陳國慶， 張 戈， 劉 政， 樹 西， 張秉剛

（1.哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱150001；2.西安航天發(fā)動機有限公司，西安710100 ）

固溶強化鎳基高溫合金是以Ni作為基體元素，通過添加固溶強化元素對γ奧氏體基體進行強化的一類鎳基合金。固溶強化鎳基高溫合金的使用溫度通常在800℃以下，但在一些對高溫耐腐蝕性要求較高的場合，其使用溫度可達到1200℃[1]。由于這類合金具有組織穩(wěn)定性好，服役溫度高等優(yōu)勢，因而在航空航天、石油化工以及核工業(yè)領域得到了廣泛的應用[2–3]。

高溫合金使用條件極為嚴苛，結構零件通常較為復雜，如渦輪葉片、渦輪盤等，這些結構的連接離不開焊接技術的支持[4]。近年來，針對固溶強化鎳基高溫合金焊接，國內外學者在焊接工藝優(yōu)化、焊縫組織轉變等方面開展了大量的研究工作。因此，本文將根據不同的焊接方法對固溶強化鎳基高溫合金及其與異種材料的焊接研究進行綜述。

固溶強化鎳基高溫合金焊接性研究

固溶強化鎳基高溫合金加入了諸如Cr、Mo、W、Nb等合金元素，使合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能及高溫性能并得到廣泛的應用，因而開展固溶強化鎳基高溫合金焊接性的研究就顯得尤為重要。

固溶強化鎳基高溫合金的焊接性與合金化學成分以及焊接方法密切相關，其焊接過程中常出現(xiàn)焊接裂紋和氣孔等缺陷，表1列出了幾種典型固溶強化高溫合金存在的焊接缺陷[5–8]。對于合金化程度較高的合金，焊接時易出現(xiàn)凝固裂紋，因此需合理調整焊接工藝。而采用高能束焊接方法對固溶強化鎳基高溫合金進行焊接時，由于焊縫冷卻速度極快，焊接時易產生氣孔缺陷。Lippold等[9]借助可變拘束法研究了Inconel 617，Inconel 625以及Haynes 230W固溶強化鎳基高溫合金填充金屬的凝固裂紋敏感性，表2詳細羅列了這3種合金的化學成分。617合金和Haynes 230W合金中含有較多的高熔點元素，如Mo、W，有利于提高接頭的高溫強度。同時，二者的凝固范圍小，焊縫由單一γ相組成，裂紋敏感性較低，耐腐蝕性能好。對于625合金，由于含有較多Nb元素，焊縫內出現(xiàn)了NbC和Laves相，焊縫凝固溫度范圍擴大，會增大接頭的裂紋敏感性。然而，當拘束度較低時，焊縫凝固后期，焊縫中大量富鈮的液態(tài)金屬會通過反填促進 “裂紋愈合”，因此表現(xiàn)出較低的裂紋敏感性，但在晶界區(qū)域出現(xiàn)了Nb元素的富集，導致晶內和晶界成分差異大而惡化接頭的耐腐蝕性能。

表1 典型固溶強化高溫合金常見焊接缺陷Table 1 Common welding defects of typical solution strengthened superalloys

表2 617、625、Haynes 230W高溫合金化學成分（質量分數(shù)）Table 2 Chemical composition of 617, 625, Haynes 230W superalloys（mass fraction） %

固溶強化鎳基高溫合金焊接研究現(xiàn)狀

固溶強化鎳基高溫合金焊接廣泛采用氬弧焊、激光焊、電子束焊以及釬焊、擴散焊、摩擦焊等焊接方法。隨著固溶強化鎳基高溫合金應用需求的提高以及焊接技術的不斷發(fā)展，關于固溶強化鎳基高溫合金焊接的研究也逐漸由同種金屬焊接向異種合金焊接擴展，目前已取得了一定的成果。

