焊接參數(shù)對(duì)FGH96慣性摩擦焊接頭組織和高溫拉伸性能的影響

楊 俊,李京龍,董登科,廖江海

（1.西北工業(yè)大學(xué) 摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 金屬材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究室，西安710065）

FGH96合金是第二代損傷容限型粉末高溫合金，優(yōu)化了材料的抗裂紋擴(kuò)展能力，是750 ℃工作條件下滿足高推比、高燃效發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求的渦輪盤、環(huán)形件和其他熱端部件的關(guān)鍵材料[1-2]。慣性摩擦焊（inertia friction welding，IFW）是利用材料接觸面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱，使待焊件接觸面及其附近區(qū)域材料達(dá)到軟化狀態(tài)并迅速頂鍛，在熱力的持續(xù)作用下產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形、原子擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，獲得致密鍛造組織的焊接技術(shù)[3-5]。慣性摩擦焊接頭并不熔化，從根本上避免了與熔化-凝固相關(guān)的焊接缺陷，減少了因焊接高溫所導(dǎo)致的材料損傷，因此，使用FGH96粉末高溫合金進(jìn)行慣性摩擦焊，在飛機(jī)渦輪盤結(jié)構(gòu)，尤其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中，有明顯的應(yīng)用潛力和研究價(jià)值[6-7]。

從發(fā)明至今，研究工作者除對(duì)慣性摩擦焊的溫度場、軸向縮短量、數(shù)值模擬與顯微結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了大量研究外[8-11]，也對(duì)接頭性能進(jìn)行了研究，主要集中在室溫力學(xué)性能。何勝春等[12]結(jié)合FGH96接頭特點(diǎn)研究了其顯微硬度和室溫拉伸強(qiáng)度，結(jié)果表明：接頭顯微硬度沿垂直于焊縫方向呈W形分布，熱處理后硬度最低點(diǎn)位于接頭熱力影響區(qū)，斷裂位置也位于該區(qū)域，斷裂形式為韌性斷裂。Wang等[13]對(duì)FGH96/GH4169高溫合金進(jìn)行了焊接，分析了焊接接頭的微觀組織形貌和拉伸性能，結(jié)果表明：焊縫區(qū)組織為細(xì)小的等軸晶粒，熱力影響區(qū)晶粒被拉伸呈流線型，接頭室溫抗拉強(qiáng)度接近母材的80%，說明接頭性能不足，這與界面熱輸入條件有關(guān)。焊接參數(shù)決定界面熱輸入，進(jìn)而影響接頭材料的塑性流動(dòng)行為[14-15]，慣性摩擦焊接過程是基于摩擦熱及頂鍛成形的塑性加工工藝，因此材料的塑性流動(dòng)行為是影響接頭質(zhì)量和性能的關(guān)鍵因素[16]，如何選擇最佳的焊接參數(shù)，將為FGH96高溫合金慣性摩擦焊工藝研究提供依據(jù)。

本工作針對(duì)FGH96慣性摩擦焊，固定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，研究不同摩擦壓力和飛輪轉(zhuǎn)速下的焊態(tài)接頭高溫拉伸性能，同時(shí)結(jié)合接頭宏觀形貌和微觀組織，分析焊接參數(shù)對(duì)接頭拉伸性能的影響，研究接頭斷裂方式。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 材料

FGH96粉末高溫合金的化學(xué)成分如表1所示。FGH96合金是鎳基γ′相沉淀強(qiáng)化型粉末冶金高溫合金，圖1為母材的金相組織照片，基體為γ相，均由等軸晶粒組成。由圖1（a）可以看出母材組織晶粒大小不均，晶界處有析出物[18]。FGH96合金主要強(qiáng)化相為γ′相，如圖1（b）所示，在晶界及晶內(nèi)彌散析出，其體積分?jǐn)?shù)約占33%～36%，完全固溶溫度為1110～1120 ℃，析出溫度為 1030～1090 ℃[19]。

