GH4169氬弧焊接頭組織及力學性能研究

王 京

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 引言

GH4169合金是高推重比航空發(fā)動機的熱端部件廣泛采用的高強度高溫合金之一。在航空工業(yè)中，高溫合金主要用于制造燃氣渦輪發(fā)動機的高溫工作構件，如燃燒室、渦輪盤和葉片、導向器葉片和機匣、擴散器和加力燃燒室等，其中多數板材合金構件是采用焊接工藝制造，有些鍛件和鑄件也需要焊接，因此，高溫合金的焊接性和焊接工藝對其推廣和應用是非常重要的[1-2]。固溶態(tài)的高溫合金焊接逐步在工廠中投入使用，氬弧焊在薄板方面的焊接有著自己獨特的優(yōu)勢[3-4]。通過室溫拉伸試驗、斷口分析、金相組織分析、微區(qū)硬度分析手段，對GH4169合金氬弧焊接頭室溫力學性能和接頭組織進行了分析和研究。

1 試驗材料和方法

試驗材料為板厚1.5 mm的GH4169高溫合金，固溶酸洗狀態(tài)，其化學成分見表1。

表1 GH4169化學成分

試驗采用鎢極氬弧焊，選用與母材化學成分相同的焊絲，焊接規(guī)范參數為：母材厚度為1.5 mm；焊絲直徑為2.0～2.5 mm；鎢極直徑為2.0～2.5 mm；焊接電流低于35 A存在未焊合現象，因此選用焊接電流為35 A、45 A、60 A；保護氣體（Ar）氣體流量為12～15 L/min。

室溫拉伸試驗按照GB 228.1-2010“金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法”進行，拉伸試驗在CMT4204微機控制電子萬能試驗機上進行；斷面觀察試驗采用蔡司Sigma300場發(fā)射掃描電鏡進行觀察；微區(qū)硬度采用規(guī)格型號為QNESS 10維氏硬度計來測量焊接接頭的硬度分布；采用AXIO金相顯微鏡觀察GH4169焊接接頭組織形貌，腐蝕劑為CuSO4+HCl+無水乙醇。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能試驗結果分析

對比氬弧焊焊接件及母材的抗拉強度可以檢驗GH4169的焊接情況。固溶態(tài)GH4169母材及焊接接頭室溫拉伸試驗結果見表2。根據表中數據，35 A、45 A焊接電流下焊接件的抗拉強度相比母材降低較少，而60 A電流下的焊接件抗拉強度降低明顯，焊接件的斷裂位置均位于熱影響區(qū)附近，同時斷面的方向均是傾斜45°，斷口呈現剪切唇形貌。

表2 GH4169母材及焊接接頭室溫拉伸試驗結果

2.2 斷面試驗結果分析

觀察斷面的韌窩形貌可以研究焊接熱影響區(qū)晶粒變化對韌窩形貌的影響。圖1為拉伸試樣的斷面形貌，均為500倍下觀察結果。以圖1進行分析如下：

圖1的（a）為母材的拉伸試樣斷面，剪切韌窩細小，拉伸后斷面存在較多大孔洞；35 A焊接件斷面呈現的剪切韌窩相比母材韌窩變大許多，韌窩整體較淺，大孔洞中可見明顯的蛇形滑移花樣[5]，見（b）所示；45 A焊接件斷面呈現的剪切韌窩相對混亂，大小不一，其中較大韌窩相比35 A焊接件韌窩相差不大，韌窩心部可見強化相形貌，見（c）所示；（d）為60 A焊接件斷面，剪切韌窩相比于35 A、45 A焊接件較大，孔洞的深度也更深，孔洞中蛇形滑移花樣更加明顯，應是60 A焊接電流下熱影響區(qū)晶粒變大明顯的結果。