1 氬弧焊

氬弧焊是一種應用廣泛的電弧焊接方法，由于采用惰性氣體進行保護，其焊縫成形質量好，成本低，易于實現(xiàn)自動化，因此受到工業(yè)生產領域的青睞。

Sharma等[10]采用鎢極氬弧焊方法對C–276固溶強化鎳基高溫合金及Grade 321不銹鋼進行了鎢極氬弧焊接。研究結果顯示，兩種材料焊接性較好，焊縫中出現(xiàn)了富Mo析出相，接頭強度較高，拉伸時斷裂于不銹鋼母材金屬一側。Perricone等[11]采用Fe–Ni–Cr–Mo和Ni–Cr–Mo系固溶強化高溫合金填充金屬對AL–6XN合金進行鎢極氬弧焊時也觀察到了這種脆性相。他們指出，焊縫冷卻過程中Mo元素會發(fā)生偏析，在較低溫度下促使焊縫中分別形成γ/σ和γ/P脆性金屬間化合物共晶相，如圖1[11]所示。

圖1 焊縫共晶相Fig.1 Eutectic phase in weld

Wang等[12]開展了GH99高溫合金TIG焊接試驗，并對接頭顯微組織及力學性能進行了詳細研究。結果顯示，焊接電流增大導致熔池中的熱輸入增大，熔深熔寬也相應增大。但當焊接電流過大時，焊縫中缺陷增多，同時過熱區(qū)內析出的脆性相數(shù)量也相應增多。

Ghasemi等[13]采用鎢極氬弧焊方法對Hastelloy X合金進行焊接并研究了接頭組織與力學性能的聯(lián)系。試驗結果顯示，鎢極氬弧焊方法熱輸入大，導致焊接熱影響區(qū)M6C碳化物出現(xiàn)液化。同時，在焊縫內部晶界區(qū)域出現(xiàn)了σ脆性相以及凝固微裂紋，對接頭性能產生不良影響。

Kangazian等[14]研究了焊接電流模式對UNS S32750不銹鋼和UNS N08825鎳基高溫合金焊接接頭組織以及耐腐蝕性的影響。采用連續(xù)電流焊接時，焊縫組織存在明顯的織構，而采用脈沖電流時則不存在明顯織構，如圖2[14]所示。正是由于焊縫組織隨機的晶粒取向，采用脈沖電流焊接時，接頭的耐腐蝕性能也顯著提高。

圖2 不同電流模式下焊縫金屬極圖與反極圖Fig.2 Pole diagram and reverse pole diagram of the weld under different current modes

綜上可知，高溫合金氬弧焊靈活性較強，但由于氬弧焊方法焊接熱輸入大，熱影響區(qū)大，焊接接頭冷卻速度慢，易導致焊縫凝固裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋的產生，同時也會導致焊縫金屬偏析，對接頭耐腐蝕性產生不良影響。因此有必要進一步開展相關研究，以克服上述問題。

2 激光焊

激光焊是以高能激光束作為焊接熱源對工件進行加熱，實現(xiàn)快速焊接的方法。激光焊接能量密度高，自動化水平高，焊接變形小，可用于復雜零件的焊接。

玉昆[15]對GH3535高溫合金進行激光焊接，研究了不同工藝參數(shù)對焊縫成形的影響。結果表明，采用連續(xù)激光模式易產生焊接氣孔，隨著功率的增大，氣孔率逐漸減小。而采用脈沖激光模式時，焊縫成形明顯改善且氣孔率大幅減小，當脈沖頻率達到30Hz時，氣孔率僅有0.238%，對接頭性能幾乎沒有影響。

Pakniat等[7]研究了脈沖激光焊接對Hastelloy X合金焊接裂紋的影響。結果顯示，采用脈沖模式焊接時焊縫內易產生凝固裂紋，隨著脈沖頻率和脈沖持續(xù)時間的增加，焊接熱裂紋形成趨勢逐漸降低，但是裂紋依然存在。而采用連續(xù)激光焊接時，凝固裂紋可完全消除。

