劉彩云 劉士偉 孫元 蘇瑾 文明月 侯星宇 于金江

摘要：綜述鎳基高溫合金和鈷基高溫合金熔化焊的研究現(xiàn)狀，并闡述了焊接裂紋形成機(jī)理以及焊接工藝和合金成分對(duì)其焊接性的影響。鎳基高溫合金可以通過(guò)調(diào)整合金成分、析出相和晶界形貌、焊接工藝等來(lái)提高其焊接性。與沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金相比，固溶強(qiáng)化鈷基合金焊接性能良好，展現(xiàn)出良好的界面熔合性和較高的抗裂紋敏感性。新型沉淀強(qiáng)化鈷基合金中γ/γ'點(diǎn)陣錯(cuò)配度為正值，推測(cè)γ'析出產(chǎn)生的壓應(yīng)力將降低焊接應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性。沉淀強(qiáng)化鈷基合金兼具優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和可焊性，成為最具潛力的高溫材料之一。

關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金;鈷基高溫合金;熔化焊;焊接性

中圖分類號(hào)：TG406? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）01-0028-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.04

0? ? 前言

高溫合金是指能夠在600 ℃以上高溫承受較大復(fù)雜應(yīng)力，并具有表面穩(wěn)定性的高合金化鐵基、鎳基和鈷基奧氏體金屬材料[1]。高溫合金具有良好的高溫力學(xué)性能、抗氧化性能和抗熱腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、核電站核反應(yīng)堆等關(guān)鍵熱端零部件[2-3]。其中，鎳基高溫合金因?yàn)棣?-Ni3（Al，Ti）相與基體共格強(qiáng)化而具有穩(wěn)定的高溫力學(xué)性能，成為發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的高溫合金。相比而言，鈷基高溫合金雖然缺乏共格強(qiáng)化相，主要依靠碳化物強(qiáng)化，力學(xué)性能低于鎳基合金，但是由于其Cr元素含量較高，所以具有優(yōu)異的抗高溫氧化和腐蝕性能，多應(yīng)用于航天航空、能源和化工等高溫低應(yīng)力環(huán)境。直到2006年，Sato等人[4]在鈷基合金中發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的γ'相，且力學(xué)性能相比傳統(tǒng)鈷基合金大幅度提升，揭開了新型沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金發(fā)展的序幕。目前很多學(xué)者致力于通過(guò)合理成分設(shè)計(jì)提高沉淀強(qiáng)化鈷基合金的高溫組織穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能。

高溫結(jié)構(gòu)件使用條件苛刻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝繁復(fù)，如葉片、渦輪盤、燃燒室的火焰筒和機(jī)匣等高溫合金零件不可避免地需要連接、合金表面耐磨層堆焊、微裂紋微孔洞缺陷修復(fù)等先進(jìn)焊接技術(shù)[2]，尤其是熔化焊技術(shù)。高溫合金經(jīng)常采用的熔化焊工藝有鎢極氬弧焊（Tungsten Inert Gas Welding，TIG）、激光焊（Laser Beam Welding，LBW）、等離子弧焊（Plasma Arc Welding，PAW）、電子束焊接（Electron-beam wel-ding，EBW）等。熔化焊具有操作方便、接頭連接性能好、成本低等不可替代的優(yōu)點(diǎn)，因此成為高溫合金結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)和修復(fù)過(guò)程中必不可少的制造技術(shù)。

但是，鎳基和鈷基高溫合金中通常含有較高的Al、Ti，以及W、Mo等高熔點(diǎn)元素，在熔化焊焊接過(guò)程及焊后熱處理過(guò)程中易產(chǎn)生熱裂紋和再熱裂紋，降低焊接接頭性能，降低高溫合金的服役可靠性。所以，高溫合金的焊接性評(píng)定一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從裂紋形成機(jī)理、焊接工藝和合金成分等方面對(duì)高溫合金熔化焊焊接性進(jìn)行了大量研究。鎳基和鈷基高溫合金強(qiáng)化機(jī)制不同，焊接研究發(fā)展也不同步，文中分別論述了鎳基高溫合金和鈷基高溫合金熔化焊的研究進(jìn)展。

1 鎳基高溫合金熔化焊焊接性的研究

鎳基高溫合金是以鎳為基體，加入大量固溶強(qiáng)化元素和沉淀強(qiáng)化元素來(lái)強(qiáng)化合金。鎳基合金基體中分布有與γ共格的γ' -Ni3（Al，Ti）強(qiáng)化相。部分鎳基高溫合金還會(huì)加入晶界強(qiáng)化元素B、C、Zr等來(lái)強(qiáng)化晶界。良好的組織穩(wěn)定性、高體積分?jǐn)?shù)的γ'相、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能等，使鎳基高溫合金成為應(yīng)用最廣泛的高溫合金，因而鎳基高溫合金的焊接性研究尤為重要。

