先進航空材料焊接過程熱裂紋研究進展

李 紅，閆維嘉，張 禹*，杜文博，栗卓新，MARIUSZ Bober，SENKARA Jacek

(1 北京工業大學 材料與制造學部 輕合金材料與加工研究所，北京 100124； 2 華沙理工大學，華沙 02524)

鋁、鎂、鈦、高溫合金以及先進高強鋼等具有高比強度和比剛度等顯著優點，在航空航天領域應用廣泛。固溶-時效是調控上述合金材料力學性能的主要熱處理技術路線，因此母材往往含有較高水平的合金元素含量以保證析出足量的沉淀相。合金元素含量較高的材料在經歷焊接熱循環時，溶質極易在凝固冷卻階段產生偏析。此外，母材晶界也容易產生部分熔化現象(晶界存在低熔點共晶相)。在這一前提下，焊接接頭在熱應力作用下極易產生熱裂紋(包含凝固裂紋和液化裂紋)。除鈦合金外(熔池糊狀凝固特征不顯著，熱裂紋敏感性較低，主要焊接問題在于易產生冷裂紋[1])，鋁、鎂、鋼和高溫合金焊接過程都易產生熱裂紋。熱裂紋的產生破壞了結構完整性，制約新型材料在航空航天領域的推廣應用。研究焊接熱裂紋的形成機理和抑制方法對航空材料發展有重要的理論意義和實用價值。近年來，國內外學者對熱裂紋的形成機理、熱裂紋敏感性判據(hot cracking sensitivity, HCS)的建立和裂紋抑制方法開展了大量研究。

本文總結了焊接熱裂紋產生的機理及判據，綜述了高強鋁合金、鎂合金、先進高強鋼和高溫合金這四種典型航空結構材料焊接熱裂紋的產生機理和控制方法研究進展，在此基礎上，并展望焊接熱裂紋研究的未來發展方向，為航空材料焊接領域的應用研究提供基礎文獻支撐。焊接熱裂紋破壞了結構的完整性、可靠性及安全性，是制約新型輕量化材料在航空航天領域應用的主要技術瓶頸。新一代飛行器對結構輕量化的需求度進一步提高，亟待新型合金材料落地應用。因此，針對焊接熱裂紋產生機理及其抑制方法開展研究，對推進新一代航空航天用材料的工程應用具有重要的意義。

1 焊接熱裂紋產生機理及判據

1.1 焊接熱裂紋機理

焊接熱裂紋是一種金屬在熔化焊過程中，受結晶、局部液化以及母材失塑等因素影響而產生的接頭開裂現象，包括凝固裂紋和液化裂紋。其中，凝固裂紋表現為發生在焊縫內部區域的裂紋，而液化裂紋為發生在熔池與部分熔化區交界處的裂紋。熔化焊熱裂紋的產生與被焊材料的成分位于敏感區間、焊接溫度場與熱循環以及焊接熱應力等因素密切相關。

對于合金元素含量較高的金屬材料，熔池尾部冷凝區會出現糊狀凝固區，在熱應力的作用下，會產生凝固裂紋(如圖1所示[2])。Novikov[3]的研究表明，凝固過程中的裂紋是糊狀凝固區收縮受到拘束引起的。Kou[4]提出了凝固裂紋的敏感性判據：相鄰兩個晶粒之間的拉伸變形量超過晶界區域的液體填充量和兩個晶粒相對生長量之和時，就會產生裂紋，如圖1所示[2]。根據Hagen-Poiseuille定律，由于液體的黏性引起流動阻力，液體通過枝晶間通道的體積流量隨著通道長度的增加而減小。隨著凝固的進行，液相逐漸轉化為固相并收縮，殘余的液相越來越難以通過晶間通道補充空隙。當殘余的液相無法及時填充空隙時，就會產生凝固裂紋。

圖1 凝固裂紋的產生機理[2](a)熔池附近的組織示意圖；(b)焊縫冷凝區的局部放大圖；(c)相鄰晶粒生長的解析模型；(d)凝固裂紋敏感性判據示意圖Fig.1 Mechanism of the solidification cracking[2](a)schematic of the weld pool and its surroundings;(b)magnification of the welding pool’s cooling area;(c)analytical model of adjacent grains growth;(d)criterion of solidification cracking sensitivity

