王大為 ，鄭 真 ，陳 星

（1.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；4.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.材料檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引言

GH3030 是早期發(fā)展的固溶強(qiáng)化型高溫合金，在800 ℃以下具有滿意的熱強(qiáng)性和高塑性，并具有良好的抗氧化、熱疲勞性和焊接工藝性能。它主要用于1 100 ℃以下，要求具有抗氧化性，但承受載荷很小的高溫部件[1]。某GH3030 構(gòu)件在試驗(yàn)過程中被發(fā)現(xiàn)有2個(gè)釬焊管在釬焊接頭處發(fā)生泄漏。試驗(yàn)溫度約為400 ℃，釬焊管在正常工況下受交變應(yīng)力。2個(gè)釬焊管焊接結(jié)構(gòu)和焊接工藝相同，但其中一個(gè)泄漏嚴(yán)重。釬焊管材料為GH3030高溫合金，壁厚為0.2 mm，外徑為0.8 mm，前室材料為GH3128 高溫合金，將前室鉆頭打孔擴(kuò)到0.8 mm 左右（與釬焊管間隙約0.03 mm）后通過釬焊（1 050 ℃，6 h）將管與前室連接，隨后將前室與銅散熱板釬焊連接，使用AgCu 焊料。

本研究通過采用外觀觀察、裂紋宏微觀觀察、斷口觀察、能譜分析、金相檢查、硬度檢測等手段，確定2個(gè)構(gòu)件釬焊管的裂紋性質(zhì)，并對其失效原因進(jìn)行綜合分析，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)建議，以期為后續(xù)構(gòu)件釬焊管的安全使用提供參考，對于同類釬焊管焊接過程的控制具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)過程和結(jié)果

1.1 表面觀察

發(fā)生泄漏的2個(gè)釬焊管（A、B）表面均發(fā)現(xiàn)裂紋，且裂紋均位于距銅散熱板約1 mm 的釬焊管焊腳處。其中，構(gòu)件A 釬焊管可見明顯開裂，開裂處表面暗于釬焊管表面，為焊料覆蓋特征；構(gòu)件B 釬焊管焊接影響區(qū)顏色明顯亮于釬焊管基體，并可見微小裂紋，裂紋附近側(cè)表面也可見焊料覆蓋（圖1）。

圖1 構(gòu)件釬焊管裂紋位置及宏觀形貌Fig.1 Crack position and macro appearance of soldered pipe

使用線切割將釬焊管取下，對其進(jìn)行微觀形貌觀察和成分分析，結(jié)果見圖2、表1。構(gòu)件A 釬焊管在開裂處已經(jīng)完全斷開，斷口附近側(cè)表面可見釬料堆積和與正常管壁的過渡形貌（圖2a）。能譜分析可知：釬料堆積處（圖2a 中標(biāo)注1）成分主要含C、O、Ag、Cu 等元素，為焊料成分；過渡處（圖2a 中標(biāo)注2）成分主要含C、O、Cu 等元素，仍含有焊料成分。

圖2 釬焊管裂紋表面微觀形貌Fig.2 Micro appearance of soldered pipe crack

表1 構(gòu)件釬焊管表面能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 EDS results of soldered pipe surface（mass fraction/%）

構(gòu)件B 釬焊管裂紋區(qū)域呈自由凝固表面形貌，裂紋較為曲折，并可見沿晶分叉形貌，主裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橹芟颍▓D2b～圖2d）。能譜分析可知：焊腳處（圖2c 中標(biāo)注3）成分主要含Ag、Cu 等元素，為焊料成分；裂紋兩側(cè)（圖2c 中標(biāo)注4）成分主要含Ni、Cr 等元素，并含有少量Ag、Fe 元素，其中Ag 應(yīng)來源于焊料；裂紋附件可見一處自由凝固形成的熔滴突起（圖2c 中標(biāo)注5），成分主要含Cr、Ni 等元素，為釬焊管基體材料元素，說明該處的溫度已達(dá)到GH3030 的熔化溫度。GH3030 和GH3128 合金的成分[1]見表2。

表2 GH3030 和GH3128 合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2 Composition of GH3030 and GH3128 alloy（mass fraction/%）

1.2 斷口觀察

對構(gòu)件A 釬焊管進(jìn)行斷口觀察可見，整個(gè)斷面較為平整，大部分區(qū)域?yàn)檠鼐嗔烟卣?。將斷口分?個(gè)區(qū)（圖3a）：斷口1 區(qū)為沿晶氧化特征，局部晶界氧化嚴(yán)重出現(xiàn)圓滑特征，并可見熔融顆粒形貌（圖3b 中標(biāo)注6）；斷口2 區(qū)除沿晶氧化特征外，斷口內(nèi)壁可見氧化顆粒形貌（圖3c 中標(biāo)注8），中部可見剪切韌窩形貌（圖3d）；斷口3、4 區(qū)主要為沿晶氧化特征。由此可知，構(gòu)件A 釬焊管主要為沿晶開裂，且在焊接過程中已經(jīng)產(chǎn)生，最后發(fā)生過載斷裂。

