劉 謹, 趙志毅

（北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083）

GH141和GH907是近年來應用在航空發(fā)動機上的兩種重要的高溫合金。GH141是沉淀硬化型鎳基變形高溫合金，屬于Ni-Cr-Co-Mo系，該合金具有優(yōu)異的高溫強度和持久蠕變強度，以及優(yōu)良的抗氧化性和抗腐蝕性能。GH907是Fe-Ni-Co基時效硬化型低膨脹高溫合金，焊接性能良好，且650 ℃以下具有較高的強度、低的膨脹系數(shù)以及幾乎恒定不變的彈性模量，組織與GH909合金類似。電子束焊接是將高能電子束作為加工熱源，用高能量密度電子束轟擊焊件接頭處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻以達到焊接的目的。對于這兩種高溫合金的研究工作，前人主要針對GH141及GH907的性能[1-4]和母材的析出相[5-8]進行了研究，對于兩者通過電子束焊接的焊接接頭區(qū)域析出相進行的探索很少。研究表明同質(zhì)高溫合金焊接焊縫析出相都為母材中同種類型析出相[9-10]，而對于異材高溫合金電子束焊接，并沒有研究指出焊縫區(qū)域會產(chǎn)生新的析出相。本工作對GH141/GH907焊接接頭區(qū)域析出相進行研究，包括GH141合金熱影響區(qū)，GH907合金熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)域。

1 實驗材料與方法

實驗所用材料為GH141/GH907高溫合金焊接板材，尺寸為 300 mm × 190 mm × 10 mm，如圖 1所示。GH141和GH907化學成分分別如表1和表2所示。

圖 1 試樣示意圖Fig. 1 diagram of specimen

透射電鏡型號為FEI-F2010，掃描電鏡型號為ZEISS EVO18。試樣熱處理工藝為1080 ℃固溶1 h，980 ℃ 時效 4 h，775 ℃ 時效 12 h，620 ℃ 時效8 h。GH141熱影響區(qū)以及GH07熱影響區(qū)的試樣采用離子減薄法進行制備，焊縫處的試樣采用電解雙噴法進行制備。

表 1 GH141合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 Chemical composition of GH141 (mass fraction/%)

表 2 GH907合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 2 Chemical composition of GH907 (mass fraction/%)

2 結果與分析

2.1 GH141 熱影響區(qū)析出相分析

圖2為GH141掃描電鏡顯微組織照片。從圖2可以看出整個基體密布著小顆粒狀析出相，塊狀析出物有兩類，一類是主要沿晶界連續(xù)析出的小的塊狀析出物，另一類是晶界和晶內(nèi)均有析出的粗大塊狀析出物。在GH141母材中，其主要強化相有γ′以及 MC，M6C，M23C6型碳化物。其中 γ′析出相較小，密布于基體上，MC型碳化物呈較大塊狀隨機分布在基體中和晶界上，M6C型碳化物呈小塊狀和顆粒狀，主要沿晶分布，M23C6型碳化物一般呈小顆粒狀沿晶界不連續(xù)析出[11]。從照片形貌上較容易辨認出γ′相以及MC碳化物相，但從形貌上無法區(qū)分主要在晶界處析出的M6C及M23C6型碳化物，所以對于GH141析出相的研究重點在于M6C和M23C6型碳化物的區(qū)分，以及γ′相的確認。

圖 2 GH141掃描電鏡顯微組織照片F(xiàn)ig. 2 SEM photomicrograph of GH141

GH141焊縫熱影響區(qū)試樣發(fā)現(xiàn)的小塊狀碳化物尺寸約為0.5～1mm，形貌如圖3（a）所示。圖3（b）為碳化物選區(qū)電子衍射光斑，可以看出，衍射光斑存在明顯的對稱高階勞厄帶，按照面心立方對其進行標定，標定后的衍射光斑如圖3（c）所示。計算出單胞點陣常數(shù)為1.132 nm。兩類碳化物的點陣類型均為面心立方點陣[11-12]，其中M6C型碳化物的點陣常數(shù)的范圍為1.095～1.250 nm，M23C6型碳化物的點陣常數(shù)范圍為1.050～1.080 nm。標定結果在M6C型碳化物的點陣常數(shù)范圍內(nèi)，基本確定上述尺寸為0.5～1 μm小方塊狀的碳化物析出相為M6C型碳化物。

