異種高溫合金電子束焊接接頭析出相

劉 謹(jǐn), 趙志毅

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

GH141和GH907是近年來應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)上的兩種重要的高溫合金。GH141是沉淀硬化型鎳基變形高溫合金，屬于Ni-Cr-Co-Mo系，該合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和持久蠕變強(qiáng)度，以及優(yōu)良的抗氧化性和抗腐蝕性能。GH907是Fe-Ni-Co基時效硬化型低膨脹高溫合金，焊接性能良好，且650 ℃以下具有較高的強(qiáng)度、低的膨脹系數(shù)以及幾乎恒定不變的彈性模量，組織與GH909合金類似。電子束焊接是將高能電子束作為加工熱源，用高能量密度電子束轟擊焊件接頭處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻以達(dá)到焊接的目的。對于這兩種高溫合金的研究工作，前人主要針對GH141及GH907的性能[1-4]和母材的析出相[5-8]進(jìn)行了研究，對于兩者通過電子束焊接的焊接接頭區(qū)域析出相進(jìn)行的探索很少。研究表明同質(zhì)高溫合金焊接焊縫析出相都為母材中同種類型析出相[9-10]，而對于異材高溫合金電子束焊接，并沒有研究指出焊縫區(qū)域會產(chǎn)生新的析出相。本工作對GH141/GH907焊接接頭區(qū)域析出相進(jìn)行研究，包括GH141合金熱影響區(qū)，GH907合金熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)域。

1 實驗材料與方法

實驗所用材料為GH141/GH907高溫合金焊接板材，尺寸為 300 mm × 190 mm × 10 mm，如圖 1所示。GH141和GH907化學(xué)成分分別如表1和表2所示。

圖 1 試樣示意圖Fig. 1 diagram of specimen

透射電鏡型號為FEI-F2010，掃描電鏡型號為ZEISS EVO18。試樣熱處理工藝為1080 ℃固溶1 h，980 ℃ 時效 4 h，775 ℃ 時效 12 h，620 ℃ 時效8 h。GH141熱影響區(qū)以及GH07熱影響區(qū)的試樣采用離子減薄法進(jìn)行制備，焊縫處的試樣采用電解雙噴法進(jìn)行制備。

表 1 GH141合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of GH141 (mass fraction/%)

表 2 GH907合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2 Chemical composition of GH907 (mass fraction/%)

2 結(jié)果與分析

2.1 GH141 熱影響區(qū)析出相分析

圖2為GH141掃描電鏡顯微組織照片。從圖2可以看出整個基體密布著小顆粒狀析出相，塊狀析出物有兩類，一類是主要沿晶界連續(xù)析出的小的塊狀析出物，另一類是晶界和晶內(nèi)均有析出的粗大塊狀析出物。在GH141母材中，其主要強(qiáng)化相有γ′以及 MC，M6C，M23C6型碳化物。其中 γ′析出相較小，密布于基體上，MC型碳化物呈較大塊狀隨機(jī)分布在基體中和晶界上，M6C型碳化物呈小塊狀和顆粒狀，主要沿晶分布，M23C6型碳化物一般呈小顆粒狀沿晶界不連續(xù)析出[11]。從照片形貌上較容易辨認(rèn)出γ′相以及MC碳化物相，但從形貌上無法區(qū)分主要在晶界處析出的M6C及M23C6型碳化物，所以對于GH141析出相的研究重點(diǎn)在于M6C和M23C6型碳化物的區(qū)分，以及γ′相的確認(rèn)。

