GH3030 釬焊管接頭裂紋分析

王大為 ，鄭 真 ，陳 星

（1.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；4.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引言

GH3030 是早期發(fā)展的固溶強(qiáng)化型高溫合金，在800 ℃以下具有滿意的熱強(qiáng)性和高塑性，并具有良好的抗氧化、熱疲勞性和焊接工藝性能。它主要用于1 100 ℃以下，要求具有抗氧化性，但承受載荷很小的高溫部件[1]。某GH3030 構(gòu)件在試驗(yàn)過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)有2個(gè)釬焊管在釬焊接頭處發(fā)生泄漏。試驗(yàn)溫度約為400 ℃，釬焊管在正常工況下受交變應(yīng)力。2個(gè)釬焊管焊接結(jié)構(gòu)和焊接工藝相同，但其中一個(gè)泄漏嚴(yán)重。釬焊管材料為GH3030高溫合金，壁厚為0.2 mm，外徑為0.8 mm，前室材料為GH3128 高溫合金，將前室鉆頭打孔擴(kuò)到0.8 mm 左右（與釬焊管間隙約0.03 mm）后通過(guò)釬焊（1 050 ℃，6 h）將管與前室連接，隨后將前室與銅散熱板釬焊連接，使用AgCu 焊料。

本研究通過(guò)采用外觀觀察、裂紋宏微觀觀察、斷口觀察、能譜分析、金相檢查、硬度檢測(cè)等手段，確定2個(gè)構(gòu)件釬焊管的裂紋性質(zhì)，并對(duì)其失效原因進(jìn)行綜合分析，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)建議，以期為后續(xù)構(gòu)件釬焊管的安全使用提供參考，對(duì)于同類釬焊管焊接過(guò)程的控制具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

1.1 表面觀察

發(fā)生泄漏的2個(gè)釬焊管（A、B）表面均發(fā)現(xiàn)裂紋，且裂紋均位于距銅散熱板約1 mm 的釬焊管焊腳處。其中，構(gòu)件A 釬焊管可見(jiàn)明顯開(kāi)裂，開(kāi)裂處表面暗于釬焊管表面，為焊料覆蓋特征；構(gòu)件B 釬焊管焊接影響區(qū)顏色明顯亮于釬焊管基體，并可見(jiàn)微小裂紋，裂紋附近側(cè)表面也可見(jiàn)焊料覆蓋（圖1）。

圖1 構(gòu)件釬焊管裂紋位置及宏觀形貌Fig.1 Crack position and macro appearance of soldered pipe

使用線切割將釬焊管取下，對(duì)其進(jìn)行微觀形貌觀察和成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖2、表1。構(gòu)件A 釬焊管在開(kāi)裂處已經(jīng)完全斷開(kāi)，斷口附近側(cè)表面可見(jiàn)釬料堆積和與正常管壁的過(guò)渡形貌（圖2a）。能譜分析可知：釬料堆積處（圖2a 中標(biāo)注1）成分主要含C、O、Ag、Cu 等元素，為焊料成分；過(guò)渡處（圖2a 中標(biāo)注2）成分主要含C、O、Cu 等元素，仍含有焊料成分。

圖2 釬焊管裂紋表面微觀形貌Fig.2 Micro appearance of soldered pipe crack

表1 構(gòu)件釬焊管表面能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 EDS results of soldered pipe surface（mass fraction/%）

構(gòu)件B 釬焊管裂紋區(qū)域呈自由凝固表面形貌，裂紋較為曲折，并可見(jiàn)沿晶分叉形貌，主裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橹芟颍▓D2b～圖2d）。能譜分析可知：焊腳處（圖2c 中標(biāo)注3）成分主要含Ag、Cu 等元素，為焊料成分；裂紋兩側(cè)（圖2c 中標(biāo)注4）成分主要含Ni、Cr 等元素，并含有少量Ag、Fe 元素，其中Ag 應(yīng)來(lái)源于焊料；裂紋附件可見(jiàn)一處自由凝固形成的熔滴突起（圖2c 中標(biāo)注5），成分主要含Cr、Ni 等元素，為釬焊管基體材料元素，說(shuō)明該處的溫度已達(dá)到GH3030 的熔化溫度。GH3030 和GH3128 合金的成分[1]見(jiàn)表2。

