GH2132合金環(huán)縫結(jié)構(gòu)件裂紋敏感性研究

(1.南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063;2.中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司，湖南 株洲 412002)

GH2132合金環(huán)縫結(jié)構(gòu)件裂紋敏感性研究

邢麗1傅徐榮1呂榛2陳同彩1劉誠(chéng)毅1

(1.南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063;2.中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司，湖南 株洲 412002)

針對(duì)軸承座底盤(pán)與螺柱TIG焊環(huán)縫結(jié)構(gòu)，對(duì)不同硼含量的GH2132合金進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，檢測(cè)焊接接頭表面及橫截面裂紋，結(jié)合接頭顯微組織形貌及XRD殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析裂紋形成機(jī)理。結(jié)果表明，GH2132合金底盤(pán)與螺柱TIG焊接頭具有焊接裂紋敏感性，裂紋出現(xiàn)在熔合線(xiàn)附近的粗晶區(qū)，沿晶界向母材擴(kuò)展，為液化裂紋。焊接接頭裂紋敏感性隨焊接熱輸入的增大而增大，合金中硼元素含量對(duì)液化裂紋敏感性有較大影響，含硼高的合金裂紋敏感性高于含硼低的合金。焊接接頭裂紋的分布與該構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。由于軸承座底盤(pán)有一個(gè)中心孔且螺柱靠近中心孔的邊緣，焊接時(shí)螺柱外側(cè)焊縫受到的拘束應(yīng)力大于其內(nèi)側(cè)焊縫，裂紋多出現(xiàn)在螺柱環(huán)形焊縫的外側(cè)。

GH2132 TIG焊 環(huán)縫 液化裂紋 殘余應(yīng)力

0 序 言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的重量占航空發(fā)動(dòng)機(jī)重量的70%以上，幾乎完全用鎳基合金來(lái)制造渦輪葉片，用鎳基或鐵基合金來(lái)制造渦輪盤(pán)[1]。GH2132合金為時(shí)效強(qiáng)化型鐵鎳基高溫合金，具有較高的高溫強(qiáng)度和良好的加工性能，廣泛應(yīng)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)和其它耐熱承力構(gòu)件。焊接是必不可少的制造工藝，焊接接頭的質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)的使用性能。

時(shí)效強(qiáng)化高溫合金在焊接時(shí)接頭容易產(chǎn)生液化裂紋，焊接工藝對(duì)接頭裂紋敏感性具有直接的影響。M.T.Rush等人[2]研究激光焊接鎳基Rene80合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，減小激光功率有利于降低裂紋敏感性，在0.4～6.9 kW功率范圍內(nèi)，光束直徑為2.5 mm時(shí)，裂紋率最小，焊接速度對(duì)裂紋敏感性的影響較小。

溶質(zhì)或雜質(zhì)元素在晶界的非平衡偏析、沿晶界形成的液膜是影響高溫合金焊接時(shí)形成液化裂紋的重要因素[3]。研究表明[4-5]，微量硼元素在多元合金化的高溫合金中對(duì)裂紋敏感性有著顯著的影響。J.E.Ramirez[4]研究發(fā)現(xiàn)，含鈮的IN740合金中由于微量硼元素的存在，促使該合金中的鈮元素發(fā)生偏析，導(dǎo)致合金凝固溫度范圍從169.7 ℃增加到293.5 ℃，從而增大了合金的裂紋敏感性。M.J.Cieslak等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，含鋯的Cabot214高溫合金中由于硼元素的存在，促使了該合金中的鋯元素發(fā)生偏析，從而增大了合金的裂紋敏感性，進(jìn)一步研究硼元素含量對(duì)裂紋敏感性的影響，發(fā)現(xiàn)硼元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003%合金的裂紋敏感性要高于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 2%的合金。因此國(guó)外非常關(guān)注硼元素在高溫合金中的作用[4-5,10]，并在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)硼的含量進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

焊接過(guò)程中，構(gòu)件對(duì)焊縫的拘束作用會(huì)增加液化裂紋的敏感性，與自由狀態(tài)下焊接相比，拘束狀態(tài)焊接時(shí)接頭存在較大的殘余應(yīng)力[6]。秦昕等人[7]采用應(yīng)力釋放法測(cè)量10 mm厚GH3536合金電子束焊接接頭殘余應(yīng)力分布，得到高溫合金電子束焊接接頭殘余應(yīng)力最大值可達(dá)到材料的屈服極限。在部分熔化區(qū)，當(dāng)液化的晶界承受不住拘束應(yīng)力的作用時(shí)，會(huì)形成液化裂紋。

