(1.南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌 330063;2.中國南方航空工業(yè)(集團)有限公司，湖南 株洲 412002)

GH2132合金環(huán)縫結構件裂紋敏感性研究

邢麗1傅徐榮1呂榛2陳同彩1劉誠毅1

(1.南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌 330063;2.中國南方航空工業(yè)(集團)有限公司，湖南 株洲 412002)

針對軸承座底盤與螺柱TIG焊環(huán)縫結構，對不同硼含量的GH2132合金進行焊接工藝試驗，檢測焊接接頭表面及橫截面裂紋，結合接頭顯微組織形貌及XRD殘余應力測試結果分析裂紋形成機理。結果表明，GH2132合金底盤與螺柱TIG焊接頭具有焊接裂紋敏感性，裂紋出現(xiàn)在熔合線附近的粗晶區(qū)，沿晶界向母材擴展，為液化裂紋。焊接接頭裂紋敏感性隨焊接熱輸入的增大而增大，合金中硼元素含量對液化裂紋敏感性有較大影響，含硼高的合金裂紋敏感性高于含硼低的合金。焊接接頭裂紋的分布與該構件結構特征密切相關。由于軸承座底盤有一個中心孔且螺柱靠近中心孔的邊緣，焊接時螺柱外側焊縫受到的拘束應力大于其內側焊縫，裂紋多出現(xiàn)在螺柱環(huán)形焊縫的外側。

GH2132 TIG焊 環(huán)縫 液化裂紋 殘余應力

0 序 言

現(xiàn)代航空發(fā)動機中，高溫合金的重量占航空發(fā)動機重量的70%以上，幾乎完全用鎳基合金來制造渦輪葉片，用鎳基或鐵基合金來制造渦輪盤[1]。GH2132合金為時效強化型鐵鎳基高溫合金，具有較高的高溫強度和良好的加工性能，廣泛應用于制造發(fā)動機渦輪盤和其它耐熱承力構件。焊接是必不可少的制造工藝，焊接接頭的質量直接影響結構的使用性能。

時效強化高溫合金在焊接時接頭容易產生液化裂紋，焊接工藝對接頭裂紋敏感性具有直接的影響。M.T.Rush等人[2]研究激光焊接鎳基Rene80合金時發(fā)現(xiàn)，減小激光功率有利于降低裂紋敏感性，在0.4～6.9 kW功率范圍內，光束直徑為2.5 mm時，裂紋率最小，焊接速度對裂紋敏感性的影響較小。

溶質或雜質元素在晶界的非平衡偏析、沿晶界形成的液膜是影響高溫合金焊接時形成液化裂紋的重要因素[3]。研究表明[4-5]，微量硼元素在多元合金化的高溫合金中對裂紋敏感性有著顯著的影響。J.E.Ramirez[4]研究發(fā)現(xiàn)，含鈮的IN740合金中由于微量硼元素的存在，促使該合金中的鈮元素發(fā)生偏析，導致合金凝固溫度范圍從169.7 ℃增加到293.5 ℃，從而增大了合金的裂紋敏感性。M.J.Cieslak等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，含鋯的Cabot214高溫合金中由于硼元素的存在，促使了該合金中的鋯元素發(fā)生偏析，從而增大了合金的裂紋敏感性，進一步研究硼元素含量對裂紋敏感性的影響，發(fā)現(xiàn)硼元素質量分數(shù)為0.003%合金的裂紋敏感性要高于質量分數(shù)為0.000 2%的合金。因此國外非常關注硼元素在高溫合金中的作用[4-5,10]，并在相應的標準中對硼的含量進行了嚴格控制。

焊接過程中，構件對焊縫的拘束作用會增加液化裂紋的敏感性，與自由狀態(tài)下焊接相比，拘束狀態(tài)焊接時接頭存在較大的殘余應力[6]。秦昕等人[7]采用應力釋放法測量10 mm厚GH3536合金電子束焊接接頭殘余應力分布，得到高溫合金電子束焊接接頭殘余應力最大值可達到材料的屈服極限。在部分熔化區(qū)，當液化的晶界承受不住拘束應力的作用時，會形成液化裂紋。

針對軸承座底盤與螺柱的環(huán)縫TIG焊結構，對不同硼含量的兩個成分批次GH2132合金進行焊接工藝試驗，檢測焊接接頭表面及橫截面裂紋，并結合構件接頭顯微組織及XRD殘余應力測試結果，分析接頭裂紋形成機理，研究了焊接參數(shù)、合金中微量硼元素含量及構件結構特征對接頭裂紋敏感性的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及試樣結構特征

