GH536鎳基高溫合金焊接接頭力學性能與斷裂特征研究

魏振偉， 劉昌奎， 顧玉麗， 陶春虎

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.中航工業(yè)失效分析中心,北京100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室,北京100095)

GH536鎳基高溫合金焊接接頭力學性能與斷裂特征研究

魏振偉1，2，3， 劉昌奎1，2，3， 顧玉麗1，2，3， 陶春虎1，2，3

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.中航工業(yè)失效分析中心,北京100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室,北京100095)

對GH536合金焊接接頭的硬度進行測試和分析,對母材及焊接接頭進行室溫和500℃拉伸試驗,并分析了斷裂特征,分析了母材和焊接接頭不同區(qū)域的斷裂韌度。結(jié)果表明：熱影響區(qū)硬度未見明顯變化,與母材一致；從熔合線到焊縫中心,由于枝晶變細,顯微硬度逐漸升高。焊接接頭整體室溫拉伸強度、屈服強度和斷后伸長率分別為810MPa,392MPa和30%,達到了母材的99.6%,99.7%和93.8%；在500℃時,接頭整體抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為678MPa,300MPa和26%,達到了母材的98.1%,96.8%和78.8%；GH536合金焊接接頭具有良好的力學性能。在熔合區(qū)組織不均勻性最為嚴重,熔合區(qū)是GH536合金焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。在室溫和500℃,母材及焊接接頭的斷裂方式均為塑性斷裂。

鎳基高溫合金；鎢極氬弧焊；顯微硬度；拉伸性能；斷裂韌度；裂紋尖端張開位移

GH536(Hastelloy X)是一種以Ni-Cr-Fe為基的固溶強化型變形高溫合金,主要的固溶強化元素為Mo、W和Co,在高溫下具有良好的耐蝕性能、抗氧化性能及強度,冷熱加工性能及焊接性能良好。由于其良好的高溫性能,被廣泛應用于航空發(fā)動機燃燒室部件、壓氣機盤、風扇、葉片及其他高溫部件的生產(chǎn)加工中［1,2］。各種尺寸的GH536合金管材生產(chǎn)工藝成熟。目前,已經(jīng)提出采用變形高溫合金作為替代材料,制作發(fā)動機導管。同時,考慮到導管安裝和使用的便利,很多導管采用焊接的方式進行連接。而對于一個材料的使用,要充分考慮其力學性能,尤其是其使用條件下的性能,同時對于其薄弱環(huán)節(jié)有所了解。只有綜合考慮其力學性能的優(yōu)點和缺點,才能夠更好、更安全的設計和使用。

Prasad Reddy［3］和M iner［4］等人分別研究了Hastelloy X固溶態(tài)和不同時效狀態(tài)下的組織。同時,對于GH536的性能研究也主要集中在原材料方面,溫度和應變速率對Hastelloy X流變性能的影響［1］,加工性能［2］、塑性畸變［5,6］、時效硬化機制［5］、疲勞性能［2,5］以及蠕變性能［7］等。Graneix等究了Hastlloy X和Haynes 188之間的焊接組織和性能［8］。而對于GH536合金焊接接頭的力學性能研究很少,尤其是其高溫力學性能和斷裂韌性未見有報道。本工作通過研究GH536合金焊接接頭硬度、室溫及500℃下的拉伸性能和斷裂韌度變化及斷裂特征,分析了導致焊接接頭力學性能變化原因,對于判定GH536合金焊接接頭質(zhì)量和焊劑接頭的安全評估均有重要意義。

