GH4169高温合金板材氩弧焊接头组织及力学性能研究

引 言

GH4169 合金是高推重比航空发动机的热端部件广泛采用的高强度高温合金之一。在航空工业中，高温合金主要用于制造燃气涡轮发动机的高温工作构件，如燃烧室、涡轮盘和叶片、导向器叶片和机匣、扩散器和加力燃烧室等，其中多数板材合金构件是采用焊接工艺制造，有些锻件和铸件也需要焊接，因此，高温合金的焊接性和焊接工艺对其推广和应用是非常重要的[1-2]。固溶态的高温合金焊接逐步在工厂中投入使用，氩弧焊在薄板方面的焊接有着自己独特的优势[3-4]。

通过室温拉伸试验、断口分析、金相组织分析、微区硬度分析手段，对 GH4169 合金氩弧焊接头室温力学性能和接头组织进行了分析和研究。

1、试验材料和方法

试验材料为板厚 1.5 mm 的 GH4169 高温合金，固溶酸洗状态，其化学成分见表 1。

试验采用钨极氩弧焊，选用与母材化学成分相同的焊丝，焊接规范参数为：母材厚度为 1.5 mm；焊丝直径为 2.0 ~ 2.5 mm；钨极直径为 2.0 ~ 2.5 mm；焊接电流低于 35 A 存在未焊合现象，因此选用焊接电流为 35 A、45 A、60 A；保护气体（Ar）气体流量为 12 ~15 L/min。

室温拉伸试验按照 GB 228.1-2010“金属材料拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法”进行，拉伸试验在CMT4204 微机控制电子万能试验机上进行；断面观察试验采用蔡司 Sigma300 场发射扫描电镜进行观察；微区硬度采用规格型号为 QNESS 10 维氏硬度计来测量焊接接头的硬度分布；采用 AXIO 金相显微镜观察 GH4169 焊接接头组织形貌，腐蚀剂为 CuSO4+HCl+无水乙醇。

2、试验结果与分析

2.1 力学性能试验结果分析

对比氩弧焊焊接件及母材的抗拉强度可以检验GH4169 的焊接情况。固溶态 GH4169 母材及焊接接头室温拉伸试验结果见表 2。根据表中数据，35 A、45 A 焊接电流下焊接件的抗拉强度相比母材降低较少，而 60 A 电流下的焊接件抗拉强度降低明显，焊接件的断裂位置均位于热影响区附近，同时断面的方向均是倾斜 45°，断口呈现剪切唇形貌。

2.2 断面试验结果分析

观察断面的韧窝形貌可以研究焊接热影响区晶粒变化对韧窝形貌的影响。图 1 为拉伸试样的断面形貌，均为 500 倍下观察结果。以图 1 进行分析如下：

图 1 的（a）为母材的拉伸试样断面，剪切韧窝细小，拉伸后断面存在较多大孔洞；35 A 焊接件断面呈现的剪切韧窝相比母材韧窝变大许多，韧窝整体较浅，大孔洞中可见明显的蛇形滑移花样[5]，见（b）所示；45 A 焊接件断面呈现的剪切韧窝相对混乱，大小不一，其中较大韧窝相比 35 A 焊接件韧窝相差不大，韧窝心部可见强化相形貌，见（c）所示；（d）为 60 A 焊接件断面，剪切韧窝相比于 35 A、45 A 焊接件较大，孔洞的深度也更深，孔洞中蛇形滑移花样更加明显，应是 60 A 焊接电流下热影响区晶粒变大明显的结果。

2.3 金相试验结果分析

金相组织分析可以研究不同焊接电流下热影响区的变化情况。图 2 为 35A、45A、60A 焊接电流下的焊接金相组织，固溶态的 GH4169 母材组织为奥氏体结构，应由 γ 基体、γ'（Ni3AlTi）、γ''（Ni3Nb）、碳化物和δ 相组成。观察可见焊缝组织为树枝状奥氏体，熔合区呈现等轴的奥氏体组织，红线内显示的是晶粒变大的热影响区，与母材组织相同，但晶粒长大严重[6]，观察可见，其中 60 A 电流下焊接热影响区长度远大于 35 A、45 A 焊接热影响区，晶粒变大的程度更加明显。

