GH4169材料焊接组合件性能不合格原因分析及工艺改进措施

田秦冠 江珍艳 罗毅

摘 要：本文对GH4169材料焊接持久性能不合格问题进行了分析，这是由于钎料的温度为1040℃，导致GH4169材料中δ相完全熔解，使材料出现缺口敏感性。我们在最终固溶时效前增加了900℃的热处理，解决该问题。

关键词：Ni3Nb-δ相;真空钎焊;缺口敏感

GH4169镍基高温合金在（-253～700）℃温度范围内具有良好的综合力学性能，但是该合金的另一个特点是金相组织对热处理温度特别敏感，掌握合金中相析出和熔解规律，及组织与工艺、性能间的相互关系，可针对不同的使用要求，制定合理可行的工艺，满足不同要求的零件。

我们在产品试制过程中出现GH4169材料，经过1040℃钎焊后缺口持久性能不合格的問题。

1 问题描述

零件材料为GH4169，工艺路线依次为锻造（固溶态）、粗加工、消应力、精加工、钎焊（蜂窝环GH3536，焊料B-Ni82CrSiB）、时效。时效后检测力学性能，其中持久性能不合格且试样断于缺口处。持久时间较为分散，有些为瞬间断裂，有的则时间较长，但是也不合格。

2 故障原因分析

2.1 零件加工过程情况

经查加工记录，加工过程符合文件要求，锻件固溶态交付，锻件验收将固溶态试样进行时效后，化学成分、力学性能，低倍组织、显微组织、晶粒度均合格。钎焊工艺1040℃保温（10-15）分钟，氩气冷却。钎焊后时效热处理工艺720℃保温8h， 120分钟降温至620℃保温8h。零件的加工过程符合文件要求。

2.2 不合格试样分析情况

断口试样可以很清晰的看见放射区、纤维区，对试样断口放射区进行扫描电镜分析见图1，可明显看见裂纹为沿晶断裂。宏观断口附近的金相图片如图2，也显示为沿晶裂纹，而且晶界和晶内δ相含量很少。

3 工艺分析及改进

GH4169合金的组织对热加工工艺特别敏感，不同的热处理制度获得不同的力学性能。通过查询文献材料δ相析出相图，在热加工过程中δ相的开始析出温度为700℃，980℃开始熔解，完全熔解温度为1020℃。而零件钎焊的加热工艺为1040℃保温（10～15）分钟。因此，认为零件出现缺口不合格的原因是由于钎焊温度过高（1040℃），超过了GH4169材料δ相完全熔解温度，在钎焊加热保温过程中合金中的δ相熔解。相关研究表明GH4169合金在650℃及更高温度下多以沿晶形式扩展，δ相的形状、取向会影响合金裂纹扩展速率和方向，增大裂纹扩展的阻力。正是因为缺少了晶界δ相的扎钉作用，导致裂纹扩展缺少阻力，最终材料出现缺口敏感，导致缺口持久试验不合格。

根据GH4169中δ相的析出相图，GH4169材料δ相的析出峰值约为900℃。采用不同的热处理工艺会有不同数量和形貌的δ相析出，且δ相在GH4169材料中的析出是可逆的。为了改善基体材料的缺口敏感性，使经钎焊和热处理后材料中存在适量的δ相，对经过钎焊后试样进行900℃保温再固溶时效的重复热处理。但是δ相的析出量却需要控制，如果析出太少则会起不到δ相的晶界扎钉作用，如果δ（Ni3Nb）相析出量太多，就会在其附近导致γ''、γ?贫化并影响其含量，从而影响材料的力学性能。所以需要生成适量的δ相，在确保室温拉伸、高温拉伸合格的前提下，使持久性能合格。最终通过工艺试验确定于900℃保温30分钟再进行固溶时效的重复热处理制度。

对重复热处理后的式样进行高倍组织和力学性能检测。高倍组织检测金相显示在晶界重新析出了大量的δ相，呈现棒状或者针状组织。高温持久力学性能检测合格，断口断于光滑处，持久的时间数据较为集中，大多在61～71h之间，较大的超过标准要求的25h，不再存在缺口敏感性，室温拉伸和高温拉伸也符合要求。根据此实验结论，更改零件加工工艺规程，在钎焊后进行重复热处理，现已加工多批零件，所有性能均合格，也不再有缺口敏感性问题。

4 结语

4.1 通过故障分析和实验验证，零件缺口持久不合格的原因是由于钎焊温度温度为1040℃，使晶界δ相熔解，材料出现缺口敏感性导致缺口持久。

4.2 通过对钎焊后的试样在900℃保温并重新进行固溶时效，晶界处重新析出了δ相，试样经测试力学性能合格，不再存在缺口敏感性。

4.3 GH4169材料可以通过调整热加工工艺获得形貌、数量和分布不同的δ相，从而使材料获得不同的力学性能。

参考文献：

[1]王建国等.GH4169合金加热过程中形态和晶粒尺寸的演化规律.热加工工艺，2013，vol42，No.24。

[2]侯杰等.GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制.工程科学学报，第40卷，第7期：822-823，2018年7月。