基于臨界應變鎳基合金堆焊層FM152熱裂傾向分析

李霄，馬歡，李娟，史容睿，劉欣巖

西安石油大學 材料科學與工程學院（陜西 西安710065）

0 引言

隨著航空、核能、造船業(yè)以及熱電領域的發(fā)展，對材料的性能要求越來越苛刻，不銹鋼等材料已經(jīng)難以滿足需求。鎳基合金因具有優(yōu)異的高溫強度、耐蝕性和抗氧化性等特點已經(jīng)逐步代替不銹鋼材料并大規(guī)模應用于上述領域[1-3]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當鎳基合金接頭的熱裂紋敏感性過高時，會使焊接接頭力學性能明顯降低，進而引發(fā)工程問題及經(jīng)濟損失[4]。因此，研究鎳基合金熱裂紋敏感性的產(chǎn)生原因具有重要的意義。目前，690鎳基合金應用最為廣泛，而對于690鎳基合金堆焊層的熱裂紋敏感性的相關研究較少。

目前，針對熱裂紋敏感性的評價方法主要包括可調(diào)拘束實驗、應變—裂紋實驗（STF）、PVR實驗以及高溫塑形實驗等[5]。其中，可調(diào)拘束實驗由于具有操作簡單、成本低等特點，在研究熱裂紋敏感性方面應用廣泛[6]。Jeffrey等人通過橫向可調(diào)拘束實驗研究了鎳基合金熔敷金屬FM-52合金的高溫低塑形裂紋敏感性。并通過臨界應變量和裂紋出現(xiàn)的溫度區(qū)間評價了材料的高溫低塑性裂紋敏感性[7-8]。在此基礎上，Lippold借助衡量可調(diào)拘束實驗溫度區(qū)間的方法，通過測量最大裂紋長度（MCD）來評價690鎳基合金的熱裂紋敏感性。目前對于鎳基合金熱裂紋敏感性的研究主要集中在實驗方面，而通過數(shù)值模擬與實驗結合的方法分析和評價熱裂紋敏感性方面鮮有研究。因于此，本文通過自制夾具對690鎳基合金堆焊層進行拘束焊接實驗，并結合數(shù)值模擬方法，對690鎳基合金堆焊層焊接時的熱裂傾向進行分析和評價。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗基體材料為690鎳基合金板材，尺寸為350 mm×140 mm×3 mm，主要力學性能見表1。堆焊層材料選用FM152，其主要成分見表2。

表1 690鎳基合金的主要力學性能

1.2 實驗及數(shù)值模擬

1.2.1 可調(diào)拘束實驗

采用可調(diào)拘束實驗研究熱裂紋敏感性。采用手工電弧焊在690鎳基合金基板表面進行堆焊，焊接參數(shù)見表3。此外，堆焊同時利用萬能實驗機并采用柱狀壓頭在基板自由端以恒位移（設定的下壓距離為70 mm）加載方式施加壓力，壓頭的半徑分別為36 mm和73.5 mm。相應的拘束應變分別為2%和4%，見表4。

表2 FM 152的主要成分

表3 可調(diào)拘束試件焊接數(shù)值模擬參數(shù)

表4 可調(diào)拘束實驗及模擬的參數(shù)

可調(diào)拘束實驗完成后，利用線切割機，對焊縫部分進行切割，試樣尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，切割試樣置于丙酮溶液中，超聲清洗15 min。利用冷鑲法制備金相試樣，并分別用粒度為500、1 000、1 500和2 000砂紙進行水磨，利用拋光機結合粒度為2.5μm、1.5μm的拋光劑進行拋光。再利用王水對金相進行腐蝕，并用酒精清洗吹干備用。采用Axio-Vert.A1型光學顯微鏡和JSM-6490LCV型掃描電鏡對裂紋形貌進行觀察，采用JEM-200CX型透射電鏡對試樣裂紋處析出物進行觀察分析。

1.2.2 數(shù)值模擬

為了從力學方面探究堆焊層開裂原因，利用數(shù)值模擬的方法對可調(diào)拘束實驗進行模擬。模擬條件同可調(diào)拘束實驗保持一致，分別采用拘束應變?yōu)?%和4%進行數(shù)值模擬，采用的熱源模型為雙橢球熱源，模擬的具體參數(shù)見表4。可調(diào)拘束實驗模型如圖1所示。其中，支撐試板的底座和施加載荷的壓頭采用剛體模型，試板采用變形體模型。

圖1 可調(diào)拘束實驗模型

2 實驗及數(shù)值模擬結果

2.1 可調(diào)拘束實驗結果

可調(diào)拘束實驗結束后，拘束應變?yōu)?%和4%試樣低倍微觀形貌如圖2所示。可以看出，拘束應變?yōu)?%時試樣表面未發(fā)生開裂（圖2（a）），拘束應變?yōu)?%時試樣表面出現(xiàn)裂紋（圖2（b））。

圖2 不同應變時熔覆金屬表面低倍微觀形貌

圖3 為不同拘束應變時堆焊層表面高倍微觀形貌圖。可以看出，拘束應變?yōu)?%時熔敷金屬組織具有典型的全奧氏體等軸晶，其平均晶粒尺寸為110～120μm。此外，其晶界上分布著大量的白色顆粒狀析出物。拘束應變?yōu)?%時產(chǎn)生的裂紋呈蠕蟲狀且沿晶界分布。在合金裂紋處的晶界上，存在顆粒狀析出物，有些部位連續(xù)分布，有些部位呈間斷分布。由于這些析出物分布在晶界上，對位錯產(chǎn)生了釘扎作用，使得合金的塑形降低，相鄰晶粒的變形協(xié)調(diào)能力較差，在受到溫度和應力的作用下，極易開裂。結合圖中裂紋沿晶界擴展后進行分析，這些析出物對合金的韌性造成了致命的影響，是熔覆金屬產(chǎn)生裂紋的重要內(nèi)因。

