IN718/FGH96慣性摩擦焊接頭焊縫區微觀組織狀態與織構分布特征

張 露，張春波，廖仲祥，烏彥全，張國棟，周 軍

1.中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241 2.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

航空發動機是一種結構高度復雜且精密的熱力機械，具有技術難度大、耗資多、周期長等突出特點，其研發是一個國家綜合國力的重要體現。焊接作為航空發動機的關鍵制造技術之一，可代替原始的螺栓連接結構，采用焊接結構不但可以減輕發動機的結構質量，還能提高發動機的結構強度，從而提升發動機的整體性能[1]。航空發動機高壓壓氣機及高壓渦輪等轉動部件作為動力傳動組件，需要在高溫、高壓及大扭矩等惡劣環境下長期穩定工作，其中高壓壓氣機系統隨著級數的增加，工作溫度逐漸升高，因此對其制造材料提出了極其苛刻的性能要求。目前，為滿足航空發動機高壓壓氣機及高壓渦輪組件的高溫工作環境要求，根據工作溫度不同，多采用變形高溫合金（如IN718）和粉末高溫合金（如FGH96）材料，其轉動部件也從同質材料向異質材料發展，對焊接工藝也提出了更高的技術要求。

粉末冶金高溫合金以其晶粒細密、組織均勻、宏觀偏析小、屈服強度高及疲勞性能好等特點已經成為航空發動機高溫轉子組件制造的最佳材料。FGH96是一種γ′相沉淀強化型粉末高溫合金材料，最高使用溫度可達到750℃，具有較好的抗裂紋擴展能力[2]。IN718合金則是以γ′相、γ″相和δ相沉淀強化的變形高溫合金，其最高使用溫度為650℃，在抗疲勞、抗氧化及耐腐蝕等方面均具有良好性能[3]。

慣性摩擦焊作為一種固相焊接技術，具有工藝控制參數少，熱輸入小、變形小及焊縫窄等優點[4]，因焊接過程中界面金屬未發生熔化而處于高溫塑性狀態，有效地避免了熔化焊過程中易形成的裂紋、未熔合、未焊透及組織偏析等缺陷[5-6]，尤其適用于變形高溫合金與粉末高溫合金等異種材料軸對稱部件的焊接[7-8]。因此，對于航空發動機高壓壓氣機及高壓渦輪等轉動部件的同種/異種高溫合金與粉末高溫合金材料的連接，慣性摩擦焊是目前最有效且可行的方法。作為航空發動機核心轉動部件的重要制造工藝，慣性摩擦焊已在國外多種先進航空發動機型號上得到成功應用[9]。

文中以FGH96和IN718異質合金間的慣性摩擦焊接頭為研究對象，分析接頭焊縫區在特定工藝參數下的微觀組織狀態與織構分布特征，為后續FGH96和IN718異質合金的慣性摩擦焊接頭的組織性能調控提供理論支撐。

1 試驗方法

慣性摩擦焊接試驗母材采用沉淀強化型的IN718變形高溫合金和FGH96粉末冶金高溫合金，其中IN718合金為固溶+時效態，強化相分別由γ′相、γ″相及δ相組成，其中γ″（Ni3Nb）為主要強化相，γ′（Ni3Al/Ti）為輔助強化相，γ″和γ′為共格強化相，當材料溫度高于650℃時或長時間工作條件下亞穩γ″相會轉變為穩定的δ相。FGH96是基體為γ相、γ′為主要強化相的粉末冶金高溫合金，焊前狀態為固溶+半時效狀態。焊接鍛件尺寸外徑為367 mm，壁厚10 mm。FGH96和IN718高溫合金母材的微觀組織形貌如圖1所示，其中FGH96和IN718均由等軸狀γ相晶粒組成，FGH96晶粒直徑約為20 μm，沿晶界分布有細小的顆粒狀增強相組織；IN718晶粒直徑約為15 μm，在γ相晶界上分布有少量等軸狀及大量棒狀結構的δ相組織。

