GH4169氬弧焊接頭組織及力學(xué)性能研究

王 京

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 引言

GH4169合金是高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件廣泛采用的高強(qiáng)度高溫合金之一。在航空工業(yè)中，高溫合金主要用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫工作構(gòu)件，如燃燒室、渦輪盤(pán)和葉片、導(dǎo)向器葉片和機(jī)匣、擴(kuò)散器和加力燃燒室等，其中多數(shù)板材合金構(gòu)件是采用焊接工藝制造，有些鍛件和鑄件也需要焊接，因此，高溫合金的焊接性和焊接工藝對(duì)其推廣和應(yīng)用是非常重要的[1-2]。固溶態(tài)的高溫合金焊接逐步在工廠中投入使用，氬弧焊在薄板方面的焊接有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3-4]。通過(guò)室溫拉伸試驗(yàn)、斷口分析、金相組織分析、微區(qū)硬度分析手段，對(duì)GH4169合金氬弧焊接頭室溫力學(xué)性能和接頭組織進(jìn)行了分析和研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為板厚1.5 mm的GH4169高溫合金，固溶酸洗狀態(tài)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 GH4169化學(xué)成分

試驗(yàn)采用鎢極氬弧焊，選用與母材化學(xué)成分相同的焊絲，焊接規(guī)范參數(shù)為：母材厚度為1.5 mm；焊絲直徑為2.0～2.5 mm；鎢極直徑為2.0～2.5 mm；焊接電流低于35 A存在未焊合現(xiàn)象，因此選用焊接電流為35 A、45 A、60 A；保護(hù)氣體（Ar）氣體流量為12～15 L/min。

室溫拉伸試驗(yàn)按照GB 228.1-2010“金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法”進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)在CMT4204微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；斷面觀察試驗(yàn)采用蔡司Sigma300場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀察；微區(qū)硬度采用規(guī)格型號(hào)為QNESS 10維氏硬度計(jì)來(lái)測(cè)量焊接接頭的硬度分布；采用AXIO金相顯微鏡觀察GH4169焊接接頭組織形貌，腐蝕劑為CuSO4+HCl+無(wú)水乙醇。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比氬弧焊焊接件及母材的抗拉強(qiáng)度可以檢驗(yàn)GH4169的焊接情況。固溶態(tài)GH4169母材及焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，35 A、45 A焊接電流下焊接件的抗拉強(qiáng)度相比母材降低較少，而60 A電流下的焊接件抗拉強(qiáng)度降低明顯，焊接件的斷裂位置均位于熱影響區(qū)附近，同時(shí)斷面的方向均是傾斜45°，斷口呈現(xiàn)剪切唇形貌。

表2 GH4169母材及焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 斷面試驗(yàn)結(jié)果分析

觀察斷面的韌窩形貌可以研究焊接熱影響區(qū)晶粒變化對(duì)韌窩形貌的影響。圖1為拉伸試樣的斷面形貌，均為500倍下觀察結(jié)果。以圖1進(jìn)行分析如下：

圖1的（a）為母材的拉伸試樣斷面，剪切韌窩細(xì)小，拉伸后斷面存在較多大孔洞；35 A焊接件斷面呈現(xiàn)的剪切韌窩相比母材韌窩變大許多，韌窩整體較淺，大孔洞中可見(jiàn)明顯的蛇形滑移花樣[5]，見(jiàn)（b）所示；45 A焊接件斷面呈現(xiàn)的剪切韌窩相對(duì)混亂，大小不一，其中較大韌窩相比35 A焊接件韌窩相差不大，韌窩心部可見(jiàn)強(qiáng)化相形貌，見(jiàn)（c）所示；（d）為60 A焊接件斷面，剪切韌窩相比于35 A、45 A焊接件較大，孔洞的深度也更深，孔洞中蛇形滑移花樣更加明顯，應(yīng)是60 A焊接電流下熱影響區(qū)晶粒變大明顯的結(jié)果。

