GH2132合金材料平板堆焊層的組織性能

供稿|劉愛(ài)勝 / LIU Ai-sheng

作者單位：江蘇省揚(yáng)州技師學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225003

內(nèi)容導(dǎo)讀首先在GH2132板材的表層使用鎢極氬弧焊（TIG）進(jìn)行堆焊，然后分析GH2132板材堆焊層的組織，研究了GH2132板材堆焊過(guò)程中的凝固行為和組織變化，并對(duì)GH2132焊材的焊接性能以及焊接工藝進(jìn)行了評(píng)價(jià)。GH2132平板堆焊層的焊縫熔合線上存在大量析出相，與焊縫區(qū)及母材區(qū)相比，數(shù)量多且尺寸大，對(duì)韌性不利。GH2132平板堆焊層的組織由沿溫度梯度方向生長(zhǎng)的柱狀晶組成，呈枝晶狀態(tài)。大量Laves相和Ti（C,N）在柱狀晶界析出。柱狀晶內(nèi)有少量Ti（C,N）存在。Laves相呈疏松的不規(guī)則形狀，其形核方式有兩種，一為自由形核，二為依附于碳氮化物形核。Ti（C,N）隨尺寸長(zhǎng)大，其形狀由正方形轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅?。與母材區(qū)相比，焊縫區(qū)斷口韌窩淺且直徑小，其韌性低于母材區(qū)。韌窩微孔在析出相界面萌生，并沿其擴(kuò)展。GH2132在電流180 A，送絲速度1.1 m/min，焊接速度135 mm/min的焊接工藝下，平板堆焊性能良好。

GH2132是一種沉淀強(qiáng)化型高溫合金，在650 ℃以下具有高的屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變性能，適合制造在650 ℃以下長(zhǎng)期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力部件，如渦輪盤(pán)、壓氣機(jī)盤(pán)、轉(zhuǎn)子葉片等[1-5]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常需要將GH2132的零件焊接以構(gòu)成大型復(fù)雜部件。但實(shí)踐證明，沉淀型合金的焊接性均不是太好，在焊接時(shí)具有很大的熱裂傾向，GH2132也是如此[6-8]。其在焊接時(shí)，焊縫部位除了易發(fā)生結(jié)晶裂紋外，還易出現(xiàn)液化裂紋和再熱裂紋。其主要原因是合金元素復(fù)雜，溶解度有限的元素易在晶界處形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，同時(shí)該合金對(duì)某些雜質(zhì)元素引起的強(qiáng)度和韌性下降也很敏感，如S、P、Pb、Bi等[9]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，需要在GH2132結(jié)構(gòu)件表層進(jìn)行堆焊，鎢極氬弧焊（TIG）是目前焊接GH2132常用的方法。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析GH2132板材堆焊層的組織，研究了GH2132板材堆焊過(guò)程中的凝固行為和組織變化，并對(duì)GH2132焊材的焊接性能以及焊接工藝進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)方法

堆焊母材為厚度6 mm的GH2132板材，焊材為?1.6 mm的實(shí)心焊絲，化學(xué)成分如表1和表2所示。焊接參數(shù)如表3所示。

表1 GH2132母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表3 焊接參數(shù)

堆焊完成后取樣，用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察了焊層橫截面組織。又對(duì)焊層取樣做了拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)，觀察并分析了拉伸斷口。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

宏觀裂紋檢測(cè)

平板單道堆焊焊層如圖1所示，目視檢測(cè)無(wú)宏觀裂紋。

圖1 平板堆焊焊層外觀

又對(duì)焊層進(jìn)行了X射線探傷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3323.1—2019“焊縫無(wú)損檢測(cè)——射線檢測(cè) 第一部分：X和伽瑪射線的照片技術(shù)”，探傷結(jié)果為I級(jí)合格。

焊層組織分析

圖2為焊層的橫截面組織，包括焊縫區(qū)、母材區(qū)、和熔合區(qū)。經(jīng)觀察，整個(gè)焊縫區(qū)包括周圍組織無(wú)裂紋。焊縫區(qū)呈柱狀晶組織，內(nèi)有枝晶。柱狀晶的生長(zhǎng)方向如圖2（a）箭頭所示。這反映了當(dāng)前位置凝固時(shí)的溫度梯度。母材組織是較均勻的等軸晶，有零星析出相存在。熔合過(guò)渡區(qū)如圖2（c）所示，方框?yàn)槿酆暇€位置。熔合線上方為焊縫區(qū)，下方為母材區(qū)。相較于焊縫區(qū)和母材區(qū)，熔合線上的析出相密集且尺寸更大。此狀態(tài)對(duì)焊縫韌性不利。密集的大尺寸析出相易成為裂紋源及裂紋的快速擴(kuò)展通道。

圖2 焊層組織（OM）：（a）焊縫區(qū)；（b）母材區(qū)；（c）熔合區(qū)

圖3為焊層橫截面組織的SEM照片。其中清晰顯示了焊層中析出相的狀態(tài)。

由圖3（a）可見(jiàn)，有大量的析出相分布于柱狀晶界，為凝固時(shí)的成分偏析所致。圖3（a）中黑線所示位置即為柱狀晶界，兩黑線間區(qū)域?yàn)橹鶢罹У木?nèi)。

