高峰， 黃成杰， 關(guān)峰， 劉艷梅， 崔洋

(沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽 110034)

0 前言

23Co14Ni12Cr3MoE鋼(A-100鋼)是一種新型高鈷鎳、二次硬化型超高強(qiáng)度鋼，性能接近于美國鋼鐵協(xié)會(Steel Research Group, SRG)在1991年研制的AerMet100[1-2]。A-100鋼主要通過對合金元素的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過C，Cr，Ni，Mo，V，Mn等元素的強(qiáng)化作用，使得該材料同時(shí)具備高的抗拉強(qiáng)度和高的斷裂韌性[3-4]。A-100鋼憑借優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，在飛機(jī)起落架、火箭外殼、火箭發(fā)動機(jī)外殼、飛機(jī)旋翼等部件均有應(yīng)用[5]。國外AerMet100在焊接制造上也有著很好的應(yīng)用，美國民用飛機(jī)起落架多采用整體鍛造技術(shù)，而選用AerMet100為材料制造時(shí)卻采用電子束焊[6]。近年來，高能束焊是應(yīng)用最為廣泛的高能束加工技術(shù)之一，其高效、高精度的焊接優(yōu)勢使之成為裝備結(jié)構(gòu)輕量化制造不可或缺的技術(shù)之一[7-9]。國內(nèi)對于高強(qiáng)鋼電子束焊也有相關(guān)研究，如Fe-Cr-Ni-Mo鋼、15CrMnMoVA鋼、AF1410鋼和30CrMnSiNi2A鋼等材料，且多見于焊態(tài)或回火后的性能及組織研究[10-12]。例如，胡小鋒等學(xué)者[10]研究回火對Fe-Cr-Ni-Mo高強(qiáng)鋼電子束焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)焊態(tài)下焊縫組織為較粗大的板條馬氏體，而熱影響區(qū)則由較細(xì)小的馬氏體和少量碳化物組成，抗拉強(qiáng)度與基體相當(dāng)，沖擊韌性差，回火后沖擊韌性有所提升。楊世亮等學(xué)者[11]研究電子束焊對調(diào)質(zhì)15CrMnMoVA高強(qiáng)鋼組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)焊縫中心形成了網(wǎng)籃狀馬氏體組織，電子束焊接接頭的抗拉強(qiáng)度基本都與基體相當(dāng)，但其疲勞性能差異明顯。唐代斌等學(xué)者[12]研究了AF1410鋼電子束焊接接頭組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)焊縫柱狀晶區(qū)內(nèi)為馬氏體，晶界附近為殘余奧氏體，而熱影響區(qū)組織由單一馬氏體向馬氏體+少量逆轉(zhuǎn)奧氏體組織過渡。但國內(nèi)對于A-100鋼應(yīng)用多集中于表面防護(hù)和切削性能方面的研究，對其焊接性能，特別是電子束焊接接頭組織及性能鮮有報(bào)道[13-15]。

試驗(yàn)對A-100鋼電子束焊接接頭的組織和性能展開了研究。分析焊縫組織，對比焊縫與基體抗拉強(qiáng)度、塑性、缺口敏感性、沖擊韌性等力學(xué)性能的差異，同時(shí)檢測了焊接接頭的高周疲勞極限。

1 試驗(yàn)材料及方法

母材選用A-100鋼，板厚11 mm。在預(yù)備熱處理后的A-100鋼自由鍛上截取14 mm厚鍛件試板(上表面3 mm工藝余量)，外加3 mm厚的平板作為背部墊板，其化學(xué)成分見表1。預(yù)備熱處理制度為：①正火：(900±10) ℃×1 h，空冷；②高溫回火：(680±10) ℃×6 h，空冷。焊接結(jié)束后將焊縫背部墊板和上表面3 mm的較為寬大焊縫頂部的工藝余量以機(jī)械加工方式去除。

