坡口形状对GH536焊接接头组织及力学性能的影响

魏振伟，刘昌奎，陶春虎

(1.中国航发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；4.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095)

坡口形状对GH536焊接接头组织及力学性能的影响

魏振伟，刘昌奎，陶春虎

(1.中国航发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；4.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095)

为探讨不同坡口角度对GH536镍基高温合金焊接接头组织及性能的影响，研究了其焊缝中心及热影响区组织、硬度及疲劳裂纹扩展速率。结果表明：随着坡口角度的减小，焊缝尺寸变大，热影响区范围扩大，焊缝中心的组织发生改变，硬度逐渐提高；相同应力强度因子幅条件下，GH536高温合金大角度坡口焊接接头具有较高的疲劳裂纹扩展速率，但小角度坡口的焊接接头疲劳裂纹扩展速率增加相对较快；在设计GH536镍基高温合金焊接坡口时，要综合考虑焊缝开裂的难易程度及疲劳裂纹扩展速率。

GH536；焊接；坡口角度；显微组织；疲劳裂纹扩展速率

0 引言

GH536(Hastelloy X)是一种以Ni-Cr-Fe为基的固溶强化型高温合金，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，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[1-7]。非常适合用于先进航空发动机焊接导管的生产。

航空部件对焊接质量的要求越来越严格，而焊接质量和性能主要由焊接接头的组织决定。在不同焊接工艺下同样也存在着组织分布差异的问题，不同工艺参数导致的组织不均匀程度均会影响焊接接头的性能。BY R-H. Kim等[8]研究表明，坡口角度的不同，焊接过程中焊缝不同位置的焊接电流发生改变，从而影响焊接质量。Varon Sharma等[9]研究了不同坡口类型对Q&T钢性能的影响，结果发现坡口不同焊后接头组织、拉伸性能、冲击韧性及断裂特征都会发生改变。国内学者在工程应用过程中也注意到了不同坡口对焊接接头组织和性能的影响。田均平等[10]研究了外焊坡口角度对X80级螺旋埋弧焊管焊缝质量的影响，结果表明：随着外焊坡口角度的增加，外焊缝高度明显降低，熔深明显增加，焊缝冲击韧性略有提高，热影响区冲击韧性有所下降。陈俊强等[11]研究了V型坡口角度对TCS不锈钢焊接接头组织及力学性能的影响，结果表明随着坡口角度的增大，焊接热循环区的组织变化不大，接头低温冲击韧度有所提高。研究发现，国内外对于高温合金未开展过相关工作。本工作研究了不同坡口GH536高温合金导管焊接后的组织和性能变化，对优化GH536焊接工艺具有重要指导价值，从而保证焊接质量，提高发动机焊接导管服役安全性。

1 试验材料及方法

本工作中，GH536焊接将用于发动机输油管，因此选择了外径φ50 mm、壁厚2.5 mm管材作为试验材料。焊丝φ2 mm，合金牌号与试验用管材牌号相同。本试验所用GH536高温合金的化学成分见表1。

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

GH536管材坡口形式为单边V型坡口，坡口角度为45°、30°、20°，钝边高度为0.5 mm，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。将管材使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Miller Syncrowave 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 ℃×2 h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(试剂的成分及含量5 g CuCl2、100 mL HCl、100 mL C2H5OH)。使用Olympus SZ61体视显微镜对焊接接头宏观组织进行观察，使用Olympus GX 51光学显微镜对显微组织进行观察，使用CamScan 3100扫描电镜及附带的Oxford X-Max能谱仪对析出相形貌、分布和成分进行观察和分析。采用H450-SVDH型显微硬度仪测量焊接接头焊缝中心的显微硬度。在Instron8801疲劳试验机上进行疲劳裂纹扩展速率试验，试样尺寸见图1，缺口位于焊缝中心。

2 结果与分析

2.1 接头组织

对不同坡口角度的焊缝宏观形貌如图2所示，由图可见：45°坡口焊缝从熔合线到中心组织由柱状晶逐渐变为的粗大等轴晶(图2a)；30°坡口焊缝组织为柱状晶，两侧柱状晶向中心生长，可见明显的分界线(图2b)；20°坡口焊缝外侧组织为柱状晶，内侧从熔合线到中心组织由柱状晶逐渐变为细小等轴晶(图2c)；坡口角度越小，所形成的焊缝尺寸越大。J. Chen等[12]研究表明，坡口角度的不同会明显改变熔池流动速率，从而改变了熔池的温度分布及形状。因此，在本文中不同坡口角度的焊缝呈现出不同焊缝形态，熔池温度场的不同导致结晶过程的明显差异。但在高倍下观察，可见45°、30°及20°坡口焊缝中心的组织均为树枝状晶，在枝晶间可以清晰的观察到有析出相的存在(图3)。