考慮到M6C型碳化物與M23C6型碳化物點陣常數(shù)相差不大，為避免誤標，用EDS能譜分析對標定結果加以佐證。碳化物析出相的能譜結果如圖3（d）所示。高溫合金中M23C6型碳化物中的主要富集元素是Cr，而M6C碳化物中的主要富集元素是Mo[13]。由圖3（d）可以看出該碳化物析出相明顯有Mo元素富集，故可以肯定所觀察到的GH141焊縫熱影響區(qū)析出的小方塊析出相為M6C型碳化物。

GH141焊縫熱影響區(qū)試樣發(fā)現(xiàn)密布在基體上的γ′析出相，如圖4（a）所示，其與基體γ相之間的關系對鎳基合金起著重要的作用[14-15]。γ′相的衍射光斑如圖4（b）所示，其中亮斑為γ′析出相的衍射光斑，而暗斑則為基體γ相的衍射光斑。按照面心立方對γ′的衍射光斑進行標注，標注結果如圖4（c）所示，計算出該析出相的點陣常數(shù)為a = 0.3564 nm。γ′相化學式為 Ni3（Al，Ti），點陣常數(shù) a 范圍為 0.356～0.361 nm[12]。標定結果在γ′相的點陣常數(shù)范圍內(nèi)，從晶體結構角度確定該析出相為γ′相。

通過EDS從成分上進一步驗證，能譜結果如圖4（d）所示。可以發(fā)現(xiàn)其中Ti，Al元素富集，與基體相比，Ni元素變化不大，其他元素較少。結果符合γ′相中元素組成，進一步說明了在基體密布的方塊狀析出物確為γ′析出相。

2.2 GH907 熱影響區(qū)析出相分析

GH907熱影響區(qū)內(nèi)析出相的分析主要也是舊相的鑒定，但相結構主要為六方結構，正交結構，由于析出相元素成分復雜且并不確定是否被卡片收錄，進行標定工作時有較大的局限。

圖 3 GH141焊縫熱影響區(qū)碳化物析出相 （a）TEM形貌；（b）電子衍射光斑;（c）標定后的衍射光斑;（d）EDS分析Fig. 3 Carbide precipitate in GH141 heat affected zone （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern;（d）EDS spectra

圖 4 GH141焊縫熱影響區(qū)γ′析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射光斑;（c）標定后的衍射光斑Fig. 4 GH141 weld heat affected zone γ′ precipitate （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern

圖5為GH907掃描電鏡顯微組織照片。從圖5可以看出，材料基體上主要分布有兩種形貌的析出相，即密布于基體上的針狀析出物以及沿晶大量析出的塊狀析出相。GH907經(jīng)固溶時效后，析出相主要有小顆粒狀γ′相、針狀ε相和塊狀G相、Laves相等。在長時間固溶時效下，顆粒狀γ′相逐漸轉變?yōu)獒槧畹摩畔唷相一般在晶內(nèi)和晶界塊狀析出，量多時可在晶界處網(wǎng)狀析出，G相的晶體結構為面心立方，合金中含硅量越高，越容易形成G相[11]。Laves相多為不規(guī)則的塊狀分布于晶界和晶內(nèi)，為拓撲密排相，晶體結構一般為MgZn2型六方點陣，較高的Nb，Ti含量和較低的C，N含量是形成Laves相的必要條件[16]。從形貌上可以比較容易地辨認出γ′相以及ε相，但G相和Laves相無法準確辨認。

圖 5 GH907掃描電鏡顯微組織照片F(xiàn)ig. 5 SEM photomicrograph of GH907

圖6（a）為GH907焊縫熱影響區(qū)針狀析出物形貌，析出物縱橫交錯分布，在合金基體上密布，針狀析出相寬度約為50～200 nm。研究表明，GH907母材中的針狀析出物為ε相，該相為六方結構，其點陣常數(shù)a = 0.458 nm，c = 1.202 nm。根據(jù)上述晶體學數(shù)據(jù)，計算（hkl）與dhkl表。針狀析出相的電子衍射斑點如圖6（b）所示。從衍射斑點中求出離中心透射斑最近的衍射斑所代表的3組晶面間距，將計算得到的d值與按六方晶系ε相計算得出的（hkl）與dhkl數(shù)據(jù)表相對照，選擇出一套互洽的晶面指數(shù)，并通過衍射斑點的夾角對標定的結果進行驗證。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)查得的晶胞信息可以準確地對實驗得到的衍射光斑進行標定，標定結果如圖6（c）所示。至此，可以確認在GH907焊縫熱影響區(qū)觀察到的針狀析出物為六方晶系ε相，其點陣常數(shù)a =0.458 nm，c = 1.202 nm。

