42CrMo/GH4169異種金屬慣性摩擦焊工藝

張春波，袁明強(qiáng)，周軍，全威，孫佳佳，烏彥全，王志永

(1. 中國機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028；2. 黑龍江省先進(jìn)摩擦焊接技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150028；3. 上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠，上海 200241)

0 前言

異種材料焊接不僅能改善結(jié)構(gòu)材料的使用用途，而且還能節(jié)約成本，已受到行業(yè)內(nèi)人士越來越多的關(guān)注[1-6]。尤其是中碳鋼和鎳基高溫合金的異種材料連接，能在充分利用復(fù)合材料的優(yōu)勢性能基礎(chǔ)上，降低工件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本。近些年來，航空發(fā)動機(jī)對推重比的要求逐步增加，渦輪輪盤和主軸的工作環(huán)境極其惡劣，又因中小型發(fā)動機(jī)的內(nèi)部空間有限，盤軸機(jī)械連接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，裝配困難，可靠性低[7]，且鎳基高溫合金整體化鑄造/鍛造技術(shù)還不完善，所以目前渦輪輪盤和主軸只能采取焊接的方式來完成整體連接。

GH4169是一種鈮強(qiáng)化的鎳基鍛造高溫合金，該合金可以在高溫及氧化腐蝕環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，也是高推重比航空發(fā)動機(jī)熱端部件廣泛采用的高強(qiáng)度高溫合金之一，其組織性能可滿足高壓渦輪盤的使用要求[8-9]。42CrMo是一種中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，具有較高的強(qiáng)度、韌性和淬透性，完全滿足渦輪軸的使用要求，但因其GH4169和42CrMo的力學(xué)性能、合金成分和物理性能相差較大，若采取常規(guī)熔焊方式，很難應(yīng)用在異種合金連接上[10]。

慣性摩擦焊是一種固相連接方法，具有焊接周期短、工藝簡單、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，其焊接接頭屬于鍛造組織，接頭性能穩(wěn)定可靠，材料適用性廣，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有著巨大的潛力，部分產(chǎn)品已經(jīng)被用于航空航天、石油、汽車等領(lǐng)域[11-15]。目前，大量科研工作者在異種合金焊接接頭的工藝、組織及力學(xué)性能等方面進(jìn)行了深入研究。Ding等學(xué)者[16]通過慣性摩擦焊成功地將42CrMo + K418焊接在一起，研究了飛輪慣性能對接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響，且在界面處觀察到Fe0.64Ni0.36，Ni3（Al，Ti），NbC和TiC等金屬間化合物，分析接頭上金屬間化合物的分布對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。Luo等學(xué)者[17]通過外加電場的作用下，研究了42CrMo + K418異種金屬慣性摩擦焊成形特征、原子擴(kuò)散和力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明混合附加電流對異種材料接頭的界面特性有顯著的正向影響，使焊縫界面加寬，接頭的拉伸性能明顯得到提升。目前，關(guān)于42CrMo/GH4169異種材料慣性摩擦焊的研究較少，缺乏對工藝、機(jī)理及力學(xué)性能的深入研究。因此，采用不同工藝參數(shù)對42CrMo和GH4169異種金屬進(jìn)行慣性摩擦焊研究，針對焊接接頭的宏觀形貌、微觀組織、界面特性及接頭的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，旨在探討不同慣性能條件下改善焊縫的成形情況，為工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中所用材料為?40 mm × 75 mm的調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo中碳鋼棒材和?40 mm × 108 mm GH4169鎳基高溫合金棒材，其母材組織如圖1和圖2所示，力學(xué)性能見表1。42CrMo母材組織為典型的回火索氏體，是將42CrMo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理（淬火 + 高溫回火）所得到的組織，以鐵素體為基體內(nèi)部分布著細(xì)小均勻的碳化物顆粒，其組織結(jié)構(gòu)具有良好的綜合力學(xué)性能。GH4169母材組織為等軸γ相，在γ相的周圍析出了大量的短棒狀的沉淀硬化相δ，局部存在γ′ ′(Ni3Nb)相對基體組織起到彌散強(qiáng)化的作用[18]。

表1 42CrMo及GH4169力學(xué)性能

圖1 42CrMo基體組織形貌

圖2 GH4169基體組織形貌

選用型號為中國機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司自主研制的HWI-IFW-130型軸/徑向慣性摩擦焊機(jī)，焊接前將焊口端面進(jìn)行機(jī)加工，焊口的外徑尺寸公差控制在±0.1 mm以內(nèi)。焊前對焊口使用丙酮溶液擦拭，去除表面黏附雜質(zhì)。GH4169試驗(yàn)件安裝在主軸夾具內(nèi)，42CrMo試驗(yàn)件安裝在尾座夾具內(nèi)如圖3所示，具體焊接工藝參數(shù)見表2，總能量計(jì)算式為