針對(duì)軸承座底盤(pán)與螺柱的環(huán)縫TIG焊結(jié)構(gòu)，對(duì)不同硼含量的兩個(gè)成分批次GH2132合金進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，檢測(cè)焊接接頭表面及橫截面裂紋，并結(jié)合構(gòu)件接頭顯微組織及XRD殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，分析接頭裂紋形成機(jī)理，研究了焊接參數(shù)、合金中微量硼元素含量及構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征對(duì)接頭裂紋敏感性的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試樣結(jié)構(gòu)特征

軸承座底盤(pán)與螺柱的材料均為GH2132合金,該合金為時(shí)效強(qiáng)化鐵鎳基高溫合金，以15Cr-25Ni-Fe為基組成穩(wěn)定的γ基體，金屬間化合物γ′相為強(qiáng)化相，具有較高的強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，合金的抗拉強(qiáng)度為930 MPa，屈服強(qiáng)度為620 MPa[8]。表1為GH2132合金及所用焊絲化學(xué)成分。兩個(gè)成分批次的固溶態(tài)GH2132合金中的合金主元素沒(méi)有大的差別，僅硼元素的含量有差異，A批次合金中硼元素含量為0.01%，B批次合金中硼元素含量為0.009%，為方便分析，稱(chēng)A批次合金為含硼高的合金，B批次合金為含硼低的合金。填充材料為直徑1 mm，含較高M(jìn)o，W的HGH3113鎳基高溫合金。

表1 GH2132和HGH3113合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)①

注：①GH2132為GB/T 14992—2005中的規(guī)定值。

圖1為焊接結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)由軸承座底盤(pán)與3個(gè)螺柱組成，底盤(pán)為外徑220 mm、內(nèi)徑130 mm、厚度5 mm的環(huán)，3個(gè)螺柱均布焊接在環(huán)上，螺柱位置沿底盤(pán)寬度方向不對(duì)稱(chēng)。圖2為沿A-A截面截取的焊接接頭示意圖。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1底盤(pán)與螺柱的焊接

采用Magic Wave 2200焊機(jī)對(duì)A，B兩個(gè)成分批次合金的底盤(pán)與螺柱進(jìn)行TIG焊接工藝試驗(yàn)，焊接電流分別為55 A，65 A，75 A，氣體流量為10 L/min，焊接電壓為9～10 V，焊接速度為30～40 cm/min，采用直流正接，研究焊接熱輸入對(duì)裂紋形成的影響。

圖1 軸承座底盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 焊接接頭示意圖

1.2.2焊接接頭裂紋的檢測(cè)

焊后用酒精清洗焊縫表面，用熒光法檢測(cè)接頭表面裂紋；沿垂直焊縫方向截取5個(gè)焊縫橫截面制備金相試樣，用ZEISS顯微鏡檢測(cè)接頭橫截面裂紋。分別用式(1)[9]和式(2)[9]計(jì)算表面裂紋率Cf和橫截面裂紋率Cs。

(1)

(2)

式中，Σlf為表面裂紋長(zhǎng)度的總和；L為試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度；ΣHs為5個(gè)斷面裂紋深度的總和；ΣH為5個(gè)斷面焊縫最小厚度的總和。

1.2.3焊接接頭裂紋的分析

沿圖1中的A-A截面制備金相試樣，采用50 mL H2O+50 mL CH3CH2OH+50 mL HCl+10 g Cu2SO4溶液進(jìn)行腐蝕，用ZEISS顯微鏡觀察焊縫橫截面顯微組織及裂紋形貌。根據(jù)GB/T 7704—2008《無(wú)損檢測(cè)X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定方法》用Stress3000X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)量?jī)x測(cè)量殘余應(yīng)力沿焊接接頭的分布，測(cè)試點(diǎn)沿圖3中AB方向由底盤(pán)內(nèi)側(cè)向外側(cè)分布，測(cè)量點(diǎn)間距0.5 mm。文中將螺柱中心線(xiàn)偏外環(huán)的焊縫稱(chēng)為外側(cè)焊縫，反之為內(nèi)側(cè)焊縫，如圖3所示。

