魏振偉， 劉昌奎， 顧玉麗， 陶春虎

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.中航工業(yè)失效分析中心,北京100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100095)

GH536鎳基高溫合金焊接接頭力學(xué)性能與斷裂特征研究

魏振偉1，2，3， 劉昌奎1，2，3， 顧玉麗1，2，3， 陶春虎1，2，3

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.中航工業(yè)失效分析中心,北京100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100095)

對(duì)GH536合金焊接接頭的硬度進(jìn)行測(cè)試和分析,對(duì)母材及焊接接頭進(jìn)行室溫和500℃拉伸試驗(yàn),并分析了斷裂特征,分析了母材和焊接接頭不同區(qū)域的斷裂韌度。結(jié)果表明：熱影響區(qū)硬度未見(jiàn)明顯變化,與母材一致；從熔合線到焊縫中心,由于枝晶變細(xì),顯微硬度逐漸升高。焊接接頭整體室溫拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為810MPa,392MPa和30%,達(dá)到了母材的99.6%,99.7%和93.8%；在500℃時(shí),接頭整體抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為678MPa,300MPa和26%,達(dá)到了母材的98.1%,96.8%和78.8%；GH536合金焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。在熔合區(qū)組織不均勻性最為嚴(yán)重,熔合區(qū)是GH536合金焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。在室溫和500℃,母材及焊接接頭的斷裂方式均為塑性斷裂。

鎳基高溫合金；鎢極氬弧焊；顯微硬度；拉伸性能；斷裂韌度；裂紋尖端張開(kāi)位移

GH536(Hastelloy X)是一種以Ni-Cr-Fe為基的固溶強(qiáng)化型變形高溫合金,主要的固溶強(qiáng)化元素為Mo、W和Co,在高溫下具有良好的耐蝕性能、抗氧化性能及強(qiáng)度,冷熱加工性能及焊接性能良好。由于其良好的高溫性能,被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件、壓氣機(jī)盤(pán)、風(fēng)扇、葉片及其他高溫部件的生產(chǎn)加工中［1,2］。各種尺寸的GH536合金管材生產(chǎn)工藝成熟。目前,已經(jīng)提出采用變形高溫合金作為替代材料,制作發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管。同時(shí),考慮到導(dǎo)管安裝和使用的便利,很多導(dǎo)管采用焊接的方式進(jìn)行連接。而對(duì)于一個(gè)材料的使用,要充分考慮其力學(xué)性能,尤其是其使用條件下的性能,同時(shí)對(duì)于其薄弱環(huán)節(jié)有所了解。只有綜合考慮其力學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),才能夠更好、更安全的設(shè)計(jì)和使用。

Prasad Reddy［3］和M iner［4］等人分別研究了Hastelloy X固溶態(tài)和不同時(shí)效狀態(tài)下的組織。同時(shí),對(duì)于GH536的性能研究也主要集中在原材料方面,溫度和應(yīng)變速率對(duì)Hastelloy X流變性能的影響［1］,加工性能［2］、塑性畸變［5,6］、時(shí)效硬化機(jī)制［5］、疲勞性能［2,5］以及蠕變性能［7］等。Graneix等究了Hastlloy X和Haynes 188之間的焊接組織和性能［8］。而對(duì)于GH536合金焊接接頭的力學(xué)性能研究很少,尤其是其高溫力學(xué)性能和斷裂韌性未見(jiàn)有報(bào)道。本工作通過(guò)研究GH536合金焊接接頭硬度、室溫及500℃下的拉伸性能和斷裂韌度變化及斷裂特征,分析了導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能變化原因,對(duì)于判定GH536合金焊接接頭質(zhì)量和焊劑接頭的安全評(píng)估均有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

選擇了外徑φ50mm、壁厚2.5mm的GH536導(dǎo)管作為實(shí)驗(yàn)材料。焊絲直徑φ2mm,焊絲合金牌號(hào)與實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)管合金牌號(hào)相同。GH536高溫合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