液化裂紋一般發生在熔池與部分熔化區交界處，或產生在部分熔化區及熱影響區內部微觀組織的晶界處。根據Yuan等[5]的研究，部分熔化區內晶界處的低熔共晶相在焊接熱循環的作用下發生熔化，導致該區域的塑性和強度大幅下降。在熱應力作用下，熔池與部分熔化區的交界處產生沿晶開裂形成液化裂紋，Kou建立了液化裂紋敏感性判據模型，以焊接時部分熔化區和熔池凝固組織的固相百分數的差值作為判據。當熔池凝固組織的固相百分數高于相鄰部分熔化區的固相百分數時，部分熔化區受牽拉開裂，導致液化裂紋產生(如圖2所示)[5]。

圖2 液化裂紋產生機理[5](a)合金相圖；(b)熔池及周圍的組織示意圖；(c)局部放大(產生液化裂紋的情況)；(d)局部放大(不產生液化裂紋的情況)Fig.2 Mechanism of the liquation cracking[5](a)phase diagram;(b)schematic of the microstructure around weld pool;(c)magnification (cracking likely);(d)magnification (cracking unlikely)

熱應力是導致工件在鑄造或焊接中開裂的重要因素之一。測量焊接過程中的實時應力、應變和應變速率演化數據有助于焊接熱裂紋的定量分析。Quiroz等[6]利用數字圖像相關技術，通過受控拉伸焊接性測試(controlled tensile weldability test)，測量了堆焊試樣底部的應變分布。Bakir等[7-8]利用數字圖像相關技術對凝固裂紋形成過程中，熔池尾部冷凝區的應變進行了全場測量。Matsuda等[9-10]提出一種適用于確定凝固裂紋局部臨界應變條件的原位觀察測量技術，采用高速攝像機和光學放大鏡相結合的方法記錄熱裂紋的形成過程。

1.2 焊接熱裂紋判據

建立預測熱裂紋產生概率的量化評判標準，即裂紋敏感性判據，有助于深入研究裂紋產生機理并提出有效抑制裂紋產生的方法。國內外學者提出了幾種熱裂紋判據模型，包括基于應力、應變和應變率的力學模型和基于凝固行為的非力學模型。力學模型主要使用半固態金屬的應力、應變和應變速率等力學行為參數描述。非力學模型通常使用敏感溫度范圍、相圖以及熱循環曲線等參數描述。基于應力的模型假定當拉應力超過半固態微區的應力極限的強度時，對應區域將產生裂紋；基于應變的模型認為，當拉伸應變足以打破晶界液體薄膜時，對應的半固態微區就會開裂。量化裂紋敏感性判據一般以對應金屬材料的臨界應變和應變速率作為可焊性的指標，數值越高，表明對應母材的抗開裂性能越好。在凝固過程中，應變速率參量對熱裂紋敏感性的影響程度顯著高于應變參量。

表1[3-4,11-18]列出了包括應力準則、應變準則、應變速率準則和非力學準則的幾類熱裂紋判據，體現出了熱裂紋的研究從20世紀60年代到現今的深入發展過程。

表1 熱裂紋判據Table 1 Criterion of hot cracking

Continued Table 1

Continued Table 1

Eskin等[19]提出基于應力的解析模型，用于定量分析熱應力與裂紋敏感性的關系。Rappaz等[16]提出了著名的RDG模型，其量化指標的建立考慮了枝晶的生長效應、橫向的單軸拉伸變形和枝晶間隙的液相補充效應，RDG模型也表明應變速率與熱裂紋的形成有直接聯系[20]。Matsuda等[21]、Cross和Coniglio[22]采用RDG模型針對鋁合金電弧焊開展研究，提出了基于孔隙率的裂紋萌生模型，建立了裂紋擴展速率與局部應變速率的關系。研究表明，焊接過程中凝固前沿附近應變和應變速率高于臨界值是導致凝固開裂的誘因。Prokhorov[15]認為溫度下降的應變速率超過某一臨界值即可發生開裂。Prokhorov理論認為，在固相線與液相線之間的“脆性溫度區間”(brittle temperature range, BTR)中，應變超過臨界應變會誘發凝固裂紋[15]。在脆性溫度區間內材料延展性明顯降低。通過對比臨界應變和臨界應變速率可知，當應變速率(曲線的斜率)高于極限應變速率會引發開裂。Feurer[17]模型主要關注收縮糊狀區域的液相填充效應，以經驗公式為形式建立量化指標，如果體積收縮超過體積填充則會發生開裂。Nasresfahani和Niroumand[23]將Feurer模型修正為另一個經驗公式，其中包含鑄造過程中測量的單軸收縮應力。應變速率對熱裂紋萌生和擴展起著相對直接的作用[19]，以臨界應變和應變速率作為可焊性的指標，數值越高表明其抗凝固開裂性能越好。