表2 GH4169與42CrMo試驗(yàn)件焊接工藝參數(shù)

圖3 焊接工裝及試驗(yàn)件

式中：E為總能量；I為轉(zhuǎn)動慣量；n為轉(zhuǎn)速。焊接后將試樣置于立式車床上，將擠壓出來的焊接飛邊進(jìn)行車削，防止接頭飛邊上有微小裂紋發(fā)生擴(kuò)展。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭宏觀形貌

圖4為2種試件的焊接過程，試件焊接界面為實(shí)心圓棒，整體焊接時(shí)間為30 s。當(dāng)主軸飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min時(shí)，尾座開始施加頂鍛壓力，從圖4b可以看出，在靠近焊接界面的42CrMo側(cè)擠出的金屬引起了不對稱變形，邊緣方向先朝著42CrMo側(cè)卷曲；同時(shí)，摩擦界面區(qū)域的材料以飛濺的形式擠出界面，這表明42CrMo側(cè)的熱強(qiáng)度低于GH4169側(cè)，率先開始發(fā)生塑性變形[19]，不同慣量對接頭的宏觀形貌影響很大，對GH4169側(cè)能否產(chǎn)生飛邊起著重要作用，最后，在經(jīng)歷過摩擦熱和頂鍛力的共同作用下實(shí)現(xiàn)異種材料焊接。

圖4 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊的焊接過程

圖5為42CrMo/GH4169高溫合金慣性摩擦焊接頭試件的宏觀形貌。飛邊較小一側(cè)為GH4169，較大一側(cè)為42CrMo。從圖5可以看出，42CrMo/GH4169的焊接界面在圓周方向表現(xiàn)出良好的對稱性和一致的飛邊，1號、2號試件未出現(xiàn)宏觀裂紋及雜質(zhì)等明顯的缺陷。焊后對試件整體長度進(jìn)行測量，1號、2號試件縮短量分別為7.12 mm，12.72 mm。

圖5 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭的宏觀形貌

為了更直觀的觀察到焊縫形貌，采用線切割方式對距接頭端面中心2.5 mm位置處截取焊縫界面。宏觀形貌如圖6所示，焊縫整體形貌呈弓字形，在GH4169一側(cè)端部下垂，芯部平直，這也證明GH4169高溫合金在粘塑性狀態(tài)下的強(qiáng)度要高于42CrMo，42CrMo側(cè)的軟化金屬率先從一側(cè)擠出，外側(cè)的摩擦界面壓力小于中心部位，若金屬達(dá)到粘塑性狀態(tài)后不能充分互溶，將導(dǎo)致缺陷發(fā)生，從1號、2號試件宏觀接頭上觀察，并未發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷。

圖6 42CrMo/GH4169 慣性摩擦焊接頭剖視圖

2.2 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭組織形貌

為了辨別微觀條件下的1號和2號焊接接頭成形是否良好，焊后取金相和SEM試樣如圖7所示，從圖7a可以看出，1號接頭摩擦界面形貌呈曲面狀，在GH4169側(cè)明顯存在多處黑色孔洞缺陷，越靠近圓柱中心區(qū)域缺陷越少。從圖7c明顯的觀察到GH4169側(cè)基體組織插入到42CrMo一側(cè)，像一根倒刺鑲嵌在基體里，同樣，在GH4169側(cè)熱力影響區(qū)內(nèi)有明顯的斷續(xù)線性微裂紋，長度2～10 μm不等。這說明1號試樣在此工藝參數(shù)下，慣性能較小，產(chǎn)生的熱量不足，圓柱邊緣區(qū)域沒有達(dá)到粘塑性狀態(tài)，2種材料主要依靠機(jī)械力咬合在一起。圖7b為摩擦焊接頭界面處的顯微組織，焊核區(qū)呈平直狀形貌，從圖中觀察到42CrMo側(cè)熱影響區(qū)寬度較大，受熱-力耦合作用較為明顯，這證明42CrMo晶粒之間發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形和流變行為[20]。圖7d為接頭中間區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，在焊縫兩側(cè)處聚集了大量的黑色塊狀二次相，右上角為高倍下的焊縫界面，觀察到界面處存在“犁溝”形貌，寬度約為5 μm，而且在靠近焊縫界面的區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，新生晶界較明顯，且在焊核區(qū)生成了金屬間化合物，丁煜瀚[21]研究也有相似現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶會加速摩擦結(jié)合區(qū)的晶粒細(xì)化和界面粘附。