圖3 構(gòu)件A 釬焊管斷口形貌Fig.3 Crack fracture appearance of component A soldered pipe

將構(gòu)件B 釬焊管從裂紋處完全打開。與構(gòu)件A 相同的是，原始裂紋對應(yīng)斷口位置也可見沿晶特征（圖4a）。與構(gòu)件A 不同的是，裂紋內(nèi)外壁表面均發(fā)生線性疲勞裂紋擴(kuò)展，并在管壁中部匯合，疲勞條帶形貌見圖4b。內(nèi)壁所有區(qū)域均可見氧化特征，并可見徑向小裂紋，局部可見韌窩形貌（圖4c）。

對應(yīng)圖3、圖4 中標(biāo)注的位置，斷口能譜分析結(jié)果見表3，由結(jié)果可知，構(gòu)件A 和構(gòu)件B 釬焊管沿晶斷口局部均可見Ag、Cu 等外來元素，說明釬焊管的原始裂紋在焊接過程中已經(jīng)產(chǎn)生，性質(zhì)均為過熱沿晶裂紋，隨后裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展后過載斷裂或直接引起過載斷裂。

圖4 構(gòu)件B 釬焊管斷口形貌Fig.4 Crack fracture appearance of component B soldered pipe

表3 釬焊管斷口能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 3 EDS results of soldered pipe crack fracture（mass fraction/%）

1.3 組織觀察

在構(gòu)件A 釬焊管斷口處取縱向金相試樣，對其組織進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖5，能譜分析結(jié)果見表4。在背散射圖像下觀察，在釬焊管斷口釬料堆積處可見白亮相，釬料堆積深度最深達(dá)118 μm，釬料堆積處主要含Ni、Cu、Ag 元素，為低熔點(diǎn)共晶相[2]（圖5b 中標(biāo)注A）。斷口附近可見沿晶開裂二次裂紋和晶界粗化形貌（圖5c 中標(biāo)注B），晶界粗化區(qū)域可見Cu 元素，局部晶界在背散射下為白亮色（圖5c 中標(biāo)注C），此處的晶界含有Cu、Ag 元素，這些均說明Ag-Cu 焊料與GH3030 合金發(fā)生了反應(yīng)，且反應(yīng)主要作用于晶界，晶界是腐蝕元素進(jìn)入鎳基合金基體的通道[3]。釬焊管近表面處還發(fā)現(xiàn)有灰色顆粒狀相（圖5d 中標(biāo)注D），此處含有較高的Cr 元素，應(yīng)為高溫形成的富Cr 相[4-5]。

圖5 構(gòu)件A 釬焊管微觀組織形貌（背散射像）Fig.5 Microstructure of component A soldered pipe (Backscatter image)

表4 構(gòu)件A 釬焊管金相試樣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 4 EDS results of component A soldered pipe metallographic specimen（mass fraction/%）

在構(gòu)件B 釬焊管斷口附近取橫向金相試樣，對其焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，實(shí)測前室孔的直徑為0.8 mm，GH3030 釬焊管外徑為758 μm，前室釬焊管之間為釬焊過渡區(qū)，前室與銅散熱板的焊縫在背散射像下亮于兩側(cè)基體，呈“黑白條紋”狀，為AgCu 共晶組織，即黑色條紋為Cu，白色基體為Ag[6]。釬焊管內(nèi)壁可見約10 μm 的顏色變化區(qū)（對應(yīng)斷口上的內(nèi)壁氧化區(qū)），變化區(qū)可見徑向小裂紋（圖6），能譜分析結(jié)果見表5，各基體材料成分與名義成分基本一致，前室釬焊管之間的釬焊過度區(qū)主要含Ni、Cr、Fe、Si 元素，焊縫兩側(cè)的GH3030 和GH3128 成分中的Fe 元素高于名義成分，應(yīng)為釬料中的Fe 元素反應(yīng)擴(kuò)散所致，釬焊管內(nèi)壁的變色區(qū)其成分含有N 元素，與釬焊管斷口上發(fā)現(xiàn)的N 元素相一致。

將構(gòu)件A 釬焊管縱向金相試樣進(jìn)行腐蝕后觀察，可以發(fā)現(xiàn)，有焊料影響的區(qū)域晶界開裂情況嚴(yán)重，晶粒尺寸也大于正常晶粒，而遠(yuǎn)離焊縫的晶粒組織正常（圖7）。

1.4 顯微硬度

對構(gòu)件A 釬焊管縱向金相試樣的硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表6，可知裂紋附近的硬度明顯大于基體。

2 分析與討論

1）失效性質(zhì)分析。

構(gòu)件A 釬焊管斷口呈沿晶氧化特征，晶面存在熔融和氧化現(xiàn)象，為過燒特征[7]。晶面上有附著物，含有Ag、Cu、Fe 等釬焊焊料中的元素，斷口附近側(cè)表面可見釬料覆蓋，斷口局部可見剪切韌窩形貌。因此，構(gòu)件A 釬焊管首先在焊接過程中發(fā)生高溫沿晶開裂，隨后發(fā)生過載斷裂。

