引 言

GH4169 合金是高推重比航空發(fā)動機的熱端部件廣泛采用的高強度高溫合金之一。在航空工業(yè)中，高溫合金主要用于制造燃氣渦輪發(fā)動機的高溫工作構(gòu)件，如燃燒室、渦輪盤和葉片、導(dǎo)向器葉片和機匣、擴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特的優(yōu)勢[3-4]。

通過室溫拉伸試驗、斷口分析、金相組織分析、微區(qū)硬度分析手段，對 GH4169 合金氬弧焊接頭室溫力學(xué)性能和接頭組織進行了分析和研究。

1、試驗材料和方法

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

試驗采用鎢極氬弧焊，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；保護氣體（Ar）氣體流量為 12 ~15 L/min。

室溫拉伸試驗按照 GB 228.1-2010“金屬材料拉伸試驗 第 1 部分：室溫試驗方法”進行，拉伸試驗在CMT4204 微機控制電子萬能試驗機上進行；斷面觀察試驗采用蔡司 Sigma300 場發(fā)射掃描電鏡進行觀察；微區(qū)硬度采用規(guī)格型號為 QNESS 10 維氏硬度計來測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+無水乙醇。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能試驗結(jié)果分析

對比氬弧焊焊接件及母材的抗拉強度可以檢驗GH4169 的焊接情況。固溶態(tài) GH4169 母材及焊接接頭室溫拉伸試驗結(jié)果見表 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度相比母材降低較少，而 60 A 電流下的焊接件抗拉強度降低明顯，焊接件的斷裂位置均位于熱影響區(qū)附近，同時斷面的方向均是傾斜 45°，斷口呈現(xiàn)剪切唇形貌。

2.2 斷面試驗結(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 進行分析如下：

圖 1 的（a）為母材的拉伸試樣斷面，剪切韌窩細小，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，大孔洞中可見明顯的蛇形滑移花樣[5]，見（b）所示；45 A 焊接件斷面呈現(xiàn)的剪切韌窩相對混亂，大小不一，其中較大韌窩相比 35 A 焊接件韌窩相差不大，韌窩心部可見強化相形貌，見（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。觀察可見焊縫組織為樹枝狀奧氏體，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，但晶粒長大嚴(yán)重[6]，觀察可見，其中 60 A 電流下焊接熱影響區(qū)長度遠大于 35 A、45 A 焊接熱影響區(qū)，晶粒變大的程度更加明顯。

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)下化合物相相對母材的變化情況。使用場發(fā)射掃描電鏡對母材及各電流下焊接件中組成相形態(tài)的進一步探究，見圖 3 所示。

電鏡觀察狀態(tài)下，對其成分分析結(jié)果母材中嵌入相相對較多，能譜分析顯示其主要為 NbC、TiN，見圖 4 中（a）（b）所示，TiN 呈金塊狀分布在晶粒內(nèi)，NbC 形狀為塊狀夾雜物；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，見圖 4中（c）所示；而焊縫位置的樹枝狀奧氏體區(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，見圖 4 中（d）。因為合金在凝固的過程中會先形成碳化物，綜合結(jié)果來看，焊縫位置碳化物相對較多，越遠離焊縫碳化物越少 。

2.5 硬度試驗結(jié)果分析

焊縫位置硬度分析可以檢測不同焊接狀態(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 35 A 和 45 A 焊接電流下熱影響區(qū)相對較窄，60 A 電流下熱影響區(qū)相對較寬，且硬度值更低，這與 60 A 電流焊接件的拉伸強度較低相對應(yīng)，同時三種焊接電流焊接件的熱影響區(qū)位置硬度值最低，與拉伸試驗的斷裂位置位于熱影響區(qū)相對。熔合線左側(cè)晶粒長大對應(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)。

3、結(jié) 語

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度比母材低，隨著焊接電流的增大，抗拉強度呈下降趨勢，焊接電流達到 60 A，抗拉強度下降明顯，同時實驗過程中也發(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，同時其斷面的剪切韌窩增大明顯；

（3）焊縫處的樹枝狀奧氏體區(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，遠超過晶粒明顯長大的熱影響區(qū)范圍。

參考文獻：

[1] 許鴻吉，田世英，謝明，等.高溫合金 GH4169 氬弧焊接頭的高溫組織和力學(xué)性能[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報，2006，27（3）：77-79.

[2] 林志峰，陳志凱，邢斌，等.釬焊溫度對 GH4169/1Crl8Ni9Ti接頭組織和性能影響研究[J].焊接，2017（8）：25-27.

[3] 牛靜，張凡云，楊樹林，等.不同時效處理對 GH4169 合金金相組織性能的影響[J].航空制造技術(shù)，2016（20）：45-48.

[4] 劉臣，田素貴，王欣，等.一種 GH4169 鎳基合金的組織結(jié)構(gòu)與蠕變性能[J].材料工程，2017，45（6）：43-48.

[5] 魏振偉，劉昌奎，顧玉麗，等.GH536 鎳基高溫合金焊接接頭力學(xué)性能與斷裂特征研究[J].航空材料學(xué)報，2015，35（5）：70-74.

[6] 吳家云.焊后熱處理對 GH648 鎳基合金氬弧焊接頭組織和性能影響的研究[J].焊接，2014（11）：10-13.

相關(guān)鏈接