圖7 42CrMo/GH4169焊縫顯微組織

為進(jìn)一步表征2號試件焊縫區(qū)內(nèi)的原子分布，表3列出圖8a放大圖標(biāo)記的點(diǎn)，EDS結(jié)果表明，焊縫處主要基體元素為Fe，Ni，Cr，2號點(diǎn)含碳量明顯上升。從材料結(jié)構(gòu)上可知42CrMo側(cè)碳元素含量較高，GH-4169中Ti，Mo，Nb，Cr等強(qiáng)碳化合物元素占比較多，從42CrMo側(cè)遷移過來的碳元素會與其形成一個(gè)不連續(xù)分布的碳化物層，該物質(zhì)為MC型碳化物，推測為NbC和少量TiC。另一方面，焊縫界面的SEM圖像和EDS線掃描結(jié)果如圖8所示，在受到熱-力耦合作用下，焊縫界面處Ni，Cr和Nb從GH4169側(cè)向42CrMo側(cè)擴(kuò)散，而Fe從42CrMo側(cè)向GH4169側(cè)擴(kuò)散，在強(qiáng)力的塑性變形和相互擴(kuò)散的過程中，摩擦界面中形成了大量的Ni-Fe-Cr相，還獲得了Fe-Ni，Ni3（Al，Ti）等金屬間化合物。此外，由于42CrMo/GH4169的熱性能和物理性能差異很大，當(dāng)摩擦熱和頂鍛壓力共同作用時(shí)，摩擦界面溫度會迅速升高，42CrMo側(cè)先開始軟化，初始摩擦面會轉(zhuǎn)移到GH4169內(nèi)部，形成二次摩擦面，這一結(jié)果將會促進(jìn)原子擴(kuò)散和塑性變形。從理論上講，原子擴(kuò)散和塑性變形也將提高焊接接頭質(zhì)量，促進(jìn)異種材料良好的冶金結(jié)合[22]。

表3 2號接頭試樣EDS結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖8 2號焊縫形貌及EDS元素分布特征

圖9為接頭熱力影響區(qū)組織形貌，界面連接區(qū)在微觀上呈形貌的多樣性、不連續(xù)性和不均勻性。圖9a為42CrMo接頭靠近焊縫區(qū)所發(fā)生熱力影響區(qū)組織形貌呈流線型，該區(qū)域晶粒受到熱循環(huán)及剪切力作用變得模糊不清，但是能夠發(fā)現(xiàn)有再結(jié)晶的細(xì)晶組織和黑色二次相，其中組織觀察為細(xì)小馬氏體，力學(xué)性能具有高強(qiáng)度、高硬度特點(diǎn)。圖9b為GH4169鎳基高溫合金側(cè)的熱力影響區(qū)，組織較穩(wěn)定，變形較小，但依然能觀察到晶粒被拉長。又因該區(qū)域距離摩擦界面相對較遠(yuǎn)，熱力影響區(qū)變形溫度在γ′相停留時(shí)間較短，且焊后溫度下降速率較快，這將會導(dǎo)致部分γ′相回溶[19]。

圖9 42CrMo/GH4169接頭熱力影響區(qū)的顯微組織

2.3 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭力學(xué)性能

2.3.1 顯微硬度

對1號、2號試件沿垂直焊縫方向進(jìn)行顯微硬度測試，測試點(diǎn)間距0.25 mm，曲線分布如圖10所示。曲線的走勢可分為4個(gè)區(qū)域：硬化區(qū)、過渡區(qū)、弱化區(qū)及母材區(qū)。以2號試樣為例，a區(qū)是離42CrMo側(cè)焊接界面中心約1.2 mm處的硬化區(qū)，該區(qū)域硬度值最大，根據(jù)前文分析可知，該區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒較小，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)包含的晶界越多，強(qiáng)化效果越好[23]。b區(qū)為過渡區(qū)約為2.2 mm，受熱作用減少，硬度下降，c區(qū)為軟化區(qū)，主要集中在GH4169一側(cè)，長度約為1 mm，這是因?yàn)?2CrMo側(cè)的C元素與GH4169側(cè)的Nb，Ti，Ni等強(qiáng)碳元素結(jié)合生成MC型碳化物，導(dǎo)致GH4169側(cè)的這一區(qū)域硬化，隨著遠(yuǎn)離焊縫，熱作用降低，再結(jié)晶程度減弱，顯微硬度值隨距離增加而減少。通過對比1號和2號試樣發(fā)現(xiàn)，1號試件焊接熱輸入小，試樣受熱-力耦合作用小，a區(qū)發(fā)生再結(jié)晶晶粒少，組織轉(zhuǎn)變區(qū)域小，且c區(qū)的C元素?cái)U(kuò)散受溫度影響，導(dǎo)致碳化物減少，因此，1號試樣的硬度值低于2號試樣。

