高溫合金的焊接性

1、高溫合金的焊接性1引言高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料，而鍥基及鍥鐵基高溫合金是目前高溫合金結(jié)構(gòu)材料 的重要組成部分，鍥基高溫合金由于具有優(yōu)異的耐熱性及耐腐蝕性，被稱之為“航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟”，具有組織穩(wěn)定、工作溫度高、合金化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，目前已成為航空航天、軍工、 艦艇燃?xì)鈾C(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所必須的重要金屬材料，同時(shí)在高溫化學(xué)、原子能工業(yè)及地面渦輪 等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)外一些先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用量已達(dá)發(fā) 動(dòng)機(jī)重量的55%-60%用于制造渦輪葉片的材料主要是鍥基高溫合金，同時(shí)鍥基高溫合金還 是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃汽輪機(jī)等熱端部件的主要用材，在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中這種合金的重量 占

2、50%Z上。從高溫合金的發(fā)展史來(lái)看，高溫合金經(jīng)歷了變形高溫合金、普通鑄造高溫合金、 定向凝固高溫合金、單晶高溫合金4個(gè)階段。低膨脹高溫合金具有高強(qiáng)度和低膨脹系數(shù)相結(jié)合的獨(dú)特性能，有良好的冷熱疲勞性能，耐熱沖擊、抗高壓氫脆。自70年代開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)低膨脹高溫合金以來(lái)，相繼有十幾種不同類 型的低膨脹高溫合金問(wèn)世，并被廣泛用于航空航天工業(yè)中。航空工業(yè)上低膨脹高溫合金主要 用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、渦輪外環(huán)以及封嚴(yán)圈、蜂窩支撐環(huán)等零部件的制造，以縮小葉片與機(jī)匣、封套之間的間隙，降低燃?xì)鈸p失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和效率。美國(guó)的CFMH56、7 2500和 F101發(fā)動(dòng)機(jī)都大量采用這類合金，有的用量已達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的

3、25%航天工業(yè)上采用這類合 金制造宇宙飛船和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室、渦輪泵和噴嘴等零件。低膨脹高溫合金的應(yīng)用不 可避免要涉及到焊接加工。已有的研究表明，這類合金焊接時(shí)存在一定的焊縫結(jié)晶裂紋和熱 影響區(qū)微裂紋傾向。這不僅會(huì)限制新材料的應(yīng)用范圍，還有可能引發(fā)再熱裂紋和疲勞裂紋造 成產(chǎn)品的報(bào)廢，甚至給飛機(jī)的安全飛行埋下嚴(yán)重隱患。因此，開(kāi)展低膨脹高溫合金的焊接性 研究，研究其焊接裂紋的形成機(jī)理、影響因素和控制措施，不僅能夠豐富焊接裂紋理論，而且 對(duì)于提高航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性有著重要意義。該領(lǐng)域的研究日益受到人們的重 視，并且取得了一定的進(jìn)展。2低膨脹高溫合金的成分特點(diǎn)及焊接性大致可以把低膨脹高

4、溫合金分為四類。第一類是含NH氐膨脹高溫合金，它包括Incoloy903和Pyroment CT- 1及國(guó)產(chǎn)GH903。此類合金以Fe-Ni-Co為基，添力口 Nb Ti、Al等元素進(jìn) 行強(qiáng)化。第二類是降A(chǔ)l低膨脹高溫合金，它包括Incoloy 907和CT-3及國(guó)產(chǎn)GH907為提高 抗應(yīng)力加速晶界氧化脆性，此類合金中限制Al含量0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），適當(dāng)提高了 N哈量。第 三類是高Si低膨脹高溫合金，它包括Incoloy 909和CTa 909及國(guó)產(chǎn)GH909這類合金是降A(chǔ)l 低膨脹高溫合金的改型，其基本成分相同，僅提高了 Si含量。最后一類是抗氧化低膨脹高溫合 金。已有的關(guān)于低膨脹高溫合金