1 實驗材料及方法

選擇了外徑φ50mm、壁厚2.5mm的GH536導管作為實驗材料。焊絲直徑φ2mm,焊絲合金牌號與實驗用導管合金牌號相同。GH536高溫合金的化學成分見表1。

GH536合金導管坡口形式為單邊V型坡口,坡口角度為45°,鈍邊高度為0.5mm,焊接前使用丙酮和稀酸清洗焊接表面,保證表面無灰塵、殘留氧化物等。將管材用專用卡具夾持在焊接自動轉(zhuǎn)臺上,接頭形式為對接,無間隙。焊接設備為美國M iller Syncroxave 350LX焊機,采用手工鎢極氬弧焊方法進行單面焊。焊接完成后進行980℃/2h的去應力退火處理。使用Struers TegraPol-35制樣系統(tǒng)制備金相試樣,金相腐蝕采用Kalling試劑(CuCl25g+ HCl 100m L+C2H5OH 100m L),并使用金相顯微鏡觀察組織。采用H450-SVDH型顯微硬度儀測量焊接接頭截面中心線的顯微硬度,測試力為200g,步長為200μm。依據(jù)標準GB/T228.1—2010和GB/ T4338—2006在RPL-100蠕變試驗機上進行母材和焊接接頭的室溫及高溫(500℃)拉伸性能測試,試樣厚度為2.5mm,其它尺寸見圖2,母材拉伸性能測試使用原材料,并使用Camscan3100掃描電鏡觀察斷裂特征。根據(jù)標準BS7448—1997使用疲勞試驗機測定母材及焊接接頭不同區(qū)域的斷裂韌度(CTOD),試樣厚度為2.5mm,其它尺寸見圖3,缺口部位依次在焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū),母材的CTOD測試使用原材料。

表1 GH536高溫合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table1 Chem ical composition of GH536 superalloy(mass fraction/%)

圖1 焊縫硬度測試示意圖Fig.1 Schematic illustration ofm icrohardness testing of xelded joint

圖2 拉伸測試試樣尺寸圖Fig.2 Dimension of specimen for tension test

圖3 SE斷裂韌度測試試樣尺寸圖Fig.3 SE dimension of specimen for fracture toughness test

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微硬度

焊接接頭的顯微硬度測試結(jié)果如圖4所示,從母材到熔合線,硬度值未見有明顯變化,HV在210～220之間；從熔合線到焊縫中心,顯微硬度逐漸升高,在焊縫中心達到最大值HV270；隨后硬度逐漸下降,以焊縫中心線為中心對稱分布。由以上結(jié)果可以知道,焊接過程對GH536合金熱影響區(qū)的硬度影響不顯著。作者曾對GH536合金焊接接頭的組織進行研究,母材上,碳化物在晶內(nèi)彌散析出,在晶界上不連續(xù)析出。熱影響區(qū)晶粒未見有明顯長大,只是原有的鏈狀碳化物粗化。焊縫區(qū),碳化物在枝晶間和晶界析出。從熔合線到焊縫中心,柱狀晶約垂直于熔合線向焊縫中心生長,晶粒尺寸逐漸增大,焊縫中心為等軸晶,而枝晶組織變得更加細小,見圖5。文獻研究表明［9］,HV=Kλ-1/4,K是常數(shù),λ為二次枝晶間距。綜合分析焊接接頭組織變化,枝晶組織更加細小是導致焊縫中心硬度較高的主要原因。

圖4 焊接接頭截面橫向硬度變化Fig.4 M icrohardness transverse distribution in the xelded joint across fusion line

2.2 拉伸性能

圖6對比了母材和焊接接頭室溫及500℃拉伸性能。從圖6a中可以看到,母材室溫抗拉強度為8 13MPa,焊接接頭抗拉強度810MPa,達到母材的99.6%,斷裂位置在焊縫；母材500℃抗拉強度為691MPa,焊接接頭500℃抗拉強度為678MPa,達到母材的98.1%,斷裂位置在焊縫。從圖6b中可以看到,母材室溫屈服強度393MPa,焊接接頭屈服強度為392MPa,達到母材的99.7%；母材500℃屈服強度為 310MPa,焊接接頭 500℃屈服強度為300MPa,達到母材的96.8%。母材室溫斷后伸長率為32%,焊接接頭斷后伸長率30%,達到母材的93.8%；母材500℃斷后伸長率為33%,焊接接頭500℃斷后伸長率為26%,達到母材的78.8%,見圖6c。GH536合金焊接接頭的強度系數(shù)不低于96. 8%,充分說明其具有良好的力學性能,能夠作為航空發(fā)動機的焊接導管。不論是室溫狀態(tài)下還是500℃狀態(tài)下,GH536合金焊接接頭的抗拉強度和屈服強度都接近于母材；焊接接頭的斷后伸長率要低于母材,在500℃下更顯著。從焊接接頭的硬度測試結(jié)果可以知道,焊縫的硬度要高于母材,也就是焊縫的強度高于母材。由于焊接接頭的性能是不均勻的,容易在焊縫處形成應力集中,因此雖然焊縫的強度較高,但GH536合金焊接接頭的抗拉強度和屈服強度都十分接近于母材,斷裂位置在焊縫。斷后伸長率表征的是材料的塑性變形能力,焊縫的組織和力學性能不均勻,導致位錯滑移困難,因此焊接接頭的斷后伸長率較低。而在500℃下,組織和性能均勻的母材會有更多的滑移系開動,其斷后伸長率較焊接接頭會更高。

