GH536镍基高温合金焊接接头力学性能与断裂特征研究

魏振伟， 刘昌奎， 顾玉丽， 陶春虎

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.中航工业失效分析中心,北京100095；3.航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095)

GH536镍基高温合金焊接接头力学性能与断裂特征研究

魏振伟1，2，3， 刘昌奎1，2，3， 顾玉丽1，2，3， 陶春虎1，2，3

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.中航工业失效分析中心,北京100095；3.航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095)

对GH536合金焊接接头的硬度进行测试和分析,对母材及焊接接头进行室温和500℃拉伸试验,并分析了断裂特征,分析了母材和焊接接头不同区域的断裂韧度。结果表明：热影响区硬度未见明显变化,与母材一致；从熔合线到焊缝中心,由于枝晶变细,显微硬度逐渐升高。焊接接头整体室温拉伸强度、屈服强度和断后伸长率分别为810MPa,392MPa和30%,达到了母材的99.6%,99.7%和93.8%；在500℃时,接头整体抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为678MPa,300MPa和26%,达到了母材的98.1%,96.8%和78.8%；GH536合金焊接接头具有良好的力学性能。在熔合区组织不均匀性最为严重,熔合区是GH536合金焊接接头的薄弱环节。在室温和500℃,母材及焊接接头的断裂方式均为塑性断裂。

镍基高温合金；钨极氩弧焊；显微硬度；拉伸性能；断裂韧度；裂纹尖端张开位移

GH536(Hastelloy X)是一种以Ni-Cr-Fe为基的固溶强化型变形高温合金,主要的固溶强化元素为Mo、W和Co,在高温下具有良好的耐蚀性能、抗氧化性能及强度,冷热加工性能及焊接性能良好。由于其良好的高温性能,被广泛应用于航空发动机燃烧室部件、压气机盘、风扇、叶片及其他高温部件的生产加工中［1,2］。各种尺寸的GH536合金管材生产工艺成熟。目前,已经提出采用变形高温合金作为替代材料,制作发动机导管。同时,考虑到导管安装和使用的便利,很多导管采用焊接的方式进行连接。而对于一个材料的使用,要充分考虑其力学性能,尤其是其使用条件下的性能,同时对于其薄弱环节有所了解。只有综合考虑其力学性能的优点和缺点,才能够更好、更安全的设计和使用。

Prasad Reddy［3］和M iner［4］等人分别研究了Hastelloy X固溶态和不同时效状态下的组织。同时,对于GH536的性能研究也主要集中在原材料方面,温度和应变速率对Hastelloy X流变性能的影响［1］,加工性能［2］、塑性畸变［5,6］、时效硬化机制［5］、疲劳性能［2,5］以及蠕变性能［7］等。Graneix等究了Hastlloy X和Haynes 188之间的焊接组织和性能［8］。而对于GH536合金焊接接头的力学性能研究很少,尤其是其高温力学性能和断裂韧性未见有报道。本工作通过研究GH536合金焊接接头硬度、室温及500℃下的拉伸性能和断裂韧度变化及断裂特征,分析了导致焊接接头力学性能变化原因,对于判定GH536合金焊接接头质量和焊剂接头的安全评估均有重要意义。

1 实验材料及方法

选择了外径φ50mm、壁厚2.5mm的GH536导管作为实验材料。焊丝直径φ2mm,焊丝合金牌号与实验用导管合金牌号相同。GH536高温合金的化学成分见表1。

GH536合金导管坡口形式为单边V型坡口,坡口角度为45°,钝边高度为0.5mm,焊接前使用丙酮和稀酸清洗焊接表面,保证表面无灰尘、残留氧化物等。将管材用专用卡具夹持在焊接自动转台上,接头形式为对接,无间隙。焊接设备为美国M iller Syncroxave 350LX焊机,采用手工钨极氩弧焊方法进行单面焊。焊接完成后进行980℃/2h的去应力退火处理。使用Struers TegraPol-35制样系统制备金相试样,金相腐蚀采用Kalling试剂(CuCl25g+ HCl 100m L+C2H5OH 100m L),并使用金相显微镜观察组织。采用H450-SVDH型显微硬度仪测量焊接接头截面中心线的显微硬度,测试力为200g,步长为200μm。依据标准GB/T228.1—2010和GB/ T4338—2006在RPL-100蠕变试验机上进行母材和焊接接头的室温及高温(500℃)拉伸性能测试,试样厚度为2.5mm,其它尺寸见图2,母材拉伸性能测试使用原材料,并使用Camscan3100扫描电镜观察断裂特征。根据标准BS7448—1997使用疲劳试验机测定母材及焊接接头不同区域的断裂韧度(CTOD),试样厚度为2.5mm,其它尺寸见图3,缺口部位依次在焊缝、熔合区和热影响区,母材的CTOD测试使用原材料。

表1 GH536高温合金化学成分(质量分数/%)Table1 Chem ical composition of GH536 superalloy(mass fraction/%)

图1 焊缝硬度测试示意图Fig.1 Schematic illustration ofm icrohardness testing of xelded joint