圖1 粉末高溫合金FGH96母材組織 （a）光學(xué)顯微鏡下組織形貌；（b）SEM電鏡下γ′相分布Fig.1 Microstructure of FGH96 superalloy （a）optical microscope（OM）image；（b）SEM image of γ′phase distribution

表1 粉末高溫合金FGH96的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）[17]Table 1 Chemical composition of FGH96 superalloy（mass fraction%）[17]

1.2 試樣加工與實(shí)驗(yàn)方法

采用MTI MODEL300BX慣性摩擦焊機(jī)進(jìn)行焊接，試件待焊面尺寸為60 mm × 40 mm 的圓環(huán)面，工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量固定為 35.6 kg·m2（843lb·ft2），飛輪轉(zhuǎn)速和頂鍛壓力見表2，共9種參數(shù)匹配狀態(tài)，分別研究轉(zhuǎn)速和摩擦壓力對(duì)性能的影響，焊接后的試樣見圖2。金相試樣表面垂直于焊縫界面，用鹽酸、酒精和雙氧水按照40%∶60%∶20%比例配制的試劑對(duì)試樣進(jìn)行磨削、拋光和腐蝕，使用OLYMPUS BX41型光學(xué)顯微鏡觀察接頭的微觀組織，使用Leica DCM 3D體視鏡觀察宏觀形貌，并測量接頭5個(gè)位置的焊接寬度，獲得平均焊核區(qū)寬度，見圖3。合金γ′強(qiáng)化相通過SUPRA 55型掃描電鏡觀察，用20%硫酸 + 80%甲醇溶液電解拋光，然后用 150 mL 磷酸 + 10 mL 硫酸 + 15 g 鉻酐溶液電解腐蝕，直流電壓5 V，浸入時(shí)間5 s左右。

表2 慣性摩擦焊焊接參數(shù)組合Table 2 Welding parameter combinations of IFW

圖2 高溫合金 FGH96 慣性摩擦焊接頭Fig.2 IFW joint of FGH96 superalloy

圖3 高溫合金 FGH96 慣性摩擦焊接頭焊核區(qū)寬度Fig.3 WNZ width of IFW joint of FGH96 superalloy

1.3 接頭高溫靜力實(shí)驗(yàn)

對(duì)焊態(tài)下接頭進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為700 ℃，每套參數(shù)下拉伸試件3件，試件尺寸如圖4所示。拉伸實(shí)驗(yàn)按照國標(biāo)GB/T 228—2002 《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為QBG-100，拉伸速率為 1 mm?min–1，最終獲得各個(gè)焊接參數(shù)組合下的高溫拉伸性能數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌

圖5為FGH96慣性摩擦焊接頭橫截面宏觀組織。由圖5可知，接頭主要分為焊核區(qū)（weld nugget zone，WNZ）、熱力影響區(qū)（thermo-mechanically affected zone，TMAZ）和母材區(qū)（base metal），接頭中心焊核區(qū)組織的顏色比兩側(cè)區(qū)域深，深色區(qū)域的晶粒不能明顯分辨，焊核區(qū)兩側(cè)組織不均勻的區(qū)域則為熱力影響區(qū)，其中部分區(qū)域晶粒長大明顯，焊核區(qū)與熱力影響區(qū)的界面明顯，而熱力影響區(qū)與母材的界面不明顯。

圖4 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接高溫拉伸試件（700 ℃）Fig.4 Tensile test pieces of IFW joints of FGH96 superalloy at high temperature（700 ℃）

圖5 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接接頭截面光鏡組織Fig.5 OM cross-sectional micrograph of IFW joints of FGH96 superalloy