通常將焊接裂紋敏感性和焊接接頭性能作為評(píng)價(jià)材料焊接性能的主要指標(biāo)。而焊接性的優(yōu)劣受焊接工藝以及合金成分的影響較大。目前鎳基高溫合金熔化焊的研究主要圍繞裂紋形成機(jī)理、焊接工藝和合金成分對(duì)材料焊接性的影響開展。

1.1 鎳基高溫合金焊接裂紋形成機(jī)理

高溫合金焊接過(guò)程及焊后熱處理過(guò)程中容易產(chǎn)生熱裂紋和應(yīng)變時(shí)效裂紋，其中熱裂紋又包括凝固裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。

1.1.1 凝固裂紋

凝固裂紋一般產(chǎn)生于焊縫區(qū)中心，常沿焊縫區(qū)的凝固晶界和凝固亞晶界開裂。凝固裂紋發(fā)生在焊縫熔池液態(tài)薄膜和固體金屬共存的溫度范圍，尤其是固相體積分?jǐn)?shù)大于0.9的溫度范圍[2]，即脆性溫度區(qū)間（Brittle temperature range，BTR），如圖1所示。當(dāng)凝固過(guò)程中拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變大于焊縫金屬在BTR區(qū)的最小塑性，且無(wú)足夠量的液態(tài)金屬補(bǔ)充時(shí)，晶間最后凝固的液態(tài)薄膜將受力開裂形成凝固裂紋。另外，凝固裂紋還與合金凝固溫度區(qū)間（Solidification temperature range，STR）的大小有關(guān)。

Shuangjian Chen等人[6]通過(guò)JMatPro 7模擬計(jì)算獲得了同類合金不同成分的凝固溫度區(qū)間，發(fā)現(xiàn)隨W含量的增加，STR區(qū)間增大，凝固裂紋敏感性也增加。分析原因是：STR增大，液相凝固時(shí)間增長(zhǎng)，元素偏析加重，促進(jìn)了枝晶間低熔點(diǎn)液膜形成。另外，界面活性原子如B、Si等偏析于液相中，會(huì)降低固液界面能，減弱晶界結(jié)合力，降低塑性變形能力，使得液膜在拉伸應(yīng)力作用下更容易產(chǎn)生裂紋。

1.1.2 液化裂紋

液化裂紋主要分布于焊縫的熱影響區(qū)（Heat aff-ect zone，HAZ），是晶間連續(xù)或半連續(xù)的液膜在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用下開裂形成的。HAZ晶間液膜的形成與γ'、碳化物、Laves相等低熔點(diǎn)相的成分液化有關(guān)[7]，形成的液膜降低了界面結(jié)合力，促使裂紋產(chǎn)生。對(duì)于許多單相合金，熱影響區(qū)界面元素的偏析形成局部低熔點(diǎn)成分也會(huì)在熱作用下形成液膜。

Fei Yan等人[8]研究了GH909光纖激光焊接接頭液化裂紋的形成機(jī)理。他們提出液化裂紋的形成分為三個(gè)過(guò)程：晶間液膜的形成、裂紋在熱應(yīng)力作用下萌生和裂紋擴(kuò)展，如圖2所示。研究結(jié)果表明，裂紋處液膜的形成與晶界處低熔點(diǎn)γ-Laves相的成分液化有關(guān);且晶界處元素的偏析使得晶格扭曲而降低了相鄰晶粒的結(jié)合力，進(jìn)一步促進(jìn)了液化裂紋的形成。

另外，晶界液膜量的數(shù)量對(duì)裂紋的形成有重要影響。Miller和Chadwick[9]提出晶界液膜厚度h和固液界面張力γSL、臨界拉伸應(yīng)力σ的關(guān)系式： σ=2γSL/h。隨著液膜厚度h的增加，固液界面開裂的臨界應(yīng)力σ下降，裂紋更容易產(chǎn)生。但是Y. L. Hu[10]在Inconel 625合金中改變Ti的含量，發(fā)現(xiàn)隨著Ti的增加，激光熔覆層裂紋率降低，一方面是因?yàn)槟虦囟葏^(qū)間STR縮小，另一方面是由于隨Ti的增加，枝晶間γ/Laves共晶液相含量增多，在凝固最后階段，液相回填“ 愈合 ”裂紋，降低裂紋率。K. R. Vishwakarma等人[11]也在ALLVAC 718PLUS電子束焊接的焊縫HAZ中發(fā)現(xiàn)液相回填部分裂紋并再凝固形成富Nb、Ti、Mo的γ/Laves共晶相，如圖3所示。這說(shuō)明當(dāng)晶間液相足夠多時(shí)，液相會(huì)通過(guò)毛細(xì)作用滲透回填裂紋并“ 愈合 ”裂紋，使得初始裂紋修復(fù)。