圖 2 GH141掃描電鏡顯微組織照片F(xiàn)ig. 2 SEM photomicrograph of GH141

GH141焊縫熱影響區(qū)試樣發(fā)現(xiàn)的小塊狀碳化物尺寸約為0.5～1mm，形貌如圖3（a）所示。圖3（b）為碳化物選區(qū)電子衍射光斑，可以看出，衍射光斑存在明顯的對稱高階勞厄帶，按照面心立方對其進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的衍射光斑如圖3（c）所示。計算出單胞點(diǎn)陣常數(shù)為1.132 nm。兩類碳化物的點(diǎn)陣類型均為面心立方點(diǎn)陣[11-12]，其中M6C型碳化物的點(diǎn)陣常數(shù)的范圍為1.095～1.250 nm，M23C6型碳化物的點(diǎn)陣常數(shù)范圍為1.050～1.080 nm。標(biāo)定結(jié)果在M6C型碳化物的點(diǎn)陣常數(shù)范圍內(nèi)，基本確定上述尺寸為0.5～1 μm小方塊狀的碳化物析出相為M6C型碳化物。

考慮到M6C型碳化物與M23C6型碳化物點(diǎn)陣常數(shù)相差不大，為避免誤標(biāo)，用EDS能譜分析對標(biāo)定結(jié)果加以佐證。碳化物析出相的能譜結(jié)果如圖3（d）所示。高溫合金中M23C6型碳化物中的主要富集元素是Cr，而M6C碳化物中的主要富集元素是Mo[13]。由圖3（d）可以看出該碳化物析出相明顯有Mo元素富集，故可以肯定所觀察到的GH141焊縫熱影響區(qū)析出的小方塊析出相為M6C型碳化物。

GH141焊縫熱影響區(qū)試樣發(fā)現(xiàn)密布在基體上的γ′析出相，如圖4（a）所示，其與基體γ相之間的關(guān)系對鎳基合金起著重要的作用[14-15]。γ′相的衍射光斑如圖4（b）所示，其中亮斑為γ′析出相的衍射光斑，而暗斑則為基體γ相的衍射光斑。按照面心立方對γ′的衍射光斑進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)注結(jié)果如圖4（c）所示，計算出該析出相的點(diǎn)陣常數(shù)為a = 0.3564 nm。γ′相化學(xué)式為 Ni3（Al，Ti），點(diǎn)陣常數(shù) a 范圍為 0.356～0.361 nm[12]。標(biāo)定結(jié)果在γ′相的點(diǎn)陣常數(shù)范圍內(nèi)，從晶體結(jié)構(gòu)角度確定該析出相為γ′相。

通過EDS從成分上進(jìn)一步驗證，能譜結(jié)果如圖4（d）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)其中Ti，Al元素富集，與基體相比，Ni元素變化不大，其他元素較少。結(jié)果符合γ′相中元素組成，進(jìn)一步說明了在基體密布的方塊狀析出物確為γ′析出相。

2.2 GH907 熱影響區(qū)析出相分析

GH907熱影響區(qū)內(nèi)析出相的分析主要也是舊相的鑒定，但相結(jié)構(gòu)主要為六方結(jié)構(gòu)，正交結(jié)構(gòu)，由于析出相元素成分復(fù)雜且并不確定是否被卡片收錄，進(jìn)行標(biāo)定工作時有較大的局限。

圖 3 GH141焊縫熱影響區(qū)碳化物析出相 （a）TEM形貌；（b）電子衍射光斑;（c）標(biāo)定后的衍射光斑;（d）EDS分析Fig. 3 Carbide precipitate in GH141 heat affected zone （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern;（d）EDS spectra

圖 4 GH141焊縫熱影響區(qū)γ′析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射光斑;（c）標(biāo)定后的衍射光斑Fig. 4 GH141 weld heat affected zone γ′ precipitate （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern

圖5為GH907掃描電鏡顯微組織照片。從圖5可以看出，材料基體上主要分布有兩種形貌的析出相，即密布于基體上的針狀析出物以及沿晶大量析出的塊狀析出相。GH907經(jīng)固溶時效后，析出相主要有小顆粒狀γ′相、針狀ε相和塊狀G相、Laves相等。在長時間固溶時效下，顆粒狀γ′相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧畹摩畔?。G相一般在晶內(nèi)和晶界塊狀析出，量多時可在晶界處網(wǎng)狀析出，G相的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，合金中含硅量越高，越容易形成G相[11]。Laves相多為不規(guī)則的塊狀分布于晶界和晶內(nèi)，為拓?fù)涿芘畔?，晶體結(jié)構(gòu)一般為MgZn2型六方點(diǎn)陣，較高的Nb，Ti含量和較低的C，N含量是形成Laves相的必要條件[16]。從形貌上可以比較容易地辨認(rèn)出γ′相以及ε相，但G相和Laves相無法準(zhǔn)確辨認(rèn)。