圖1 FGH96和IN718合金母材微觀組織Fig.1 Microstructure of FGH96 and IN718 base material

FGH96+IN718異質合金間的慣性摩擦焊接采用哈爾濱焊接研究院有限公司（HWI）自主設計研發的HWI-IFW-600B型慣性摩擦焊機，根據前期的研究基礎，選取優化后的焊接工藝參數完成了FGH96和IN718的慣性摩擦焊接試驗。焊接工藝參數為：初始轉速350 r/min、轉動慣量3 000 kg·m2、焊接壓力400 MPa。分別采用掃描電子顯微鏡（SEM）及背散射電子衍射分析（EBSD）等顯微技術，分析表征了焊接狀態下FGH96+IN718慣性摩擦焊接頭焊縫區的微觀組織類型與織構分布特征。

2 實驗結果與分析

2.1 微觀組織特征

FGH96+IN718慣性摩擦焊接頭焊縫區在焊接狀態下的EBSD分析的晶粒菊池襯度圖（BC）（其中黑線表示>15°的大角度晶界；白線表示2°～15°的小角度晶界）和晶體取向圖（IPF）檢測結果如圖2所示。可以清晰地觀察到，FGH96+IN718慣性摩擦焊接頭在焊縫區中心位置存在一條清晰且曲折的界面熔合線，異質合金焊接界面融合良好，未觀察到有氧化夾渣及微型裂紋等缺陷存在。其中IN718側焊縫區晶粒尺寸小于FGH96側焊縫區，主要原因是在慣性摩擦焊接的高溫熱循環及焊接力耦合作用下，摩擦界面及其附近區域產生的大量亞晶粒發生了動態再結晶，同時因慣性摩擦焊接速度快、時間短，在焊縫區晶粒發生連續的再結晶過程中，細小的再結晶晶粒因未有充足的時間長大，從而在焊縫區形成了細小均勻的等軸晶粒組織，在IN718和FGH96側焊縫區細小等軸晶粒尺寸分別約為10 μm和15 μm。

圖2 IN718+FGH96接頭焊縫區晶體取向分布Fig.2 Crystal orientation distribution of IN718+FGH96 joint weld zone

IN718和FGH96合金中基體γ相為面心立方（fcc）的奧氏體結構，其中｛111｝面為密排孿晶界面，具有較低的層錯能，致使合金在大應變變形過程中容易沿面心立方結構的｛111｝密排面上的<11-1>密排方向滑移形成大量孿晶（見圖3），而慣性摩擦焊接頭焊縫區的動態再結晶過程不僅細化了晶粒尺寸，也消除了原始晶粒內的孿晶。此外，焊縫區均由細小的等軸γ相晶粒組成，基本沒有γ′強化相，主要是慣性摩擦焊過程中摩擦界面溫度已超過了γ′相的完全固溶溫度[10]，使得γ′強化相完全溶解于基體γ相中，加之慣性摩擦焊接的快速加熱和冷卻，焊接時間短，γ′相沒有充足時間析出，致使焊縫區幾乎觀察不到γ′相組織。

圖3 IN718和FGH96母材晶體取向分布Fig.3 Crystal orientation distribution of IN718 and FGH96 base material

圖2b為焊縫區晶體取向分布圖，較好地展示了焊縫區再結晶晶粒的取向分布特征。接頭焊縫區在熱力耦合作用下的動態再結晶過程中重塑了原始母材中的晶體取向狀態，致使焊縫區再結晶晶粒在<111>、<101>及<001>方向均有分布。圖4為接頭焊縫區在｛100｝、｛110｝及｛111｝晶面上的極圖，可以看出焊縫區最大的晶體織構強度不超過完全無織構時強度的2.6倍，表明晶體織構的擇優取向強度較弱，對織構強度無明顯影響，基本可以忽略不計，也較好地證明了圖2b中晶體的雜亂分布特征。此外，焊縫區的晶體取向再分布促使了相鄰晶粒間以大角度晶界為主（見圖2a），小角度晶界主要集中在晶體內部，焊縫區晶體取向差如圖5所示，其中小角度晶界僅占11.7%、大角度晶界占65.1%，也從側面再次證明了經歷動態再結晶的焊縫區晶體取向的雜亂分布特征。