表2 GH3030 和GH3128 合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2 Composition of GH3030 and GH3128 alloy（mass fraction/%）

1.2 斷口觀察

對(duì)構(gòu)件A 釬焊管進(jìn)行斷口觀察可見(jiàn)，整個(gè)斷面較為平整，大部分區(qū)域?yàn)檠鼐嗔烟卣?。將斷口分?個(gè)區(qū)（圖3a）：斷口1 區(qū)為沿晶氧化特征，局部晶界氧化嚴(yán)重出現(xiàn)圓滑特征，并可見(jiàn)熔融顆粒形貌（圖3b 中標(biāo)注6）；斷口2 區(qū)除沿晶氧化特征外，斷口內(nèi)壁可見(jiàn)氧化顆粒形貌（圖3c 中標(biāo)注8），中部可見(jiàn)剪切韌窩形貌（圖3d）；斷口3、4 區(qū)主要為沿晶氧化特征。由此可知，構(gòu)件A 釬焊管主要為沿晶開(kāi)裂，且在焊接過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生，最后發(fā)生過(guò)載斷裂。

圖3 構(gòu)件A 釬焊管斷口形貌Fig.3 Crack fracture appearance of component A soldered pipe

將構(gòu)件B 釬焊管從裂紋處完全打開(kāi)。與構(gòu)件A 相同的是，原始裂紋對(duì)應(yīng)斷口位置也可見(jiàn)沿晶特征（圖4a）。與構(gòu)件A 不同的是，裂紋內(nèi)外壁表面均發(fā)生線性疲勞裂紋擴(kuò)展，并在管壁中部匯合，疲勞條帶形貌見(jiàn)圖4b。內(nèi)壁所有區(qū)域均可見(jiàn)氧化特征，并可見(jiàn)徑向小裂紋，局部可見(jiàn)韌窩形貌（圖4c）。

對(duì)應(yīng)圖3、圖4 中標(biāo)注的位置，斷口能譜分析結(jié)果見(jiàn)表3，由結(jié)果可知，構(gòu)件A 和構(gòu)件B 釬焊管沿晶斷口局部均可見(jiàn)Ag、Cu 等外來(lái)元素，說(shuō)明釬焊管的原始裂紋在焊接過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生，性質(zhì)均為過(guò)熱沿晶裂紋，隨后裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展后過(guò)載斷裂或直接引起過(guò)載斷裂。

圖4 構(gòu)件B 釬焊管斷口形貌Fig.4 Crack fracture appearance of component B soldered pipe

表3 釬焊管斷口能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 3 EDS results of soldered pipe crack fracture（mass fraction/%）

1.3 組織觀察

在構(gòu)件A 釬焊管斷口處取縱向金相試樣，對(duì)其組織進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖5，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表4。在背散射圖像下觀察，在釬焊管斷口釬料堆積處可見(jiàn)白亮相，釬料堆積深度最深達(dá)118 μm，釬料堆積處主要含Ni、Cu、Ag 元素，為低熔點(diǎn)共晶相[2]（圖5b 中標(biāo)注A）。斷口附近可見(jiàn)沿晶開(kāi)裂二次裂紋和晶界粗化形貌（圖5c 中標(biāo)注B），晶界粗化區(qū)域可見(jiàn)Cu 元素，局部晶界在背散射下為白亮色（圖5c 中標(biāo)注C），此處的晶界含有Cu、Ag 元素，這些均說(shuō)明Ag-Cu 焊料與GH3030 合金發(fā)生了反應(yīng)，且反應(yīng)主要作用于晶界，晶界是腐蝕元素進(jìn)入鎳基合金基體的通道[3]。釬焊管近表面處還發(fā)現(xiàn)有灰色顆粒狀相（圖5d 中標(biāo)注D），此處含有較高的Cr 元素，應(yīng)為高溫形成的富Cr 相[4-5]。