圖 6 GH907 焊縫熱影響區(qū)針狀析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射光斑;（c）標定后的衍射光斑Fig. 6 Needle shaped precipitate in GH907 heat affected zone （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern

圖 7 GH907 熱影響區(qū)塊狀析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射光斑;（c）標定后的衍射光斑Fig. 7 Block shaped precipitate in GH907 heat affected zone （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern

圖7（a）為GH907焊縫熱影響區(qū)方塊狀析出物形貌，其衍射斑點如圖7（b）所示。高溫合金中Laves相為六方結構，其點陣參數(shù)為a = 0.457～0.483 nm，c = 0.769～0.777 nm[13]。以此為依據(jù)算得晶面指數(shù)與晶面間距數(shù)據(jù)表，與從衍射斑點中得出的離中心透射斑最近的衍射斑所代表的3組晶面間距進行對比，并未發(fā)現(xiàn)與其相符的晶面指數(shù)，這表明該塊狀析出物并非Laves相。

然后按照G相進行標定，在卡片中收錄的G相的范圍內(nèi)，對該塊狀析出物進行試標定。從衍射斑點中求出離中心透射斑最近的衍射斑所代表的3組晶面間距，將計算得到的d值與PDF卡片中物相的晶面間距表中的d值相對照，選擇出一套互洽的晶面指數(shù)，并通過衍射斑點的夾角對標定的結果進行驗證。分析發(fā)現(xiàn)面心立方G相Nb3Ni2Si可以精確標定塊狀析出相的衍射斑點，Nb3Ni2Si點陣常數(shù)1.1191 nm。析出相電子衍射圖標定結果如圖7（c）所示。綜上可以確定GH907焊縫熱影響區(qū)塊狀析出物為面心立方G相Nb3Ni2Si。

2.3 焊縫區(qū)析出相分析

焊縫區(qū)域析出相比較復雜，這里關注其中是否出現(xiàn)了新相，對于需要作系列傾轉重構三維點陣的未知相標定工作，不進行深究。

試樣宏觀組織如圖8所示，GH141熱影響區(qū)及GH907熱影響區(qū)晶粒尺寸都較自身母材粗大，焊縫處晶粒都以柱狀樹枝晶的方式存在。

圖9為焊縫區(qū)掃描電鏡顯微組織照片。從圖9可以看出，焊縫處的析出物從形貌上來看基本可以分為兩大類，其一為針狀析出相，其分布比較稀疏，有平行分布也有交錯分布，與GH907中針狀相交錯密布不同。其二為一些小的顆粒狀析出物，但形狀并不一致，與GH141基體中的γ′析出相也不一樣。以前沒有文獻對GH141及GH907電子束焊接焊縫處的析出物進行過專門的研究。

GH141/GH907電子束焊接焊縫區(qū)域觀察到的針狀析出相形貌如圖10（a）所示。由于其形貌與GH907中ε相相似，現(xiàn)對其衍射斑進行分析，圖10（b）為該針狀析出相的衍射斑點，其中亮斑為基體。由衍射斑可以看出，該析出相衍射斑點間距較小，以點陣常數(shù)a = 0.458 nm，c = 1.202 nm的六方晶系ε相對該衍射斑點進行試標定，標定失敗。說明焊縫區(qū)域針狀析出物并非是GH907中的ε相，焊縫中出現(xiàn)了不同于GH907和GH141的針狀新析出相。

圖11（a）為焊縫區(qū)域所觀察到的顆粒狀析出相的形貌，析出相的尺寸為100～200 nm。圖11（d）為其對應的能譜結果，與基體相比，析出相中Ti，Nb兩種元素明顯大量富集，該析出物極有可能是由Nb，Ti兩種元素組成的某種化合物。故可在PDF卡片所提供的Nb，Ti化合物的物相范圍內(nèi)，對該析出相衍射光斑進行試標定。圖11（b）為顆粒狀析出相的選區(qū)電子衍射斑點，其中亮斑為析出物的衍射斑點。以大量含Nb，Ti的化合物為標定備選范圍，在卡片中進行篩選。從衍射斑點中求出離中心透射斑最近的衍射斑所代表的三組晶面間距，將計算得到的d值與PDF卡片中物相的晶面間距表中的d值相對照，選擇出一套互洽的晶面指數(shù)，并通過衍射斑點的夾角對標定的結果進行驗證。通過分析，正交晶系NbTi4所對應的單胞參數(shù)（a = 0.3152 nm，b = 0.4854 nm，c = 0.4642 nm）可以準確地對衍射斑點進行標定，標定結果如圖11（c）所示。綜上所述，在GH141與GH907電子焊焊縫中較多存在的顆粒狀析出相為正交晶系NbTi4析出相，該析出相與圖9所述針狀析出相在GH141與GH907兩種合金母材及熱影響區(qū)，還有兩種母材各自的同質(zhì)焊縫中皆未出現(xiàn)過，屬于焊縫中全新的析出相。