軸承座底盤與螺柱的材料均為GH2132合金,該合金為時效強化鐵鎳基高溫合金，以15Cr-25Ni-Fe為基組成穩(wěn)定的γ基體，金屬間化合物γ′相為強化相，具有較高的強度和組織穩(wěn)定性，合金的抗拉強度為930 MPa，屈服強度為620 MPa[8]。表1為GH2132合金及所用焊絲化學成分。兩個成分批次的固溶態(tài)GH2132合金中的合金主元素沒有大的差別，僅硼元素的含量有差異，A批次合金中硼元素含量為0.01%，B批次合金中硼元素含量為0.009%，為方便分析，稱A批次合金為含硼高的合金，B批次合金為含硼低的合金。填充材料為直徑1 mm，含較高Mo，W的HGH3113鎳基高溫合金。

表1 GH2132和HGH3113合金的化學成分(質量分數(shù)，%)①

注：①GH2132為GB/T 14992—2005中的規(guī)定值。

圖1為焊接結構示意圖。該結構由軸承座底盤與3個螺柱組成，底盤為外徑220 mm、內徑130 mm、厚度5 mm的環(huán)，3個螺柱均布焊接在環(huán)上，螺柱位置沿底盤寬度方向不對稱。圖2為沿A-A截面截取的焊接接頭示意圖。

1.2 試驗方法

1.2.1底盤與螺柱的焊接

采用Magic Wave 2200焊機對A，B兩個成分批次合金的底盤與螺柱進行TIG焊接工藝試驗，焊接電流分別為55 A，65 A，75 A，氣體流量為10 L/min，焊接電壓為9～10 V，焊接速度為30～40 cm/min，采用直流正接，研究焊接熱輸入對裂紋形成的影響。

圖1 軸承座底盤結構示意圖

圖2 焊接接頭示意圖

1.2.2焊接接頭裂紋的檢測

焊后用酒精清洗焊縫表面，用熒光法檢測接頭表面裂紋；沿垂直焊縫方向截取5個焊縫橫截面制備金相試樣，用ZEISS顯微鏡檢測接頭橫截面裂紋。分別用式(1)[9]和式(2)[9]計算表面裂紋率Cf和橫截面裂紋率Cs。

(1)

(2)

式中，Σlf為表面裂紋長度的總和；L為試驗焊縫長度；ΣHs為5個斷面裂紋深度的總和；ΣH為5個斷面焊縫最小厚度的總和。

1.2.3焊接接頭裂紋的分析

沿圖1中的A-A截面制備金相試樣，采用50 mL H2O+50 mL CH3CH2OH+50 mL HCl+10 g Cu2SO4溶液進行腐蝕，用ZEISS顯微鏡觀察焊縫橫截面顯微組織及裂紋形貌。根據(jù)GB/T 7704—2008《無損檢測X射線應力測定方法》用Stress3000X射線應力測量儀測量殘余應力沿焊接接頭的分布，測試點沿圖3中AB方向由底盤內側向外側分布，測量點間距0.5 mm。文中將螺柱中心線偏外環(huán)的焊縫稱為外側焊縫，反之為內側焊縫，如圖3所示。

圖3 殘余應力測試路徑示意圖

2 試驗結果

2.1 焊接接頭的裂紋檢測

2.1.1表面裂紋

圖4～5為不同焊接電流時熒光檢測出的焊接接頭表面裂紋，圖中虛線圓環(huán)為焊縫，白色為熒光顯現(xiàn)的裂紋。圖4為含硼高的合金熒光檢測的表面裂紋，圖5為含硼低的合金熒光檢測的表面裂紋。由圖4～5可知，裂紋均出現(xiàn)在環(huán)焊縫的外側焊縫焊趾處，沿焊縫周向分布，為縱向裂紋，且隨焊接電流的增大，表面裂紋增多，由點狀逐漸變成線狀分布，總的裂紋長度增大。在相同焊接電流下，含硼高的合金焊接接頭的表面裂紋總長度大于含硼低的合金。

圖4 含硼高的合金熒光檢測的表面裂紋

圖5 含硼低的合金熒光檢測的表面裂紋

圖6為不同焊接電流下的表面裂紋率。由圖6可見，含硼高的合金焊接接頭裂紋率隨焊接電流的增大而增大，當焊接電流為75 A時，表面裂紋率為7.0%，比焊接電流為55 A時增加了一倍多。含硼低的合金焊接接頭表面裂紋率隨焊接電流的增大先減小后增大，當焊接電流為75 A時，表面裂紋率為3.6%，相比于焊接電流為55 A時變化不明顯。電流較小時，兩種硼含量合金焊接接頭的表面裂紋率均較小，但當焊接電流較大時，含硼高的合金焊接接頭的表面裂紋率明顯大于含硼低的合金，說明焊接電流對含硼高的合金表面裂紋率較含硼低的合金更敏感。

