K4002鎳基高溫合金鑄造缺陷TIG修復工藝研究

摘要： K4002鎳基高溫合金性能優(yōu)異，常用于鑄造航空發(fā)動機熱端部件，但其在精密鑄造過程中易出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。補焊技術可修復其缺陷，但K4002因Al、Ti含量高，焊接裂紋敏感性高，修復難度較大?；贙4002高溫合金的Al、Ti高含量導致的焊接裂紋敏感性等問題，使用TIG補焊修復技術并使用HGH3113焊絲進行熔覆來修復K4002高溫合金鑄造缺陷。試驗結果表明，焊前通過固溶處理對合金沉淀相進行調控，采用1 150 ℃+2 h固溶處理可以減少120 A的TIG焊接電流下液膜形成，降低了液化裂紋敏感性。焊后通過固溶+時效熱處理調控，可以避免應變時效裂紋，提升修復件的力學性能，修復件的抗拉強度和斷后伸長率均優(yōu)于鑄態(tài)母材。

關鍵詞： K4002鎳基高溫合金;鑄造缺陷修復;TIG熔覆;液化裂紋;應變時效裂紋

中圖分類號：TG 406

Study on TIG repair technology for casting defects of K4002 nickel based superalloy

CHEN Zhenlin1， HU Shengxuan2， JIN Hongxi2， ZHENG Zheng2， WEI Yanhong2， WANG Shaogang2

（1. Shenyang Liming Aero Engine Corporation Limited， Aero Engine Corporation of China， Shenyang 110043， China;2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210000， Jiangsu， China）

Abstract： K4002 nickel based superalloy exhibits excellent performance and is commonly used in the casting of hot-end components for aerospace engines. However， it is prone to defects such as cracks and porosity during the precision casting process. Repair welding technology can address these defects， but the high aluminum and titanium content in K4002 increases its sensitivity to welding cracks， making repair challenging. This study employs TIG repair welding technology using HGH3113 welding wire to remediate casting defects in K4002 superalloy， addressing issues related to the alloy's high aluminum and titanium content that contribute to crack sensitivity. Experimental results indicate that pre-welding solution treatment can regulate the alloy's precipitate phases; specifically， a solution treatment at 1 150 ℃ for 2 hours can reduce the formation of liquid films under a TIG welding current of 120 A， thereby decreasing the sensitivity to liquation cracking. Post-welding， a combination of solution treatment and aging heat treatment can prevent strain-age cracking and enhance the mechanical properties of the repaired components. The tensile strength and elongation of the repaired specimens surpass those of the cast base material.

Key words： "K4002 nickel based superalloy; casting defect repair; TIG cladding; liquation cracks; strain age cracks

0 前言K4002鎳基高溫合金作為一種沉淀相強化的鑄造高溫合金，因其優(yōu)異的高溫性能而被廣泛應用于新一代航空發(fā)動機和燃氣輪機的關鍵部件中［1］。K4002鑄造件在生產(chǎn)過程中難免產(chǎn)生缺陷，如在鑄造過程出現(xiàn)的疏松、夾雜、夾渣、縮孔、裂紋。針對渦輪葉片等熱端部件的磨損、斷裂及裂紋等服役損傷缺陷，使用激光熔覆、等離子弧焊、釬焊及摩擦焊等多種技術修復［2］，顯著延長了部件的使用壽命，降低了維護成本［3］。但如何高效且經(jīng)濟地修復小規(guī)模缺陷，仍是一個亟待解決的問題。鎢極氬弧焊（TIG）是目前使用范圍較廣的焊接修復技術之一，成本低廉且對焊接材料適應性強［4-8］，但因K4002鎳基高溫合金的Al、Ti元素含量較高，導致液化裂紋敏感性增加，且在焊后時效過程中可能產(chǎn)生應變時效裂紋［9］，修復成功率較低［10］。因此開發(fā)一種適用于K4002鎳基高溫合金鑄造缺陷的TIG修復工藝，對提高修復成功率、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

針對鎳基高溫合金焊接后容易產(chǎn)生液化裂紋的問題，González等人［11］研究了Inconel 939高溫合金的TIG修復，發(fā)現(xiàn)焊前熱處理使γ′相完全溶解可減少熱影響區(qū)液化裂紋。八角立方γ′相和粗大MC碳化物更易導致液化及微裂紋。降低合金硬度、選高延展性焊絲、適當焊接速度和低熱輸入均可降低HAZ裂紋敏感性。Ye等人［12］的研究表明，因為過大熱輸入易導致凝固裂紋及熱影響區(qū)TCP相引發(fā)的液化裂紋，因此降低熱輸入并實施焊前均一化熱處理能夠有效減少Inconel 718合金GTAW接頭中的凝固裂紋和液化裂紋的產(chǎn)生。Kayacan等人［13］研究表明，固溶與時效熱處理工藝能夠有效防止René 41高溫合金材料構件的應變時效裂紋生成，但焊后時效熱處理保溫時間延長至4小時后仍會導致接頭區(qū)域出現(xiàn)時效裂紋。由于試驗研究和數(shù)值模擬分析具有一定的局限性，修復工藝參數(shù)對修復后材料性能的影響需要進一步深入研究。