圖 5 GH907掃描電鏡顯微組織照片F(xiàn)ig. 5 SEM photomicrograph of GH907

圖6（a）為GH907焊縫熱影響區(qū)針狀析出物形貌，析出物縱橫交錯分布，在合金基體上密布，針狀析出相寬度約為50～200 nm。研究表明，GH907母材中的針狀析出物為ε相，該相為六方結(jié)構(gòu)，其點(diǎn)陣常數(shù)a = 0.458 nm，c = 1.202 nm。根據(jù)上述晶體學(xué)數(shù)據(jù)，計算（hkl）與dhkl表。針狀析出相的電子衍射斑點(diǎn)如圖6（b）所示。從衍射斑點(diǎn)中求出離中心透射斑最近的衍射斑所代表的3組晶面間距，將計算得到的d值與按六方晶系ε相計算得出的（hkl）與dhkl數(shù)據(jù)表相對照，選擇出一套互洽的晶面指數(shù)，并通過衍射斑點(diǎn)的夾角對標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行驗證。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)查得的晶胞信息可以準(zhǔn)確地對實驗得到的衍射光斑進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖6（c）所示。至此，可以確認(rèn)在GH907焊縫熱影響區(qū)觀察到的針狀析出物為六方晶系ε相，其點(diǎn)陣常數(shù)a =0.458 nm，c = 1.202 nm。

圖 6 GH907 焊縫熱影響區(qū)針狀析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射光斑;（c）標(biāo)定后的衍射光斑Fig. 6 Needle shaped precipitate in GH907 heat affected zone （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern

圖 7 GH907 熱影響區(qū)塊狀析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射光斑;（c）標(biāo)定后的衍射光斑Fig. 7 Block shaped precipitate in GH907 heat affected zone （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern

圖7（a）為GH907焊縫熱影響區(qū)方塊狀析出物形貌，其衍射斑點(diǎn)如圖7（b）所示。高溫合金中Laves相為六方結(jié)構(gòu)，其點(diǎn)陣參數(shù)為a = 0.457～0.483 nm，c = 0.769～0.777 nm[13]。以此為依據(jù)算得晶面指數(shù)與晶面間距數(shù)據(jù)表，與從衍射斑點(diǎn)中得出的離中心透射斑最近的衍射斑所代表的3組晶面間距進(jìn)行對比，并未發(fā)現(xiàn)與其相符的晶面指數(shù)，這表明該塊狀析出物并非Laves相。

然后按照G相進(jìn)行標(biāo)定，在卡片中收錄的G相的范圍內(nèi)，對該塊狀析出物進(jìn)行試標(biāo)定。從衍射斑點(diǎn)中求出離中心透射斑最近的衍射斑所代表的3組晶面間距，將計算得到的d值與PDF卡片中物相的晶面間距表中的d值相對照，選擇出一套互洽的晶面指數(shù)，并通過衍射斑點(diǎn)的夾角對標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行驗證。分析發(fā)現(xiàn)面心立方G相Nb3Ni2Si可以精確標(biāo)定塊狀析出相的衍射斑點(diǎn)，Nb3Ni2Si點(diǎn)陣常數(shù)1.1191 nm。析出相電子衍射圖標(biāo)定結(jié)果如圖7（c）所示。綜上可以確定GH907焊縫熱影響區(qū)塊狀析出物為面心立方G相Nb3Ni2Si。

2.3 焊縫區(qū)析出相分析

焊縫區(qū)域析出相比較復(fù)雜，這里關(guān)注其中是否出現(xiàn)了新相，對于需要作系列傾轉(zhuǎn)重構(gòu)三維點(diǎn)陣的未知相標(biāo)定工作，不進(jìn)行深究。