表3為不同焊接參數(shù)下焊核區(qū)的寬度。圖6為焊核區(qū)寬度隨轉(zhuǎn)速和摩擦壓力的變化曲線。由圖6（a）可知，隨著飛輪轉(zhuǎn)速的增加，焊核區(qū)寬度逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 800 r?min–1時(shí)，焊核區(qū)寬度達(dá)到最大 750 μm 并保持穩(wěn)定；由圖 6（b）看出，焊核區(qū)寬度隨摩擦壓力的增加而增大，當(dāng)摩擦壓力達(dá)到最大 11.72 MPa時(shí)，焊核區(qū)寬度達(dá)到最大700 μm并保持穩(wěn)定。這說明飛輪轉(zhuǎn)速和摩擦壓力的增大，增加了接頭界面的熱輸入量（單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱），可屈服并發(fā)生塑性變形的材料就越多，增強(qiáng)了材料的塑性流動(dòng)性，所以焊核區(qū)寬度增加[20]。繼續(xù)提高焊接參數(shù)，界面摩擦熱增加的同時(shí)，摩擦面上的材料也向面外擠出，且速度增加，導(dǎo)致更多的熱量通過飛邊擠出流失，所以焊核區(qū)寬度保持穩(wěn)定。

表3 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接接頭焊核區(qū)寬度Table 3 Widths of WNZ of FGH96 IFW joints

通過圖6對(duì)比分析可知，焊核區(qū)寬度隨摩擦壓力的增幅較轉(zhuǎn)速大，說明摩擦壓力對(duì)于提高流動(dòng)速度幅度較轉(zhuǎn)速更有效。在慣性摩擦焊接過程中，摩擦壓力除與摩擦熱相關(guān)，還可使試樣增加軸向縮短量，使試樣沿軸向的移動(dòng)距離增加，加大摩擦面上的材料向面外的擠出速度，這就解釋了增加摩擦壓力更有利于提高材料流動(dòng)速度的原因，該結(jié)果與文獻(xiàn)[21]研究結(jié)果一致。焊核區(qū)寬度隨摩擦壓力的變化如圖7所示。由圖7看出，隨著焊接過程的進(jìn)行，部分塑性金屬在軸向壓力的作用下會(huì)被擠出摩擦界面，而隨著摩擦壓力的增大，界面熱輸入增加，摩擦界面及其附近區(qū)域的金屬材料流動(dòng)性增強(qiáng)，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和塑性變形的區(qū)域增大，因此焊核區(qū)寬度變大。

圖6 焊接參數(shù)對(duì)FGH96高溫合金慣性摩擦焊接接頭焊核區(qū)寬度的影響 （a）15.17 MPa摩擦壓力下焊核區(qū)寬度隨轉(zhuǎn)速的變化；（b）750 r?min–1轉(zhuǎn)速下焊核區(qū)寬度隨摩擦壓力變化Fig.6 Effect of welding parameters on width of WNZ of FGH96 IFW joints （a）width vs rotational speed at friction pressure of 15.17 MPa；（b）width vs friction pressure at rotational speed of 750 r?min–1

圖7 在 750 r?min–1 轉(zhuǎn)速下，不同摩擦壓力下 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接接頭橫截面宏觀形貌Fig.7 Cross-sectional morphologies of FGH96 IFW joints at rotational speed of 750 r?min–1 with different friction pressures（a）8.27 MPa；（b）11.72 MPa；（c）15.17 MPa；（d）18.62 MPa；（e）22.00 MPa