沈麗霞[16]采用光纖激光器實現(xiàn)了GH3030高溫合金的激光焊接。研究結果表明，焊接熱輸入過大會導致焊縫嚴重下塌。當激光功率為3kW，焊接速度為3m/min時，接頭成形良好，焊縫組織由胞狀晶和樹枝晶組成，接頭平均抗拉強度為640.324MPa，可達到母材強度的97%。

為揭示焊接熱循環(huán)對于Inconel 690鎳基高溫合金焊縫顯微組織及接頭抗晶間腐蝕性能的影響，Lee等[17–18]開展了Inconel 690合金的激光焊接研究。結果顯示，焊接時焊縫冷卻速度極快，可達到212.6℃/s，導致焊縫冷卻過程中Cr元素來不及向晶界析出，在晶界區(qū)域形成富Cr碳化物沉淀相，同時也避免了晶內貧Cr區(qū)的生成，因而相比于弧焊接接頭表現(xiàn)出更好的抗晶間腐蝕能力，圖3[18]所示為經過腐蝕測試后的焊縫顯微組織，焊縫組織未表現(xiàn)出明顯的晶間腐蝕跡象。

圖3 腐蝕測試后的焊縫顯微組織形貌Fig.3 Microstructure of weld after corrosion test

馮威琦等[19]針對發(fā)動機水冷壁T型結構進行了GH3128/06Cr19Ni10異種材料焊接。試驗結果顯示，GH3128/06Cr19Ni10異種材料焊接時易在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)形成裂紋。采用連續(xù)激光焊接時，焊接過程更加穩(wěn)定，當焊接速度小于2.0m/min，激光功率在1000W附近且配合間隙小于0.2mm時能夠克服焊接裂紋，實現(xiàn)兩種材料的無裂紋焊接。

綜合上述研究結果可知，激光焊接方法靈活性較高，可適應多種工況。但是，激光焊接時易產生等離子氣體，加之鎳基高溫合金焊接時液態(tài)金屬黏性大、流動性較差，且焊縫冷卻速度快，這些氣體在焊縫中極易形成氣孔缺陷，對焊接接頭性能產生不良影響。

3 電子束焊接

電子束焊接方法與激光焊接方法類似，也屬于高能束焊接方法。相比于傳統(tǒng)的熔化焊接和激光焊接，電子束焊接能量利用率高，熔深大，熔寬小，具有真空保護，非常適合厚板焊接以及精度要求較高的焊接。由于高溫合金多用于制造發(fā)動機葉片等精度要求較高的零部件，因此非常適合采用電子束焊接方法。

Ahmad等[8]采用電子束焊接方法對Hastelloy C–276鎳基高溫合金進行電子束焊接，結果顯示焊縫晶粒發(fā)生明顯細化，接頭硬度相比于與母材金屬提高了35%，同時焊接缺陷如氣孔和微裂紋數(shù)量大大減少，但仍有小尺寸氣孔存在。

蔡宏中等[20]對鉑基合金和GH3128鎳基高溫合金開展了電子束焊接研究。結果顯示，二者焊接性良好，并未出現(xiàn)焊接裂紋及氣孔缺陷，焊縫平均硬度值達到371.8HV，高于鉑基合金母材和GH3128母材，且焊縫斷口位于鉑基母材一側，斷口由細小韌窩組成，為典型的韌性斷裂。Sang等[21]采用真空電子束焊接方法對熔點相差巨大的GH3128合金和Ta進行了焊接研究。試驗結果表明，當電子束偏向Ta側0.5mm時，可有效抑制焊接裂紋，接頭最高抗拉強度可達277MPa。