1.1.3 高溫失塑裂紋

高溫失塑裂紋（Ductility-dip cracking，DDC）是沿晶開裂的細(xì)小顯微裂紋，通常發(fā)生在固相線以下的高溫低塑性溫度區(qū)間（Ductility-dip temperature range，DTR），且DTR通常為熔點(diǎn)溫度的0.5～0.8倍，見圖1。

曹睿[12]綜述了近期DDC裂紋形成機(jī)理的研究，并總結(jié)出如下解釋：一是DTR失塑溫度區(qū)間晶界發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)形成平直晶界，塑性降低;二是晶間析出相較少且晶界平直，尤其是三叉晶界應(yīng)力集中點(diǎn)，容易達(dá)到應(yīng)變閾值產(chǎn)生DDC，而有晶間析出相的彎曲晶界對(duì)DDC有較大抗力;三是晶格常數(shù)較大的晶界碳化物容易因晶格畸變使應(yīng)力集中誘導(dǎo)DDC生成;四是S、P等元素偏析于晶界使脆性化導(dǎo)致DDC裂紋產(chǎn)生等。

Kota Kadoi等人[13]研究了熔合比和化學(xué)成分對(duì)690合金和低合金鋼LAS的異種合金焊接的DDC裂紋敏感性的影響。結(jié)果顯示，隨著熔合比的增加，LAS含量增加，DTR區(qū)間擴(kuò)大，最小應(yīng)變臨界值降低，晶界彎曲程度降低，且晶界處S和P含量增加，使得晶界結(jié)合力降低，DDC裂紋敏感性增加。

1.1.4 應(yīng)變時(shí)效裂紋

應(yīng)變時(shí)效裂紋，又稱再熱裂紋，通常發(fā)生在焊后熱處理的高拘束焊縫的熱影響區(qū)的晶界處。焊后熱處理過(guò)程中，當(dāng)焊接殘余應(yīng)力疊加相變收縮應(yīng)力引起的應(yīng)變超過(guò)了合金塑性時(shí)，會(huì)引起晶界再熱裂紋。

沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金在時(shí)效過(guò)程中會(huì)析出大量的γ'-Ni3（Al，Ti）相，該相與γ基體共格且γ'晶格常數(shù)小于γ晶格常數(shù)，基體會(huì)由于共格畸變產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，因此高Al和Ti含量的鎳基合金容易形成應(yīng)變時(shí)效裂紋[14]。

1.2 焊接工藝對(duì)鎳基高溫合金焊接性的影響

焊接工藝參數(shù)包括熱輸入、拘束度、焊前熱處理、焊后熱處理工藝等。其中，熱輸入的大小對(duì)焊接裂紋敏感性具有重要影響。熱輸入太低時(shí)，試樣無(wú)法焊透，力學(xué)性能較低;熱輸入太大，又容易造成焊縫區(qū)塌陷[15]。合適的熱輸入焊接參數(shù)可顯著降低裂紋敏感性。焊前熱處理及焊后熱處理主要涉及加熱速率、冷卻速率、熱處理溫度和保溫時(shí)間等，通過(guò)控制組織、析出相形貌和分布、焊接應(yīng)力等可以調(diào)控裂紋敏感性和接頭力學(xué)性能[16]。

Wenjie Ren等人[17]對(duì)Inconel 617合金光纖激光焊接的液化裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，HAZ的熱裂紋處發(fā)現(xiàn)了富Mo和Cr的再凝固M23（C，B）6相，因此，液化裂紋在Inconel 617中產(chǎn)生的主要原因是M23（C，B）6碳化物的成分液化產(chǎn)生液膜降低了晶界界面強(qiáng)度導(dǎo)致的晶界開裂。另外研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)控焊接熱輸入，焊接裂紋得到了控制，高熱輸入和預(yù)熱溫度使得熔池的冷卻速率降低，一方面為液膜中Cr和Mo等原子向基體擴(kuò)散提供了更長(zhǎng)的時(shí)間，使得液膜厚度減小，另一方面降低了焊接所引起的熱應(yīng)力，所以HAZ裂紋敏感性降低。