2.2 微觀組織

FGH96慣性摩擦焊接頭的微觀組織如圖8所示。由圖8可以看到，焊核區(qū)為非常細(xì)小均勻的等軸晶粒，該組織的形成是由慣性摩擦焊形變過程的工藝特點(diǎn)決定的，焊接過程中摩擦界面及附近區(qū)域產(chǎn)生了高的剪切塑性變形和速率，會(huì)產(chǎn)生大量的亞晶粒，這些亞晶粒會(huì)成為再結(jié)晶的晶核，焊核區(qū)的高溫進(jìn)一步促進(jìn)了焊核及周圍組織的再結(jié)晶，而慣性摩擦焊的特點(diǎn)是加熱升溫快，時(shí)間短，晶粒的長大受到很大程度的制約，因此，焊核中再結(jié)晶晶粒十分細(xì)小。熱力影響區(qū)受到力和熱的作用僅次于焊核區(qū)，部分變形晶粒在熱的作用下會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，但此區(qū)域晶粒的變形量遠(yuǎn)小于焊核區(qū)，所以該區(qū)域組織的再結(jié)晶程度及數(shù)量相對(duì)較少，呈粗晶和細(xì)晶共存特征，見圖8（a）。由圖8（b）、圖1（b）對(duì)比可知，接頭焊核區(qū)細(xì)晶組織中基本上沒有γ′強(qiáng)化相，這是因?yàn)楹负藚^(qū)溫度峰值達(dá)到 1254.62 ℃[21]，超過 γ′相完全固溶溫度（1110～1120 ℃），使 γ′強(qiáng)化相完全溶于基體中。

圖8 在轉(zhuǎn)速 750 r?min–1 摩擦壓力 15.17 MPa 下的 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊焊接區(qū)組織 （a）焊接區(qū)光鏡組織；（b）焊核區(qū)電鏡形貌Fig.8 Microstructure of FGH96 IFW joint at rotational speed of 750 r?min–1 and friction pressure of 15.17 MPa （a）OM image of welding zone；（b）SEM image of WNZ

2.3 高溫靜力性能

表4為不同焊接參數(shù)下接頭高溫拉伸性能，主要包含抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率。圖9為拉伸性能隨轉(zhuǎn)速的變化，圖10為拉伸性能隨摩擦壓力的變化。由圖9可知，隨著飛輪轉(zhuǎn)速增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度保持不變，分別穩(wěn)定在910 MPa、1300 MPa 左右，而伸長率和斷面收縮率略微提升，說明轉(zhuǎn)速對(duì)接頭高溫靜力性能影響較小。結(jié)合圖10分析可知，隨著摩擦壓力增加，屈服強(qiáng)度保持不變，抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率有大幅增加，隨后保持穩(wěn)定，且該趨勢與焊核區(qū)寬度隨摩擦壓力變化趨勢一致。當(dāng)摩擦壓力從8.27 MPa增加到 15.17 MPa時(shí)，抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率分別從990 MPa、6.0%、4.0%增加到1330 MPa、15.2%、14.1%，焊核區(qū)寬度從 431 μm 增加到658 μm，繼續(xù)提高摩擦壓力，拉伸性能和焊核區(qū)寬度保持不變。這說明摩擦壓力對(duì)接頭高溫拉伸性能影響非常大，決定了界面熱輸入量和焊接區(qū)材料流動(dòng)性，進(jìn)而決定拉伸性能，而焊核區(qū)寬度正好反映了這種變化關(guān)系，可作為接頭性能和摩擦壓力的中間特征量進(jìn)行微觀解釋。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到750～850 r?min–1，摩擦壓力為 15.17 MPa 以上時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高可達(dá)母材的87.5%和75.8%，而伸長率和斷面收縮率只有母材的68.5%和68.4%，說明焊態(tài)接頭韌性不足，還需通過焊后熱處理進(jìn)行改善。

表4 不同焊接參數(shù)下FGH96慣性摩擦焊接頭拉伸性能Table 4 Tensile properties of FGH96 IFW joints at different welding parameters

圖9 摩擦壓力15.17 MPa下轉(zhuǎn)速對(duì)FGH96慣性摩擦焊接頭拉伸性能影響 （a）抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；（b）伸長率和斷面收縮率Fig.9 Effect of rotational speed on tensile properties of FGH96 superalloy IFW joints at friction pressure of 15.17 MPa（a）tensile strength and yield strength；（b）elongation and reduction of area