表1 A-100鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊前對試板、墊板進(jìn)行去磁(磁通量小于2 GS)，表面先采用機(jī)械清理的方式去除氧化膜，之后用丙酮化學(xué)清理表面油污后進(jìn)行電子束平板焊接工藝試驗(yàn)。焊接設(shè)備為ZD150-30C CV65M高壓真空電子束焊機(jī)。通過對焊接電壓、焊接電流、焊接速度、聚焦電流、掃描頻率、振幅等主要參數(shù)的控制，得到端面整體較為平直的電子束焊縫，焊接工藝參數(shù)見表2。焊接完成后對焊縫進(jìn)行X光射線檢測，焊縫滿足GJB 1718A—2005 Ⅰ級焊縫標(biāo)準(zhǔn)。無損檢測后對焊縫進(jìn)行焊后熱處理：①回火：(420±10) ℃×1 h，氣冷；②淬火：(885±10) ℃×2 h，氣淬；③冷處理：(-73±5) ℃，空氣回溫到室溫；④回火：(482±3) ℃×6 h，空冷。試驗(yàn)中試樣包括2種狀態(tài)：預(yù)備熱處理+焊接+最終熱處理的焊縫與預(yù)備熱處理+最終熱處理的基體。分別進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)、缺口拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)。對焊縫進(jìn)行金相組織觀察和高周疲勞極限的測試。

表2 電子束焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相試驗(yàn)

經(jīng)過熱處理后去除工藝余量和背部墊板的焊縫組織微觀形貌如圖1所示。垂直焊縫的斷面形貌如圖1a所示。焊縫呈基本平直狀態(tài)，熱影響區(qū)較窄。焊縫存在因電子束焊熔池快速冷卻而形成的沿熔合線兩側(cè)分布的較為粗大的柱狀晶組織，原本的馬氏體長大形成板條狀馬氏體結(jié)構(gòu)，板條由于位向不同而形成各個(gè)馬氏體區(qū)域，各區(qū)域之間界面清晰明顯，彼此交錯(cuò)排列，形成籃網(wǎng)狀的組織。這些籃網(wǎng)狀的組織可以一定程度上提高焊縫的塑性，這在焊縫的力學(xué)性能試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。由于電子束焊的匙孔效應(yīng)影響，焊縫熔池溫度由中心向兩側(cè)驟減，造成了整個(gè)焊縫組織存在一定程度的不均勻，中間的馬氏體組織更為粗大。焊縫主要呈現(xiàn)典型的馬氏體+合金碳化物+少量的殘余奧氏體組織特征。而熱影響區(qū)的晶界間殘余奧氏體明顯增多一些，482 ℃回火處理使得馬氏體的板條晶界上出現(xiàn)了大量的薄膜狀的逆轉(zhuǎn)奧氏體，在熱影響區(qū)附近尤為明顯。平行焊縫的斷面形貌如圖1b所示，這個(gè)方向上焊縫組織呈現(xiàn)板條狀馬氏體截面結(jié)構(gòu)，而在熱影響區(qū)上則存在一些在沿此方向的板條狀馬氏體和殘余奧氏體組織，說明由于電子束熔池成形及匙孔運(yùn)動的影響，使得受熱影響較小的熱影響區(qū)較焊縫的馬氏體組織長大到程度較小，但位向分布更加多樣化，殘余奧氏體也明顯增多。

圖1 電子束焊縫微觀形貌

2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行；缺口拉伸試驗(yàn)根據(jù)HB 5214—96《金屬室溫缺口拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行；焊縫的缺口拉伸試驗(yàn)(缺口分別在焊縫及熱影響區(qū)，Kt=3)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。從基體和焊縫的室溫光滑試樣拉伸的結(jié)果可以看出，A-100料經(jīng)過電子束焊及氣淬工藝熱處理后的焊縫的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到基體的99.5%，屈服強(qiáng)度可以達(dá)到基體的99.2%，由此可見焊縫的強(qiáng)度與基體相當(dāng)。在塑性上，焊縫的斷后伸長率和斷面收縮率分別可達(dá)到基體的106%和104%，所以電子束焊使得馬氏體交錯(cuò)形成的網(wǎng)籃組織進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的塑性，使得焊縫的塑性都略高于基體。綜上所述，A-100鋼的電子束焊縫呈現(xiàn)超高強(qiáng)度和高塑性的靜力性能特征。而從焊后的缺口拉伸性能數(shù)據(jù)上來看，無論是缺口在焊縫還是在熱影響區(qū)上均遠(yuǎn)高于光滑拉伸試樣，即缺口敏感性qe<1，見式(1):

qe=σb/σbH

(1)