圖4 IN718+FGH96接頭焊縫區極圖Fig.4 Pole figure in weld zone of IN718+FGH96 joint

圖5 IN718+FGH96接頭焊縫區晶體取向差Fig.5 Crystal misorientation of IN718+FGH96 joint weld zone

焊縫區在｛111｝<11-1>滑移系和X軸方向載荷下的Schmidt因子分布如圖6所示，其Schmidt因子大小可間接評估焊接接頭在特定載荷方向下的焊縫區晶粒內滑移系啟動能力，即變形難易程度。由圖6可知，焊縫區大部分γ相晶體內的｛111｝<11-1>滑移系在X軸/RD方向載荷下的Schmidt因子均接近0.5，檢測結果表明IN718+FGH96慣性摩擦焊接頭焊縫區γ相晶體的｛111｝晶面和<11-1>晶向與X軸方向的夾角接近45o，使得X軸方向的載荷在｛111｝晶面和<11-1>晶向具有最大的分切應力，促使γ相晶體的｛111｝<11-1>滑移系更容易啟動并逐漸形成大量的位錯，從而降低接頭焊縫區的力學性能。

圖6 IN718+FGH96接頭焊縫區Schmidt因子分布Fig.6 Schmidt factor distribution of IN718+FGH96 joint weld zone

2.2 高溫拉伸試驗

IN718+FGH96慣性摩擦焊接頭在650℃條件下的高溫拉伸檢測斷后試樣及強度性能檢測結果分別如圖7、圖8所示，5組試樣的抗拉強度均值為1 126.3 MPa，屈服強度均值為998.9 MPa。

圖7 IN718+FGH96接頭拉伸試樣Fig.7 Tensile samples of IN718+FGH96 joint

圖8 IN718+FGH96接頭強度性能Fig.8 Strength properties of IN718+FGH96 joint

從圖7可以明顯觀察到，IN718+FGH96慣性摩擦焊接頭在650℃高溫條件下均斷裂于焊縫中心位置，表明焊縫區的強度性能低于母材，主要原因是慣性摩擦焊接過程中的高溫促進IN718和FGH96母材中彌散分布的細小γ′、γ″及δ強化相轉化為γ相，在焊縫區形成了單一的等軸狀γ相組織，接頭焊縫區強化作用減弱，從而降低了焊接接頭的強度，使得焊接接頭在650℃高溫條件下的拉伸試樣斷裂于焊縫區。其次，拉伸試樣斷裂于接頭焊縫區也間接證明了圖6中焊縫區內大部分γ相晶體內的｛111｝<11-1>滑移系在X軸/RD方向載荷下的Schmidt因子均接近0.5，γ相晶體的｛111｝<11-1>滑移系在軸向力作用下更容易啟動的分析結果。

3 結論

（1）IN718+FGH96慣性摩擦焊接接頭焊縫區由均勻的等軸γ相晶粒組成，IN718和FGH96側焊縫區晶粒尺寸分別約為10 μm和15 μm。

（2）IN718+FGH96慣性摩擦焊接接頭焊縫區再結晶晶體取向分布狀態雜亂，致使晶體織構強度較弱，可忽略不計，相鄰晶體間也以大角度晶界為主，大角度晶界占比達到65.1%。

（3）動態再結晶后的焊縫區及相鄰焊縫區大部分γ相的｛111｝<11-1>滑移系在X軸方向載荷下的Schmidt因子接近0.5，γ相晶體的｛111｝<11-1>滑移系在軸向力作用下更容易啟動并逐漸形成大量的位錯，降低接頭力學性能。

（4）五組拉伸試樣抗拉強度均值為1 126.3 MPa，屈服強度均值為998.9 MPa，焊接高溫促進了γ′、γ″及δ強化相轉化為γ相，焊縫區強化作用減弱，使得拉伸試樣斷裂于焊縫區。