2 高強鋁合金焊接熱裂紋研究進展

鋁合金具有高比強度和高比剛度等優點，在航空航天領域應用廣泛。然而高強鋁合金的可焊性差，尤其是熱裂紋敏感性較高制約了其推廣應用。熱處理強化型2XXX鋁合金和7XXX鋁合金是航空航天領域應用較多的鋁合金，溶質元素含量較高，結晶溫度區間較寬，因此糊狀凝固特征顯著。此外，鋁的熱膨脹系數高，約為鋼的兩倍，在焊接時會產生較高的熱應變和熱應力。上述特征造成此類鋁合金在焊接時容易產生熱裂紋。

2.1 鋁合金熱裂紋機理研究

鋁合金導熱系數高，在凝固時溫度梯度與結晶速度的變化會影響結晶形態，進而影響熱裂紋敏感性。Chen等[24]提出了一種相場與計算流體動力學耦合的二維集成模型，用于預測Al-3.3%(質量分數，下同)Li合金熱裂紋敏感性。該模型可以計算不同取向的柱狀晶、不同晶粒尺寸的等軸晶和柱狀晶向等軸晶轉變的動力學過程，用于裂紋敏感性分析。與Kou提出的解析模型[3]相比，數值模型研究凝固時柱狀晶向等軸晶轉變(columnar to equiaxed transition, CET)效應對熱裂紋敏感性的影響。該模型預測了等軸晶和CET過程中凝固固相比例的變化，以及不同固相比例時液體壓力降(壓力降表示液體通過枝晶間通道的阻力)，如圖3所示[24]。從圖3(a)可以看出，由于初始柱狀晶的存在，受CET效應影響的凝固過程前期的固相分數高于純等軸晶凝固過程的固相分數。圖3(b)體現了CET過程中液體壓力降隨時間的變化規律。在CET區間內，壓力降增速變快，抑制了液相向枝晶間通道流入。

圖3 不同凝固路徑下的壓力降分布[24](a)CET效應對凝固路徑的影響；(b)不同固相分數條件下枝晶間壓力降的分布Fig.3 Solidification process simulation and the pressure distribution with different solid fraction and solidification path[24](a)effect of the CET on the solidification path;(b)distribution of the inter-dendritic pressure drop under different solid fractions

2.2 合金成分對鋁合金熱裂紋敏感性的影響研究

鋁鋰合金比傳統鋁合金密度更低，彈性模量更高，可滿足航空航天對結構輕量化的需求。鋁鋰合金具有較高的熱膨脹系數，并且在熔焊過程中容易產生偏析。鋁鋰合金晶界處的液膜凝固點較低，如果在晶界處施加足夠的應力，就會導致晶界分離，形成裂紋。鋁鋰合金激光焊的熱裂紋既有發生在焊縫區的凝固裂紋，也有發生在焊縫與部分熔化區交界處的液化裂紋[25]。對于Al-Li二元合金，鋰元素可以擴大鋁液的脆性溫度區間，提高母材熱膨脹系數并且降低鋁液的表面張力。隨著基體Li含量的增加，熱裂紋敏感性會增加。低熔點共晶的總含量在評估鋁鋰合金熱裂紋敏感性方面起著重要作用[26]。

