對FGH96慣性摩擦焊接頭拉伸性能影響 （a）抗拉強度和屈服強度；（b）伸長率和斷面收縮率Fig.9 Effect of rotational speed on tensile properties of FGH96 superalloy IFW joints at friction pressure of 15.17 MPa（a）tensile strength and yield strength；（b）elongation and reduction of area

圖10 在轉速750 r?min–1下，摩擦壓力對FGH96慣性摩擦焊接頭拉伸性能和焊核區寬度的影響 （a）抗拉強度、屈服強度和焊核區寬度；（b）伸長率、斷面收縮率和焊核區寬度Fig.10 Effect of friction pressure on tensile properties of FGH96 superalloy IFW joints at a rotational speed of 750 r?min–1（a）tensile,yield strength and width of WNZ；（b）ductility,area reduction and width of WNZ

2.4 斷裂位置與破壞分析

圖11 為FGH96慣性摩擦焊接頭高溫拉伸實驗件的斷裂位置。由圖11分析可知，接頭拉伸破壞位置主要位于焊核區，這是因為高的焊接溫度達到了合金γ′強化相的固溶溫度，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。圖12為接頭斷裂試件剪切唇大小隨摩擦壓力的變化。由圖12分析可知，隨著摩擦壓力的增加，剪切唇區域變大，而剪切唇的大小反映了材料韌性的強弱。在摩擦壓力較低時，剪切唇區域小，說明接頭韌性降低，當摩擦壓力較高時，剪切唇區域較大，說明接頭韌性升高，這與上述伸長率和斷面收縮率隨摩擦壓力增大而增加的變化規律吻合。

圖11 在轉速 750 r?min–1、摩擦壓力 15.17 MPa 下 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接頭斷裂位置 （a）斷裂的接頭試件；（b）b區放大；（c）c區放大Fig.11 Typical fracture surface of joint at friction pressure of 15.17 MPa and rotational speed of 750 r?min–1 （a）tensile test specimens；（b）magnification of b zone；（c）magnification of c zone

圖12 在轉速 750 r?min–1、不同摩擦壓力下 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接頭斷裂面剪切唇大小分布Fig.12 Fracture morphologies of tensile test specimens at rotational speed of 750 r?min–1 and different friction pressures（a）8.27 MPa；（b）11.72 MPa；（c）15.17 MPa；（d）18.62 MPa；（e）22.00 MPa

3 結論

（1）焊核區寬度隨飛輪轉速和摩擦壓力的增加而逐漸增大，最后保持穩定，摩擦壓力對焊接區寬度的影響較轉速大。整個接頭區域組織不均勻，焊核區組織為細小均勻的等軸晶粒，熱力影響區呈粗晶和細晶共存特征，接頭中心焊核區的細晶組織中基本上沒有γ′強化相。

（2）隨著飛輪轉速的增加，抗拉強度和屈服強度保持不變，而伸長率和斷面收縮率略有提升。隨著摩擦壓力的增加，屈服強度保持不變，抗拉強度、伸長率和斷面收縮率有大幅增加，隨后保持穩定，且該趨勢與焊核區寬度隨摩擦壓力的變化趨勢一致，摩擦壓力對接頭高溫拉伸性能的影響較轉速大。

（3）當轉速達到 750～850 r?min–1，摩擦壓力為15.17 MPa以上時，接頭抗拉強度和屈服強度最高可達母材的87.5%和75.8%，而伸長率和斷面收縮率只有母材的68.5%和68.4%。

（4）接頭高溫拉伸破壞位置主要位于焊核區，隨著摩擦壓力的增加，斷口剪切唇區域逐漸變大。