2.4 合金中相分析

化合物相的分析可以研究不同焊接状态下化合物相相对母材的变化情况。使用场发射扫描电镜对母材及各电流下焊接件中组成相形态的进一步探究，见图 3 所示。

电镜观察状态下，对其成分分析结果母材中嵌入相相对较多，能谱分析显示其主要为 NbC、TiN，见图 4 中（a）（b）所示，TiN 呈金块状分布在晶粒内，NbC 形状为块状夹杂物；35 A、45 A、60 A 焊接试样热影响区位置的相形态呈现为浮在基体上的圆饼状，能谱分析显示主要为 NbC，位于晶界上，见图 4中（c）所示；而焊缝位置的树枝状奥氏体区域的化合物，能谱显示除了碳化物外，还存在 γ'相成分。其形态更像是悬浮基体的不规则形状相，见图 4 中（d）。因为合金在凝固的过程中会先形成碳化物，综合结果来看，焊缝位置碳化物相对较多，越远离焊缝碳化物越少 。

2.5 硬度试验结果分析

焊缝位置硬度分析可以检测不同焊接状态下硬度的变化情况。图 5 为 35 A、45 A、60 A 焊接电流下的熔合线附近显微硬度图，熔合线左侧为母材热影响区，右侧为焊缝区，可见 35 A 和 45 A 焊接电流下热影响区相对较窄，60 A 电流下热影响区相对较宽，且硬度值更低，这与 60 A 电流焊接件的拉伸强度较低相对应，同时三种焊接电流焊接件的热影响区位置硬度值最低，与拉伸试验的断裂位置位于热影响区相对。熔合线左侧晶粒长大对应的热影响区及左侧晶粒变化不明显的母材区其显微硬度均低于焊缝区。

3、结 语

综上分析得出以下结论：

（1）固溶状态下 GH4169 高温合金焊接接头的抗拉强度比母材低，随着焊接电流的增大，抗拉强度呈下降趋势，焊接电流达到 60 A，抗拉强度下降明显，同时实验过程中也发现该参数下 30 A 焊接电流板材出现未焊合情况，因此在保证抗拉强度的前提下使用该板材建议将焊接电流控制在 30 A 以上、60 A 以下；

（2）35 A、45 A 焊接电流下晶粒明显长大的热影响区宽度相差不大，60 A 焊接电流下热影响区宽度明显增大，同时其断面的剪切韧窝增大明显；

（3）焊缝处的树枝状奥氏体区含有较多碳化物，高Ni 元素也反映其存在较多 γ' 相，热影响区碳化物含量相比焊缝降低，在电镜中观察形态也更趋于悬浮的圆饼状，母材中出现一定量的 TiN 相及 NbC 相，形态为嵌入状，同时其碳化物含量相比热影响区明显减少；

（4）热影响区显微硬度最低，远端母材区与焊缝区硬度相差不大，因此母材真正热影响区范围较大，远超过晶粒明显长大的热影响区范围。

参考文献：

[1] 许鸿吉，田世英，谢明，等.高温合金 GH4169 氩弧焊接头的高温组织和力学性能[J].大连铁道学院学报，2006，27（3）：77-79.

[2] 林志峰，陈志凯，邢斌，等.钎焊温度对 GH4169/1Crl8Ni9Ti接头组织和性能影响研究[J].焊接，2017（8）：25-27.

[3] 牛静，张凡云，杨树林，等.不同时效处理对 GH4169 合金金相组织性能的影响[J].航空制造技术，2016（20）：45-48.

[4] 刘臣，田素贵，王欣，等.一种 GH4169 镍基合金的组织结构与蠕变性能[J].材料工程，2017，45（6）：43-48.

[5] 魏振伟，刘昌奎，顾玉丽，等.GH536 镍基高温合金焊接接头力学性能与断裂特征研究[J].航空材料学报，2015，35（5）：70-74.

[6] 吴家云.焊后热处理对 GH648 镍基合金氩弧焊接头组织和性能影响的研究[J].焊接，2014（11）：10-13.

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