式中：σb為光滑試樣的抗拉強(qiáng)度；σbH為缺口試樣的抗拉強(qiáng)度。

表3 焊縫與基體室溫拉伸性能

A-100鋼材料電子束焊縫及熱影響區(qū)的qe均在0.6，說明缺口處發(fā)生塑性擴(kuò)展，脆性傾向較小，缺口敏感性也很小。熱影響區(qū)的缺口抗拉強(qiáng)度較焊縫的缺口抗拉強(qiáng)度稍大，則是由于熱影響區(qū)遠(yuǎn)離焊縫中心靠近基體，組織長大程度比較小，不均勻性也有所緩解，馬氏體組織的分布向位更加多樣，對缺口抵抗能力有一定的提高。

2.3 沖擊試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 229—1994《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)結(jié)果見表4。氣淬后焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性較基體都有所降低，分別相當(dāng)于基體沖擊韌性的65.8%和81.5%，焊縫的沖擊韌性更低一些。電子束的高速焊接過程使得焊縫的馬氏體進(jìn)一步長大粗化，同時(shí)大量的殘余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，還有一些存在于晶粒內(nèi)部，提高強(qiáng)度的同時(shí)卻一定程度的降低了韌性。相對于焊縫，熱影響區(qū)所受能量減少很多，馬氏體長大程度減小，同時(shí)冷卻速度也較小，回火后使得組織相對細(xì)小，位錯(cuò)密度更高，在晶界上殘余奧氏體增多。高度飽和的碳以間隙方式固溶到馬氏體中而產(chǎn)生很高的強(qiáng)化效應(yīng)，并且過飽和的碳又在高密度位錯(cuò)上呈現(xiàn)聚集的趨勢，極大的位錯(cuò)密度對鋼的強(qiáng)化也有積極的作用[16]。

表4 焊縫與基體室溫沖擊性能

2.4 疲勞試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度室溫。將焊后試樣加工成φ5 mm光滑試樣,采用升降法進(jìn)行室溫疲勞極限的測定。采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)QBG-50，其循環(huán)力范圍示值相對誤差-0.25%。試驗(yàn)的加載方式為應(yīng)力加載。試驗(yàn)在電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載方向采用軸向加載，應(yīng)力比R=0.06，試驗(yàn)頻率在154 Hz。高周對應(yīng)疲勞極限1×107周次，滿足50%存活率下90%置信度以上，A-100鋼電子束焊縫的疲勞極限見表5。中值疲勞極限σD按式(2)計(jì)算:

(2)

式中：n為有效試驗(yàn)總次數(shù);m為升降應(yīng)力水平級數(shù);σi為第i級應(yīng)力水平;Vi為第i級應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù)。由表5中數(shù)據(jù)得出A-100鋼電子束焊縫經(jīng)氣淬后室溫疲勞極限為703 MPa。綜上所述，焊后經(jīng)過氣淬最終熱處理后的A-100鋼電子束焊縫在1×107周次高周疲勞性能上仍保持比較高的疲勞極限。

表5 焊縫室溫空氣環(huán)境下疲勞性能(應(yīng)力集中系數(shù)=1)