5、的研究，主要集中在Incoloy903上,對(duì)于Incoloy907和Incoloy 909的研究相對(duì)較少,國(guó)內(nèi)對(duì)GH907呈接熱影響區(qū)液化裂紋作過(guò)系統(tǒng)的研究。而關(guān)于 GH90解接性的研究，目前仍未見(jiàn)報(bào)道。Ernst等采用點(diǎn)狀和小型可變拘束試驗(yàn)考察了 Incoloy 903、Incoloy 907和Incoloy 909的焊接性。結(jié)果表明，這些合金對(duì)熱影響區(qū)(HAZ)液化裂紋 和焊縫結(jié)晶裂紋的相對(duì)敏感性排序?yàn)镮ncoloy903<Incoloy907<Incoloy 909 ,而且它們的裂紋 敏感性大大高于300系列奧氏體不銹鋼的裂紋敏感性。從已有的文獻(xiàn)報(bào)道看，與熔合區(qū)的結(jié)晶裂紋相比

6、，低膨脹高溫合金HA祓裂紋更嚴(yán)重。3 HAZ微裂紋形成機(jī)理品界上富NB可口C的連續(xù)或半連續(xù)液膜的形成是產(chǎn)生HA祓裂紋的主要原因。如果液相以 離散的形式分布于晶界的孔穴處，則不會(huì)造成HAZ微裂紋。關(guān)于HAZ晶界液膜的形成有多種不 同的機(jī)理：(1)由偏析引起的局部成分變化造成品界的熔化；(2)由初始碳化物、碳氮化物、硼 化物、硫化物等的組分液化在晶界形成液膜;(3)晶界遷移時(shí)造成丫相晶界溶質(zhì)的積累；(4)熔 合區(qū)富Nb勺重新凝固白晶界上的Nb®熔合區(qū)連續(xù)通道擴(kuò)散進(jìn)入 HAZ;(5)富Nb1相沿丫相晶界 從熔合區(qū)向HAZ內(nèi)貫穿。在上述各機(jī)理中組分液化得到了更多的認(rèn)可與研究。Lin等人的研究

7、認(rèn)為，Incoloy903中HA煎相的基本來(lái)源是富Nb碳化物的組分液化，而Incoloy909中其來(lái) 源則是富N僑口 Si的Laves相和/或G-相的組分液化。Nakkalil等進(jìn)一步的研究表明，Incoloy 903HAZK相主要產(chǎn)生于晶界上已有的初始M«化物、MN鱗化物以及細(xì)小碳化物的組分液化。 HAZ微裂紋敏感性與HAZa界液相數(shù)量有關(guān)，隨Nb+S含量增加，液相增加，裂紋敏感性也增 加。Nakkalil等人的研究發(fā)現(xiàn)，品界上過(guò)飽和液膜的凝固方式對(duì)微裂紋的形成有重要影響。當(dāng)HAZ晶界液膜以與熔合區(qū)相似的凝固方式凝固時(shí)，丫樹(shù)枝晶形核長(zhǎng)大，然后進(jìn)行終了 t/MC 碳化物共晶反應(yīng)，最終

8、造成大量的微裂紋；當(dāng)HA高界液膜以液膜遷移(LFM)的方式凝固時(shí)， 液膜溶解處于其前方的丫基體并在其后方沉積富Nb 勺丫固溶體，通過(guò)液膜中的溶質(zhì)傳輸減輕 過(guò)飽和,HAZ、LFM勺大量發(fā)生減小了總勺凝固溫度范圍，避免了晶界液相的低熔點(diǎn)終了共晶反 應(yīng)，因而減少了微裂紋的發(fā)生。HA祓裂紋的形成機(jī)理可以歸結(jié)為：焊接過(guò)程快速的熱循環(huán)能 夠促進(jìn)一些合金系統(tǒng)中析出物的組分液化，在HAZ勺周相線下部分形成晶界液膜?？焖倮鋮s限 制了溶質(zhì)自晶界液相向基體的擴(kuò)散程度，因此擴(kuò)大了它的凝固范圍。同時(shí)，該液相不能通過(guò)液 膜遷移(LFM)減輕過(guò)飽和并避免在裂紋形成前生成終了低熔共晶液相。當(dāng)局部熱應(yīng)力變?yōu)槔?時(shí)存在晶界液膜