研究通過設計TIG修復試驗優(yōu)化工藝參數(shù)，并通過修復前后熱處理調控裂紋，評估修復后力學性能，設計合適的熱處理工藝參數(shù)以減少裂紋，提高修復質量。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為某合金公司提供的K4002沉淀硬化型鎳基高溫合金，板材尺寸為75 mm×57.5 mm×4 mm。選擇無Al、Ti的HGH3113鎳基合金焊絲，直徑約為1.2 mm。母材及焊絲化學成分如表1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設備和工藝

研究采用自動鎢極氬弧焊方法對K4002高溫合金鑄態(tài)板材進行表面熔覆修復試驗。試驗所用焊機為WSME-315R型TIG焊機，該焊機在直流焊接模式下，功率輸出范圍從5 A/10.2 V到315 A/22.6 V。采用CH1600-6焊接機器人控制焊炬運動。

修復前使用夾具固定試板，鎢針與待焊試板垂直，鎢針尖端距離試板約2 mm，焊絲尾端與鎢針尖端保持在同一水平線上，距離約5 mm。選用純度為99.9 %的氬氣作為保護氣，氣流量固定為12.5 L/min。

熱處理設備為KRX-14C型馬弗爐，額定功率：12 kW，最大升溫速率為：30 ℃/min，最大額定工作溫度為：1 400 ℃。

1.2.2 組織分析和力學性能測試

利用數(shù)控電火花線切割取焊縫金相試樣（15 mm×3 mm×4 mm），環(huán)氧樹脂鑲嵌后逐級研磨拋光，再用電化學腐蝕法（稀磷酸溶液，正極，5.5 V/10 A，5-10 s）處理觀察面。

使用HXS-1000AC型顯微硬度計分別測量試樣焊縫、熱影響區(qū)和母材的維氏硬度，測試參數(shù)設置為載荷 500 gf，保載時間 10 s，設置相鄰硬度測試點距離為0.25 mm。

按照GB/T 2651-2023《金屬材料焊縫破環(huán)性試驗 橫向拉伸試驗》進行拉伸性能測試。使用KY-100KNW型電子萬能試驗機測試修復試樣拉伸性能，拉伸試樣如圖2所示，測試前打磨去除焊縫余高和切痕，拉伸速率為2 mm/min。

1.3 修復工藝

1.3.1 熔覆前熱處理

針對K4002高溫合金鑄態(tài)組織中沉淀相在高溫下易液化的問題，試驗設計了熔覆前固溶處理工藝以優(yōu)化合金性能，參考與K4002合金相近的牌號MAR-M002高溫合金的固溶工藝參數(shù)，設置了如表2所示的熔覆前固溶處理工藝參數(shù)。

1.3.2 熔覆后熱處理

為獲得穩(wěn)定的接頭組織，避免應變時效裂紋的產(chǎn)生，對無液化裂紋的K4002高溫合金的修復試樣采取固溶+時效的焊后熱處理，具體為在1 150 ℃下進行固溶處理2小時，隨后爐冷至870 ℃時效16小時，最終空冷。

2 結果分析與討論

2.1 補焊修復件力學性能分析

對鑄態(tài)K4002基板進行鎢極氬弧焊修復試驗，為獲得最佳工藝參數(shù)，文中設置如表3所示的6組試驗。

根據(jù)表3進行試驗并按圖3所示進行測量，試驗結果如圖4和圖5所示。如圖4圖5試驗編號1、2所示，當焊接電流為60 A時，試驗編號2工藝參數(shù)下的余高比過大，且熔深過淺，焊道不連續(xù)，成形質量差，而試驗編號1工藝參數(shù)條件下的余高比較大，熔深適中，熔深熔覆層表面和截面形貌良好，沒有未充分濕潤的缺點。

根據(jù)圖4和圖5試驗編號3、4所示，當焊接電流為90 A時，試驗編號4工藝參數(shù)條件下的焊縫余高比良好，且熔寬相對于試驗編號3更寬更均勻，焊縫填充飽滿，而試驗編號3的熔深較深，余高比較小，表明其焊接速度過快。

根據(jù)圖4和圖5試驗編號5、6所示，焊接電流為120 A時，試驗編號6的焊縫過渡平滑，且焊縫熔寬相對試驗編號5大，余高更高，但在焊接電流為120 A的試驗中，熔深相較于焊接電流為60 A和90 A的試驗參數(shù)偏大，表明其熱輸入偏高，且焊接電流為120 A時，接頭熔合線附近的熱影響區(qū)晶間發(fā)生部分液化，并且在修復試樣接頭觀察到如圖6所示液化裂紋存在。如圖7所示，送絲速度以及焊接速度一定時，焊縫熔寬和熔深隨焊接電流增加，整體呈上升趨勢，而焊接電流大小對余高幾乎無影響。而在焊接電流一定時，而焊縫余高隨送絲速度及焊接速度及增大而增大。因此焊縫熔寬和熔深受焊接電流影響更大，而焊縫余高受送絲速度和焊接速度影響更大。