图1 SE疲劳裂纹扩展速率测试试样尺寸图Fig.1 SE specimen for fatigue crack growth rate test

同时，由于熔池温度场的改变，作为热传输通道的热影响区的组织形态也发生明显的改变。将热影响区放大100倍后观察，45°坡口焊接接头的热影响区在靠近焊趾一侧的宽度约250 μm，在靠近焊根一侧的宽度约400 μm(图4a)；30°坡口焊接接头的热影响区在靠近焊趾一侧的宽度约300 μm，而靠近焊根一侧的宽度约900 μm(图4b)；20°坡口焊接接头的热影响区在靠近焊趾一侧的宽度约500 μm，而靠近焊根一侧的宽度约900 μm(图4c)。热影响区均能观察到显著的碳化物析出，呈链状分布，随着坡口角度的减小，热影响区越加显著。魏振伟等[13]对热影响区碳化物的分布及详细演化过程进行了研究。

图2 焊缝组织整体形貌Fig.2 Macro morphology of microstructure of weld joint

图3 焊缝中心显微组织形貌Fig.3 Microstructure of the weld bead center

2.2 析出相

在焊缝中心，碳化物在晶界不连续析出，部分碳化物偏聚于枝晶间(图5a)。使用EDS对碳化物进行分析，结果表明，在背散下呈现白色的为富Mo的M6C，呈现灰色的为富Cr的M23C6。使用TEM对碳化物类型进行确认，M6C及M23C6附在一起(图5b)。

2.3 力学性能

不同坡口焊缝的裂纹扩展速率的Paris拟合曲线见图6，描述了疲劳裂纹稳态扩展阶段裂纹扩展速率随应力因子幅变化而逐渐变化的规律，从图中可以看到，不同坡口的焊缝裂纹扩展速率的对应力因子幅变化而变化的规律相同，但随着坡口角度的增加，相同应力因子幅下，角度越大，裂纹扩展速率越快。不同坡口焊缝的裂纹扩展速率的Paris拟合函数见表2，从表中可以看到随着坡口角度的减小，m值逐渐增大，这表明随着应力强度因子范围增大，小角度坡口的焊缝具有裂纹扩展速率的增幅较高。在本文中影响焊缝裂纹扩展速率的主要因素为焊缝组织形态以及焊缝强度。从上文中可以知道，45°坡口的焊缝中心为粗大的等轴晶，30°坡口焊缝中心为柱状晶，20°坡口焊缝中心为柱状晶和少量等轴晶。在疲劳裂纹扩展方向上，柱状晶的晶界明显要多于等轴晶晶界。晶界上的原子排列不规则，点阵畸变严重，相邻晶粒的取向也不尽相同，且分布有细小碳化物，大量的晶界降低了疲劳裂纹扩展初期的扩展速率[13]。从表3中各个焊缝中心的硬度结果可以看到，随着角度的增大，焊缝中心的硬度降低，也就是说焊缝中心的强度随着坡口角度的减小而增大。低硬度的焊缝具有较快的裂纹扩展速率[14]。综合以上2个因素，均造成坡口角度越小，疲劳裂纹扩展速率越慢。

综合分析不同坡口的焊接接头组织及性能，可以看到，随着坡口角度的减小，1)焊接接头的热影响区组织范围越大，整个焊接接头的不均匀区域增大；2)焊缝尺寸增大，而GH536焊接接头属于高匹配性焊接接头[1]，焊缝越宽，其损伤发展程度越快，越容易失效[16-17]；3)焊缝中心的硬度提高，焊缝强度相较母材提高，韧性相较母材下降，造成接头强韧性配合较差，接头易开裂[18]。因此，在设计GH536焊接坡口时要综合考虑最终焊缝的开裂难易程度、裂纹扩展速率及速率变化，从而保证焊接接头的可靠性。

图4 热影响区显微组织形貌Fig.4 Microstructure of heat affected zone

图5 碳化物形貌及其分布Fig.5 Morphology and distribution of carbides

图6 不同坡口焊缝裂纹扩展速率Paris拟合曲线Fig.6 Paris’ fitting curves of weld bead fatigue crack propagation with different grooves表2 不同坡口焊缝裂纹扩展速率Paris拟合函数Table 2 Paris’ fitting functions of weld bead center with different grooves

GrooveangleCmFittingfunction45°1.9794E-125.36876da/dN=1.98×10-12ΔK5.3730°5.8171E-135.42845da/dN=5.82×10-13ΔK5.4320°1.4202E-135.80305da/dN=1.42×10-13ΔK5.80

表3 不同坡口焊缝中心硬度Table 3 Micro-hardness in weld bead center with different grooves (HV0.5)

3 结论

1) GH536镍基高温合金不同坡口焊缝中心的组织，45°坡口为粗大的等轴数枝晶，30°坡口为柱状树枝晶，20°坡口为柱状数枝晶加少量细小等轴数枝晶，M23C6及M6C碳化物分布于枝晶间。

2) 随着坡口角度的减小，GH536镍基高温合金焊接接头的焊缝尺寸变大，热影响区范围增大，焊缝硬度逐渐提高。

3) 相同应力强度因子幅，GH536高温合金大角度坡口焊接接头具有较高的疲劳裂纹扩展速率，但小角度坡口的焊接接头疲劳裂纹扩展速率增加较快。

4) 在设计GH536镍基高温合金焊接坡口时，要综合考虑焊缝开裂的难易程度及疲劳裂纹扩展速率。

[1] 魏振伟,刘昌奎,顾玉丽,等. GH5336镍基高温合金焊接接头力学性能于断裂特征研究[J]. 航空材料学报,2015,35(5):70-74.