圖3 殘余應(yīng)力測(cè)試路徑示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭的裂紋檢測(cè)

2.1.1表面裂紋

圖4～5為不同焊接電流時(shí)熒光檢測(cè)出的焊接接頭表面裂紋，圖中虛線(xiàn)圓環(huán)為焊縫，白色為熒光顯現(xiàn)的裂紋。圖4為含硼高的合金熒光檢測(cè)的表面裂紋，圖5為含硼低的合金熒光檢測(cè)的表面裂紋。由圖4～5可知，裂紋均出現(xiàn)在環(huán)焊縫的外側(cè)焊縫焊趾處，沿焊縫周向分布，為縱向裂紋，且隨焊接電流的增大，表面裂紋增多，由點(diǎn)狀逐漸變成線(xiàn)狀分布，總的裂紋長(zhǎng)度增大。在相同焊接電流下，含硼高的合金焊接接頭的表面裂紋總長(zhǎng)度大于含硼低的合金。

圖4 含硼高的合金熒光檢測(cè)的表面裂紋

圖5 含硼低的合金熒光檢測(cè)的表面裂紋

圖6為不同焊接電流下的表面裂紋率。由圖6可見(jiàn)，含硼高的合金焊接接頭裂紋率隨焊接電流的增大而增大，當(dāng)焊接電流為75 A時(shí)，表面裂紋率為7.0%，比焊接電流為55 A時(shí)增加了一倍多。含硼低的合金焊接接頭表面裂紋率隨焊接電流的增大先減小后增大，當(dāng)焊接電流為75 A時(shí)，表面裂紋率為3.6%，相比于焊接電流為55 A時(shí)變化不明顯。電流較小時(shí)，兩種硼含量合金焊接接頭的表面裂紋率均較小，但當(dāng)焊接電流較大時(shí)，含硼高的合金焊接接頭的表面裂紋率明顯大于含硼低的合金，說(shuō)明焊接電流對(duì)含硼高的合金表面裂紋率較含硼低的合金更敏感。

圖6 不同焊接電流下的表面裂紋率

2.1.2橫截面裂紋

圖7～8為不同焊接電流時(shí)接頭橫截面的裂紋形貌，圖中虛線(xiàn)為焊縫熔合線(xiàn)位置。圖7為含硼高的合金焊接接頭橫截面上的裂紋形貌，圖8為含硼低的合金焊接接頭橫截面上的裂紋形貌。由圖7～8可見(jiàn)，裂紋均位于焊縫熔合線(xiàn)附近，且隨焊接電流的增大，裂紋數(shù)量增多。在相同焊接電流下，含硼高的合金焊接接頭橫截面上的裂紋數(shù)量明顯多于含硼低的合金。

圖7 含硼高的合金橫截面裂紋

圖8 含硼低的合金橫截面裂紋

圖9為不同焊接電流下的橫截面裂紋率?？梢?jiàn)，兩種硼含量的GH2132合金焊接接頭的橫截面裂紋率均隨焊接電流的增大而增大，當(dāng)焊接電流為75 A時(shí)，橫截面裂紋率分別為26.7%和22.2%，均比焊接電流為55 A時(shí)增加了一倍多。在相同焊接電流下，含硼高的合金焊接接頭的橫截面裂紋率大于含硼低的合金，說(shuō)明含硼高的合金橫截面裂紋率對(duì)焊接電流的敏感性高于含硼低的合金。上述結(jié)果表明，兩種硼含量的GH2132合金焊接接頭均存在一定的焊接裂紋敏感性，裂紋均出現(xiàn)在環(huán)焊縫的外側(cè)焊縫焊趾處，位于焊縫熔合線(xiàn)附近，裂紋率隨焊接電流的增大而增大，且含硼高的合金焊接接頭裂紋敏感性明顯高于含硼低的合金。