為克服Nb與GH3128異種材料熔化焊接難題，本文作者對Nb/GH3128異種材料進行了電子束焊接研究。結果顯示，直接焊接時，由于Nb母材金屬熔化量較大，在焊縫內部形成了大量富Nb脆性相，導致焊接接頭發(fā)生開裂。當采用偏束焊接時，將電子束偏向GH3128母材金屬一側可減少Nb母材金屬的熔化，形成類熔釬焊接頭，實現(xiàn)了Nb/GH3128異種材料的無裂紋焊接，如圖4所示。

圖4 Nb/GH3128電子束焊接接頭形貌Fig.4 Morphology of electron beam welded Nb/GH3128 joint

綜上可見，固溶強化鎳基高溫合金與異種材料電子束焊接時，由于兩種母材金屬冶金相容性差，易生成脆性金屬間化合物導致接頭開裂。通過電子束偏移，可以有效控制兩種母材金屬的熔化量，避免大量脆性相的生成，實現(xiàn)無裂紋焊接。

與激光焊接相比，電子束焊接方法由于具有真空保護，冷卻速度極快，焊接熱影響區(qū)小，非常適合于高溫合金與異種材料的連接，尤其是高溫合金與高熔點金屬的連接。但由上述研究可知，由于電子束能量密度大，冷卻速度快，仍會有小尺寸的氣孔存在。因此，固溶強化鎳基高溫合金電子束焊接工藝還有待進一步優(yōu)化。

4 釬焊

釬焊是一種采用熔點比母材金屬低的材料作為釬料，將被焊金屬加熱至高于釬料熔點而低于母材熔點的溫度，使釬料在母材金屬表面潤濕鋪展，并與母材金屬發(fā)生一定的物理化學反應實現(xiàn)二者可靠連接的焊接方法。由于釬焊時母材金屬不發(fā)生熔化，非常適合于異種金屬的連接，因此也成為鎳基高溫合金與其他材料連接的重要方法。

Yang等[22]采用Ag–Cu–Ti釬料對SiCf/SiC和GH536合金進行釬焊連接，該釬料能夠與復合材料基體發(fā)生充分反應，實現(xiàn)其與GH536合金的有效連接。在焊接溫度為1050℃，保溫時間為10min時，接頭最高剪切強度達到36MPa。

李鐸等[23]采用BNi82CrSiB釬料對GH3128高溫合金進行焊接，通過改變釬焊溫度，保溫時間以及釬料類型研究了焊接工藝對接頭組織性能的影響。研究結果顯示，釬焊溫度以及保溫時間的增加有利于釬料向母材內部擴散，并且采用非晶態(tài)釬料更有利于細化晶粒，提高接頭力學性能。采用非晶釬料在1250℃保溫30min時，接頭的最高抗拉強度可達到691MPa。

楊斯楠等[24]采用Ni–Cr–Fe基釬料開展了Hastelloy X鎳基高溫合金的釬焊連接研究。根據接頭顯微組織特征差異，焊接接頭可分為凝固區(qū)、擴散區(qū)和基體區(qū)3部分，如圖5[24]所示。凝固區(qū)主要由γ基體相和M3B2析出相組成，而擴散區(qū)則由γ基體相以及3種不同形態(tài)的析出相組成。凝固區(qū)和擴散區(qū)的析出相均為脆性相，其最大硬度為406HV。

圖5 釬焊接頭形貌Fig.5 Morphology of brazed joint

胡勝鵬等[25]采用非晶態(tài)的BNi–2釬料對高鈮TiAl合金和GH3536合金開展了釬焊研究。結果顯示，釬焊接頭形成過程可分為固相擴散、液相生成、等溫擴散凝固以及殘余液相析出4個階段，如圖6[25]所示。隨著釬焊溫度的升高，接頭抗剪強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，接頭最大室溫抗剪強度為106.8MPa，斷口呈現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征。Sim?es等[26]采用Ag–Cu釬料對γ–TiAl合金及Hastelloy鎳基合金進行釬焊研究，在焊接溫度為980℃，保溫時間為10min時實現(xiàn)了二者的無裂紋連接，避免了釬縫內部粗大金屬間化合物顆粒的生成。

