鄭 超, 胡生雙, 張兵憲, 張穎云, 顏家維, 歐陽(yáng)德來(lái)

(1. 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 陜西 西安 710089;2. 南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江西 南昌 330063)

高溫合金又稱(chēng)熱強(qiáng)合金、耐熱合金或超合金,是能在600～1100 ℃氧化和燃?xì)飧g條件下承受復(fù)雜應(yīng)力、長(zhǎng)期可靠工作的一類(lèi)金屬材料[1-2]。高溫合金大體上可分為固溶強(qiáng)化型和沉淀硬化型兩種,其中A286合金是目前使用最廣泛的一類(lèi)鐵基沉淀硬化型高溫合金[3-5]。A286合金(AISI 600)是Fe-26Ni-15Cr基高溫合金,主要通過(guò)加入Mo、Ti、Al、V及微量B,時(shí)效析出γ相Ni3(Al,Ti)、碳化物M23C6及HCP結(jié)構(gòu)相(Ni3Ti相)進(jìn)行強(qiáng)化[6-8]。由于其在650 ℃左右具有較高的屈服強(qiáng)度和持久強(qiáng)度,并具有良好的加工塑性和焊接性,被廣泛用于制造在650 ℃以下長(zhǎng)期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力部件,如渦輪盤(pán)、壓力機(jī)盤(pán)、轉(zhuǎn)子葉片和緊固件等[9-11]。盡管目前已對(duì)A286合金組織演變及性能進(jìn)行了大量研究,但對(duì)A286合金激光焊接接頭組織及性能,尤其是激光焊接對(duì)接頭高溫持久性能的影響的研究非常少。

為此,本文對(duì)A286合金進(jìn)行激光焊接和后續(xù)固溶時(shí)效處理,對(duì)比研究了焊接及固溶時(shí)效對(duì)合金高溫持久性能和組織的影響,以期為A286合金激光焊接在航空飛行器上的工程應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用A286合金為采用真空感應(yīng)+真空自耗工藝冶煉,經(jīng)開(kāi)坯、冷軋工藝,再經(jīng)982 ℃真空爐固溶制成厚度0.635 mm的薄板,其化學(xué)成分如表1所示。將A286合金薄板按某參數(shù)進(jìn)行激光焊接,并將焊接件進(jìn)行982 ℃×30 min固溶和718 ℃×16 h時(shí)效處理。高溫持久性能測(cè)試按GB/T 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》,在RJ-50型高溫持久拉伸設(shè)備上進(jìn)行,試樣形狀尺寸如圖1所示。根據(jù)實(shí)際工況,A286合金典型工作溫度為500 ℃,故選取500 ℃作為持久性能測(cè)試溫度。根據(jù)測(cè)試情況在每個(gè)應(yīng)力水平下測(cè)試1～2個(gè)試樣,且逐漸降低應(yīng)力水平。采用XJP-6A光學(xué)顯微系統(tǒng)進(jìn)行顯微組織分析,采用Hitachi S4300掃描電鏡進(jìn)行高溫持久斷口形貌觀(guān)察與分析。

圖1 高溫持久試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of high temperature lasting specimen

表1 A286合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高溫持久拉伸性能

A286合金母材、激光焊接及激光焊接+固溶時(shí)效件在500 ℃時(shí)持久性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,母材在加載溫度為500 ℃、加載應(yīng)力為500～580 MPa時(shí),加載斷裂時(shí)間均能超過(guò)1000 h。加載應(yīng)力超過(guò)580 MPa后,在相同加載應(yīng)力級(jí)差下表現(xiàn)為未斷停止及加載斷裂兩種極端情況。整體來(lái)看,母材在500 ℃時(shí)未呈現(xiàn)出明顯的持久蠕變現(xiàn)象。激光焊接件在高加載應(yīng)力(≥475 MPa)時(shí)直接在加載過(guò)程中斷裂,而且斷后伸長(zhǎng)率明顯降低。說(shuō)明激光焊接弱化焊接接頭,降低了合金500 ℃高溫持久性能。焊接件經(jīng)固溶+時(shí)效后,加載應(yīng)力<670 MPa時(shí),加載斷裂時(shí)間超過(guò)1000 h。即使加載應(yīng)力為700～800 MPa時(shí),合金也不會(huì)加載斷裂,具有一定的持久壽命,這說(shuō)明固溶時(shí)效可提升激光焊接接頭500 ℃高溫持久性能。