GH536合金導(dǎo)管坡口形式為單邊V型坡口,坡口角度為45°,鈍邊高度為0.5mm,焊接前使用丙酮和稀酸清洗焊接表面,保證表面無(wú)灰塵、殘留氧化物等。將管材用專用卡具夾持在焊接自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上,接頭形式為對(duì)接,無(wú)間隙。焊接設(shè)備為美國(guó)M iller Syncroxave 350LX焊機(jī),采用手工鎢極氬弧焊方法進(jìn)行單面焊。焊接完成后進(jìn)行980℃/2h的去應(yīng)力退火處理。使用Struers TegraPol-35制樣系統(tǒng)制備金相試樣,金相腐蝕采用Kalling試劑(CuCl25g+ HCl 100m L+C2H5OH 100m L),并使用金相顯微鏡觀察組織。采用H450-SVDH型顯微硬度儀測(cè)量焊接接頭截面中心線的顯微硬度,測(cè)試力為200g,步長(zhǎng)為200μm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010和GB/ T4338—2006在RPL-100蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行母材和焊接接頭的室溫及高溫(500℃)拉伸性能測(cè)試,試樣厚度為2.5mm,其它尺寸見(jiàn)圖2,母材拉伸性能測(cè)試使用原材料,并使用Camscan3100掃描電鏡觀察斷裂特征。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS7448—1997使用疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)定母材及焊接接頭不同區(qū)域的斷裂韌度(CTOD),試樣厚度為2.5mm,其它尺寸見(jiàn)圖3,缺口部位依次在焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū),母材的CTOD測(cè)試使用原材料。

表1 GH536高溫合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table1 Chem ical composition of GH536 superalloy(mass fraction/%)

圖1 焊縫硬度測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic illustration ofm icrohardness testing of xelded joint

圖2 拉伸測(cè)試試樣尺寸圖Fig.2 Dimension of specimen for tension test

圖3 SE斷裂韌度測(cè)試試樣尺寸圖Fig.3 SE dimension of specimen for fracture toughness test

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微硬度

焊接接頭的顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖4所示,從母材到熔合線,硬度值未見(jiàn)有明顯變化,HV在210～220之間；從熔合線到焊縫中心,顯微硬度逐漸升高,在焊縫中心達(dá)到最大值HV270；隨后硬度逐漸下降,以焊縫中心線為中心對(duì)稱分布。由以上結(jié)果可以知道,焊接過(guò)程對(duì)GH536合金熱影響區(qū)的硬度影響不顯著。作者曾對(duì)GH536合金焊接接頭的組織進(jìn)行研究,母材上,碳化物在晶內(nèi)彌散析出,在晶界上不連續(xù)析出。熱影響區(qū)晶粒未見(jiàn)有明顯長(zhǎng)大,只是原有的鏈狀碳化物粗化。焊縫區(qū),碳化物在枝晶間和晶界析出。從熔合線到焊縫中心,柱狀晶約垂直于熔合線向焊縫中心生長(zhǎng),晶粒尺寸逐漸增大,焊縫中心為等軸晶,而枝晶組織變得更加細(xì)小,見(jiàn)圖5。文獻(xiàn)研究表明［9］,HV=Kλ-1/4,K是常數(shù),λ為二次枝晶間距。綜合分析焊接接頭組織變化,枝晶組織更加細(xì)小是導(dǎo)致焊縫中心硬度較高的主要原因。

圖4 焊接接頭截面橫向硬度變化Fig.4 M icrohardness transverse distribution in the xelded joint across fusion line

2.2 拉伸性能

圖6對(duì)比了母材和焊接接頭室溫及500℃拉伸性能。從圖6a中可以看到,母材室溫抗拉強(qiáng)度為8 13MPa,焊接接頭抗拉強(qiáng)度810MPa,達(dá)到母材的99.6%,斷裂位置在焊縫；母材500℃抗拉強(qiáng)度為691MPa,焊接接頭500℃抗拉強(qiáng)度為678MPa,達(dá)到母材的98.1%,斷裂位置在焊縫。從圖6b中可以看到,母材室溫屈服強(qiáng)度393MPa,焊接接頭屈服強(qiáng)度為392MPa,達(dá)到母材的99.7%；母材500℃屈服強(qiáng)度為 310MPa,焊接接頭 500℃屈服強(qiáng)度為300MPa,達(dá)到母材的96.8%。母材室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率為32%,焊接接頭斷后伸長(zhǎng)率30%,達(dá)到母材的93.8%；母材500℃斷后伸長(zhǎng)率為33%,焊接接頭500℃斷后伸長(zhǎng)率為26%,達(dá)到母材的78.8%,見(jiàn)圖6c。GH536合金焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)不低于96. 8%,充分說(shuō)明其具有良好的力學(xué)性能,能夠作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的焊接導(dǎo)管。不論是室溫狀態(tài)下還是500℃狀態(tài)下,GH536合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都接近于母材；焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率要低于母材,在500℃下更顯著。從焊接接頭的硬度測(cè)試結(jié)果可以知道,焊縫的硬度要高于母材,也就是焊縫的強(qiáng)度高于母材。由于焊接接頭的性能是不均勻的,容易在焊縫處形成應(yīng)力集中,因此雖然焊縫的強(qiáng)度較高,但GH536合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都十分接近于母材,斷裂位置在焊縫。斷后伸長(zhǎng)率表征的是材料的塑性變形能力,焊縫的組織和力學(xué)性能不均勻,導(dǎo)致位錯(cuò)滑移困難,因此焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率較低。而在500℃下,組織和性能均勻的母材會(huì)有更多的滑移系開(kāi)動(dòng),其斷后伸長(zhǎng)率較焊接接頭會(huì)更高。