2.3 金相試驗(yàn)結(jié)果分析

金相組織分析可以研究不同焊接電流下熱影響區(qū)的變化情況。圖2為35A、45A、60A焊接電流下的焊接金相組織，固溶態(tài)的GH4169母材組織為奧氏體結(jié)構(gòu)，應(yīng)由γ基體、γ（'Ni3AlTi）、γ'（'Ni3Nb）、碳化物和δ相組成。觀察可見(jiàn)焊縫組織為樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體，熔合區(qū)呈現(xiàn)等軸的奧氏體組織，紅線內(nèi)顯示的是晶粒變大的熱影響區(qū)，與母材組織相同，但晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重[6]，觀察可見(jiàn)，其中60 A電流下焊接熱影響區(qū)長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于35 A、45 A焊接熱影響區(qū)，晶粒變大的程度更加明顯。

圖2 金相組織形貌

2.4 合金中相分析

化合物相的分析可以研究不同焊接狀態(tài)下化合物相相對(duì)母材的變化情況。使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)母材及各電流下焊接件中組成相形態(tài)的進(jìn)一步探究，見(jiàn)圖3所示。電鏡觀察狀態(tài)下，對(duì)其成分分析結(jié)果母材中嵌入相相對(duì)較多，能譜分析顯示其主要為NbC、TiN，見(jiàn)圖4中（a）（b）所示，TiN呈金塊狀分布在晶粒內(nèi)，NbC形狀為塊狀?yuàn)A雜物；35 A、45 A、60 A焊接試樣熱影響區(qū)位置的相形態(tài)呈現(xiàn)為浮在基體上的圓餅狀，能譜分析顯示主要為NbC，位于晶界上，見(jiàn)圖4中（c）所示；而焊縫位置的樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體區(qū)域的化合物，能譜顯示除了碳化物外，還存在γ′相成分。其形態(tài)更像是懸浮基體的不規(guī)則形狀相，見(jiàn)圖4中（d）。因?yàn)楹辖鹪谀痰倪^(guò)程中會(huì)先形成碳化物，綜合結(jié)果來(lái)看，焊縫位置碳化物相對(duì)較多，越遠(yuǎn)離焊縫碳化物越少。

圖3 組成相分析

2.5 硬度試驗(yàn)結(jié)果分析

焊縫位置硬度分析可以檢測(cè)不同焊接狀態(tài)下硬度的變化情況。圖5為35 A、45 A、60 A焊接電流下的熔合線附近顯微硬度圖，熔合線左側(cè)為母材熱影響區(qū)，右側(cè)為焊縫區(qū)，可見(jiàn)35 A和45 A焊接電流下熱影響區(qū)相對(duì)較窄，60 A電流下熱影響區(qū)相對(duì)較寬，且硬度值更低，這與60 A電流焊接件的拉伸強(qiáng)度較低相對(duì)應(yīng)，同時(shí)三種焊接電流焊接件的熱影響區(qū)位置硬度值最低，與拉伸試驗(yàn)的斷裂位置位于熱影響區(qū)相對(duì)。熔合線左側(cè)晶粒長(zhǎng)大對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)及左側(cè)晶粒變化不明顯的母材區(qū)其顯微硬度均低于焊縫區(qū)。

圖5 試樣顯微硬度曲線圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上分析得出以下結(jié)論：

（1）固溶狀態(tài)下GH4169高溫合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度比母材低，隨著焊接電流的增大，抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，焊接電流達(dá)到60 A，抗拉強(qiáng)度下降明顯，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)該參數(shù)下30 A焊接電流板材出現(xiàn)未焊合情況，因此在保證抗拉強(qiáng)度的前提下使用該板材建議將焊接電流控制在30 A以上、60 A以下；

（2）35 A、45 A焊接電流下晶粒明顯長(zhǎng)大的熱影響區(qū)寬度相差不大，60 A焊接電流下熱影響區(qū)寬度明顯增大，同時(shí)其斷面的剪切韌窩增大明顯；

（3）焊縫處的樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體區(qū)含有較多碳化物，高Ni元素也反映其存在較多γ'相，熱影響區(qū)碳化物含量相比焊縫降低，在電鏡中觀察形態(tài)也更趨于懸浮的圓餅狀，母材中出現(xiàn)一定量的TiN相及NbC相，形態(tài)為嵌入狀，同時(shí)其碳化物含量相比熱影響區(qū)明顯減少；

（4）熱影響區(qū)顯微硬度最低，遠(yuǎn)端母材區(qū)與焊縫區(qū)硬度相差不大，因此母材真正熱影響區(qū)范圍較大，遠(yuǎn)超過(guò)晶粒明顯長(zhǎng)大的熱影響區(qū)范圍。