2.2 焊接接頭的顯微組織

圖10為底盤(pán)與螺柱焊接接頭各區(qū)域顯微組織，其中圖10a為母材(BM)顯微組織，母材組織為奧氏體晶粒，顯現(xiàn)的晶界很細(xì)。圖10b為接頭熔合線(xiàn)附近顯微組織，熔合線(xiàn)附近的熱影響區(qū)組織與母材相比，該區(qū)組織晶界較粗，顏色較深。圖10c為圖10b中矩形方框內(nèi)的局部放大。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，晶界中有連續(xù)或者間斷分布的低熔點(diǎn)共晶物，這是晶界液化后，溶質(zhì)原子結(jié)晶偏析的結(jié)果。圖10d為焊接接頭典型裂紋形貌，裂紋起始于熔合線(xiàn)附近熱影響區(qū)，沿晶界向母材擴(kuò)展與該處的晶界在焊接過(guò)程中發(fā)生液化有關(guān)。

圖9 不同焊接電流下的橫截面裂紋率

圖10 焊接接頭的顯微組織

2.3 焊接接頭的殘余應(yīng)力

圖11為XRD測(cè)量得到的底盤(pán)與螺柱接頭上的殘余應(yīng)力分布。可見(jiàn)，焊縫處的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，焊縫兩側(cè)為壓應(yīng)力，外側(cè)焊縫殘余拉應(yīng)力整體大于內(nèi)側(cè)焊縫，內(nèi)、外側(cè)焊縫殘余應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在熔合線(xiàn)附近，見(jiàn)圖中虛線(xiàn)圈。比較內(nèi)外側(cè)焊縫的峰值應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，外側(cè)焊縫的峰值拉應(yīng)力為669 MPa，內(nèi)側(cè)焊縫的峰值拉應(yīng)力為472 MPa，外側(cè)焊縫的應(yīng)力峰值大于內(nèi)側(cè)焊縫。

圖11 接頭殘余應(yīng)力分布

3 分析與討論

3.1 GH2132合金裂紋的形成機(jī)理

由圖10d接頭裂紋形貌可見(jiàn)，焊接裂紋均出現(xiàn)在熔合線(xiàn)附近的熱影響區(qū)，沿晶界向母材擴(kuò)展。圖10b～c中熔合線(xiàn)附近晶界粗化，且晶界中連續(xù)或者間斷分布的低熔點(diǎn)共晶物，表明晶界發(fā)生了液化。結(jié)合文獻(xiàn)[10]分析認(rèn)為，圖10b～10c中的晶界液化是由于該合金基體與碳化物或者其它金屬間化合物顆粒之間發(fā)生組分液化引起的。晶界液化弱化了熔合線(xiàn)附近熱影響區(qū)的組織，使得該區(qū)域金屬在焊接過(guò)程中承受不住焊接拉應(yīng)力的作用而開(kāi)裂。

3.2 熱輸入及硼元素含量對(duì)裂紋形成的影響

由圖6和圖9裂紋率結(jié)果表明，兩個(gè)成分批次GH2132合金焊接接頭裂紋率均隨焊接電流的增大而增大。這是因?yàn)镚H2132合金為奧氏體基體，熱導(dǎo)率較小,導(dǎo)熱差，焊接時(shí)易造成熱量堆積，熱影響區(qū)晶粒容易長(zhǎng)大；而焊接熱輸入的增大促使了在晶界形成液化膜，導(dǎo)致裂紋率增大。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著硼元素含量增加，合金的裂紋敏感性增大。文中含硼高的合金硼元素含量為0.01%，是GB/T 14992—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限，含硼低的合金硼元素含量為0.009%，低于允許的上限。結(jié)合文獻(xiàn)[4-5]分析，當(dāng)合金中硼元素含量增加可能會(huì)增大合金的凝固溫度范圍，從而增加合金焊接時(shí)液化裂紋的敏感性，導(dǎo)致含硼高的合金的裂紋敏感性高于含硼低的合金。