圖5 焊接接頭組織形貌Fig.5 Microstructuremorphology of xelded joint

圖6 母材及焊接接頭拉伸性能 (a)抗拉強(qiáng)度；(b)屈服強(qiáng)度；(c)斷后伸長(zhǎng)率Fig.6 Tensile properties of based metal and xelded joints (a)tensile strength；(b)yield strength；(c)elongation

2.3 斷裂韌性

對(duì)母材和焊接接頭不同區(qū)域的斷裂韌度測(cè)試平均結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),它們的CTOD值中彈性分量δe接近,只占CTOD值中很小一部分；塑性分量δp差異較大；CTOD值從高到底依次為母材＞焊縫中心＞熱影響區(qū)＞熔合線區(qū)域,見(jiàn)圖7。焊縫中心、熱影響區(qū)和熔合區(qū)CTOD值分別為母材的94.6%, 89.7%和84.2%。CTOD是表征材料抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力,CTOD值越大說(shuō)明材料抗開(kāi)裂性能越好,韌性越好。從以上結(jié)果可以知道,GH536合金焊接接頭抵抗斷裂的能力從強(qiáng)到弱依次為母材＞焊縫中心＞熱影響區(qū) ＞熔合區(qū),熔合區(qū)抵抗裂紋擴(kuò)展的能力最弱。從硬度測(cè)試結(jié)果和拉伸性能可以知道,GH536合金焊接接頭屬于高匹配性接頭,焊縫強(qiáng)度較高,塑性較低。當(dāng)在焊縫產(chǎn)生裂紋時(shí),在焊縫區(qū)產(chǎn)生較小的塑性應(yīng)變區(qū),而在母材產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變區(qū),且位錯(cuò)不易向較硬的焊縫擴(kuò)展,位錯(cuò)在熔合線附近塞集,產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致熔合區(qū)硬化、變脆。而從組織上來(lái)分析,熔合區(qū)是熱影響區(qū)到焊縫的過(guò)渡區(qū)域,熱影響區(qū)為等軸晶,而焊縫為樹(shù)枝狀晶,熔合區(qū)的組織不均勻性最嚴(yán)重。劉昌奎［10］和范引鶴［11］分別對(duì)TA15和1Cr18Ni9Ti焊接接頭的性能研究發(fā)現(xiàn),熔合區(qū)組織不均勻程度最高,裂紋容易萌生,是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。GH536合金焊接接頭熔合區(qū)CTOD值最小,組織不均勻性嚴(yán)重,其抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力最弱,是GH536合金焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

圖7 母材和焊接接頭不同區(qū)域斷裂韌度CTOD結(jié)果對(duì)比圖Fig.7 Contrast results of fracture toughness CTOD in based metal and xelded joint

2.4 斷裂特征

圖8為母材及焊接接頭室溫和500℃拉伸斷裂形貌。從圖8a中可以看到,母材室溫拉伸斷口形貌特征為沿晶韌窩。從圖8b可以看到,焊接接頭室溫拉伸斷口特征呈現(xiàn)為枝晶形貌,且可見(jiàn)明顯的韌窩特征。從圖8c可以看到,母材500℃拉伸斷口形貌特征為韌窩,同時(shí)可見(jiàn)二次裂紋。從圖8d可以看到,焊接接頭拉500℃伸斷口特征呈現(xiàn)為枝晶形貌,可見(jiàn)明顯的韌窩特征,且存在大量二次裂紋。在部分韌窩底部可見(jiàn)有碳化物顆粒。焊接接頭斷口韌窩明顯較母材的細(xì)小、淺。從拉伸斷裂特征也驗(yàn)證了母材較焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率更高,即塑性更好。