圖5 焊接接頭組織形貌Fig.5 Microstructuremorphology of xelded joint

圖6 母材及焊接接頭拉伸性能 (a)抗拉強度；(b)屈服強度；(c)斷后伸長率Fig.6 Tensile properties of based metal and xelded joints (a)tensile strength；(b)yield strength；(c)elongation

2.3 斷裂韌性

對母材和焊接接頭不同區(qū)域的斷裂韌度測試平均結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn),它們的CTOD值中彈性分量δe接近,只占CTOD值中很小一部分；塑性分量δp差異較大；CTOD值從高到底依次為母材＞焊縫中心＞熱影響區(qū)＞熔合線區(qū)域,見圖7。焊縫中心、熱影響區(qū)和熔合區(qū)CTOD值分別為母材的94.6%, 89.7%和84.2%。CTOD是表征材料抵抗裂紋萌生和擴展的能力,CTOD值越大說明材料抗開裂性能越好,韌性越好。從以上結(jié)果可以知道,GH536合金焊接接頭抵抗斷裂的能力從強到弱依次為母材＞焊縫中心＞熱影響區(qū) ＞熔合區(qū),熔合區(qū)抵抗裂紋擴展的能力最弱。從硬度測試結(jié)果和拉伸性能可以知道,GH536合金焊接接頭屬于高匹配性接頭,焊縫強度較高,塑性較低。當在焊縫產(chǎn)生裂紋時,在焊縫區(qū)產(chǎn)生較小的塑性應變區(qū),而在母材產(chǎn)生較大的塑性應變區(qū),且位錯不易向較硬的焊縫擴展,位錯在熔合線附近塞集,產(chǎn)生較大的應力集中,導致熔合區(qū)硬化、變脆。而從組織上來分析,熔合區(qū)是熱影響區(qū)到焊縫的過渡區(qū)域,熱影響區(qū)為等軸晶,而焊縫為樹枝狀晶,熔合區(qū)的組織不均勻性最嚴重。劉昌奎［10］和范引鶴［11］分別對TA15和1Cr18Ni9Ti焊接接頭的性能研究發(fā)現(xiàn),熔合區(qū)組織不均勻程度最高,裂紋容易萌生,是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。GH536合金焊接接頭熔合區(qū)CTOD值最小,組織不均勻性嚴重,其抵抗裂紋萌生和擴展的能力最弱,是GH536合金焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

圖7 母材和焊接接頭不同區(qū)域斷裂韌度CTOD結(jié)果對比圖Fig.7 Contrast results of fracture toughness CTOD in based metal and xelded joint

2.4 斷裂特征

圖8為母材及焊接接頭室溫和500℃拉伸斷裂形貌。從圖8a中可以看到,母材室溫拉伸斷口形貌特征為沿晶韌窩。從圖8b可以看到,焊接接頭室溫拉伸斷口特征呈現(xiàn)為枝晶形貌,且可見明顯的韌窩特征。從圖8c可以看到,母材500℃拉伸斷口形貌特征為韌窩,同時可見二次裂紋。從圖8d可以看到,焊接接頭拉500℃伸斷口特征呈現(xiàn)為枝晶形貌,可見明顯的韌窩特征,且存在大量二次裂紋。在部分韌窩底部可見有碳化物顆粒。焊接接頭斷口韌窩明顯較母材的細小、淺。從拉伸斷裂特征也驗證了母材較焊接接頭的斷后伸長率更高,即塑性更好。