9、,就會(huì)在HAZ發(fā)生液化裂紋。另外，液相吸附磷至晶界，降低固液界面能削 弱晶界結(jié)合，會(huì)加劇微裂紋。直的晶粒邊界通道有助于液相鋪展和裂紋擴(kuò)展，降低發(fā)生LFM的驅(qū)動(dòng)力，增加微裂紋敏感性。4影響因素?zé)崽幚碇贫群统跏冀M織對(duì)HA祓裂紋傾向有著重要影響。通常固溶處理有利于雜質(zhì)的固溶 從而減小雜質(zhì)的晶界積累，而時(shí)效處理則正好使雜質(zhì)溶解度處于最低谷，因此對(duì)HA煎化裂 紋敏感的材料通常應(yīng)在固溶狀態(tài)下焊接。但史常理等人對(duì)GH9071子束焊的研究發(fā)現(xiàn)，焊前為固溶狀態(tài)時(shí)，容易發(fā)生HA液化裂紋，焊前為固溶+時(shí)效X犬態(tài),卻未出現(xiàn)HA2®紋，對(duì)此尚需進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究分析。Lin等人研究了 Incoloy 903合

10、金初始組織對(duì)HA曲裂紋的影響。研究 發(fā)現(xiàn)，在主要由粗大的溫加工晶粒構(gòu)成的試件中出現(xiàn)大量的微裂紋，而其周圍的細(xì)小晶粒中只出現(xiàn)極少量的微裂紋。細(xì)晶的平均晶界曲率大,有利于LFM的發(fā)生，因而降低HAZt裂紋傾 向。增加粗大溫加工晶粒周圍細(xì)小再結(jié)晶晶粒的比例能夠減少微裂紋。此外,X.Huang等人還針對(duì)鑄造合金718系統(tǒng)地研究了熱處理制度對(duì)顯微組織 HAZ微裂紋的影響。研究表明，不同熱 處理狀態(tài)下裂紋敏感性排序?yàn)榫鶆蚧?時(shí)效(HOMO+AGE)勻化(HOMO)均勻化+固溶 (HOMO+S.T)裂紋敏感性的變化同晶界B的析出關(guān)系密切。為減小HAZ微裂紋白發(fā)生，Richards等人研究了電子束焊接參數(shù)對(duì)I

11、ncoloy 903 HAZ微裂紋的影響，并定量確定了微裂 紋敏感性同焊接參數(shù)及熔池形狀的關(guān)系。C =0.000394v-0.0034I-0.0027U +0.013(P/W mid)+0.0016d w式中C為微裂紋敏感性指數(shù)，P/Wmid為焊縫深寬比，d w電子束工彳距離。I為電子束電流,U 為加速電壓，v為焊接速度。該方程表明，增加熱輸入即增加電子束電流I、味口降低v ,能夠 減少裂紋。橢圓形熔池與淚滴狀熔池相比，降低裂紋傾向。此后Richards等人又對(duì)Incoloy 903電子束焊接參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以回歸方程的形式揭示了焊接速度、電子束電流、聚焦電流 和電子束振幅對(duì)HAZ微裂紋的影響

12、。但該回歸方程僅適用于Incoloy 903,史常理等人對(duì)于GH907勺研究表明，線能量和高溫停留時(shí)間的增加以及加熱和冷卻速度的提高，會(huì)加劇組分液化，增加裂紋敏感性，表現(xiàn)出了與上述方程不同的關(guān)系規(guī)律。這可能是兩種合金成分差異 而致。Boucher等將裂紋行為同由橫截面測(cè)得的焊縫最大寬度與熔深比(Wop/P)聯(lián)系起來(lái)。發(fā)現(xiàn)裂紋總長(zhǎng)度隨Wp/P的增大而減小，在Wop/P的值大于1.6時(shí)，裂紋得以消除。高焊速通過(guò)減小 Wp/P來(lái)影響裂紋行為。作者進(jìn)一步推斷，電子束擺動(dòng)和預(yù)熱能夠通過(guò)影響焊接熔池的形狀和 所產(chǎn)生熱應(yīng)力的大小，減少微裂紋的發(fā)生。Richards等結(jié)合焊接熱循環(huán)時(shí)HAZ溫度一位置圖 和溫度