图2 拉伸测试试样尺寸图Fig.2 Dimension of specimen for tension test

图3 SE断裂韧度测试试样尺寸图Fig.3 SE dimension of specimen for fracture toughness test

2 结果与分析

2.1 显微硬度

焊接接头的显微硬度测试结果如图4所示,从母材到熔合线,硬度值未见有明显变化,HV在210～220之间；从熔合线到焊缝中心,显微硬度逐渐升高,在焊缝中心达到最大值HV270；随后硬度逐渐下降,以焊缝中心线为中心对称分布。由以上结果可以知道,焊接过程对GH536合金热影响区的硬度影响不显著。作者曾对GH536合金焊接接头的组织进行研究,母材上,碳化物在晶内弥散析出,在晶界上不连续析出。热影响区晶粒未见有明显长大,只是原有的链状碳化物粗化。焊缝区,碳化物在枝晶间和晶界析出。从熔合线到焊缝中心,柱状晶约垂直于熔合线向焊缝中心生长,晶粒尺寸逐渐增大,焊缝中心为等轴晶,而枝晶组织变得更加细小,见图5。文献研究表明［9］,HV=Kλ-1/4,K是常数,λ为二次枝晶间距。综合分析焊接接头组织变化,枝晶组织更加细小是导致焊缝中心硬度较高的主要原因。

图4 焊接接头截面横向硬度变化Fig.4 M icrohardness transverse distribution in the xelded joint across fusion line

2.2 拉伸性能

图6对比了母材和焊接接头室温及500℃拉伸性能。从图6a中可以看到,母材室温抗拉强度为8 13MPa,焊接接头抗拉强度810MPa,达到母材的99.6%,断裂位置在焊缝；母材500℃抗拉强度为691MPa,焊接接头500℃抗拉强度为678MPa,达到母材的98.1%,断裂位置在焊缝。从图6b中可以看到,母材室温屈服强度393MPa,焊接接头屈服强度为392MPa,达到母材的99.7%；母材500℃屈服强度为 310MPa,焊接接头 500℃屈服强度为300MPa,达到母材的96.8%。母材室温断后伸长率为32%,焊接接头断后伸长率30%,达到母材的93.8%；母材500℃断后伸长率为33%,焊接接头500℃断后伸长率为26%,达到母材的78.8%,见图6c。GH536合金焊接接头的强度系数不低于96. 8%,充分说明其具有良好的力学性能,能够作为航空发动机的焊接导管。不论是室温状态下还是500℃状态下,GH536合金焊接接头的抗拉强度和屈服强度都接近于母材；焊接接头的断后伸长率要低于母材,在500℃下更显著。从焊接接头的硬度测试结果可以知道,焊缝的硬度要高于母材,也就是焊缝的强度高于母材。由于焊接接头的性能是不均匀的,容易在焊缝处形成应力集中,因此虽然焊缝的强度较高,但GH536合金焊接接头的抗拉强度和屈服强度都十分接近于母材,断裂位置在焊缝。断后伸长率表征的是材料的塑性变形能力,焊缝的组织和力学性能不均匀,导致位错滑移困难,因此焊接接头的断后伸长率较低。而在500℃下,组织和性能均匀的母材会有更多的滑移系开动,其断后伸长率较焊接接头会更高。

图5 焊接接头组织形貌Fig.5 Microstructuremorphology of xelded joint

图6 母材及焊接接头拉伸性能 (a)抗拉强度；(b)屈服强度；(c)断后伸长率Fig.6 Tensile properties of based metal and xelded joints (a)tensile strength；(b)yield strength；(c)elongation

2.3 断裂韧性

对母材和焊接接头不同区域的断裂韧度测试平均结果进行比较发现,它们的CTOD值中弹性分量δe接近,只占CTOD值中很小一部分；塑性分量δp差异较大；CTOD值从高到底依次为母材＞焊缝中心＞热影响区＞熔合线区域,见图7。焊缝中心、热影响区和熔合区CTOD值分别为母材的94.6%, 89.7%和84.2%。CTOD是表征材料抵抗裂纹萌生和扩展的能力,CTOD值越大说明材料抗开裂性能越好,韧性越好。从以上结果可以知道,GH536合金焊接接头抵抗断裂的能力从强到弱依次为母材＞焊缝中心＞热影响区 ＞熔合区,熔合区抵抗裂纹扩展的能力最弱。从硬度测试结果和拉伸性能可以知道,GH536合金焊接接头属于高匹配性接头,焊缝强度较高,塑性较低。当在焊缝产生裂纹时,在焊缝区产生较小的塑性应变区,而在母材产生较大的塑性应变区,且位错不易向较硬的焊缝扩展,位错在熔合线附近塞集,产生较大的应力集中,导致熔合区硬化、变脆。而从组织上来分析,熔合区是热影响区到焊缝的过渡区域,热影响区为等轴晶,而焊缝为树枝状晶,熔合区的组织不均匀性最严重。刘昌奎［10］和范引鹤［11］分别对TA15和1Cr18Ni9Ti焊接接头的性能研究发现,熔合区组织不均匀程度最高,裂纹容易萌生,是焊接接头的薄弱环节。GH536合金焊接接头熔合区CTOD值最小,组织不均匀性严重,其抵抗裂纹萌生和扩展的能力最弱,是GH536合金焊接接头的薄弱环节。