Scheil方程通常用于計算特定成分的鋁合金在凝固時產生的導致開裂的共晶液相比例。以富Mg的Al-Mg-Li合金1420和1424為例，此類Al-Li合金對凝固裂紋不敏感。相比之下，其他高強度Al-Li-Cu和Al-Li-Cu-Mg合金如8090，2091，1440和1441合金對凝固裂紋更為敏感，這與Mg與Cu元素對凝固枝晶生長的影響差異相關[27-28]。Weldlite系列Al-Cu-Li合金是一種焊接性較好的Al-Li合金，主要原因為該系列合金調控了合適的Cu/Li比例，避開了裂紋敏感區間。此外，采用合適的填充金屬可以有效避免熱裂紋產生。在熔池凝固的最后階段，通常使用含有豐富合金元素如Cu，Mg或Si的填充金屬，來產生足夠多的剩余液相用于裂紋愈合[29]。Jan等[30]研究了焊絲合金成分對CO2激光焊接凝固裂紋敏感性影響，使用了Al-Si，Al-Mg和Al-Cu三種合金焊絲焊接2195合金。結果表明，含有豐富Si元素的焊絲能有效降低液化裂紋的敏感性。Montero等[31]在7075粉末中加入4%的純硅，通過改變凝固組織的微觀結構，完全避免了激光焊過程中熱裂紋的產生。

2.3 降低鋁合金熱裂紋敏感性的工藝措施研究

晶粒細化導致的晶界體積比的增加使偏析元素的峰值濃度降低，并且起到緩解熱應力的作用，從而降低了開裂傾向。此外，細化的晶粒尺寸可以促進枝晶間的液相填充效應，調節快速凝固過程中產生的應變，從而有效地避免了熱裂紋產生[32-33]。因此，細化凝固組織是一種抑制熱裂紋產生的常用工藝措施。Ishchenko[27]發現，在A1460合金的激光焊接中使用Sw1217(Al-10%Cu)填充絲，其焊接熱裂紋敏感性會顯著降低。另一方面，將一些元素如Zr，Ce和Sc作為形核劑加入到焊絲中，在凝固時能提供更多的成核位點，形成細小的等軸晶，也可以降低熱裂紋敏感性[34]。Ram等[35]對比了是用Ti，Ti+B和Zr作為形核劑對7020鋁合金焊接熱裂紋敏感性的影響。Opprecht等[32]采用添加2%釔穩定氧化鋯的方法，使凝固晶粒組織細化，避免了6061鋁合金焊接熱裂紋的產生。在7075鋁合金粉末中加入形核劑，通過熔絲增材制造方法也可制備出無裂紋的零件[36]。采用Sc和Zr改性的5XXX鋁合金Scalmalloy，凝固時會產生Al3Zr/Al3Sc形核相，抑制熱裂紋產生。Al3Sc顆粒與Al基體之間形成較低的界面能，成為晶粒結晶的非均相形核位點[33]。

通過調節工藝參數改變焊接區溫度場分布及熱循環參數，進而改變凝固區結晶形態，也是一種常見的抑制熱裂紋產生的方法。Hagenlocher等[37]通過正弦變化的工藝參數曲線(包括焊接速度、焊接功率和光斑尺寸)調控凝固速率和溫度梯度，進而調控凝固晶粒組織。在1.2 mm的AA6061薄板激光焊搭接焊縫中發現晶粒組織形態隨著工藝參數出現周期性變化。無參數變化時，焊縫中心處產生熱裂紋并貫穿整個焊縫。當工藝參數呈周期性變化時，中心熱裂紋變為周期性斷續出現(熱裂紋在等軸晶區中斷)，長度明顯減小。Moosavy等[38]通過預熱、提高激光功率和使用脈沖激光的方法降低了5456鋁合金的焊接熱裂紋敏感性。增加隨焊碾壓補焊工藝(利用機械法釋放焊接應力)可以有效降低熱裂紋敏感性，該方法在美國航天領域已有所應用[39]。周廣濤等[40]提出橫向超聲隨焊控制鋁合金焊接熱裂紋的方法，施加橫向超聲沖擊對BTR區金屬產生橫向壓縮塑性應變，抵消收縮應力以降低裂紋敏感性，并加以測試和模擬驗證。

Hosseini等[41]研究了焊接速度和焊接功率對AA2024-T351電子束焊接熱裂紋敏感性的影響。研究表明，接頭處的凝固裂紋敏感性很低，但液化裂紋敏感性仍較高。在使用高熱輸入量和低焊接速度的參數匹配時，焊縫底部的柱狀樹枝晶比例較高，同時低熔點共晶相Al2CuMg造成部分熔化區的晶界液化。由于柱狀樹枝晶生長及凝固收縮的方向性較強，部分熔化區的晶界液膜收到牽拉作用，產生液化裂紋。在使用低熱輸入量和高焊接速度的參數匹配時，焊縫底部的等軸晶比例增加，凝固收縮的方向性不顯著，提高了抗裂性，抑制了液化裂紋。