圖5 構(gòu)件A 釬焊管微觀組織形貌（背散射像）Fig.5 Microstructure of component A soldered pipe (Backscatter image)

表4 構(gòu)件A 釬焊管金相試樣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 4 EDS results of component A soldered pipe metallographic specimen（mass fraction/%）

在構(gòu)件B 釬焊管斷口附近取橫向金相試樣，對(duì)其焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，實(shí)測(cè)前室孔的直徑為0.8 mm，GH3030 釬焊管外徑為758 μm，前室釬焊管之間為釬焊過(guò)渡區(qū)，前室與銅散熱板的焊縫在背散射像下亮于兩側(cè)基體，呈“黑白條紋”狀，為AgCu 共晶組織，即黑色條紋為Cu，白色基體為Ag[6]。釬焊管內(nèi)壁可見(jiàn)約10 μm 的顏色變化區(qū)（對(duì)應(yīng)斷口上的內(nèi)壁氧化區(qū)），變化區(qū)可見(jiàn)徑向小裂紋（圖6），能譜分析結(jié)果見(jiàn)表5，各基體材料成分與名義成分基本一致，前室釬焊管之間的釬焊過(guò)度區(qū)主要含Ni、Cr、Fe、Si 元素，焊縫兩側(cè)的GH3030 和GH3128 成分中的Fe 元素高于名義成分，應(yīng)為釬料中的Fe 元素反應(yīng)擴(kuò)散所致，釬焊管內(nèi)壁的變色區(qū)其成分含有N 元素，與釬焊管斷口上發(fā)現(xiàn)的N 元素相一致。

將構(gòu)件A 釬焊管縱向金相試樣進(jìn)行腐蝕后觀察，可以發(fā)現(xiàn)，有焊料影響的區(qū)域晶界開(kāi)裂情況嚴(yán)重，晶粒尺寸也大于正常晶粒，而遠(yuǎn)離焊縫的晶粒組織正常（圖7）。

1.4 顯微硬度

對(duì)構(gòu)件A 釬焊管縱向金相試樣的硬度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6，可知裂紋附近的硬度明顯大于基體。

2 分析與討論

1）失效性質(zhì)分析。

構(gòu)件A 釬焊管斷口呈沿晶氧化特征，晶面存在熔融和氧化現(xiàn)象，為過(guò)燒特征[7]。晶面上有附著物，含有Ag、Cu、Fe 等釬焊焊料中的元素，斷口附近側(cè)表面可見(jiàn)釬料覆蓋，斷口局部可見(jiàn)剪切韌窩形貌。因此，構(gòu)件A 釬焊管首先在焊接過(guò)程中發(fā)生高溫沿晶開(kāi)裂，隨后發(fā)生過(guò)載斷裂。

圖6 構(gòu)件B 釬焊管微觀組織形貌（背散射像）Fig.6 Microstructure of component B soldered pipe (Backscatter image)

表5 構(gòu)件B 釬焊管金相試樣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 5 EDS results of component B soldered pipe metallographic specimen（mass fraction/%）

圖7 構(gòu)件A 釬焊管腐蝕后晶粒組織形貌Fig.7 Grain microstructure of component A soldered pipe after corrosion

表6 構(gòu)件A 釬焊管硬度檢測(cè)結(jié)果Table 6 Microhardness results of component A soldered pipe

構(gòu)件B 釬焊管裂紋附近區(qū)域呈自由凝固表面形貌，裂紋呈沿晶分叉形貌，斷口上裂紋對(duì)應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)少量的Cl、Ag、Cu 等釬料元素，局部有沿晶特征，說(shuō)明構(gòu)件B 釬焊管在焊接時(shí)外表面已存在沿晶裂紋，同時(shí)釬焊管內(nèi)表面也存在徑向小裂紋，隨后斷裂在內(nèi)、外壁表面裂紋處線性起源，并在交變應(yīng)力下形成大量疲勞條帶。因此，構(gòu)件B 釬焊管的裂紋性質(zhì)為首先在焊接過(guò)程中存在沿晶小裂紋，隨后發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最后在人工打開(kāi)的外力作用下斷裂。