Shuangjian Chen等人[6]在150～250 A之間設(shè)置了焊接電流變量，發(fā)現(xiàn)Ni-28W-6Cr合金TIG焊接中凝固裂紋長(zhǎng)度隨電流的增大呈線性增加。進(jìn)一步分析凝固裂紋產(chǎn)生原因可知，隨著熱輸入的增大，Si元素容易與W、Cr、Mn元素在凝固最后階段一起偏聚到晶界和亞晶界，并形成低熔點(diǎn)相，且Si元素可以降低固液界面能，弱化晶界結(jié)合力，促使裂紋的形成。此外，晶界處的富W的M6C共晶碳化物降低了晶界的塑性，使得碳化物/γ界面容易成為裂紋起始點(diǎn)。

K. Han[18]采用EBW焊接K465合金，發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入的增加，枝晶間共晶析出相的含量增加，凝固裂紋敏感性增加;大量的共晶相使凝固后期枝晶間的液膜分布更為連續(xù)，更容易開裂;而HAZ液化裂紋隨熱輸入的增加而減少，這是因?yàn)槔鋮s速率降低使溫度梯度減小，從而減少了焊接熱應(yīng)力;同時(shí)，更多的Al、Ti元素從γ'液相擴(kuò)散至γ相，減少了液膜厚度，結(jié)合Miller and Chawick’s理論可知，隨著抗裂性能的增強(qiáng)，液化裂紋敏感性降低。

Fei Yan等人[19]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元模擬發(fā)現(xiàn)在焊接熱輸入恒定的前提下，同時(shí)減小輸入功率和焊接速度會(huì)降低GH909熱影響區(qū)液化裂紋的敏感性并提高其力學(xué)性能。他指出裂紋形成與焊接應(yīng)力和晶界結(jié)合力有關(guān)。當(dāng)焊接速度和輸入功率較小時(shí)，升溫速度相對(duì)緩慢，使得冷卻速率和熱應(yīng)力也降低，而高功率和快速焊接致使晶粒粗化，晶界結(jié)合力減弱，塑性降低，從而引發(fā)HAZ裂紋。

Wanxia Wang[20]對(duì)比Hastelloy N不同溫度的焊后熱處理對(duì)組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊后時(shí)效熱處理（Post-welding Heat Treatment，PWHT）溫度的升高，合金硬度和屈服強(qiáng)度降低，這是M2C沉淀強(qiáng)化相的減少和位錯(cuò)的湮滅所致;而抗拉強(qiáng)度和延伸率的增加是晶界大尺寸M6C阻礙晶界滑移和裂紋擴(kuò)展所致。

Xin Ye等人[21]研究了母材熱處理狀態(tài)、焊接電流和多層多道焊對(duì)Inconel 718 TIG 熱裂紋的影響，結(jié)果顯示，Inconel 718焊接凝固裂紋敏感性隨著熱輸入的增加而增加。這是因?yàn)闊彷斎朐黾訒r(shí)，高溫停留時(shí)間增長(zhǎng)，熔池冷卻速率下降，導(dǎo)致柱狀樹枝晶間距增加，富Nb的Laves相增加以及應(yīng)力增加，從而裂紋敏感性增加。另外，Xin Ye對(duì)焊材進(jìn)行焊前熱處理，發(fā)現(xiàn)焊接組織成分均勻化，顯微偏析降低，HAZ晶間Laves相減少，可顯著降低裂紋率。

Kun Yu等人[22]研究了焊后熱處理對(duì)GH3535激光焊焊接接頭組織和性能的影響。對(duì)比未熱處理和熱處理（871℃/6 h，WQ）的焊接樣品，發(fā)現(xiàn)未熱處理焊接樣品由于熔池快速凝固，其基體中析出相很少;而熱處理工藝促進(jìn)了原子的擴(kuò)散，使得熔化區(qū)亞晶界和晶界處分布有大量富Mo和Si的M6C碳化物，這些碳化物有效地釘扎了晶界，阻礙了晶界的滑移和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得熱處理樣品650 ℃的拉伸強(qiáng)度比未熱處理樣品提高90 MPa，且延伸率增加至43%;分析斷口發(fā)現(xiàn)，熱處理樣品斷口有韌窩和二次碳化物顆粒，說(shuō)明焊后熱處理促使焊接樣品由脆性斷裂變?yōu)轫g性斷裂，提高了塑性變形能力。