綜上所述，采用以下方法可以抑制航空航天用鋁合金在焊接過程產生熱裂紋：(1)調控熔池成分，使凝固區產生足量的剩余液相填充枝晶間隙；(2)加入形核劑以獲得細小等軸晶凝固組織；(3)通過調節溫度場及熱循環改善凝固組織并分散熱應力。

3 鎂合金焊接熱裂紋研究進展

鎂合金具有密度低、導熱性好、減震性強、可回收利用等特點，廣泛應用于汽車、飛機、電子產品等許多行業。ZK系列的鎂合金抗拉強度可達到350 MPa級別，在導彈零件、衛星支架、飛機機匣、座椅和儀表上有大量應用[42]。但鎂合金與鋁合金相比，共晶溫度更低，凝固溫度區間更寬，熱膨脹系數更高。因此鎂合金的焊接熱裂紋敏感性遠高于鋁合金。

AZ系鎂合金以Zn作為合金主元，熱裂紋敏感性較高。Zhang等[43]對AZ31進行激光脈沖點焊，分析了焊縫成形系數(熔寬與熔深之比)對冷卻過程中的溫度梯度的影響，進而分析該參數變化對初始凝固裂紋取向的影響。通過實驗和Feurer[17]的HCS模型證明了熔池冷卻時溫度梯度最大的方向和初始凝固裂紋形成的方向一致。此外，Zhang等[43]在原焊接工藝上增加了緩冷電流脈沖工藝，焊接功率減少到原來功率的30%且焊接時間增加10 ms，有效降低了點焊熔池界面的凝固速率，防止焊接成形系數小于0.8時初始裂紋的形成，降低了凝固裂紋敏感性。俞照輝等[44]在激光焊接鎂合金研究發現，由于鎂合金的脆性溫度區間寬且焊縫的應變增長率和焊接速度成正比，因此較低的焊接速度能降低鎂合金的熱裂紋傾向。

Munitz等[45]使用鎢極氬弧焊對AZ91D板進行焊接，發現了部分熔化區晶界上存在大量連續的β-Al12Mg17相，并導致接頭脆性斷裂。Zhu等[46]通過熱模擬實驗研究了AZ91D部分熔化區轉變的過程，發現共晶相會在較小的溫度區間(430～434 ℃)內快速熔化。Chai等[47]發現焊接加熱過程中存在低共晶溫度的鎂合金，如Mg-Zn合金，容易發生液化開裂。在鎢極惰性氣體保護焊(gas tungsten arc welding, GTAW)過程中，鎂合金的液化裂紋敏感性隨鎂合金中Zn含量的增加而增大。Zn含量越高，產生共晶液膜越多。Yuan等[5]采用橫向拘束環形焊縫裂紋實驗測試鎂合金液化裂紋敏感性，發現鎂合金GTAW焊縫產生了液化裂紋，并且裂紋的長度與板材和填充絲的成分差異密切相關。該研究表明，通過比較工件和焊縫的溫度-固相分數(T-fs)曲線，可以有效預測同種/異種鎂合金母材與焊材組合匹配條件下的液化裂紋敏感性。該預測方法可指導選擇合適的鎂合金焊接填充金屬，以避免液化裂紋產生。

4 先進高強鋼焊接熱裂紋研究進展

起落架是飛行器中的關鍵裝置，而高強鋼是制造起落架的最主要材料[48]。先進高強鋼(advanced high strength steel, AHSS)是一種應用領域廣泛的輕量化結構材料，第一代以TRIP鋼為代表的AHSS，合金元素含量較低，以鐵素體為基體組織；第二代AHSS以TWIP鋼為代表，含有更多的奧氏體組織，但合金元素含量也較高；第三代AHSS以Q&P鋼為代表。高強鋼中合金元素含量較高，這使其在焊接過程中容易產生熱裂紋。盡管高強度鋼焊縫區組織中的針狀鐵素體具有一定的抗冷裂紋效應[49]，焊縫中心縱向熱裂紋仍會導致焊接結構破壞失效[50]。由于焊縫中心部位最后冷凝，因此該處凝固枝晶組織受熱應力牽拉發生縱向開裂形成熱裂紋[51]。焊接速度低、焊縫區高深寬比或焊接結構設計不合理，都可能引發熱裂紋。從微觀組織的角度來看，凝固時低熔點化合物和粗晶組織會明顯增加熱裂紋的敏感性[52]。