分析TIG修復后K4002高溫合金的力學性能，從熔覆層質量最高的4號工藝修復后的無裂紋試板上切樣，進行了顯微硬度和拉伸性能測試。如圖8所示，硬度測試結果表明，修復后試樣熔覆區(qū)域平均顯微硬度（287.5 HV）略低于熱影響區(qū)（365.7 HV），都低于母材（406.8 HV），這是因為焊絲不含Al、Ti、Nb等γ'相形成元素，熔覆層因此不生成γ′沉淀相，使得其硬度較母材偏低。對K4002合金進行拉伸測試，未修復的試樣的抗拉強度為730.6 MPa，斷后伸長率為16.2%。如圖9所示，TIG修復后，合金抗拉強度提升至752.1 MPa，斷后伸長率降至14.3%，這是因為熔覆層中析出如圖10所示的硬脆的MC碳化物顆粒，使斷裂強度上升，斷后伸長率下降。

2.2 熔覆前熱處理

在K4002鎳基高溫合金的熔覆前固溶處理研究中發(fā)現(xiàn)，通過調控固溶溫度可以影響合金中γ′相、γ+γ′共晶相及MC碳化物的形貌、尺寸與分布。如圖11～14所示，隨著固溶溫度的升高到1 175 ℃，γ′相微觀形貌開始從立方形態(tài)向球形顆粒轉變，但隨著固溶溫度繼續(xù)升高，又開始向立方態(tài)轉變；γ+γ′共晶相則隨溫度上升逐漸溶解，直至高溫下幾乎完全消失；MC碳化物則隨溫度上升逐漸溶入基體，形貌變得斷續(xù)，在1 250 ℃以上時很難再觀察到明顯的MC碳化物組織。這些相變優(yōu)化了合金的微觀結構，并且由于γ+γ′共晶相和MC碳化物隨溫度上升逐漸溶解，減少了這兩相在后續(xù)熔覆中所造成的液化現(xiàn)象。對不同固溶溫度下的固溶態(tài)K4002高溫合金母材進行TIG熔覆試驗，使用焊接電流90 A，送絲速度1.3 mm/s，焊接速度4 mm/s的試驗參數(shù)。分別統(tǒng)計其熱影響區(qū)液化裂紋的平均裂紋長度和最大裂紋長度來衡量其裂紋敏感性，對每組參數(shù)截取5個試樣的橫截面統(tǒng)計結果并取其平均值。如圖15所示，在固溶溫度為1 150 ℃時沒有液化裂紋產(chǎn)生，而隨著固溶溫度繼續(xù)升高，液化裂紋重新出現(xiàn)并隨著固溶溫度的變化出現(xiàn)波動。

2.3 熔覆后熱處理

試驗表明，經(jīng)固溶處理（1 150 ℃+2 h/AC）的母材基板，能有效避免液化裂紋的形成。由于熔覆層在870 ℃時效處理時容易因二次γ′相析出引發(fā)應變時效裂紋，因此本文對修復后試樣進行固溶+時效處理，該流程可以促進了沉淀相的回溶與元素均勻化，并抑制了二次γ′相的重新析出或長大，改善熔覆層的組織穩(wěn)定性及裂紋敏感性。

圖16顯示，無熱影響區(qū)液化裂紋的熔覆試樣經(jīng)固溶+時效熱處理后，熔覆層內未見明顯γ′相析出，歸因于快速升溫阻礙了細小γ′相的析出。而MC碳化物在晶間保持相近的形貌與分布。兩種試樣的熔覆層均未現(xiàn)應變時效裂紋，表明熔覆后熱處理降低了應變時效裂紋敏感性。根據(jù)圖17，經(jīng)焊后熱處理的修復件顯微硬度與拉伸性能會提升，其顯微硬度高于無焊后熱處理的試樣。如圖18所示，對于焊前進行固溶工藝處理的修復試樣，其抗拉強度與斷后伸長率均優(yōu)于未進行任何焊前處理的樣品，分別達到鑄態(tài)K4002合金的105.9%與115.4%。

3 結論

（1）120 A焊接電流下熱影響區(qū)易產(chǎn)生液化裂紋。焊接電流為90 A，送絲速度1.3 mm/s，焊接速度4 mm/s時，可以得到修復形貌良好，無液化裂紋的試樣，因此K4002修復宜用小電流、低熱輸入。

（2）熔覆前固溶處理通過促使沉淀相回溶入基體，改變了沉淀相的形貌、尺寸及分布，減少了液膜形成，調整了合金力學性能，有助于降低殘余應力，并獲得了一組無液化裂紋產(chǎn)生的固溶參數(shù)。

（3）熔覆后1 100 ℃以上快速升溫的固溶+時效熱處理，可以有效避免應變時效裂紋，并提升修復件的力學性能。

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收稿日期： 2024-11-19

陳振林簡介： 1985 年出生，學士，工程師，主要從事熔焊工藝及焊接仿真工作；czl4141607@163.com。

通信作者簡介： 魏艷紅，1965 年出生，博士，教授，博士研究生導師；主要從事焊接過程數(shù)值模擬與仿真以及焊接工程應用軟件設計工作；nuaadw@126.com。