2）失效原因分析。

2個(gè)釬焊管失效的共同點(diǎn)是均存在沿晶裂紋，且沿晶裂紋產(chǎn)生于焊接過(guò)程中。

從焊接工藝上看，釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料[8]，釬焊管和前室的釬焊溫度為1 050 ℃，高于釬焊管材料GH3030 的固溶溫度（980～1 020 ℃），如釬焊過(guò)程溫度控制不當(dāng)，將會(huì)使釬焊管材料出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。構(gòu)件B 釬焊管裂紋附近的自由凝固表面也說(shuō)明了焊接過(guò)程中局部溫度超過(guò)了GH3030 的熔點(diǎn)，該裂紋為金屬過(guò)熱過(guò)燒引起的沿晶裂紋[9]。

從結(jié)構(gòu)上看，2個(gè)焊接位置相距不到1 mm，由于釬焊管尺寸細(xì)小，在第二次與銅散熱板焊接的過(guò)程中極易產(chǎn)生焊料溢出甚至粘附在釬焊管表面的現(xiàn)象（2個(gè)釬焊管表面均有焊料粘附），這將對(duì)釬焊管的表面強(qiáng)度造成一定影響并增加其表面殘余應(yīng)力。同時(shí)，在高溫條件下，Cu、Ag 等焊料元素會(huì)沿晶界擴(kuò)散，弱化晶界結(jié)合力，腐蝕后的晶粒組織形貌也說(shuō)明了這一點(diǎn)。此外，銅散熱板尺寸較大，距釬焊管的距離又近，銅散熱板在工作中產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)直接作用于釬焊管，應(yīng)力集中區(qū)域的焊接缺陷是影響疲勞壽命最主要的因素[10]。如果將前室和釬焊管的焊接位置（焊接點(diǎn)1）與銅散熱板焊接位置（焊接點(diǎn)2）的距離增大（圖8），會(huì)從一定程度上改善焊接結(jié)構(gòu)受力和焊接質(zhì)量。

圖8 焊接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Soldering structure diagram

從環(huán)境上看，2個(gè)釬焊管斷口內(nèi)壁均存在氧化特征，局部有小裂紋特征，金相圖中也可見(jiàn)內(nèi)壁存在約10 μm 的變化區(qū)及徑向小裂紋，且這些位置均發(fā)現(xiàn)有一定量的N 元素，這說(shuō)明：焊接氣氛（氮?dú)猓?duì)材料內(nèi)壁表面狀態(tài)及成分造成了一定影響，N 元素滲入會(huì)使材料脆性增加，影響力學(xué)性能[11-12]。

綜上所述，構(gòu)件釬焊管的失效原因主要與焊接過(guò)程有關(guān)。構(gòu)件A 釬焊管大部分區(qū)域?yàn)檠鼐卣鳎瑸楦邷匮鼐ч_(kāi)裂，最后發(fā)生過(guò)載斷裂；構(gòu)件B 釬焊管在焊接過(guò)程中存在沿晶小裂紋，隨后在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最后在人工應(yīng)力下完全斷裂。

構(gòu)件釬焊管焊接裂紋的產(chǎn)生與2個(gè)焊接位置相距較近有關(guān)，焊接時(shí)存在互相影響，且存在焊接溫度控制不當(dāng)?shù)那闆r，建議嚴(yán)格控制焊接過(guò)程并對(duì)構(gòu)件的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論

1）構(gòu)件A 釬焊管為高溫沿晶開(kāi)裂，最后發(fā)生過(guò)載斷裂；構(gòu)件B 釬焊管在焊接過(guò)程中存在沿晶小裂紋，在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最后在人工應(yīng)力下完全斷裂。

2）構(gòu)件釬焊管焊接裂紋的產(chǎn)生原因是2個(gè)焊接位置相距較近，焊接時(shí)互相影響，且存在焊接溫度控制不當(dāng)?shù)那闆r。建議嚴(yán)格控制焊接過(guò)程并對(duì)構(gòu)件的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。