圖3 不同應變時熔覆金屬表面高倍微觀形貌

為進一步研究析出物在裂紋附近晶界處的影響，利用透射電鏡對裂紋處析出物形貌進行觀察，如圖4所示。在圖4（a）中可以觀察到析出物呈粒狀，處于晶界位置；在圖4（b）進一步可以觀察到析出物為層片狀結構，該結構性能具有很強的方向性，沿層片法向的性能高于沿層片平行方向。因此，當沿層片平行方向應力較大時，容易引起層間相對位移，形成裂紋源。當裂紋經(jīng)過析出物時，也會因已發(fā)生相對位移而無法對裂紋形成阻礙。

圖4 裂紋附近析出物形貌及結構

2.2 數(shù)值模擬結果

不同拘束度時試板的塑性應變分布如圖5所示。可以看出，拘束應變?yōu)?%時試板上發(fā)生的塑性變形區(qū)域主要為焊縫區(qū)域，焊縫區(qū)域外的其他區(qū)域塑形應變（PEEG）趨于零。在焊縫區(qū)域，塑性應變發(fā)生在焊縫的兩端（其值為3.636%），主要因此處相對于焊縫其他位置受到拘束小，更容易發(fā)生變形。拘束應變?yōu)?%時試板應變分布與拘束應變?yōu)?%時的結果類似，試板上發(fā)生的塑性應變區(qū)域主要為焊縫區(qū)域，除焊縫區(qū)域外的區(qū)域塑形應變（PEEG）接近零，但拘束應變?yōu)?%時對應的應變集中區(qū)比拘束應變?yōu)?%時的應變集中區(qū)窄。在焊縫區(qū)域，塑性應變?nèi)园l(fā)生在焊縫的兩端（其值為6.49%），高于拘束應變?yōu)?%時的結果。

圖5 不同拘束度下可調(diào)拘束試樣的塑性應變分布

為進一步研究不同路徑上的應變分布，在焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)分別沿焊縫方向選取3條路徑Path1（熔合區(qū)）、Path2和Path3（熱影響區(qū)）。不同拘束應變時沿焊縫長度方向的應變分布如圖6所示。可以看出，拘束應變?yōu)?%時3條路徑的應變分布曲線幾乎關于焊縫中垂線對稱，且焊縫中間區(qū)域的分布曲線呈中間拱起的類拋物線形狀。這主要是由于焊縫中間部位受到的應力大，其應變會大于兩邊位置；進一步分析發(fā)現(xiàn)，Path1路徑上的應變變化趨勢為先增大，然后保持不變，最后再減小。在中間位置（Z=72.09 mm）會出現(xiàn)極小值3.18%。與Path1趨勢不同，Path2和Path3的變化趨勢為先減小，再增大，然后保持不變，最后減小。Path2上的應變峰值為3.1%，Path3上的應變峰值為2.25%，兩者均位于路徑中部接近中間位置（Z=72.09 mm）。

拘束應變?yōu)?%時3條路徑分布曲線同樣具有關于焊縫中垂線對稱的特征，但只有Path2和Path3的焊縫中間區(qū)域的分布曲線呈中間拱起的類拋物線形狀，Path1則相反。進一步分析發(fā)現(xiàn)，Path1路徑上的應變變化趨勢為先增大，然后保持不變，最后再減小。在中間位置（Z=72.10 mm）會出現(xiàn)極小值3.52%。與Path1趨勢不同，Path2和Path3的變化趨勢為先減小，再增大，然后保持不變，最后減小。Path2上的應變峰值為8.64%，Path3上的應變峰值為5.92%，兩者均位于路徑中部接近中間位置（Z=72.09 mm）。

3 堆焊層開裂傾向分析

通過上述分析，對不同路徑上應變最小的應變速率進行計算，結合應變速率和臨界應變對應關系，分別計算臨界應變值，結果見表5。

圖6 不同拘束應變下可調(diào)拘束試樣的應變分布

表5 不同拘束應變下應變速率和臨界應變值計算結果

不同拘束應變下的最小應變與臨界應變的關系如圖7所示。可以看出，拘束應變?yōu)?%時對應的的臨界應變?yōu)?.2%，而焊縫區(qū)域的應變最小值為1.6%，高于臨界應變，因而在此拘束應變下不會開裂；拘束應變?yōu)?%時的臨界應變和最小應變值分別為5.0%和7.5%。臨界應變值均大于最小應變值，因此會發(fā)生開裂。同時，可調(diào)拘束實驗中拘束應變?yōu)?%和4%對應的結果表明，2%拘束應變下試板未出現(xiàn)開裂，4%拘束應變下試板的焊縫區(qū)域出現(xiàn)開裂，進一步驗證了實驗結果。

4 結論

1）拘束應變?yōu)?%的試板堆焊層出現(xiàn)裂紋，內(nèi)因是材料晶界處存在層片狀析出物。層片狀析出物性能具有方向性，受到較大應力時易開裂。

圖7 臨界塑性應變及應變最小值對比圖

2）外部拘束應變?yōu)?%時塑性應變區(qū)域寬，外部拘束應變?yōu)?%時塑性應變區(qū)域窄，后者應變峰值高于前者應變峰值。

3）可調(diào)拘束的實驗和數(shù)值模擬結果表明，臨界拘束應變?yōu)?%時未開裂，拘束應變?yōu)?%時開裂，兩者相吻合。