表2 A286合金焊接接頭500 ℃高溫持久性能

為了更加清楚地顯示出持久性能的變化情況,根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制加載應(yīng)力與持久壽命的關(guān)系圖,如圖2所示。從圖2可以看出,在500 ℃環(huán)境下激光焊接+固溶時(shí)效件的持久性能最好,而激光焊接件的持久性能最差,即激光焊接+固溶時(shí)效>母材>激光焊接。這是因?yàn)楹附咏宇^往往存在組織不均勻、偏析及殘余應(yīng)力等缺陷,持久拉伸時(shí)裂紋易在缺陷處萌生和擴(kuò)展,導(dǎo)致高溫持久性能最差。而固溶時(shí)效可消除焊接接頭的偏析和殘余應(yīng)力,使組織更加均勻,提升合金的高溫持久性能,因而高溫持久性能最好。

圖2 A286合金焊接接頭500 ℃高溫持久性能Table 2 High temperature durability at 500 ℃ of the A286 alloy weld joint

2.2 斷口微觀(guān)形貌

圖3為不同加載應(yīng)力下A286合金母材、激光焊接件及激光焊接+固溶時(shí)效件500 ℃持久斷裂的微觀(guān)斷口形貌。由圖3(a, d)可見(jiàn),母材500 ℃持久斷裂的微觀(guān)斷口上,裂紋源區(qū)存在較深的大韌窩和部分小韌窩,表現(xiàn)出一定塑性。而瞬斷區(qū)的韌窩數(shù)量較少,尺寸較淺,存在部分拉伸韌窩。由圖3(b, e)可見(jiàn),激光焊接件500 ℃持久斷裂微觀(guān)斷口上,不管是裂紋源區(qū)還是瞬斷區(qū)的韌窩尺寸均較小、深度較淺,甚至在裂源區(qū)和瞬斷區(qū)還可觀(guān)察到少量的解理面。韌窩淺和解理面的微觀(guān)形貌特征均顯示出激光焊接件塑性較差,因而與母材相比,激光焊接件的斷裂持久時(shí)間少和伸長(zhǎng)率更低。由圖3(c, f)可見(jiàn),激光焊接+固溶時(shí)效件500 ℃持久斷裂的微觀(guān)斷口上,裂紋源區(qū)和瞬斷區(qū)均可觀(guān)察到大量韌窩,韌窩均勻細(xì)小,表現(xiàn)出較好的塑韌性。斷裂機(jī)制為典型的微孔聚集型斷裂。

2.3 焊接接頭的微觀(guān)組織

圖4為A286合金母材500 ℃持久拉伸后的微觀(guān)組織。由圖4可見(jiàn),在加載應(yīng)力為570 MPa時(shí),持久拉伸后合金晶粒形貌為近似等軸狀,未出現(xiàn)晶粒明顯拉長(zhǎng)現(xiàn)象,說(shuō)明母材在該條件下未發(fā)生明顯的持久蠕變。此外,在高溫持久拉伸后的組織中也未觀(guān)察到析出物,說(shuō)明合金母材組織在高溫下較穩(wěn)定。

圖4 加載應(yīng)力為570 MPa時(shí)A286合金母材500 ℃高溫持久后的微觀(guān)組織Fig.4 Microstructure of the base metal of A286 alloy after 500 ℃ high temperature lasting under the stress of 570 MPa