不同焊接工藝在焊接過(guò)程中引入的熱輸入和熱作用范圍不同，對(duì)焊接裂紋的影響不同。G.Asala[23]在TIG焊的ATI 718Plus焊后時(shí)效樣品中未發(fā)現(xiàn)裂紋，而Idowu OA等人對(duì)同樣材料采用EBW焊接工藝并時(shí)效處理后卻發(fā)現(xiàn)有裂紋。然而兩種工藝獲得的顯微組織是一致的。G.Asala推測(cè)原因是焊接工藝帶來(lái)的熱輸入變化使焊接溫度梯度不同，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力不同。TIG焊接熱輸入高于EBW，溫度梯度的降低使得焊接殘余應(yīng)力減少，從而減少了焊后熱處理中裂紋的敏感性，說(shuō)明熱輸入對(duì)于PWHT再熱裂紋也有重要影響。

1.3 合金成分對(duì)鎳基高溫合金焊接性的影響

高溫合金的成分包含：固溶強(qiáng)化元素，如W、 Mo、Cr、Co等;沉淀強(qiáng)化元素，如Al、Ti、Nb等;晶界強(qiáng)化元素，如B、C、Zr、Hf等;其他微量元素如S、P等。Mo、Ti、Nb、Al等是常見的鎳基高溫合金強(qiáng)化元素，可以顯著增強(qiáng)γ'相的溶解溫度和高溫穩(wěn)定性，從而提高高溫力學(xué)性能。但是在焊接熔池凝固過(guò)程中，低固溶度元素容易偏析在枝晶間并形成低熔點(diǎn)液膜，擴(kuò)大了凝固溫度區(qū)間，增加了裂紋敏感性。且Al和Ti元素作為γ'強(qiáng)化相的組成元素，是鎳基高溫合金必不可少的重要元素。當(dāng)合金中w（Al+Ti）的總含量大于6%時(shí)[14]，極容易在焊接和焊后熱處理過(guò)程中因快速析出大量γ'相產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力而降低焊接性，產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋。

Ke Han[18]對(duì)K465電子束焊接的焊接性、焊接組織和裂紋特征進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，K465合金FZ區(qū)凝固裂紋的形成是由于Ti、Nb、Al元素在枝晶間嚴(yán)重偏析使得焊接凝固最后階段在晶界和枝晶間分布有連續(xù)液膜，當(dāng)應(yīng)力大于液膜的抗拉能力時(shí)，就會(huì)形成裂紋，且最終在裂紋兩側(cè)形成了γ/MC和γ/γ'共晶相。同時(shí)，他發(fā)現(xiàn)HAZ液化裂紋是由于γ'、MC、初（γ+γ'）共晶相、富Cr硼化物的成分液化所致，如圖4所示。同樣地，O.A. Ojo等[14，24]在Inconel 738焊接樣品的HAZ裂紋處發(fā)現(xiàn)再凝固的低熔點(diǎn)共晶（γ+γ'）相，如圖5所示;Wenjie Ren[17]在Inconel 617激光焊接沿晶裂紋處發(fā)現(xiàn)富Mo和Cr的再凝固相，說(shuō)明晶界液化主要是由M23（C，B）6碳化物成分液化所引起的。

Xiao Wei等人[25]研究了Mo和Nb含量對(duì)690合金GTAW焊接樣品的高角度晶界（RHGB）的分形維數(shù)和熱裂紋敏感性的影響。實(shí)驗(yàn)中采用FM-52M焊絲和高M(jìn)o、Nb含量的FM-52MSS焊絲進(jìn)行焊接，并對(duì)焊接樣品進(jìn)行了應(yīng)變-裂紋（STF）實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，52M焊接樣品的橫截面比平行焊縫表面的截面具有更高的DDC裂紋敏感性和更低的分形維數(shù)。而加Mo和Nb的52MSS焊接樣品平行面的裂紋敏感性明顯降低很多，且具有較大的分形維數(shù)。分析原因?yàn)椋篗o和Nb元素的添加增加了熔池凝固的成分過(guò)冷，促使Mo和Nb偏析于枝晶間并形成更多的NbC、Laves相和γ相。這些析出相一方面可以作為奧氏體晶粒的形核質(zhì)點(diǎn)，促使更多晶粒產(chǎn)生，減小晶粒尺寸;另一方面可以阻礙晶界的遷移，對(duì)晶界產(chǎn)生釘扎作用而形成彎曲晶界，致密且彎曲的晶界分散了局部應(yīng)變，增加了材料對(duì)DDC裂紋的抗力。