圖6 高鈮TiAl/GH3536釬焊接頭形成示意圖Fig.6 Formation of high Nb containing TiAl / GH3536 brazed joint

由此可見，由于焊接溫度低于母材金屬熔點，釬焊連接接頭焊接殘余應力小，可大幅降低固溶強化鎳基高溫合金接頭的裂紋敏感性。但是，釬焊連接存在接頭強度低，接頭高溫性能差的問題。因此，急需開發(fā)新型高溫釬料，提高接頭強度及高溫性能。

5 擴散焊

擴散焊是在一定高溫條件下對焊接表面施加法向壓力，使待焊工件接觸面發(fā)生一定程度的變形，形成瞬時液相，通過接觸面原子間的相互擴散實現(xiàn)材料的可靠連接的焊接方法。擴散焊接溫度低于母材熔點，采用整體加熱，焊接殘余應力小，廣泛應用于異種材料焊接。

柏洪武等[27]對TC4/Inconel 625異種材料開展了真空擴散連接，研究了不同保溫時間對接頭組織和力學性能的影響。當保溫時間為3min時，擴散連接界面生成了Ti2Ni、TiNi和TiNi3金屬間化合物反應層，當保溫時間延長至5min時，反應層的厚度也由3μm擴展至6μm，導致接頭力學性能大幅下降。在保溫時間為3min時，接頭具有最佳力學性能，其強度可達到580MPa。

為了降低GH3128和TC4異種材料連接溫度，Zhang等[28–29]采用置氫擴散連接方法對GH3128/TC4異種材料連接進行了研究。結果表明，置氫處理能夠促進界面原子間的相互擴散，在TC4合金中置氫0.3%時便可使反應層厚度增大33%，但接頭最高剪切強度僅有92MPa。為實現(xiàn)二者的高強連接，作者采用Nb/Ni復合中間層對GH3128/TC4異種金屬進行擴散連接，在860℃/100min/10MPa條件下接頭最高抗剪強度達到了245MPa。

固溶強化鎳基高溫合金擴散焊接由于采用整體加熱方式，相比于熔化焊接，接頭的殘余應力小，裂紋敏感性低。現(xiàn)有研究結果顯示，焊接接頭室溫性能較好，但其高溫性能依然有待提高，同時由于焊縫組織分布不均勻，其高溫組織穩(wěn)定性仍需進一步改善。

6 摩擦焊

摩擦焊是利用材料接觸面間的相互摩擦或焊具與工件之間摩擦產生的熱量作為焊接熱源，使工件在一定壓力作用下發(fā)生塑性變形，實現(xiàn)可靠連接的焊接方法。摩擦焊焊接速度快，效率高，且能夠避免母材金屬的熔化，非常適合異種材料的連接。

Song等[30]采用攪拌摩擦焊接方法對Inconel 600高溫合金和SS 400不銹鋼搭接接頭進行焊接，獲得了無裂紋、無孔洞缺陷的焊接接頭。焊接接頭Inconel 600焊核區(qū)晶粒顯著細化，晶粒平均尺寸由母材金屬的20μm降至8.5μm，接頭機械性能得到有效提高。

Kangazian等[31]采用攪拌摩擦焊接方法成功實現(xiàn)了Incoloy 825和2507雙相不銹鋼的無裂紋焊接。由于焊后焊縫晶粒細化，焊核區(qū)硬度高于母材金屬，且接頭抗拉強度與Incoloy 825母材金屬相當，接頭斷裂模式為典型的韌性斷裂。

Ma等[32]采用不同工藝對GH3044固溶強化鎳基高溫合金進行線性摩擦焊接，焊接過程中，焊縫組織經歷了動態(tài)再結晶過程，促使焊縫晶粒發(fā)生細化，焊接接頭顯微硬度及拉伸力學性能均高于母材金屬。