圖 10 GH141/GH907焊縫區(qū)針狀析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射斑點Fig. 10 Needle shaped precipitate in GH141/GH907 weld joint （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern

圖 11 GH141/GH907焊縫區(qū)顆粒狀析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射斑;（c）標定后的衍射斑;（d）EDS分析Fig. 11 Granular precipitate in GH141/GH907 weld joint （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern;（d）EDS spectra

3 討論

通過透射電鏡對GH141/GH907焊接接頭區(qū)域析出相進行分析，包括GH141熱影響區(qū)，GH907熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)域。對于電子衍射花樣的標定，一般可以分為兩類。一類是測定新結構，其過程耗時長，花費大，分析復雜。另一類是鑒定舊結構，其中立方結構和密排六方結構衍射譜的標定，可通過查表和簡單的計算進行標定；而其他結構衍射譜的標定，如果該相在卡片中無法查到，則需要進行大量的運算，以進行后一步的標定工作，工作量較大[17]。

對于鑒定舊結構，在GH141焊縫熱影響區(qū)和GH907焊縫熱影響區(qū)，根據(jù)下面3個條件，由一幅衍射花樣從中把物相鑒定出來，物相驗證的3個條件是：①由衍射花樣確定的點陣類型必須與ASTM卡片或文獻中的物相相符合；②衍射斑點指數(shù)必須自洽；③主要低指數(shù)晶面間距與卡片中給出的標準d值相符，允許誤差約為3%左右[18]。

而對于焊縫區(qū)域的分析發(fā)現(xiàn)，其中出現(xiàn)了新的析出相，對其進行鑒定是一個很困難且意義不大的過程，原因如下：

首先，焊縫處熔融合金不在接近平衡的狀態(tài)下緩慢冷卻，迅速冷卻會造成焊縫處組織與析出物進一步復雜化。兩種母材的熔融物并未充分均勻混合便開始凝固，焊縫處合金的成分沿垂直焊縫方向存在濃度梯度。快速冷卻條件下相變與緩冷不同，容易出現(xiàn)非擴散型相變，可能會出現(xiàn)孿晶組織和其他較復雜的析出相。

其次，GH907與GH141中析出物結構不同，G H 1 4 1中析出物結構主要為面心立方，而GH907中析出物結構為六方晶系、正交晶系等，兩者混合后的相結構很難去預測。

最后，電子束焊接焊縫區(qū)域的成分相當于兩種材料的熔融混合物，由于GH141與GH907成分差別較大，焊縫區(qū)域的材料相當于一種新成分的高溫合金，并且焊縫不同區(qū)域由于成分的不均勻會導致析出相出現(xiàn)較大的差別。

本工作透射電鏡標定的相結果，都經(jīng)過了能譜的對比確認，具有很高的準確性。

4 結論

（1）異材高溫合金電子束焊接熱影響區(qū)無新析出相產(chǎn)生。在現(xiàn)行熱處理工藝下，GH141熱影響區(qū)內(nèi)在基體大量密布的析出相為面心立方結構γ′相，其形貌為方形顆粒狀，尺寸為100～200 nm。MC碳化物呈較粗大的塊狀隨機分布在基體中和晶界上。沿晶界大量析出的碳化物是面心立方M6C型碳化物，大多為方形塊狀，尺寸為0.5～1 mm。面心立方M23C6型碳化物還并未由M6C型碳化物開始轉變，或轉變數(shù)量很少，故在GH141基體中沒有發(fā)現(xiàn)。

（2）在現(xiàn)行熱處理工藝下，GH907熱影響區(qū)內(nèi)大量存在的針狀析出相為六方晶系ε相，針狀析出相寬度為50～200 nm。塊狀析出相為面心立方G相Nb3Ni2Si，尺寸約為1 μm左右。未觀察到γ′相，這是由于在長時間的固溶時效過程中，γ′相完全轉化為了針狀ε相。

（3）GH141與GH907焊縫區(qū)域析出相與兩種母材都不同，其針狀析出相并非GH907中的六方晶系ε相，而是一種新析出相。焊縫中的顆粒狀析出物也是一種新相，為正交晶系NbTi4，形狀為方形或橢球形，尺寸為100～200 nm。