圖6 不同焊接電流下的表面裂紋率

2.1.2橫截面裂紋

圖7～8為不同焊接電流時接頭橫截面的裂紋形貌，圖中虛線為焊縫熔合線位置。圖7為含硼高的合金焊接接頭橫截面上的裂紋形貌，圖8為含硼低的合金焊接接頭橫截面上的裂紋形貌。由圖7～8可見，裂紋均位于焊縫熔合線附近，且隨焊接電流的增大，裂紋數(shù)量增多。在相同焊接電流下，含硼高的合金焊接接頭橫截面上的裂紋數(shù)量明顯多于含硼低的合金。

圖7 含硼高的合金橫截面裂紋

圖8 含硼低的合金橫截面裂紋

圖9為不同焊接電流下的橫截面裂紋率?？梢?，兩種硼含量的GH2132合金焊接接頭的橫截面裂紋率均隨焊接電流的增大而增大，當焊接電流為75 A時，橫截面裂紋率分別為26.7%和22.2%，均比焊接電流為55 A時增加了一倍多。在相同焊接電流下，含硼高的合金焊接接頭的橫截面裂紋率大于含硼低的合金，說明含硼高的合金橫截面裂紋率對焊接電流的敏感性高于含硼低的合金。上述結果表明，兩種硼含量的GH2132合金焊接接頭均存在一定的焊接裂紋敏感性，裂紋均出現(xiàn)在環(huán)焊縫的外側焊縫焊趾處，位于焊縫熔合線附近，裂紋率隨焊接電流的增大而增大，且含硼高的合金焊接接頭裂紋敏感性明顯高于含硼低的合金。

2.2 焊接接頭的顯微組織

圖10為底盤與螺柱焊接接頭各區(qū)域顯微組織，其中圖10a為母材(BM)顯微組織，母材組織為奧氏體晶粒，顯現(xiàn)的晶界很細。圖10b為接頭熔合線附近顯微組織，熔合線附近的熱影響區(qū)組織與母材相比，該區(qū)組織晶界較粗，顏色較深。圖10c為圖10b中矩形方框內的局部放大。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，晶界中有連續(xù)或者間斷分布的低熔點共晶物，這是晶界液化后，溶質原子結晶偏析的結果。圖10d為焊接接頭典型裂紋形貌，裂紋起始于熔合線附近熱影響區(qū)，沿晶界向母材擴展與該處的晶界在焊接過程中發(fā)生液化有關。

圖9 不同焊接電流下的橫截面裂紋率

圖10 焊接接頭的顯微組織

2.3 焊接接頭的殘余應力

圖11為XRD測量得到的底盤與螺柱接頭上的殘余應力分布?？梢?，焊縫處的殘余應力為拉應力，焊縫兩側為壓應力，外側焊縫殘余拉應力整體大于內側焊縫，內、外側焊縫殘余應力峰值均出現(xiàn)在熔合線附近，見圖中虛線圈。比較內外側焊縫的峰值應力發(fā)現(xiàn)，外側焊縫的峰值拉應力為669 MPa，內側焊縫的峰值拉應力為472 MPa，外側焊縫的應力峰值大于內側焊縫。

圖11 接頭殘余應力分布

3 分析與討論

3.1 GH2132合金裂紋的形成機理

由圖10d接頭裂紋形貌可見，焊接裂紋均出現(xiàn)在熔合線附近的熱影響區(qū)，沿晶界向母材擴展。圖10b～c中熔合線附近晶界粗化，且晶界中連續(xù)或者間斷分布的低熔點共晶物，表明晶界發(fā)生了液化。結合文獻[10]分析認為，圖10b～10c中的晶界液化是由于該合金基體與碳化物或者其它金屬間化合物顆粒之間發(fā)生組分液化引起的。晶界液化弱化了熔合線附近熱影響區(qū)的組織，使得該區(qū)域金屬在焊接過程中承受不住焊接拉應力的作用而開裂。

3.2 熱輸入及硼元素含量對裂紋形成的影響

由圖6和圖9裂紋率結果表明，兩個成分批次GH2132合金焊接接頭裂紋率均隨焊接電流的增大而增大。這是因為GH2132合金為奧氏體基體，熱導率較小,導熱差，焊接時易造成熱量堆積，熱影響區(qū)晶粒容易長大；而焊接熱輸入的增大促使了在晶界形成液化膜，導致裂紋率增大。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著硼元素含量增加，合金的裂紋敏感性增大。文中含硼高的合金硼元素含量為0.01%，是GB/T 14992—2005標準規(guī)定的上限，含硼低的合金硼元素含量為0.009%，低于允許的上限。結合文獻[4-5]分析，當合金中硼元素含量增加可能會增大合金的凝固溫度范圍，從而增加合金焊接時液化裂紋的敏感性，導致含硼高的合金的裂紋敏感性高于含硼低的合金。