Hyo IkAhn等人[5]研究了Nb含量對(duì)Inconel 690合金DDC裂紋敏感性的影響。實(shí)驗(yàn)采用電弧焊工藝并選取Nb元素含量分別為0.5%、1.5%、3.5%、3.5%的FM-52焊條進(jìn)行焊接;并對(duì)焊接樣品進(jìn)行了熱處理及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，隨著Nb含量的增加，焊接材料的拉伸強(qiáng)度和硬度均增加;且晶界處富Cr的M23C6碳化物數(shù)量減少，晶內(nèi)富Nb的MC碳化物數(shù)量增多。指定應(yīng)變下的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示DDC裂紋只在低Nb的焊接材料中出現(xiàn)，這是因?yàn)榈蚇b晶界處有較多M23C6，使得晶界附近固溶強(qiáng)化Cr元素含量減少，晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度;另外研究發(fā)現(xiàn)DDC裂紋多起源于M23C6和基體的非共格界面。對(duì)焊接樣品進(jìn)行熱處理后，發(fā)現(xiàn)M23C6碳化物粗化且連續(xù)分布在晶界，DDC裂紋敏感性增加。樣品在1 100 ℃再次熱處理后，晶間的M23C6相部分熔化，DDC裂紋敏感性降低。

B、Zr、Hf、稀土元素等表面活性元素常被加入高溫合金中來(lái)強(qiáng)化晶界。這些元素偏聚到晶界，降低晶界能，使系統(tǒng)自由能降低;改變晶界原子間鍵合狀態(tài)，增強(qiáng)晶界結(jié)合力;促進(jìn)彎曲晶界的形成，阻礙晶界滑移，增強(qiáng)蠕變等性能。

吳棟[26]對(duì)比含0% B焊絲和50×10-6 B焊絲的Ni-Fe基高溫合金焊態(tài)和焊后時(shí)效態(tài)（750 ℃/8 h）樣品的拉伸和蠕變性能，結(jié)果顯示，B顯著增強(qiáng)了晶界結(jié)合力，從而增加了700 ℃的拉伸和蠕變塑性，且B的添加減緩了接頭的蠕變速率，延長(zhǎng)了蠕變壽命。當(dāng)在700 ℃時(shí)效2 000 h后，B元素優(yōu)先偏析于M2B硼化物而不是晶界，使得接頭在拉伸和蠕變過(guò)程中，B元素對(duì)晶界的強(qiáng)化作用減弱。

H.U. Hong等人[27]研究了鎳基高溫合金中平直晶界和彎曲晶界對(duì)HAZ區(qū)液化裂紋的影響。研究表明，晶界形態(tài)影響了B元素的偏析，平直三叉晶界的B元素聚集明顯比彎曲晶界嚴(yán)重;焊接熱循環(huán)模擬中，當(dāng)溫度超過(guò)1 333 K時(shí)，在平直晶界和彎曲晶界處均發(fā)現(xiàn)裂紋，且裂紋處富集B元素，但是彎曲晶界抗裂能力比平直晶界強(qiáng)。分析原因是彎曲晶界的晶界能比平直晶界能低，導(dǎo)致彎曲晶界潤(rùn)濕性低，低熔點(diǎn)B元素偏聚少，從而使得裂紋敏感性降低。此外，熱塑性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示彎曲晶界使得脆性溫度區(qū)間下降15 K，增強(qiáng)了抗裂性能。

焊接是快速凝固過(guò)程，有時(shí)候B會(huì)非平衡偏析于晶界，降低固液界面能，影響晶界潤(rùn)濕性，降低凝固溫度，增大凝固溫度區(qū)間STR，促進(jìn)HAZ液化裂紋的形成。

Wenlin Mo等人[28]研究了B元素對(duì)NiCrFe-7合金焊接組織、DDC裂紋和拉伸性能的影響，實(shí)驗(yàn)中采用兩種焊絲，B元素含量分別為0和46×10-6。結(jié)果顯示，含B焊接接頭的DDC裂紋長(zhǎng)度和數(shù)量都超過(guò)無(wú)B焊接接頭的裂紋。分析原因?yàn)椋築元素偏析于晶界，并促進(jìn)了晶界半共格的M23（C，B）6和非共格的M2B硼化物的形成，使晶界脆性增加，力學(xué)性能降低;而且析出相和基體非共格界面強(qiáng)度低，DDC裂紋容易在此形核并沿晶界擴(kuò)展。另外，B、Zr、Hf等元素可以顯著降低合金熔點(diǎn)，增大STR區(qū)間;它們?cè)诨w中固溶度小，凝固時(shí)會(huì)富集在剩余液相，分布于枝晶間，形成低熔點(diǎn)共晶相，如（M3B2+γ）相，提高裂紋敏感性。

