MGH956合金TIG焊接接头组织和性能

雷玉成，赵 凯，黄 巍，梁申勇，郁雯霞

(1.江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江212013;2.江苏省高端结构材料重点实验室，江苏镇江212013;3.无锡工艺职业技术学院机电系，江苏无锡214000)

MGH956合金是采用机械合金化方法制造的氧化物弥散强化(oxide dispersion strengthened，ODS)高温合金.该合金采用纳米级的Al-Y复合弥散氧化物质点对基体进行强化［1-2］，具有高温力学性能、高温抗氧化和抗腐蚀性能好的综合优势，广泛应用于航空、航天和核能领域［1］.焊接是先进材料被加工成构件的一种重要加工手段.目前，已有国内外学者对ODS合金的摩擦焊和搅拌摩擦焊进行了研究探讨［3-5］.淮军锋等［6］对 MGH956 合金进行了真空电子束焊、氩弧焊、真空钎焊的初步研究.

虽然电弧焊可能改变ODS合金弥散相的数量、尺寸、分布等，进而导致合金性能有所降低［7］，然而电弧焊具有适用性强、操作简单等优势.因此，本研究采用以自制的高镍焊丝为填充材料，在相同焊接工艺参数下，对MGH956合金进行TIG焊接，以期通过熔池中的化学反应生成新的增强相，保证焊缝力学性能，为ODS合金熔化焊提出新思路.

1 试验方法

试验材料MGH956合金是采用机械合金化(MA)方法制成合金粉，再经过热等静压、热锻、热轧及冷轧制成板材，最后在1 325℃进行再结晶退火1 h，板厚1.3 mm.MGH956合金的质量分数分别如下:w(Fe)=余量，w(Cr)=19.640%，w(Al)=5.060%，w(Ti)=0.520%，w(Y2O3)=0.400%，w(O)=0.220%，w(N)=0.020%，w(C)=0.007%.

试验使用MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机进行焊接，焊接电流80 A，焊接电压12 V，焊接速度1.8 mm·s-1，钨极直径为 2.4 mm，采用直流正接，纯度为99.9%的氩气作为保护气，气体流量为8 L·min-1，填充材料分别为基体材料和高镍焊丝，高镍焊丝合金的质量分数分别如下:w(Fe)=余量，w(Ni)=32.000%，w(Cr)=21.000%，w(Mn)=1.000%，w(Si)=0.350%，w(C)=0.080%.可见，焊丝中的Ni，Cr和C元素可能与基体中的元素发生一种或几种化学反应生成增强相，使焊缝力学性能提高.

焊前用150#砂纸对MGH956合金板材(70 mm×35 mm)进行打磨以去除氧化膜，然后用丙酮进行超声波清洗，焊后沿焊缝横向制取金相试样，并用王水溶液侵蚀后用JEOLJSM7001F扫描电子显微镜(SEM)对焊缝组织、拉伸断口进行观察，利用X射线衍射法(XRD)和能谱分析(EDS)进行物相鉴定，X射线扫描角度为 20°～80°，扫描速度 2(°)·min-1，采用JEOLJEM2100HR透射电子显微镜对原位生成的颗粒形貌进行观察，拉伸试验在美国Instron公司生产的万能试验机上进行，拉伸速度为1 mm·min-1，使用维氏显微硬度计(HVS-1000)测试接头区域硬度.

2 结果及分析

2.1 焊接接头组织及增强相

图1a为填加基体材料进行TIG焊接时焊缝区域的微观组织照片.由图1可知:焊缝晶粒比较粗大，焊缝中零散分布一些白色细小颗粒和白色球状颗粒，细小颗粒尺寸小于1 μm，这些细小颗粒可能是基体中的弥散强化相，球状颗粒尺寸约5～20 μm，对其中一个球状颗粒(图1a中箭头处)进行能谱分析(图1c)，可以看出，颗粒成分中出现了Y，Al，O，Fe和Cr的强峰，Fe和Cr的强峰是基体成分，由此可以分析出这些颗粒物可能是基体中纳米级Al-Y复合氧化物在电弧的高温作用下发生团聚所致，这与田耘等［8］研究结果一致.团聚的Al-Y复合氧化物对焊缝的弥散强化效果减弱，导致焊缝力学性能下降;另外，焊缝中还出现了孔洞(如图1a中圆圈处)，尺寸小于8 μm，大部分孔洞处有团聚颗粒，经分析可知，团聚颗粒也是纳米级Al-Y复合氧化物的团聚物，焊缝中孔洞的存在会削弱焊缝强度，其成因主要与MGH956合金制造工艺有关，机械合金化(MA)制粉工艺使合金本身的含气量很高，熔池凝固过程中没有及时逸出的气体会形成孔洞留在焊缝中.