3.3 構(gòu)件拘束對(duì)裂紋形成的影響

圖11焊接接頭殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，外側(cè)焊縫的殘余應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)焊縫，且應(yīng)力峰值出現(xiàn)在熔合線(xiàn)附近，這與焊接接頭中裂紋均出現(xiàn)在外側(cè)焊縫熔合線(xiàn)附近的結(jié)果一致。圖12為底盤(pán)與螺柱焊接接頭裂紋形成示意圖，在焊接過(guò)程中，焊縫金屬的快速凝固會(huì)形成焊接應(yīng)力Rr，由于底盤(pán)對(duì)螺柱焊接接頭收縮的拘束會(huì)形成一個(gè)拘束力Rf，因此底盤(pán)與螺柱焊縫上承受的總應(yīng)力為Rr與Rf之和。假設(shè)內(nèi)外側(cè)焊縫承受的總應(yīng)力分別為R內(nèi)和R外，由于外側(cè)焊縫距底盤(pán)外邊緣的距離大于內(nèi)側(cè)焊縫距底盤(pán)內(nèi)邊緣的距離，導(dǎo)致外側(cè)焊縫受到的拘束應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)焊縫，外側(cè)焊縫上的總應(yīng)力R外大于內(nèi)側(cè)焊縫上的總應(yīng)力R內(nèi)，因此，外側(cè)焊縫熔合線(xiàn)附近的液化晶界在較大拘束應(yīng)力的作用下更容易形成裂紋。

圖12 底盤(pán)與螺柱焊接接頭裂紋形成示意圖

4 結(jié) 論

(1)GH2132合金底盤(pán)與螺柱環(huán)縫TIG焊接頭具有裂紋敏感性，裂紋出現(xiàn)在焊縫熔合線(xiàn)的粗晶區(qū)，沿晶界向母材擴(kuò)展；焊接裂紋是熔合線(xiàn)附近組織發(fā)生晶界液化，弱化了的該區(qū)組織在焊接拉應(yīng)力的作用下形成的裂紋。

(2)焊接接頭裂紋敏感性隨焊接熱輸入的增大而增大，采用較小的焊接電流可以有效地降低接頭裂紋率；合金中硼元素的含量對(duì)液化裂紋敏感性有較大的影響，含硼高的合金焊接時(shí)裂紋敏感性明顯高于含硼低的合金。

(3)焊接接頭裂紋的分布與該構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，裂紋出現(xiàn)在環(huán)形焊縫的外側(cè)焊縫是由于焊接時(shí)外側(cè)焊縫受到的拘束應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)焊縫。

[1] 周瑞發(fā). 熱加工參數(shù)對(duì)高溫合金組織和性能的影響(一)[J]. 材料工程，1990，3(5): 8-16.

[2] Rush M T，Colegrove P A，Zhang Z，et al. Liquation and post-weld heat treatment cracking in Rene 80 laser repair welds[J]. Journal of Materials Processing Technology，2012，212(1): 188-197.

[3] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)(第2版)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001: 653-660.

[4] Ramirez J E. Susceptibility of IN740 to HAZ liquation crack-ing and ductility-dip cracking[J]. Welding Journal，2012，91(4): 122-131.

[5] Cieslak M J，Stephens J J，Carr M J. A study of the weldability and weld related microstructure of cabot alloy 214[J]. Metallurgical Transactions A，1988，19(3): 657-667.

[6] 方洪淵. 焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2008: 68-69.

[7] 秦 昕，王 慶，張彥華. GH3536電子束焊接殘余應(yīng)力分布分析[J]. 航空制造技術(shù)，2009，4(5): 78-80.

[8] 中國(guó)航空材料手冊(cè)輯委員會(huì). 中國(guó)航空材料手冊(cè)第2卷[M]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001: 93-112.

[9] 李亞江. 焊接冶金學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2004: 35-37.

[10] Sindo Kou.閆久春，楊建國(guó)，張廣軍 譯. 焊接冶金學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社,2012: 293-303.

2017-06-21

TG406

邢麗，1959年生，南昌航空大學(xué)教授，碩士研究生導(dǎo)師。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、省部級(jí)科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，主要從事焊接冶金、焊接結(jié)構(gòu)分析、攪拌摩擦焊技術(shù)及先進(jìn)材料連接技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作，主持完成多項(xiàng)為企業(yè)服務(wù)的應(yīng)用性課題， 曾獲江西省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各一次，已發(fā)表論文80 余篇。

《焊接》雜志經(jīng)過(guò)多項(xiàng)學(xué)術(shù)指標(biāo)綜合評(píng)定及同行專(zhuān)家評(píng)議推薦，被收錄為“中文核心期刊”及“中國(guó)科技核心期刊”(中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊)，是焊接行業(yè)獨(dú)家“雙核心”技術(shù)類(lèi)期刊。