Saadati等[53]研究了G50和G80兩種HSLA鋼熔化極氣保護焊接頭的熱裂紋敏感性。G50焊縫因含較少合金元素，與G80焊縫相比，熱裂紋敏感性更低。Saha等[54]對TWIP鋼電阻點焊接頭的液化裂紋進行了研究，發現液化裂紋中存在高含量Mn元素和C元素的偏析。隨著熱輸入量的增大，裂紋敏感性增大。

Agarwal等[55]研究了DP鋼和TRIP鋼的激光焊熱裂紋敏感性，發現TRIP鋼的熱裂紋敏感性高于DP鋼的原因主要是熔池凝固行為和磷元素的偏析差異。通過EBSD觀察到焊縫中心TRIP鋼晶粒徑直生長而DP鋼晶粒彎曲生長，TIRP鋼中磷元素偏析嚴重且集中于焊縫中心。通過有限元模擬得到TIRP鋼與DP鋼熔池形貌與糊狀區分布，TRIP鋼熔池呈較大的淚滴狀，DP鋼為橢圓狀且糊狀區較小。

此外，Agarwal等[55]還通過數值模擬研究了焊縫橫向施加拉應力時焊縫的應變分布，TRIP鋼淚滴狀熔池焊縫中心聚集了多個枝晶剩余液相形成的液膜，應變集中于焊縫中心。DP鋼橢圓狀熔池中枝晶在焊縫中心彎曲生長形成多個晶界，應變分配到多個晶界上，開裂傾向低。

Kota等[56]在奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性的研究中發現，鈮、鈦、鋯等合金元素含量的增加會提高脆性溫度區間，增加熱裂紋敏感性。相比較而言，碳含量增加，尤其在含微量鈦元素時，奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性會降低。

元素偏析、晶粒組織和形態對先進高強鋼的熱裂紋敏感性具有重要影響。降低元素偏析程度、提高細小晶粒的比例以及控制枝晶生長的取向，使應力和應變能夠更好地分散，是降低先進高強鋼熱裂紋敏感性的主要工藝手段。

5 鎳基高溫合金焊接熱裂紋研究進展

鎳基高溫合金是以鎳為主要基體成分的合金體系，按強化方式分為固溶強化型和析出強化型兩類。其中Inconel 718沉淀硬化型鎳基高溫合金具有室溫強度高、疲勞強度高、高溫抗氧化、抗蠕變性能好的優點，大量應用于航空航天結構、燃氣渦輪發動機部件、核工業和石化工業。鎳基高溫合金在焊縫凝固過程中表現出更大的熱裂敏感性。較寬的凝固溫度[57]和偏析導致晶界處的低熔點共晶，引發凝固開裂[58]。在凝固終止階段，焊縫金屬不足以承受冷卻時產生的拉應力而開裂，具有裂紋沿晶界擴展的特征[59]。

Inconel 718的焊接性問題主要是由于焊后存在Laves脆性偏析相和液化裂紋導致接頭的力學性能較差，而熱裂紋也受Laves相影響[60]。枝晶富集元素Ni，Fe和Cr，而Laves相在枝晶中則富集Nb，Mo和Si以及Ti。在Inconel 718接頭熔化區中，由于較高的熱輸入和橫向速度，焊縫中心形成熱裂紋[61]。熔池呈淚滴狀，熔化區中柱狀晶粗大，共晶體積分數高，沿中心線分布且為脆性相。在連續加熱過程中，易于在焊接時最先熔化并導致凝固開裂[62]。而奧氏體晶界上含有Nb，Mo，B等的析出相受焊接熱輸入影響而發生液化，從而導致液化裂紋產生[63]。

合金成分、晶粒尺寸、焊縫熱循環等因素也對Inconel 718合金的焊接熱裂紋有顯著影響。Ahn等[64]的研究表明Inconel 718的凝固裂紋與沿晶界形成的NbC和Laves相等共晶組分密切相關。Antonsson等[65]通過差熱分析研究了Inconel 718合金中元素的偏析，發現Nb的富集會形成NbC和Laves相，是引起熱裂的最重要的因素。Ojo等[66]發現對Inconel 738中Ni3(Al, Ti) γ′相的含量對熱影響區晶界液化和開裂敏感性有重要影響。