圖8 拉伸斷裂形貌 (a)母材室溫；(b)焊接接頭室溫；(c)母材500℃；(d)焊接接頭500℃Fig.8 Tensile fracture appearances of (a)based metal(RT)；(b)x elded joint(RT)；(c)based metal(500℃)；(d)x elded joint(500℃)

從拉伸性能數(shù)據(jù)和拉伸斷口特征可以看到,在室溫和500℃,母材和焊接接頭均是塑性斷裂。材料的塑性變形來(lái)源于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在室溫下,塑性變形主要依靠位錯(cuò)的滑移來(lái)實(shí)現(xiàn),且滑移系較少。在高溫下,位錯(cuò)不僅能滑移,還能攀移,且能開(kāi)動(dòng)的滑移系較多。室溫下位錯(cuò)更容易在晶界塞集,造成應(yīng)力集中,而在母材晶界上不連續(xù)析出的碳化物造成晶界強(qiáng)度變?nèi)?裂紋在晶界萌生,最終導(dǎo)致沿晶開(kāi)裂。在高溫下,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)容易從一個(gè)晶粒傳遞到另一個(gè)晶粒,不易在晶界造成大的應(yīng)力集中,而彌散分布的碳化物導(dǎo)致微孔聚集型韌窩斷裂。焊縫區(qū)域,碳化物在枝晶間偏聚、析出,裂紋在枝晶間萌生、擴(kuò)展,形成枝晶斷裂形貌,邊緣為撕裂棱。

3 結(jié)論

(1)母材和熱影響區(qū)顯微硬度未見(jiàn)有明顯變化,HV在210～220之間,從熔合線到焊縫中心,顯微硬度逐漸升高,焊縫中心硬度最高HV270,焊縫中心枝晶組織細(xì)小是其硬度較高的主要原因。

(2)焊接接頭整體室溫拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為810MPa,392MPa和30%,達(dá)到了母材的99.6%,99.7%和93.8%；在500℃時(shí),接頭整體拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為678MPa,300MPa和26%,達(dá)到了母材的98.1%, 96.8%和78.8%；GH536合金焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。

(3)熔合區(qū)CTOD值較小,組織不均勻性最嚴(yán)重,是GH536合金焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

(4)在室溫和500℃,母材和焊接接頭均為塑性斷裂。

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M echanical Properties and Fracture Characteristics of W elded Joint in GH536 Ni-based Superalloy

WEI Zhen-x ei1,2,3, LIU Chang-kui1,2,3, GU Yu-li1,2,3, TAO Chun-hu1,2,3
(1.AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；2.Failure Analysis Center of Aviation Industry Corporation of China,Beijing 100095,China；3.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation,Beijing 100095, China)

Microhardness,tensile properties and fracture toughness of based metal and different zones in xelded joint for GH536 obtained by gas tungsten arc xelding(GTAW)xere studied.The results shox that hardness in HAZ is equal to BM,hoxever,hardness becomes higher from fusion line to x eld center for finer dendritic structures.The tensile strengthσb、yield strengthσsand elongationδ at room temperature(RT)are 810MPa,392MPa and 30%,xhich reach 99.6%,99.7%and 93.8%of based materials’,respectively；Theσb,σsandδat 500℃are 678MPa,300MPa and 26%,x hich reach 98.1%,96.8%and 78.8%of based materials’,respectively；The xelded joint of GH536 has good mechanical properties.Fusion zone is the xeak link of xelded joint for highermicrostructure heterogeneity.Based metal and x elded joint break mainly in the xay of p lastic rupture both at RT and 500℃.

Ni-based superalloy；gas tungsten arc xelding(GTAW)；microhardness；tensile properties；fracture toughness；crack tip opening displacement(CTOD)

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.5.011

TG113

A

1005-5053(2015)05-0070-05

2015-04-01；

2015-04-29

魏振偉(1986—),男,博士,主要從事失效分析及金屬材料微觀物理方面研究,(E-mail)xeizhenxei@live.cn。