2.3 金相試驗結果分析

金相組織分析可以研究不同焊接電流下熱影響區(qū)的變化情況。圖2為35A、45A、60A焊接電流下的焊接金相組織，固溶態(tài)的GH4169母材組織為奧氏體結構，應由γ基體、γ（'Ni3AlTi）、γ'（'Ni3Nb）、碳化物和δ相組成。觀察可見焊縫組織為樹枝狀奧氏體，熔合區(qū)呈現等軸的奧氏體組織，紅線內顯示的是晶粒變大的熱影響區(qū)，與母材組織相同，但晶粒長大嚴重[6]，觀察可見，其中60 A電流下焊接熱影響區(qū)長度遠大于35 A、45 A焊接熱影響區(qū)，晶粒變大的程度更加明顯。

圖2 金相組織形貌

2.4 合金中相分析

化合物相的分析可以研究不同焊接狀態(tài)下化合物相相對母材的變化情況。使用場發(fā)射掃描電鏡對母材及各電流下焊接件中組成相形態(tài)的進一步探究，見圖3所示。電鏡觀察狀態(tài)下，對其成分分析結果母材中嵌入相相對較多，能譜分析顯示其主要為NbC、TiN，見圖4中（a）（b）所示，TiN呈金塊狀分布在晶粒內，NbC形狀為塊狀夾雜物；35 A、45 A、60 A焊接試樣熱影響區(qū)位置的相形態(tài)呈現為浮在基體上的圓餅狀，能譜分析顯示主要為NbC，位于晶界上，見圖4中（c）所示；而焊縫位置的樹枝狀奧氏體區(qū)域的化合物，能譜顯示除了碳化物外，還存在γ′相成分。其形態(tài)更像是懸浮基體的不規(guī)則形狀相，見圖4中（d）。因為合金在凝固的過程中會先形成碳化物，綜合結果來看，焊縫位置碳化物相對較多，越遠離焊縫碳化物越少。

圖3 組成相分析

2.5 硬度試驗結果分析

焊縫位置硬度分析可以檢測不同焊接狀態(tài)下硬度的變化情況。圖5為35 A、45 A、60 A焊接電流下的熔合線附近顯微硬度圖，熔合線左側為母材熱影響區(qū)，右側為焊縫區(qū)，可見35 A和45 A焊接電流下熱影響區(qū)相對較窄，60 A電流下熱影響區(qū)相對較寬，且硬度值更低，這與60 A電流焊接件的拉伸強度較低相對應，同時三種焊接電流焊接件的熱影響區(qū)位置硬度值最低，與拉伸試驗的斷裂位置位于熱影響區(qū)相對。熔合線左側晶粒長大對應的熱影響區(qū)及左側晶粒變化不明顯的母材區(qū)其顯微硬度均低于焊縫區(qū)。

圖5 試樣顯微硬度曲線圖

3 結語

綜上分析得出以下結論：

（1）固溶狀態(tài)下GH4169高溫合金焊接接頭的抗拉強度比母材低，隨著焊接電流的增大，抗拉強度呈下降趨勢，焊接電流達到60 A，抗拉強度下降明顯，同時實驗過程中也發(fā)現該參數下30 A焊接電流板材出現未焊合情況，因此在保證抗拉強度的前提下使用該板材建議將焊接電流控制在30 A以上、60 A以下；

（2）35 A、45 A焊接電流下晶粒明顯長大的熱影響區(qū)寬度相差不大，60 A焊接電流下熱影響區(qū)寬度明顯增大，同時其斷面的剪切韌窩增大明顯；

（3）焊縫處的樹枝狀奧氏體區(qū)含有較多碳化物，高Ni元素也反映其存在較多γ'相，熱影響區(qū)碳化物含量相比焊縫降低，在電鏡中觀察形態(tài)也更趨于懸浮的圓餅狀，母材中出現一定量的TiN相及NbC相，形態(tài)為嵌入狀，同時其碳化物含量相比熱影響區(qū)明顯減少；

（4）熱影響區(qū)顯微硬度最低，遠端母材區(qū)與焊縫區(qū)硬度相差不大，因此母材真正熱影響區(qū)范圍較大，遠超過晶粒明顯長大的熱影響區(qū)范圍。