試樣宏觀組織如圖8所示，GH141熱影響區(qū)及GH907熱影響區(qū)晶粒尺寸都較自身母材粗大，焊縫處晶粒都以柱狀樹枝晶的方式存在。

圖9為焊縫區(qū)掃描電鏡顯微組織照片。從圖9可以看出，焊縫處的析出物從形貌上來看基本可以分為兩大類，其一為針狀析出相，其分布比較稀疏，有平行分布也有交錯分布，與GH907中針狀相交錯密布不同。其二為一些小的顆粒狀析出物，但形狀并不一致，與GH141基體中的γ′析出相也不一樣。以前沒有文獻(xiàn)對GH141及GH907電子束焊接焊縫處的析出物進(jìn)行過專門的研究。

GH141/GH907電子束焊接焊縫區(qū)域觀察到的針狀析出相形貌如圖10（a）所示。由于其形貌與GH907中ε相相似，現(xiàn)對其衍射斑進(jìn)行分析，圖10（b）為該針狀析出相的衍射斑點(diǎn)，其中亮斑為基體。由衍射斑可以看出，該析出相衍射斑點(diǎn)間距較小，以點(diǎn)陣常數(shù)a = 0.458 nm，c = 1.202 nm的六方晶系ε相對該衍射斑點(diǎn)進(jìn)行試標(biāo)定，標(biāo)定失敗。說明焊縫區(qū)域針狀析出物并非是GH907中的ε相，焊縫中出現(xiàn)了不同于GH907和GH141的針狀新析出相。

圖11（a）為焊縫區(qū)域所觀察到的顆粒狀析出相的形貌，析出相的尺寸為100～200 nm。圖11（d）為其對應(yīng)的能譜結(jié)果，與基體相比，析出相中Ti，Nb兩種元素明顯大量富集，該析出物極有可能是由Nb，Ti兩種元素組成的某種化合物。故可在PDF卡片所提供的Nb，Ti化合物的物相范圍內(nèi)，對該析出相衍射光斑進(jìn)行試標(biāo)定。圖11（b）為顆粒狀析出相的選區(qū)電子衍射斑點(diǎn)，其中亮斑為析出物的衍射斑點(diǎn)。以大量含Nb，Ti的化合物為標(biāo)定備選范圍，在卡片中進(jìn)行篩選。從衍射斑點(diǎn)中求出離中心透射斑最近的衍射斑所代表的三組晶面間距，將計算得到的d值與PDF卡片中物相的晶面間距表中的d值相對照，選擇出一套互洽的晶面指數(shù)，并通過衍射斑點(diǎn)的夾角對標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行驗證。通過分析，正交晶系NbTi4所對應(yīng)的單胞參數(shù)（a = 0.3152 nm，b = 0.4854 nm，c = 0.4642 nm）可以準(zhǔn)確地對衍射斑點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖11（c）所示。綜上所述，在GH141與GH907電子焊焊縫中較多存在的顆粒狀析出相為正交晶系NbTi4析出相，該析出相與圖9所述針狀析出相在GH141與GH907兩種合金母材及熱影響區(qū)，還有兩種母材各自的同質(zhì)焊縫中皆未出現(xiàn)過，屬于焊縫中全新的析出相。

圖 10 GH141/GH907焊縫區(qū)針狀析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射斑點(diǎn)Fig. 10 Needle shaped precipitate in GH141/GH907 weld joint （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern

圖 11 GH141/GH907焊縫區(qū)顆粒狀析出相 （a）TEM形貌;（b）電子衍射斑;（c）標(biāo)定后的衍射斑;（d）EDS分析Fig. 11 Granular precipitate in GH141/GH907 weld joint （a）TEM micrograph;（b）SAD pattern;（c）calibrated SAD pattern;（d）EDS spectra