圖8 拉伸斷裂形貌 (a)母材室溫；(b)焊接接頭室溫；(c)母材500℃；(d)焊接接頭500℃Fig.8 Tensile fracture appearances of (a)based metal(RT)；(b)x elded joint(RT)；(c)based metal(500℃)；(d)x elded joint(500℃)

從拉伸性能數(shù)據(jù)和拉伸斷口特征可以看到,在室溫和500℃,母材和焊接接頭均是塑性斷裂。材料的塑性變形來源于位錯的運動。在室溫下,塑性變形主要依靠位錯的滑移來實現(xiàn),且滑移系較少。在高溫下,位錯不僅能滑移,還能攀移,且能開動的滑移系較多。室溫下位錯更容易在晶界塞集,造成應力集中,而在母材晶界上不連續(xù)析出的碳化物造成晶界強度變?nèi)?裂紋在晶界萌生,最終導致沿晶開裂。在高溫下,位錯運動容易從一個晶粒傳遞到另一個晶粒,不易在晶界造成大的應力集中,而彌散分布的碳化物導致微孔聚集型韌窩斷裂。焊縫區(qū)域,碳化物在枝晶間偏聚、析出,裂紋在枝晶間萌生、擴展,形成枝晶斷裂形貌,邊緣為撕裂棱。

3 結(jié)論

(1)母材和熱影響區(qū)顯微硬度未見有明顯變化,HV在210～220之間,從熔合線到焊縫中心,顯微硬度逐漸升高,焊縫中心硬度最高HV270,焊縫中心枝晶組織細小是其硬度較高的主要原因。

(2)焊接接頭整體室溫拉伸強度、屈服強度和斷后伸長率分別為810MPa,392MPa和30%,達到了母材的99.6%,99.7%和93.8%；在500℃時,接頭整體拉伸強度、屈服強度和斷后伸長率分別為678MPa,300MPa和26%,達到了母材的98.1%, 96.8%和78.8%；GH536合金焊接接頭具有良好的力學性能。

(3)熔合區(qū)CTOD值較小,組織不均勻性最嚴重,是GH536合金焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

(4)在室溫和500℃,母材和焊接接頭均為塑性斷裂。

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M echanical Properties and Fracture Characteristics of W elded Joint in GH536 Ni-based Superalloy

WEI Zhen-x ei1,2,3, LIU Chang-kui1,2,3, GU Yu-li1,2,3, TAO Chun-hu1,2,3
(1.AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；2.Failure Analysis Center of Aviation Industry Corporation of China,Beijing 100095,China；3.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation,Beijing 100095, China)

Microhardness,tensile properties and fracture toughness of based metal and different zones in xelded joint for GH536 obtained by gas tungsten arc xelding(GTAW)xere studied.The results shox that hardness in HAZ is equal to BM,hoxever,hardness becomes higher from fusion line to x eld center for finer dendritic structures.The tensile strengthσb、yield strengthσsand elongationδ at room temperature(RT)are 810MPa,392MPa and 30%,xhich reach 99.6%,99.7%and 93.8%of based materials’,respectively；Theσb,σsandδat 500℃are 678MPa,300MPa and 26%,x hich reach 98.1%,96.8%and 78.8%of based materials’,respectively；The xelded joint of GH536 has good mechanical properties.Fusion zone is the xeak link of xelded joint for highermicrostructure heterogeneity.Based metal and x elded joint break mainly in the xay of p lastic rupture both at RT and 500℃.

Ni-based superalloy；gas tungsten arc xelding(GTAW)；microhardness；tensile properties；fracture toughness；crack tip opening displacement(CTOD)

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.5.011

TG113

A

1005-5053(2015)05-0070-05

2015-04-01；

2015-04-29

魏振偉(1986—),男,博士,主要從事失效分析及金屬材料微觀物理方面研究,(E-mail)xeizhenxei@live.cn。