圖6 構(gòu)件B 釬焊管微觀組織形貌（背散射像）Fig.6 Microstructure of component B soldered pipe (Backscatter image)

表5 構(gòu)件B 釬焊管金相試樣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 5 EDS results of component B soldered pipe metallographic specimen（mass fraction/%）

圖7 構(gòu)件A 釬焊管腐蝕后晶粒組織形貌Fig.7 Grain microstructure of component A soldered pipe after corrosion

表6 構(gòu)件A 釬焊管硬度檢測結(jié)果Table 6 Microhardness results of component A soldered pipe

構(gòu)件B 釬焊管裂紋附近區(qū)域呈自由凝固表面形貌，裂紋呈沿晶分叉形貌，斷口上裂紋對應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)少量的Cl、Ag、Cu 等釬料元素，局部有沿晶特征，說明構(gòu)件B 釬焊管在焊接時(shí)外表面已存在沿晶裂紋，同時(shí)釬焊管內(nèi)表面也存在徑向小裂紋，隨后斷裂在內(nèi)、外壁表面裂紋處線性起源，并在交變應(yīng)力下形成大量疲勞條帶。因此，構(gòu)件B 釬焊管的裂紋性質(zhì)為首先在焊接過程中存在沿晶小裂紋，隨后發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最后在人工打開的外力作用下斷裂。

2）失效原因分析。

2個(gè)釬焊管失效的共同點(diǎn)是均存在沿晶裂紋，且沿晶裂紋產(chǎn)生于焊接過程中。

從焊接工藝上看，釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料[8]，釬焊管和前室的釬焊溫度為1 050 ℃，高于釬焊管材料GH3030 的固溶溫度（980～1 020 ℃），如釬焊過程溫度控制不當(dāng)，將會使釬焊管材料出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。構(gòu)件B 釬焊管裂紋附近的自由凝固表面也說明了焊接過程中局部溫度超過了GH3030 的熔點(diǎn)，該裂紋為金屬過熱過燒引起的沿晶裂紋[9]。

從結(jié)構(gòu)上看，2個(gè)焊接位置相距不到1 mm，由于釬焊管尺寸細(xì)小，在第二次與銅散熱板焊接的過程中極易產(chǎn)生焊料溢出甚至粘附在釬焊管表面的現(xiàn)象（2個(gè)釬焊管表面均有焊料粘附），這將對釬焊管的表面強(qiáng)度造成一定影響并增加其表面殘余應(yīng)力。同時(shí)，在高溫條件下，Cu、Ag 等焊料元素會沿晶界擴(kuò)散，弱化晶界結(jié)合力，腐蝕后的晶粒組織形貌也說明了這一點(diǎn)。此外，銅散熱板尺寸較大，距釬焊管的距離又近，銅散熱板在工作中產(chǎn)生的應(yīng)力可能會直接作用于釬焊管，應(yīng)力集中區(qū)域的焊接缺陷是影響疲勞壽命最主要的因素[10]。如果將前室和釬焊管的焊接位置（焊接點(diǎn)1）與銅散熱板焊接位置（焊接點(diǎn)2）的距離增大（圖8），會從一定程度上改善焊接結(jié)構(gòu)受力和焊接質(zhì)量。

圖8 焊接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Soldering structure diagram

從環(huán)境上看，2個(gè)釬焊管斷口內(nèi)壁均存在氧化特征，局部有小裂紋特征，金相圖中也可見內(nèi)壁存在約10 μm 的變化區(qū)及徑向小裂紋，且這些位置均發(fā)現(xiàn)有一定量的N 元素，這說明：焊接氣氛（氮?dú)猓Σ牧蟽?nèi)壁表面狀態(tài)及成分造成了一定影響，N 元素滲入會使材料脆性增加，影響力學(xué)性能[11-12]。

綜上所述，構(gòu)件釬焊管的失效原因主要與焊接過程有關(guān)。構(gòu)件A 釬焊管大部分區(qū)域?yàn)檠鼐卣鳎瑸楦邷匮鼐ч_裂，最后發(fā)生過載斷裂；構(gòu)件B 釬焊管在焊接過程中存在沿晶小裂紋，隨后在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最后在人工應(yīng)力下完全斷裂。

構(gòu)件釬焊管焊接裂紋的產(chǎn)生與2個(gè)焊接位置相距較近有關(guān)，焊接時(shí)存在互相影響，且存在焊接溫度控制不當(dāng)?shù)那闆r，建議嚴(yán)格控制焊接過程并對構(gòu)件的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論

1）構(gòu)件A 釬焊管為高溫沿晶開裂，最后發(fā)生過載斷裂；構(gòu)件B 釬焊管在焊接過程中存在沿晶小裂紋，在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最后在人工應(yīng)力下完全斷裂。

2）構(gòu)件釬焊管焊接裂紋的產(chǎn)生原因是2個(gè)焊接位置相距較近，焊接時(shí)互相影響，且存在焊接溫度控制不當(dāng)?shù)那闆r。建議嚴(yán)格控制焊接過程并對構(gòu)件的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。