綜上可知，摩擦焊接適合于高溫合金及其與異種材料的連接，由于焊接過程中母材金屬不發(fā)生熔化，可避免焊縫內脆性金屬間化合物的生成，因而有利于焊接裂紋的控制。同時，由于機械摩擦過程中焊縫區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結晶過程，有利于焊縫力學性能的提高。但是，摩擦焊接會受到接頭形式的制約，同時焊接區(qū)域易產生氧化夾雜，對焊縫性能產生不良影響。

7 復合焊接方法

復合焊接方法是將兩種或多種物理性質和能量傳遞形式完全不同的熱源復合在一起共同作為焊接熱源，充分發(fā)揮不同熱源的優(yōu)勢，實現(xiàn)可靠連接的焊接方法。目前，關于固溶強化鎳基高溫合金焊接的研究多采用單一熱源，涉及復合焊接熱源的研究極少，現(xiàn)有文獻包含激光–電弧復合焊接以及激光輔助攪拌摩擦焊接。

Liu等[33]采用激光–電弧復合熱源對大厚度GH909合金板材進行焊接，在適當工藝條件下實現(xiàn)了GH909厚板單面焊雙面成形，并且得到了理想的酒杯狀焊縫截面形貌。但是由于焊縫中存在氣孔缺陷，接頭抗拉強度也因此受到一定程度的影響，達到母材金屬的76.84%。

Song等[34]采用激光輔助攪拌摩擦焊方法實現(xiàn)了Inconel 600固溶強化鎳基高溫合金的高強焊接。使用YAG激光作為預熱源有效地提高了焊接速度，焊縫晶粒尺寸顯著細化，接頭顯微硬度增大至250HV，接頭最高抗拉強度也達到了758MPa，焊接接頭的機械性能得到了明顯地改善。

復合焊接方法能夠充分發(fā)揮不同焊接方法的優(yōu)勢，并克服其缺點，在固溶強化高溫合金焊接研究中展現(xiàn)出較高的應用價值。但類似激光–電弧復合焊接仍存在焊接氣孔問題。因此，有必要進一步開展高溫合金復合熱源焊接的相關研究，使高溫合金復合熱源焊接工藝更加成熟可靠。

結論與展望

固溶強化鎳基高溫合金在航空航天及核工業(yè)等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。目前，國內外學者對固溶強化高溫合金焊接開展了大量的研究，并在固溶強化鎳基高溫合金焊接裂紋形成機理、工藝優(yōu)化方面取得了一定的成果。不可否認的是固溶強化鎳基高溫合金的焊接仍存在一些問題，如氬弧焊接焊縫組織偏析，接頭裂紋敏感性較高，耐腐蝕性較差；高能束焊接氣孔缺陷仍未解決；釬焊、擴散焊接頭強度較低，有待進一步開發(fā)新型釬料及中間金屬等。針對上述問題，固溶強化鎳基高溫合金焊接后續(xù)研究可從如下4方面進行突破。

（1）針對焊縫組織偏析問題，可在焊接過程中引入磁場，改善液態(tài)金屬的成分均勻性，同時可采取一定措施提高焊縫冷卻速度，如隨焊急冷法，改善焊縫組織偏析問題，提高接頭耐腐蝕性能。

（2）固溶強化鎳基高溫合金高能束焊接時，可開展類似脈沖激光–電弧復合焊接工藝，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，減少焊接氣孔的生成。高溫合金電子束焊接時可引入脈沖及電子束掃描，改善液態(tài)金屬的流動性，減少氣孔生成。

（3）高溫合金釬焊擴散焊接可開發(fā)新型耐高溫釬料及中間層金屬，如高熵合金釬料及高熵合金中間層金屬，改善焊縫高溫性能，提高接頭強度。

（4）高溫合金摩擦焊接時可引入與氧親和力較高且能夠起到一定強化作用的合金元素，如Hf，改善氧化物夾雜對接頭性能的影響。