其他微量元素如S、P的添加，在合適的含量范圍內(nèi)，P元素有一定的強(qiáng)化晶界作用;但是在焊接過(guò)程中，S、P元素常常引起晶界脆性，降低晶界塑性變形能力，提高DDC高溫失塑裂紋的敏感性。

綜上所述，焊接裂紋的形成是晶界強(qiáng)度或晶界液膜固液界面強(qiáng)度小于焊接應(yīng)力所導(dǎo)致的，因此要改善焊接裂紋敏感性，一方面可以通過(guò)調(diào)控焊接工藝以及Al、Ti含量等來(lái)降低焊接過(guò)程中的應(yīng)力;另一方面通過(guò)調(diào)控合金成分，降低晶界及枝晶間的成分液化和低熔點(diǎn)共晶相，或改變晶界形態(tài)、加強(qiáng)晶界結(jié)合力來(lái)提高晶界抗裂能力。

2 鈷基高溫合金熔化焊焊接性的研究

2.1 鈷基高溫合金焊接性研究

不同于鎳基高溫合金，鈷基高溫合金強(qiáng)化機(jī)制主要以固溶強(qiáng)化和碳化物強(qiáng)化為主，缺乏γ/γ'共格強(qiáng)化，這導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度顯著低于鎳基高溫合金，僅適用于低承載應(yīng)力的工作環(huán)境。鈷基高溫合金主要以Co為基體，加入一定量的Ni或Fe來(lái)穩(wěn)定奧氏體基體，并加入Cr、W、Mo、C等元素強(qiáng)化基體。它的組織主要是由γ奧氏體和碳化物構(gòu)成。

鈷基合金焊接性能良好，如MP159和Haynes 188鈷基合金，通過(guò)氬弧焊即可獲得良好的焊接接頭。鈷基鑄造合金K640用惰性氣體電弧焊也有很好的焊接性能[1]。

A. Odabasi等人[29]研究了熱輸入對(duì)Haynes 188鈷基合金CO2激光焊接接頭的組織和性能的影響，結(jié)果如圖6所示。可以看出，焊接接頭均無(wú)裂紋產(chǎn)生，焊縫與母材均展現(xiàn)出良好的界面熔合性，且無(wú)明顯熱影響區(qū)。隨著熱輸入的增加，焊縫冷卻速度降低，枝晶間距也明顯增大。熱輸入對(duì)焊縫區(qū)的形貌也會(huì)產(chǎn)生影響，恒定功率下增加焊接速度，焊縫形貌由沙漏狀變成了釘子狀。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接樣品的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于母合金，焊縫強(qiáng)度匹配為低強(qiáng)匹配（匹配系數(shù)M<1），且熱輸入越低，接頭力學(xué)性能越好。進(jìn)一步分析斷口發(fā)現(xiàn)，斷口有塑性韌窩和枝晶特征，且熱輸入越大，斷口韌窩和枝晶尺寸越大。而且，焊接樣品斷口富W的碳化物顆粒和富La的區(qū)域顯著降低了顆粒與基體界面的結(jié)合力，使得拉伸過(guò)程中裂紋容易在界面形成并擴(kuò)展，致使樣品斷裂。

目前鈷基合金的熔化焊焊接性研究很少。但是有一種鈷基堆焊材料是“ 司太立 ”（Stellite），其合金成分與鈷基高溫合金類似，且由于它的γ奧氏體基體中分布大量碳化物且Cr和W含量高，因此具有高硬度和良好的耐高溫腐蝕、耐磨損性能，常用于堆焊閥門密封面、核電行業(yè)關(guān)鍵部件的耐磨堆焊層，以提高接觸界面磨損性[30]。該堆焊材料的研究發(fā)展對(duì)鈷基合金的焊接具有一定的參考意義。

Hongxia Deng等人[31]用PTAW在X45CrSi9-3基體上堆焊Stellite 12合金粉末，發(fā)現(xiàn)堆焊層無(wú)裂紋和孔洞;熔化區(qū)分布有γ-Co相和網(wǎng)狀Cr7C3、Cr23C6相;Fe和Co元素偏析于枝晶干，Cr偏析于枝晶間。Mohaideen等人[32-33]采用等離子轉(zhuǎn)移弧焊（PTAW）和氬弧焊（GTAW）在不銹鋼上堆焊Stellite 6合金，獲得與基體結(jié)合良好的堆焊層，其組織為富Co的固溶體枝晶干和富Cr共晶碳化物（M23C6、 M6C、Cr7C3），具有高達(dá)600 HV0.3的硬度和良好的耐磨損性能。