图1b为填加高镍焊丝进行TIG焊接时焊缝区域的微观组织照片，与图1a对比可知，焊缝中物质之间的界面分明，白色细小颗粒明显增多，并弥散分布在晶内，总体上晶界干净，结合较好.对图1b中箭头处颗粒进行能谱分析(见图1d)，并结合X射线衍射分析结果(见图2)可知，白色细小颗粒是TiC;同时在焊缝中分布着一些不规则细小颗粒，X射线衍射分析表明，这些不规则的新生相颗粒为TiN，AlNi和Ni3Al，这些细小颗粒的尺寸小于1 μm，补充了部分基体损失的纳米级增强颗粒，保证了接头的性能;与图1a对比还可知，填加高镍焊丝焊缝晶粒明显细化，基体中团聚的Al-Y复合氧化物(如图1b中方框处)数量变少，尺寸变小，焊缝中的孔洞数量也明显减少，尺寸小于5 μm.

图1 接头显微组织SEM形貌和颗粒能谱分析

焊接过程中，熔池内的元素构成一个合金体系，其化学成分决定了熔池的流动性，良好的熔池流动性有利于气体的逸出，降低气孔产生几率，从而得到组织致密、没有气孔、微观裂纹等缺陷的焊缝，可显著提高焊缝力学性能.填加高镍焊丝进行TIG焊接时，基体中Ti元素与焊丝中C元素发生化学反应，生成了TiC，以及伴随这一反应发生的其他反应也生成了Al2O3和TiN等增强相，TiC等高熔点颗粒在焊缝凝固的过程中会成为非均匀形核的核心，焊缝晶粒得到细化;焊丝中Ni元素可以显著提高熔池中的结晶热，改善熔池流动性，从而得到良好焊接接头，同时Ni元素可以与基体中的Al元素发生化学反应生成新相Ni3Al和AlNi，提高了焊缝力学性能;Mn元素可以起到脱氧作用，Si元素起到脱氧、增加熔化金属和熔渣流动性的作用，因此焊缝中的孔洞数量明显减少.

图2为填加高镍焊丝进行TIG焊接时焊缝X射线衍射图.由图2可知，熔池体系内加入了Cr，Ni和C等合金元素后，焊缝中原位生成了TiC，AlNi和Ni3Al相，同时焊缝中还生成了TiN，Al2O3等相.

图2 焊缝X射线衍射图

焊接熔池中可能发生的反应以及各个反应的热力学函数如下(单位:J·mol-1):

在焊接熔池的高温下，以上各反应的ΔG均为负值，这说明式(1)-(5)可以顺利进行，焊缝中未发现Cr的碳化物，这是因为强碳化物形成元素Ti优先与C生成TiC，导致焊缝中C含量降低，抑制了Cr的碳化物生成.

图3为填加高镍焊丝进行TIG焊接时焊缝中TiC颗粒的透射电镜照片.由图3可知:TiC约为几百纳米，形状不规则，与焊缝基体结合较好，颗粒周围分布着大量位错，并在颗粒与基体界面处形成位错塞积，增大了位错运动阻力，产生第二相强化，当增强相颗粒尺寸在1 μm左右，且体积分数较小时，微观结构细化和位错塞积起到主要强化作用［9］.位错塞积导致屈服应力增加，表征［9］如下:

式中:d为颗粒相尺寸;f为颗粒相的体积分数;k为系数.因此，通过这种增强相粒子的生成，在一定程度上弥补了MGH956合金，在TIG焊时，由于高温作用而损失的部分纳米级增强颗粒，保证了焊缝的力学性能.

图3 TiC颗粒TEM形貌及能谱分析

2.2 焊接接头强度分析

室温拉伸试验依据国家标准GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》，采用线切割方法制取拉伸试样，打磨掉焊缝余高后取3个试样平均值，作为拉伸试验结果，试样尺寸如图4所示.