Radhakrishna等[67]研究了鎳基合金GTAW焊接中Laves相形成的機理。合金元素Nb，Ti和Mo的微觀偏析導致了Laves相的形成。通過調整焊接熱輸入量、冷卻速率和焊后熱處理工藝參數，可以有效減少Laves相的產生。Ye等[68]研究了Inconel 718鎢極氬弧焊接頭的熱裂紋，在焊縫上觀察到各種凝固裂紋和HAZ液化裂紋，HAZ液化開裂時有Laves相出現。當熱輸入量較高時，焊件容易開裂。采用低熱輸入的熔坑磨削焊接工藝，并進行焊前均質化熱處理，可以有效避免Inconel 718的凝固裂紋及液化裂紋產生。

Manikandan等[69]研究了冷卻速率對Laves相形成的影響。通過Scheil非平衡凝固模型與CALPHAD結合計算出各組分凝固區間。使用脈沖TIG焊工藝提高冷卻速率，可以有效降低熱裂紋敏感性。這是由于減少凝固區處于敏感溫度區間的時間，使得Laves相的生成量顯著降低。

Ramkumar等[70]研究了Inconel 718 TIG焊接接頭的微觀組織和力學性能，研究發現使用ErNiCu-7焊絲的試樣焊縫凝固組織不生成Laves相，因此接頭具有較高的延伸性。Thavamani等[71]對Inconel 718合金進行了超聲振動輔助的鎢極氣體保護焊熱裂紋敏感性的研究。超聲輔助工藝不能完全消除熱裂紋，但可以使裂紋的總長度顯著降低。在超聲空化作用下產生的溶質元素均質化、枝晶破碎、均質和非均質形核效應是熱裂紋受到抑制的主要原因。Bai等[72]通過高頻微振動輔助激光焊接抑制了熱裂紋的形成。微振動可以打破初生的枝晶臂而形成二次枝晶，從而細化晶粒，并且Laves相的生成量和在枝晶間的分布都明顯減少。

鎳基高溫合金焊縫熱裂紋是Laves相生成和元素偏析在焊接熱應力作用下的結果。因此其相關研究熱點主要集中在通過均質化處理、熱處理和超聲輔助焊等工藝降低Laves相和元素在晶界附近的富集，從而降低鎳基高溫合金的熱裂紋敏感性。

6 結束語

高焊接熱裂紋敏感性是制約新一代合金材料在航空航天領域推廣應用的技術瓶頸。本文從熱裂紋產生機理，量化裂紋敏感性的判據模型，以及高強鋁合金、鎂合金、先進高強鋼和鎳基高溫合金四種材料的相關研究對先進航空材料熱裂紋敏感性的研究進展進行了綜述，并展望了量化判據建立及抑制方法的發展趨勢。

(1)熱裂紋敏感性的判據可以分為應力準則、應變準則、應變速率準則和非力學準則。熱裂紋的形成過程受合金的成分、剩余液相的填充能力、晶粒的生長行為和凝固行為等因素影響。

(2)合金成分及其凝固行為直接影響熱裂紋敏感性。高強鋁合金和鎂合金中的低熔點共晶體是引發熱裂紋的主要原因。先進高強鋼和鎳基高溫合金材料的合金組元更為復雜，枝晶偏析和脆性析出相是導致熱裂紋產生的主要原因。

(3)添加形核劑細化晶粒，促進剩余液相進入枝晶間隙補縮，并且分散應力，有助于抑制焊接熱裂紋產生；改變工藝參數調控凝固組織的枝晶取向及晶粒度，有助于降低裂紋敏感性；此外，預熱、緩冷和超聲輔助等方法也有助于抑制熱裂紋。

(4)等軸晶和柱狀晶的熱裂紋敏感性差異很大，而目前已有的解析判據是多以某固定形態晶粒為假設，因此發展數值模型用于定量研究結晶形態變化對熱裂紋敏感性的影響十分必要。

(5)由于對熱裂紋形成過程的觀察較為困難，數值模擬是一種方便高效的研究方法。通過數值模擬結合材料熱力學數據庫是研究焊接熱裂紋現象的重要手段。在此基礎上，建立熱裂紋敏感性量化判據，用于預測及抑制熱裂紋，有助于推進新型合金材料在航空航天領域的應用。