13、一時(shí)間曲線分析了焊接速度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，低焊速能夠造成液膜厚度減小、LFM發(fā) 生量增大、熔池呈橢圓形以及熱應(yīng)力的降低，因而降低微裂紋傾向。5低膨脹高溫合金焊接性的定量研究焊縫結(jié)晶裂紋和HAZS裂紋的產(chǎn)生不僅取決于凝固終了低熔點(diǎn)共晶和晶界液膜的形成，還要受到作用于該液膜上的應(yīng)力或應(yīng)變的影響。為了預(yù)測(cè)給定焊接條件下合金裂紋的敏感性， 有必要對(duì)以焊 縫凝固過(guò)程和晶界液化為中心的組織演變和應(yīng)力應(yīng)變 發(fā)展進(jìn)行模 擬。 B.Radhakrishnan最先提出了 HAZfj界液相的形成與凝固過(guò)程的一維熱流與物質(zhì)流耦合模型，并采用該模型計(jì)算了偽雙元合金的組織演變過(guò)程 ，確定了增加瞬時(shí)晶界液相壽命的因素。這

14、向預(yù)測(cè)合金焊接液化裂紋敏感性邁出了重要的一步。此后T.Zacharia采用數(shù)值模擬研究了不同焊接速度時(shí)薄板GTA焊的焊縫結(jié)晶組織變化。乙Yang采用模擬求得白冷卻速度和CCT圖預(yù) 測(cè)了 HSLA-100鋼熔合區(qū)的顯微組織。Dupont等針對(duì)含Nb高溫合金熔化焊模擬了熔合區(qū)凝固 過(guò)程溶質(zhì)重新分布和組織發(fā)展。將基體(Fe ,Ni ,Cr) 元素看成溶劑，作為“三元系” 丫-Nb-C 的丫組元，在忽略固相中Nb的擴(kuò)散并假定C擴(kuò)散無(wú)限快的條彳下計(jì)算了初始L- T和共晶型L一（Y +Nb）凝固階段液相比率和成分的變化。計(jì)算結(jié)果疊加在偽三元丫 -Nb-C凝固相圖上,預(yù)測(cè)凝固反應(yīng)順序以及凝固時(shí)形成的 Y /

15、NbC和丫 /Laves共晶組分的總量和各自的量。該模擬使 對(duì)含Nb試驗(yàn)合金中成分一組織一結(jié)晶裂紋之間關(guān)系的定量理解成為可能。最初的焊接過(guò)程數(shù)值模擬主要集中于焊接殘余應(yīng)力和變形的預(yù)測(cè)。O.R.Myhr最先將數(shù)值熱流模型、顯微組織模型和力學(xué)模型依次結(jié)合，成功地預(yù)測(cè)了 6082T6鋁合金空心擠壓件焊接過(guò)程中顯微組織演變、 殘余應(yīng)力和變形。關(guān)于焊接熱裂紋形成條件的焊接過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變演變數(shù)值模擬，目前主要注意力集中在熔合區(qū)結(jié)晶裂紋的研究上。 在這方面T.Zacharia和馮智利等先后作了有益的探索。 馮智利為模擬凝固效應(yīng)發(fā)展了兩種建模技術(shù)，引入了微觀凝固動(dòng)力學(xué)和單元再生技術(shù)。此后 他采用該模型定量評(píng)價(jià)了 Sigmajig試驗(yàn)中局部熱力學(xué)條件，通過(guò)構(gòu)造應(yīng)力/溫度/位置圖，揭 示了移動(dòng)的熔池尾部復(fù)雜的應(yīng)力發(fā)展，利用BTFfi局部應(yīng)力演變解釋了不同試驗(yàn)條件下的熱 裂紋啟裂現(xiàn)象。6結(jié)語(yǔ)總的看來(lái)，目前對(duì)于低膨脹高溫合金焊接性的研究，主要停留在采用微觀分析手段和焊 接性試驗(yàn)從冶金角度定性研究裂紋敏感性的階段。將焊接過(guò)程組織演變和應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展數(shù)值 模擬引入焊接裂紋的研究，是材料焊接性研