[2] 魏振伟，刘昌奎，顾玉丽，等. GH536高温合金焊接接头疲劳裂纹萌生与扩展原位试验研究[J]. 失效分析与预防. 2016，11(6)：336-339.

[3] 赵树生,许鸿吉,谢明,等. GH536高温合金氩弧焊接头力学性能及组织[J]. 大连交通大学学报,2010,31(5):47-49.

[4] Tomusa D, Jarvisa T, Wu X, et al. Controlling the microstructure of Hastelloy-X components manufactured by selective laser melting[J]. Physics Procedia, 2013,41(41):823-827.

[5] Sakthivela T, Lahaa K, Nandagopala M, et al. Effect of temperature and strain rate on serrated flow behaviour of Hastelloy X[J]. Materials Science and Engineering A,2012,534(3):580-587.

[6] Hong H U, Kim I S, Choi B G, et al. Effects of temperature and strain range on fatigue cracking behavior in Hastelloy X[J]. Materials Letters,2008,62(28):4351-4353.

[7] Aghaie-Khafri M, Golarzi N. Forming behavior and workability of Hastelloy X superalloy during hot deformation[J]. Materials Science and Engineering A,2008,486(1-2):641-647.

[8] Kim R H, Choi G D, Kim C H,et al. Arc characteristics in pulse-GMA welding with acute groove angles[J]. Welding Journal,2012,91(4):101-105.

[9] Sharma V, Shahi A S. Effect of groove design on mechanical and metallurgical properties of quenched and tempered low alloy abrasion resistant steel welded joints[J]. Materials and Design,2014(53):727-736.

[10] 田均平,康万平,赵红波. 外焊坡口角度对X80级螺旋埋弧焊管焊缝质量的影响[J]. 焊管,2009,32(11):16-21.

[11] 陈俊强,周世锋,白凌云. 坡口角度对TCS不锈钢焊接接头组织及力学性能的影响[J]. 焊接,2008(6):49-53.

[12] Chen J, Schwenk C, Wub C S, et al. Predicting the influence of groove angle on heat transfer and fluid flow for new gas metal arc welding processes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2012(55):102-111.

[13] 魏振伟,陶春虎,顾玉丽,等. GH536镍基高温合金焊接组织演变[J]. 航空材料学报,2015,35(6):41-47.

[14] 于广娜,吴素君,何胜春,等. TC17合金焊接接头显微组织与疲劳裂纹扩展特性[J]. 宇航材料与工艺,2010(6):81-85.

[15] Fratini L, Pasta S, Reynolds A P. Fatigue crack growth in 2024-T351 friction stir welded joints: Longitudinal residual stress and microstructural effects[J]. International Journal of Fatigue,2009,31(3):495-500.

[16] 车洪艳,徐文福,陈剑虹. 铝合金平板对接焊接接头变形及损伤行为研究[J]. 郑州大学学报:工学版,2009,30(1):20-24.

[17] 郝谦. 低合金钢焊接接头损伤机理和损伤演变的研究[D]. 北京:北京工业大学,2001:63.

[18] 李亚江. 焊接组织性能与质量控制[M]. 北京:化学工业出版社,2005:89-147.

Effect of Groove Shape on Microstructures and Mechanical Properties of Welded Joint in GH536 Superalloy

WEI Zhen-wei，LIU Chang-kui，TAO Chun-hu

(1.AECCBeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China;2.FailureAnalysisCenterofAviationIndustryCorporationofChina,Beijing100095,China;3.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China;4.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China)

In order to study the effect of different groove angles on the microstructure and mechanical properties of the welded joint in GH536 Ni-based superalloy, the microstructure, hardness and fatigue crack growth rate of the weld center and heat affected zone were studied. The results show that with the decrease of the groove angle, the weld size becomes larger, the range of the heat affected zone is enlarged, the microstructure of the weld center changes, and the hardness increases. Under the conditions of the same stress intensity factors, the fatigue crack propagation rate of the welded joint of GH536 superalloy with large groove angle is larger, while the fatigue crack growth rate of welded joint with a small groove angle increases faster. In the design of GH536 Ni-based superalloy welding groove, it is necessary to take into account the inclination of weld cracking and fatigue crack growth rate.

GH536；weld；groove angle；microstructure；fatigue crack growth rate

2017年4月30日

2017年5月11日

魏振伟(1986年-)，男，博士，工程师，主要从事失效分析及金属材料微观物理等方面的研究。

TG156

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.04.010

1673-6214(2017)04-0254-05