图7 母材和焊接接头不同区域断裂韧度CTOD结果对比图Fig.7 Contrast results of fracture toughness CTOD in based metal and xelded joint

2.4 断裂特征

图8为母材及焊接接头室温和500℃拉伸断裂形貌。从图8a中可以看到,母材室温拉伸断口形貌特征为沿晶韧窝。从图8b可以看到,焊接接头室温拉伸断口特征呈现为枝晶形貌,且可见明显的韧窝特征。从图8c可以看到,母材500℃拉伸断口形貌特征为韧窝,同时可见二次裂纹。从图8d可以看到,焊接接头拉500℃伸断口特征呈现为枝晶形貌,可见明显的韧窝特征,且存在大量二次裂纹。在部分韧窝底部可见有碳化物颗粒。焊接接头断口韧窝明显较母材的细小、浅。从拉伸断裂特征也验证了母材较焊接接头的断后伸长率更高,即塑性更好。

图8 拉伸断裂形貌 (a)母材室温；(b)焊接接头室温；(c)母材500℃；(d)焊接接头500℃Fig.8 Tensile fracture appearances of (a)based metal(RT)；(b)x elded joint(RT)；(c)based metal(500℃)；(d)x elded joint(500℃)

从拉伸性能数据和拉伸断口特征可以看到,在室温和500℃,母材和焊接接头均是塑性断裂。材料的塑性变形来源于位错的运动。在室温下,塑性变形主要依靠位错的滑移来实现,且滑移系较少。在高温下,位错不仅能滑移,还能攀移,且能开动的滑移系较多。室温下位错更容易在晶界塞集,造成应力集中,而在母材晶界上不连续析出的碳化物造成晶界强度变弱,裂纹在晶界萌生,最终导致沿晶开裂。在高温下,位错运动容易从一个晶粒传递到另一个晶粒,不易在晶界造成大的应力集中,而弥散分布的碳化物导致微孔聚集型韧窝断裂。焊缝区域,碳化物在枝晶间偏聚、析出,裂纹在枝晶间萌生、扩展,形成枝晶断裂形貌,边缘为撕裂棱。

3 结论

(1)母材和热影响区显微硬度未见有明显变化,HV在210～220之间,从熔合线到焊缝中心,显微硬度逐渐升高,焊缝中心硬度最高HV270,焊缝中心枝晶组织细小是其硬度较高的主要原因。

(2)焊接接头整体室温拉伸强度、屈服强度和断后伸长率分别为810MPa,392MPa和30%,达到了母材的99.6%,99.7%和93.8%；在500℃时,接头整体拉伸强度、屈服强度和断后伸长率分别为678MPa,300MPa和26%,达到了母材的98.1%, 96.8%和78.8%；GH536合金焊接接头具有良好的力学性能。

(3)熔合区CTOD值较小,组织不均匀性最严重,是GH536合金焊接接头的薄弱环节。

(4)在室温和500℃,母材和焊接接头均为塑性断裂。

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M echanical Properties and Fracture Characteristics of W elded Joint in GH536 Ni-based Superalloy

WEI Zhen-x ei1,2,3, LIU Chang-kui1,2,3, GU Yu-li1,2,3, TAO Chun-hu1,2,3
(1.AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；2.Failure Analysis Center of Aviation Industry Corporation of China,Beijing 100095,China；3.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation,Beijing 100095, China)

Microhardness,tensile properties and fracture toughness of based metal and different zones in xelded joint for GH536 obtained by gas tungsten arc xelding(GTAW)xere studied.The results shox that hardness in HAZ is equal to BM,hoxever,hardness becomes higher from fusion line to x eld center for finer dendritic structures.The tensile strengthσb、yield strengthσsand elongationδ at room temperature(RT)are 810MPa,392MPa and 30%,xhich reach 99.6%,99.7%and 93.8%of based materials’,respectively；Theσb,σsandδat 500℃are 678MPa,300MPa and 26%,x hich reach 98.1%,96.8%and 78.8%of based materials’,respectively；The xelded joint of GH536 has good mechanical properties.Fusion zone is the xeak link of xelded joint for highermicrostructure heterogeneity.Based metal and x elded joint break mainly in the xay of p lastic rupture both at RT and 500℃.

Ni-based superalloy；gas tungsten arc xelding(GTAW)；microhardness；tensile properties；fracture toughness；crack tip opening displacement(CTOD)

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.5.011

TG113

A

1005-5053(2015)05-0070-05

2015-04-01；

2015-04-29

魏振伟(1986—),男,博士,主要从事失效分析及金属材料微观物理方面研究,(E-mail)xeizhenxei@live.cn。