图4 试样尺寸

母材、填加基体材料的试样以及填加高镍焊丝的试样抗拉强度分别为720，410和581 MPa，后两者都断裂在焊缝处.由此可见，填加基体材料时，焊缝最大抗拉强度仅为母材强度的57%.这主要由于焊接接头铁素体晶粒粗大，这种粗大组织破坏了基体原来的冷变形组织，同时纳米级增强颗粒因熔池高温作用发生团聚，导致Al-Y复合氧化物粗化，减少了纳米级增强颗粒数目，粗化的Al-Y复合氧化物大部分在孔洞处团聚长大，孔洞存在减小了焊缝有效截面积，团聚的Al-Y复合氧化物使弥散强化效果减弱，且焊缝中又没有新的增强相产生.因此，抗拉强度大幅降低.

填加高镍焊丝时，焊缝最大抗拉强度比填加基体材料焊接时有了很大提高，最大抗拉强度为581 MPa，达到了基体强度的80.7%.这是因为高镍焊丝的填加，在焊缝中形成了AlNi，TiC等新的颗粒增强相，焊缝晶粒得到细化，晶粒越细，晶界面积越大，导致微裂纹穿越晶界扩展所消耗的能量越大［10］.因此，产生细晶强化，同时TiC等颗粒弥散分布，阻碍位错运动，产生弥散强化，所以焊缝抗拉强度有所提高.

图5a，b分别为填加基体材料和高镍焊丝焊缝拉伸断口的扫描电镜图.对比发现:填加基体材料焊缝断口呈明显河流状花样，断裂贯穿整个晶粒，断口为脆性穿晶解理断裂，且断面上可看到一些几微米的小孔洞;填加高镍焊丝的断口也有河流状花样，但是断裂没有贯穿整个晶粒，在晶粒断裂处出现了韧窝，而且断面上的气孔数量少，尺寸小，这是焊缝抗拉强度较高原因之一，但焊缝整体上仍表现为脆性断裂.

图5 接头断口SEM形貌

2.3 焊接接头硬度分析

使用维氏显微硬度计对焊接接头横截面硬度进行测试，试验力为9.8 N，加载时间15 s.依次按照焊缝中心金属→热影响区→母材的顺序，打点测试显微硬度，打点的平均间隔0.5 mm.填加高镍焊丝接头硬度点位置如图6a所示;填加两种填充材料的接头硬度分布如图6b所示.由图6可知:填加基体材料的焊缝出现了明显的软化，焊缝硬度明显低于母材.这是因为TIG焊过程中，破坏了基体冷变形组织，铁素体晶粒快速长大，从而使焊缝中心硬度下降;填加高镍焊丝后，焊缝硬度明显提高，一方面生成的硬质增强颗粒，阻碍位错运动，会导致固溶强化和弥散强化，另一方面硬质颗粒自身硬度很高(如，TiC显微硬度为3 200 HV)，因此焊缝出现硬化;两种情况下，热影响区硬度与母材相当，这是由于MGH956合金是采用机械合金化方法制造的氧化物弥散强化的高温合金，基体中弥散纳米级氧化物对再结晶晶粒有很强的钉扎阻力作用所致.另外，文献［11］指出，MGH956合金在1 300℃退火1～4 h后的TEM组织基本相同，因此，可以认为热影响区组织相对母材变化不大，从而使两种情况下热影响区硬度与母材相当.

图6 接头硬度点位置和硬度分布

3 结论

1)填加高镍焊丝对MGH956合金进行TIG焊接，与填加基体材料相比，焊缝晶粒得到细化，孔洞减少，焊缝中生成了TiC等增强颗粒，保证了焊缝较好的力学性能.

2)填加高镍焊丝对MGH956合金进行TIG焊接，焊接接头最大抗拉强度达到了581 MPa，达到母材强度的80.7%，拉伸断口出现韧窝，但数量较少，接头整体上是脆性断裂，与填加基体材料的焊缝相比，焊缝抗拉强度有很大的提高.

3)对MGH956合金进行TIG焊接，填加基体材料时焊缝出现软化，填加高镍焊丝时焊缝出现硬化，两种情况下热影响区硬度与母材相当.

References)

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