3 討論

通過透射電鏡對GH141/GH907焊接接頭區(qū)域析出相進(jìn)行分析，包括GH141熱影響區(qū)，GH907熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)域。對于電子衍射花樣的標(biāo)定，一般可以分為兩類。一類是測定新結(jié)構(gòu)，其過程耗時長，花費(fèi)大，分析復(fù)雜。另一類是鑒定舊結(jié)構(gòu)，其中立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)衍射譜的標(biāo)定，可通過查表和簡單的計算進(jìn)行標(biāo)定；而其他結(jié)構(gòu)衍射譜的標(biāo)定，如果該相在卡片中無法查到，則需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，以進(jìn)行后一步的標(biāo)定工作，工作量較大[17]。

對于鑒定舊結(jié)構(gòu)，在GH141焊縫熱影響區(qū)和GH907焊縫熱影響區(qū)，根據(jù)下面3個條件，由一幅衍射花樣從中把物相鑒定出來，物相驗證的3個條件是：①由衍射花樣確定的點(diǎn)陣類型必須與ASTM卡片或文獻(xiàn)中的物相相符合；②衍射斑點(diǎn)指數(shù)必須自洽；③主要低指數(shù)晶面間距與卡片中給出的標(biāo)準(zhǔn)d值相符，允許誤差約為3%左右[18]。

而對于焊縫區(qū)域的分析發(fā)現(xiàn)，其中出現(xiàn)了新的析出相，對其進(jìn)行鑒定是一個很困難且意義不大的過程，原因如下：

首先，焊縫處熔融合金不在接近平衡的狀態(tài)下緩慢冷卻，迅速冷卻會造成焊縫處組織與析出物進(jìn)一步復(fù)雜化。兩種母材的熔融物并未充分均勻混合便開始凝固，焊縫處合金的成分沿垂直焊縫方向存在濃度梯度?？焖倮鋮s條件下相變與緩冷不同，容易出現(xiàn)非擴(kuò)散型相變，可能會出現(xiàn)孿晶組織和其他較復(fù)雜的析出相。

其次，GH907與GH141中析出物結(jié)構(gòu)不同，G H 1 4 1中析出物結(jié)構(gòu)主要為面心立方，而GH907中析出物結(jié)構(gòu)為六方晶系、正交晶系等，兩者混合后的相結(jié)構(gòu)很難去預(yù)測。

最后，電子束焊接焊縫區(qū)域的成分相當(dāng)于兩種材料的熔融混合物，由于GH141與GH907成分差別較大，焊縫區(qū)域的材料相當(dāng)于一種新成分的高溫合金，并且焊縫不同區(qū)域由于成分的不均勻會導(dǎo)致析出相出現(xiàn)較大的差別。

本工作透射電鏡標(biāo)定的相結(jié)果，都經(jīng)過了能譜的對比確認(rèn)，具有很高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

（1）異材高溫合金電子束焊接熱影響區(qū)無新析出相產(chǎn)生。在現(xiàn)行熱處理工藝下，GH141熱影響區(qū)內(nèi)在基體大量密布的析出相為面心立方結(jié)構(gòu)γ′相，其形貌為方形顆粒狀，尺寸為100～200 nm。MC碳化物呈較粗大的塊狀隨機(jī)分布在基體中和晶界上。沿晶界大量析出的碳化物是面心立方M6C型碳化物，大多為方形塊狀，尺寸為0.5～1 mm。面心立方M23C6型碳化物還并未由M6C型碳化物開始轉(zhuǎn)變，或轉(zhuǎn)變數(shù)量很少，故在GH141基體中沒有發(fā)現(xiàn)。

（2）在現(xiàn)行熱處理工藝下，GH907熱影響區(qū)內(nèi)大量存在的針狀析出相為六方晶系ε相，針狀析出相寬度為50～200 nm。塊狀析出相為面心立方G相Nb3Ni2Si，尺寸約為1 μm左右。未觀察到γ′相，這是由于在長時間的固溶時效過程中，γ′相完全轉(zhuǎn)化為了針狀ε相。

（3）GH141與GH907焊縫區(qū)域析出相與兩種母材都不同，其針狀析出相并非GH907中的六方晶系ε相，而是一種新析出相。焊縫中的顆粒狀析出物也是一種新相，為正交晶系NbTi4，形狀為方形或橢球形，尺寸為100～200 nm。