圖10 在轉(zhuǎn)速750 r?min–1下，摩擦壓力對(duì)FGH96慣性摩擦焊接頭拉伸性能和焊核區(qū)寬度的影響 （a）抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和焊核區(qū)寬度；（b）伸長率、斷面收縮率和焊核區(qū)寬度Fig.10 Effect of friction pressure on tensile properties of FGH96 superalloy IFW joints at a rotational speed of 750 r?min–1（a）tensile,yield strength and width of WNZ；（b）ductility,area reduction and width of WNZ

2.4 斷裂位置與破壞分析

圖11 為FGH96慣性摩擦焊接頭高溫拉伸實(shí)驗(yàn)件的斷裂位置。由圖11分析可知，接頭拉伸破壞位置主要位于焊核區(qū)，這是因?yàn)楦叩暮附訙囟冗_(dá)到了合金γ′強(qiáng)化相的固溶溫度，使γ′相溶于基體，而FGH96合金主要是γ′相的沉淀強(qiáng)化作用，當(dāng)γ′溶于基體，合金失去了強(qiáng)化作用，強(qiáng)度便迅速下降。圖12為接頭斷裂試件剪切唇大小隨摩擦壓力的變化。由圖12分析可知，隨著摩擦壓力的增加，剪切唇區(qū)域變大，而剪切唇的大小反映了材料韌性的強(qiáng)弱。在摩擦壓力較低時(shí)，剪切唇區(qū)域小，說明接頭韌性降低，當(dāng)摩擦壓力較高時(shí)，剪切唇區(qū)域較大，說明接頭韌性升高，這與上述伸長率和斷面收縮率隨摩擦壓力增大而增加的變化規(guī)律吻合。

圖11 在轉(zhuǎn)速 750 r?min–1、摩擦壓力 15.17 MPa 下 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接頭斷裂位置 （a）斷裂的接頭試件；（b）b區(qū)放大；（c）c區(qū)放大Fig.11 Typical fracture surface of joint at friction pressure of 15.17 MPa and rotational speed of 750 r?min–1 （a）tensile test specimens；（b）magnification of b zone；（c）magnification of c zone

圖12 在轉(zhuǎn)速 750 r?min–1、不同摩擦壓力下 FGH96 高溫合金慣性摩擦焊接頭斷裂面剪切唇大小分布Fig.12 Fracture morphologies of tensile test specimens at rotational speed of 750 r?min–1 and different friction pressures（a）8.27 MPa；（b）11.72 MPa；（c）15.17 MPa；（d）18.62 MPa；（e）22.00 MPa

3 結(jié)論

（1）焊核區(qū)寬度隨飛輪轉(zhuǎn)速和摩擦壓力的增加而逐漸增大，最后保持穩(wěn)定，摩擦壓力對(duì)焊接區(qū)寬度的影響較轉(zhuǎn)速大。整個(gè)接頭區(qū)域組織不均勻，焊核區(qū)組織為細(xì)小均勻的等軸晶粒，熱力影響區(qū)呈粗晶和細(xì)晶共存特征，接頭中心焊核區(qū)的細(xì)晶組織中基本上沒有γ′強(qiáng)化相。

（2）隨著飛輪轉(zhuǎn)速的增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度保持不變，而伸長率和斷面收縮率略有提升。隨著摩擦壓力的增加，屈服強(qiáng)度保持不變，抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率有大幅增加，隨后保持穩(wěn)定，且該趨勢與焊核區(qū)寬度隨摩擦壓力的變化趨勢一致，摩擦壓力對(duì)接頭高溫拉伸性能的影響較轉(zhuǎn)速大。

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 750～850 r?min–1，摩擦壓力為15.17 MPa以上時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高可達(dá)母材的87.5%和75.8%，而伸長率和斷面收縮率只有母材的68.5%和68.4%。

（4）接頭高溫拉伸破壞位置主要位于焊核區(qū)，隨著摩擦壓力的增加，斷口剪切唇區(qū)域逐漸變大。