改變堆焊合金的成分可使堆焊層組織和性能發(fā)生變化。侯清宇等[34]在堆焊鈷基合金中加入8%Mo，發(fā)現(xiàn)Mo可細(xì)化晶粒組織，且六方結(jié)構(gòu)的富Cr的M7C3的數(shù)量增加，形貌由板條網(wǎng)狀變?yōu)榉派渚W(wǎng)狀;且未熔的Mo質(zhì)點(diǎn)阻礙了滑移系開動(dòng)和滑移，使堆焊層亞結(jié)構(gòu)改變，堆垛層錯(cuò)消失，出現(xiàn)大量位錯(cuò)，提高了合金層的硬度和耐磨性能。同樣，Jong-Choul Shin等人[35]研究發(fā)現(xiàn)，Stellite 6中Mo元素的添加使堆焊層中組織變小，碳化物除M7C3和M23C6外，還新增了M6C碳化物。隨Mo含量的增加，M6C的尺寸和數(shù)量均增加;而富Cr的M7C3和M23C6碳化物尺寸減少，數(shù)量增多。受碳化物物相影響，堆焊層硬度和抗磨損性能也隨Mo的增加明顯增強(qiáng)。

2.2 新型沉淀強(qiáng)化高溫合金焊接性研究

2006年，Sato等人[4]在Co-Al-W基合金中發(fā)現(xiàn)了高溫穩(wěn)定存在的L12結(jié)構(gòu)的γ'-Co3（Al，W）三元化合物，γ'與γ基體共格，且Co-Al-W系合金的熔化溫度比鎳基合金Waspaloy的熔化溫度高50～100 K。這種新型沉淀強(qiáng)化高溫合金的力學(xué)性能比固溶強(qiáng)化鈷基合金性能優(yōu)異，如圖7所示，沉淀強(qiáng)化鈷基合金的屈服強(qiáng)度大幅度提升，且部分合金高溫時(shí)具有反常屈服效應(yīng)，甚至與鎳基合金屈服強(qiáng)度相當(dāng)[36-37]。該沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金兼具優(yōu)異的力學(xué)性能和焊接工藝性能，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的興趣和研究，成為頗具潛力的高溫材料。

有研究發(fā)現(xiàn)，與鎳基合金中負(fù)的γ/γ'錯(cuò)配度不同，沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金中γ/γ'點(diǎn)陣錯(cuò)配度為正值[36]，因此推測(cè)焊后熱處理過(guò)程中γ'的大量析出將帶來(lái)壓應(yīng)力，從而極大減少焊接應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性。

但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于新型沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金焊接性的研究非常少。蘭州理工大學(xué)的徐仰濤[38]運(yùn)用TIG方法在304不銹鋼基體上堆焊Co-9Al-7.5W合金并研究了堆焊層的耐磨性能。焊縫展現(xiàn)出良好的熔合性，無(wú)裂紋和孔洞等缺陷產(chǎn)生。焊接接頭由于非平衡凝固過(guò)程，堆焊層微觀組織主要是樹枝晶和層片狀共晶;經(jīng)元素分布測(cè)試可知，Co和Al元素明顯偏析于枝晶干，Cr、W、C元素偏析于枝晶間。另外，徐仰濤還對(duì)堆焊層進(jìn)行了硬度和耐磨性研究，結(jié)果顯示堆焊層表面硬度高達(dá)HRC 53.1，且耐磨性好，主要發(fā)生氧化磨損和磨粒磨損，與固溶強(qiáng)化鈷基合金的良好耐磨性相當(dāng)。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外對(duì)鎳基高溫合金的熔化焊進(jìn)行了大量且系統(tǒng)的研究，并在裂紋形成機(jī)理、焊接工藝和合金成分對(duì)焊接性的影響方面得出了相對(duì)成熟的理論。這些理論和經(jīng)驗(yàn)對(duì)新型沉淀強(qiáng)化鈷基合金的焊接性研究有著重要的參考意義。

關(guān)于新型沉淀強(qiáng)化鈷基合金的研究目前多集中在對(duì)γ'相以及組織穩(wěn)定性的研究，旨在提高其高溫力學(xué)性能和穩(wěn)定性;而對(duì)其焊接性的研究鮮有報(bào)道。但是鈷基合金相比鎳基合金的優(yōu)勢(shì)是其抗高溫氧化性和優(yōu)異的工藝焊接性能。鈷基合金焊接性也是新型沉淀強(qiáng)化鈷基合金材料的成分設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要方面。未來(lái)對(duì)于沉淀強(qiáng)化鈷基合金焊接性的研究還需要繼續(xù)完善。

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