A-100鋼電子束焊縫疲勞試樣(1號)斷口形貌如圖2所示，可以看到高周疲勞典型的 “魚眼”斷口。裂紋源位于內(nèi)部，向四周擴(kuò)展，隨著裂紋的擴(kuò)展有明顯的疲勞條紋伴隨著層間撕裂和細(xì)小微裂紋等特征，直到外部邊緣瞬斷區(qū)。從斷口上可以清楚的看到疲勞斷裂特征。位于“魚眼”的中心存在這一處氣孔，裂紋在氣孔周邊萌生，試樣發(fā)生疲勞失效。Shiozawa等學(xué)者[17]和Sakai等學(xué)者[18]分別將高周疲勞斷口裂紋源處的白色亮點(diǎn)附近的較暗且斷裂表面粗糙的區(qū)域命名為粒狀亮面(GBF)、細(xì)粒狀區(qū)(FGA)，認(rèn)為該區(qū)域相對大則對應(yīng)試樣的疲勞壽命較長。Murakkami等學(xué)者[19]研究認(rèn)為這個(gè)暗區(qū)的形成與夾雜物吸附的氫和外加載荷有關(guān)，其面積及疲勞壽命與氫含量有關(guān)，并提出氫脆模型。Yang等學(xué)者[20]采用氫致開裂的觀點(diǎn)進(jìn)一步分析了高強(qiáng)鋼高周疲勞裂紋萌生過程，發(fā)現(xiàn)基體中氫和化合物中俘獲的氫在高應(yīng)力集中區(qū)域有富集的現(xiàn)象。由此考慮試樣的疲勞失效應(yīng)該是由于基體局部存在Al等元素化合物聚集，在電子束焊接過程燒蝕形成氫氣孔，在高周疲勞過程中造成應(yīng)力集中，同時(shí)氣孔周邊剩余化合物繼續(xù)吸附周邊的氫，從而脫離組織形成裂紋。此外根據(jù)Miller等學(xué)者[21]研究認(rèn)為：對于高周疲勞問題，應(yīng)該用微觀組織斷裂和位錯(cuò)理論來分析。聶義宏等學(xué)者[22]在研究中碳高強(qiáng)度彈簧鋼NHS1超高周疲勞破壞行為中發(fā)現(xiàn)：彈簧鋼NHS1和40CrNiMo中低回火后仍保持馬氏體板條結(jié)構(gòu)，疲勞微裂紋沿馬氏體板條各自擴(kuò)展，但受晶界、馬氏體團(tuán)束的阻礙作用和裂紋的閉合效應(yīng)，微裂紋的初始擴(kuò)展很慢并產(chǎn)生曲折。與此同時(shí)，在夾雜物周圍的區(qū)域又會產(chǎn)生許多新的不連續(xù)的微裂紋和空隙。在A-100鋼電子束焊縫疲勞斷口“魚眼”中心氣孔周圍也發(fā)現(xiàn)許多這樣的微裂紋和空隙，由此說明焊縫在最終熱處理后形成的交錯(cuò)分布的一個(gè)個(gè)位向不同的板條馬氏體領(lǐng)域?qū)ζ诹鸭y有著阻礙作用和裂紋閉合效應(yīng)，一定程度上也提升了焊縫的高周疲勞性能。

圖2 A-100鋼電子束焊縫疲勞試樣(1號)斷口形貌

3 結(jié)論

(1)A-100鋼電子束焊縫經(jīng)過氣淬+冷處理+回火最終熱處理后組織主要為彼此位向錯(cuò)位形成網(wǎng)籃狀分布板條狀馬氏體組織。焊縫組織存在著一定的不均勻性，焊縫中馬氏體組織更為粗大，殘余奧氏體較少，熱影響區(qū)中奧氏體增多，馬氏體分布的位向更多樣，存在薄膜狀逆轉(zhuǎn)奧氏體。

(2)A-100鋼電子束焊縫采用氣淬最終熱處理后強(qiáng)度與基體基本相當(dāng)，塑性略優(yōu)于基體，整體呈現(xiàn)高強(qiáng)度高塑性。室溫下焊縫及熱影響區(qū)的缺口敏感性都較小，缺口敏感系數(shù)為0.6。焊縫沖擊韌性降低到基體的2/3，熱影響區(qū)的沖擊韌性好于焊縫，達(dá)到基體的80%以上。

(3)A-100鋼電子束焊縫的室溫高周疲勞極限可達(dá)700 MPa以上。疲勞斷口的GBF或FGA區(qū)的呈現(xiàn)微裂紋和空隙，說明焊縫的微觀組織結(jié)構(gòu)對高周疲勞裂紋存在一定的阻礙作用和裂紋閉合效應(yīng)，焊縫擁有較為不錯(cuò)的高周疲勞性能。