在凝固過(guò)程中，由于溶質(zhì)元素溶解度的變化，導(dǎo)致大量溶質(zhì)原子被排出已凝固區(qū)域，擠到尚未凝固的晶粒間區(qū)域，此為成分偏析過(guò)程。這些最后凝固的晶間區(qū)域會(huì)因高濃度的溶質(zhì)原子而在凝固過(guò)程析出大量沉淀相。且這些沉淀相大部分熔點(diǎn)都較低，在受力過(guò)程中易成為薄弱環(huán)節(jié)。由圖3（c）所示的局部放大能更清晰地看出析出相沿柱狀晶界分布的特征。且可以看出，在柱狀晶內(nèi)，也有少量的顆粒狀析出相存在，如圖3（c）中箭頭所示。

觀察圖3可知，組織中存在兩種類型的析出相：一為箭頭1, 3所示的不規(guī)則相，內(nèi)部有細(xì)微間隙；二為箭頭4所示的塊狀相。

圖3 焊層析出相（SEM）

圖4和表4所示為焊層中幾種類型的典型析出相的能譜分析結(jié)果。圖4為能譜探測(cè)位置，表4為相應(yīng)的能譜分析結(jié)果。

圖4 焊層能譜探測(cè)位置

結(jié)合圖4和表4所示的能譜分析結(jié)果以及圖3所示的形貌特點(diǎn)，再參考高溫合金析出相的相關(guān)資料[5,6,10-12]，可以判斷，不規(guī)則析出相為L(zhǎng)aves相，而塊狀析出相則為T(mén)i（C, N），其Ti含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在50%左右。

表4 焊層能譜分析結(jié)果

Laves相的形核方式有兩種：一為自由形核，如圖3（b）中箭頭1所示；二為依附于碳氮化物形核，如圖3（b）中箭頭2所示。自由形核為均質(zhì)形核，所需形核功較大，而依附于碳氮化物形核屬異質(zhì)形核，所需形核功較小，更有利于Laves相的析出。碳氮化物析出溫度顯著高于Laves相，其在熔體凝固過(guò)程中先于Laves相析出，可為后續(xù)Laves相的析出提供異質(zhì)形核的質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)碳氮化物質(zhì)點(diǎn)周圍熔體成分、溫度、過(guò)冷度符合Laves相析出條件時(shí)，Laves相將優(yōu)先依附于碳氮化物形核。

Ti（C, N）隨尺寸長(zhǎng)大，形狀由正方形（圖3（d）箭頭4）轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅危▓D3（b））。其規(guī)律符合此類規(guī)則析出相的一般特征[13-16]。析出剛發(fā)生時(shí)，出于降低界面能的要求，形核核心需與母相成一定的位向關(guān)系。而在核心長(zhǎng)大到一定程度后，還是因?yàn)榻缑婺艿囊螅笮孪嘟缑姹M可能小，以降低界面能。而圓面是同體積表面積最小的形狀，故新相在長(zhǎng)大過(guò)程中趨于球形，多邊形是其趨于球形過(guò)程中的過(guò)渡形狀。

拉伸斷口分析

圖5所示為焊層的拉伸斷口形貌?？梢钥闯觯鋽嗔逊绞綖轫g性斷裂。圖5（a）是斷口宏觀形貌，黑線之上是焊層，黑線下面是母材。由圖5（c）可知，雖然整個(gè)斷口均為韌性斷口，但焊縫區(qū)和母材區(qū)的情況也不一樣。焊縫區(qū)韌窩淺且韌窩口直徑小，甚至有些焊縫區(qū)的韌窩底部接近平面（圖5（c）黑線以上部位），而母材區(qū)的韌窩深且大（圖5（c）黑線以下部位）。這反映了焊縫區(qū)和母材區(qū)的韌性差別，表明焊縫區(qū)的韌性低于母材區(qū)。韌窩底部有析出相，其中圖5（d）箭頭所示析出相為方形硬質(zhì)相，結(jié)合圖3的分析可知是Ti（C, N）。韌窩底部是韌性撕裂微孔萌生之處，說(shuō)明裂紋沿析出相界面萌生，并沿其擴(kuò)展。

圖5 單道焊縫拉伸斷口

結(jié)束語(yǔ)

（1）GH2132平板堆焊層的焊縫熔合線上存在大量析出相，與焊縫區(qū)及母材區(qū)相比，數(shù)量多且尺寸大，對(duì)韌性不利。

（2）GH2132平板堆焊層的組織由沿溫度梯度方向生長(zhǎng)的柱狀晶組成，呈枝晶狀態(tài)。大量Laves相和Ti（C, N）在柱狀晶界析出。柱狀晶內(nèi)有少量Ti（C,N）存在。Laves相呈疏松的不規(guī)則形狀，其形核方式有兩種，一為自由形核，二為依附于碳氮化物形核。Ti（C, N）隨尺寸長(zhǎng)大，其形狀由正方形轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅巍?/p>

（3）與母材區(qū)相比，焊縫區(qū)斷口韌窩淺且直徑小，其韌性低于母材區(qū)。韌窩微孔在析出相界面萌生，并沿其擴(kuò)展。

（4）GH2132在電流180 A，送絲速度1.1 m/min，焊接速度135 mm/min的焊接工藝下，平板堆焊性能良好。