3.3 構件拘束對裂紋形成的影響

圖11焊接接頭殘余應力測試結果表明，外側焊縫的殘余應力大于內側焊縫，且應力峰值出現(xiàn)在熔合線附近，這與焊接接頭中裂紋均出現(xiàn)在外側焊縫熔合線附近的結果一致。圖12為底盤與螺柱焊接接頭裂紋形成示意圖，在焊接過程中，焊縫金屬的快速凝固會形成焊接應力Rr，由于底盤對螺柱焊接接頭收縮的拘束會形成一個拘束力Rf，因此底盤與螺柱焊縫上承受的總應力為Rr與Rf之和。假設內外側焊縫承受的總應力分別為R內和R外，由于外側焊縫距底盤外邊緣的距離大于內側焊縫距底盤內邊緣的距離，導致外側焊縫受到的拘束應力大于內側焊縫，外側焊縫上的總應力R外大于內側焊縫上的總應力R內，因此，外側焊縫熔合線附近的液化晶界在較大拘束應力的作用下更容易形成裂紋。

圖12 底盤與螺柱焊接接頭裂紋形成示意圖

4 結 論

(1)GH2132合金底盤與螺柱環(huán)縫TIG焊接頭具有裂紋敏感性，裂紋出現(xiàn)在焊縫熔合線的粗晶區(qū)，沿晶界向母材擴展；焊接裂紋是熔合線附近組織發(fā)生晶界液化，弱化了的該區(qū)組織在焊接拉應力的作用下形成的裂紋。

(2)焊接接頭裂紋敏感性隨焊接熱輸入的增大而增大，采用較小的焊接電流可以有效地降低接頭裂紋率；合金中硼元素的含量對液化裂紋敏感性有較大的影響，含硼高的合金焊接時裂紋敏感性明顯高于含硼低的合金。

(3)焊接接頭裂紋的分布與該構件結構特征密切相關，裂紋出現(xiàn)在環(huán)形焊縫的外側焊縫是由于焊接時外側焊縫受到的拘束應力大于內側焊縫。

[1] 周瑞發(fā). 熱加工參數(shù)對高溫合金組織和性能的影響(一)[J]. 材料工程，1990，3(5): 8-16.

[2] Rush M T，Colegrove P A，Zhang Z，et al. Liquation and post-weld heat treatment cracking in Rene 80 laser repair welds[J]. Journal of Materials Processing Technology，2012，212(1): 188-197.

[3] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊(第2版)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001: 653-660.

[4] Ramirez J E. Susceptibility of IN740 to HAZ liquation crack-ing and ductility-dip cracking[J]. Welding Journal，2012，91(4): 122-131.

[5] Cieslak M J，Stephens J J，Carr M J. A study of the weldability and weld related microstructure of cabot alloy 214[J]. Metallurgical Transactions A，1988，19(3): 657-667.

[6] 方洪淵. 焊接結構學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2008: 68-69.

[7] 秦 昕，王 慶，張彥華. GH3536電子束焊接殘余應力分布分析[J]. 航空制造技術，2009，4(5): 78-80.

[8] 中國航空材料手冊輯委員會. 中國航空材料手冊第2卷[M]. 北京: 中國標準出版社，2001: 93-112.

[9] 李亞江. 焊接冶金學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2004: 35-37.

[10] Sindo Kou.閆久春，楊建國，張廣軍 譯. 焊接冶金學[M]. 北京: 高等教育出版社,2012: 293-303.

2017-06-21

TG406

邢麗，1959年生，南昌航空大學教授，碩士研究生導師。先后主持國家自然科學基金、省部級科研項目10余項，主要從事焊接冶金、焊接結構分析、攪拌摩擦焊技術及先進材料連接技術的研究開發(fā)工作，主持完成多項為企業(yè)服務的應用性課題， 曾獲江西省科技進步一等獎、二等獎各一次，已發(fā)表論文80 余篇。

《焊接》雜志經過多項學術指標綜合評定及同行專家評議推薦，被收錄為“中文核心期刊”及“中國科技核心期刊”(中國科技論文統(tǒng)計源期刊)，是焊接行業(yè)獨家“雙核心”技術類期刊。