圖5為激光焊接件和激光焊接+固溶時(shí)效件500 ℃持久拉伸后的微觀(guān)組織。由圖5(a～c)可見(jiàn),在加載應(yīng)力為465 MPa時(shí),激光焊接件的焊縫和熱影響區(qū)的微觀(guān)組織與母材存在明顯差別。焊縫組織為明顯的枝晶組織,還彌散分布著大量細(xì)小的析出相,這是合金高溫力學(xué)性能較為薄弱的區(qū)域,引起高溫持久性能降低。熱影響區(qū)組織與焊縫組織明顯不同,為等軸晶。盡管母材組織也為等軸晶,但熱影響區(qū)晶粒尺寸大于母材,說(shuō)明熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中已發(fā)生了再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。此外,焊縫與熱影響區(qū)的過(guò)渡區(qū)非常窄,因而也是熱影響區(qū)高溫持久性能薄弱區(qū)域。因此,焊接件高溫持久性能低于母材是由于焊接接頭和熱影響區(qū)微觀(guān)組織較差導(dǎo)致的。由圖5(d～f)可見(jiàn),在加載應(yīng)力為670 MPa時(shí),激光焊接+固溶時(shí)效件的焊縫組織仍為枝晶組織,但與焊接件相比,枝晶更均勻、細(xì)小。固溶時(shí)效處理對(duì)焊縫的影響主要為降低偏析、消除殘余應(yīng)力等微觀(guān)缺陷。熱影響區(qū)在固溶處理后發(fā)生晶粒長(zhǎng)大,但焊縫與熱影響區(qū)的過(guò)渡區(qū)變寬。激光焊接+固溶時(shí)效件比激光焊接件具有更好的持久性能是與固溶時(shí)效改善了焊縫和熱影響區(qū)組織有關(guān)。

圖5 A286合金焊接接頭500 ℃高溫持久后焊縫(a, d)、熱影響區(qū)(b, e)和母材(c, f)的顯微組織(a～c)激光焊接, 465 MPa;(d～f)激光焊接+固溶時(shí)效, 670 MPaFig.5 Miorostructure of the weld zone(a,d), heat affected zone(b,e) and base metal(c,f) of the A286 alloy weld joint after 500 ℃ high temperature lasting (a-c) laser welding, 465 MPa; (d-f) laser welding+solution treatment and aging, 670 MPa

綜上所述,從提高A286合金激光焊接件高溫持久性能考慮,激光焊接后應(yīng)進(jìn)行固溶時(shí)效處理,改善焊接接頭組織。

3 結(jié)論

1) 激光焊接弱化A286合金焊接接頭,持久性能比母材低,固溶時(shí)效能有效提升激光焊接接頭500 ℃時(shí)的持久性能,在500 ℃高溫持久性能的高低順序?yàn)榧す夂附?固溶時(shí)效>母材>激光焊接。

2) A286合金焊接接頭500 ℃高溫持久時(shí),母材微觀(guān)斷口存在大量較深韌窩,表現(xiàn)出一定塑性,激光焊接件的韌窩淺,且存在解理刻面,呈現(xiàn)出解理斷裂特征,而激光焊接+固溶時(shí)效件的韌窩均勻細(xì)小,呈現(xiàn)微孔聚集型斷裂特征。

3) A286合金母材、激光焊接件及激光焊接+固溶時(shí)效件在500 ℃持久拉伸后未出現(xiàn)晶粒明顯拉長(zhǎng)和明顯持久蠕變。

4) A286合金激光焊接件的焊縫組織呈明顯枝晶組織,熱影響區(qū)組織為等軸晶,焊縫與熱影響區(qū)的過(guò)渡區(qū)窄,使焊縫和熱影響區(qū)成為持久性能薄弱區(qū)域。固溶時(shí)效處理降低偏析、消除殘余應(yīng)力等微觀(guān)缺陷,使焊縫與熱影響區(qū)的過(guò)渡區(qū)變寬,是提高持久性能的主要原因。

5) 從提高激光焊接件高溫持久性能考慮,激光焊接后應(yīng)進(jìn)行固溶時(shí)效處理,改善焊接接頭組織。