圖10 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭顯微硬度

2.3.2 拉伸性能

在現(xiàn)實(shí)工況中，上海汽輪機(jī)廠中汽輪機(jī)的渦輪盤和渦輪軸的使用最高溫度為540 ℃，為了達(dá)到使用要求，在每個(gè)試驗(yàn)件接頭上取4個(gè)拉伸試樣，將1號（1-1，1-2）和2號（2-1，2-2）焊接接頭試件分別進(jìn)行室溫和高溫（540 ℃）拉伸，拉伸接頭宏觀形貌如圖11所示，1-1試樣斷裂位置為焊縫，其余試樣斷裂位置均為42CrMo側(cè)。從圖中可以看出，室溫狀態(tài)下的拉伸接頭1-1試樣從中間斷裂，縮頸現(xiàn)象較小，具體平均拉伸性能參數(shù)如圖12所示，室溫狀態(tài)下，2號試樣平均抗拉強(qiáng)度為1 062.5 MPa，高于1號試樣40 MPa，達(dá)母材的98.38%。高溫狀態(tài)下，2號試樣平均抗拉強(qiáng)度為687.5 MPa，高于1號試樣120 MPa。根據(jù)上文的組織分析可知，1號試件慣性能較低，2種材料的結(jié)合主要還是依靠機(jī)械咬合，焊縫界面沒有形成中間化物層，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。當(dāng)2號增加能量輸入后，2種材料的焊接界面可以獲得均勻的金屬間化合物層和碳化物帶，原子的擴(kuò)散和塑性變形有利于異種材料的冶金結(jié)合，進(jìn)而提高力學(xué)性能。

圖11 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭拉斷后試樣

圖12 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭拉伸性能

2.3.3 斷口分析

2號試樣的裂紋擴(kuò)展路徑如圖13所示，是典型的韌性斷裂，圖13a為宏觀斷口，呈杯錐形，由纖維區(qū)和放射區(qū)組成，圖13b為纖維區(qū)，從局部放大圖上可以觀察到，斷口有很多的韌窩結(jié)構(gòu)，深淺不一。圖13c為放射區(qū)，裂紋起源于中心向邊緣擴(kuò)展，通過局部放大圖可以看出韌窩減少，且深度較淺。這是因?yàn)樵诶Φ某掷m(xù)作用下，裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸后，試樣在低能量下發(fā)生撕裂形成，放射線越粗，變形量越大[24]。通過與1號試樣對比來看，2號試樣屬于韌性斷裂，力學(xué)性能最佳，然而1號試樣并未產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，宏觀上呈脆性斷裂。

圖13 室溫拉伸斷口形貌

圖14為2號試樣接頭高溫拉伸斷口形貌。從圖14觀察到有明顯的縮頸現(xiàn)象，宏觀形貌呈杯錐形，為典型的韌性斷裂。圖14b為中心區(qū)域的纖維區(qū)，此區(qū)域有大量的韌窩結(jié)構(gòu)，且韌窩較深，這證明，在高溫條件下，2號試樣在抵抗外力的過程中發(fā)生很大的塑性變形，1號和2號試樣都具有優(yōu)異的塑性。

圖14 2號試樣接頭高溫拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

（1）通過改變焊接工藝參數(shù)，42CrMo/GH4169異種材料慣性摩擦焊可以得到良好的焊縫形貌和圓滑的焊接飛邊。

（2）當(dāng)慣量為120 kg·m2，界面結(jié)構(gòu)主要是依靠機(jī)械咬合將兩側(cè)組織摻雜在一起，發(fā)生再結(jié)晶組織較少。當(dāng)慣量提高到168 kg·m2時(shí)，兩側(cè)焊縫組織均發(fā)生了不同程度的動態(tài)再結(jié)晶，且在焊縫界面處形成了金屬間化合物和碳化物帶。

（3）接頭拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果表明，2號試樣室溫平均抗拉強(qiáng)度為1 062.5 MPa，達(dá)母材98.38%，高于1號試樣。從裂紋擴(kuò)展途徑上看，室溫和高溫接頭斷口形貌均呈韌性斷裂，證明在焊縫界面處，2種材料完成了界面原子相互擴(kuò)散的冶金結(jié)合。