GH4169焊接與熱處理后拉伸性能試驗研究*

于 浩，董 江

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 引 言

航空發動機作為飛機的心臟，其內部構件的結構強度直接影響飛機的飛行安全[1-3]。由于流場測量裝置需安裝在發動機流道內，如果出現破損、斷裂之類的結構破壞，輕則損傷發動機轉子部件，重則導致機毀人亡的重大事故，因此結構強度是發動機流場測量裝置設計的關鍵指標[4-5]。某發動機在試飛過程中需要在渦輪后加裝流場測量裝置，該部位溫度較高，傳統的材料不足以滿足高溫下的強度要求，擬選用GH4169作為測量裝置的主體材料，由于該測量裝置在加工過程中需要進行焊接，為保證結構強度滿足使用要求，需要對GH4169焊接后的材料性能進行研究。GH4169合金(美國牌號Inconel718)是一種沉淀強化型鎳基高溫合金，在650 ℃以下具有屈服強度高、塑性好、抗氧化能力強、焊接性能好的特點[6-7]。目前國內外關于GH4169材料的力學性能在高溫合金手冊中已有較詳細的介紹[8]。

釬焊是焊接高溫合金常用的方法之一[9]，同材釬焊具有良好的潤濕性，能夠形成良好的焊接接頭。但是由于釬材中添加了Si、B等降低熔點的材料，易導致接頭脆化使接頭的性能降低[10-11]，同時釬焊過程也會破壞GH4169材料的組織，使焊接區域晶粒粗大，產生較大的殘余應力[12]。為提高GH4169的焊接性能，國內外研究者進行了一些研究，A.T.Egbewande等人[13]研究了焊接前熱處理方式對焊接熱影響區域裂紋敏感度的影響，研究發現熱處理時產生較少晶間液化的試件在焊接時有更高的裂紋敏感性；方海鵬等[14]研究了熱處理對GH4169電子束焊接頭的影響，發現焊接接頭的強度較未進行熱處理時提高了61%；張奇等[15]對GH4169零件釬焊接后的性能恢復工藝進行了研究，確定了改善GH4169材料釬焊后性能的最優工藝參數。

筆者設計加工了GH4169焊接試驗試件，研究了三種不同深度斜切口試件焊接接頭的接合效果，確定了接頭切口深度；另外，對三種不同焊接及熱處理工序的試件及兩件對比試件進行拉伸試驗，研究了焊接及熱處理工序對GH4169材料拉伸性能的影響。

1 試驗件設計

試驗選用了棒試件作為實驗對象，其結構尺寸如圖1所示。

圖1 試驗件圖紙

試件總長度96 mm，分為三個部分，裝夾段、過渡段和標距段，標距段長36 mm，直徑6 mm。焊接試件在完整試件標距段中間截斷，為保證試驗件焊接強度，在焊接部分加工45°斜切口，焊接采用釬焊的方式，焊絲材料與母材相同。焊接完成后對焊接處進行打磨處理，保持焊接處的試件直徑與標距段保持一致，試件表面平整光滑。

2 接頭切口深度確定試驗

試驗件直徑較大，在焊接過程中由于對接部位較深，可能造成接頭中心位置焊接不完全，存在空心現象，因此在正式試驗前對試件的焊接效果進行了試驗研究。通過在接頭處加工一定深度的斜切口提高試驗件的有效焊接深度，當切口深度分別為1 mm、2 mm、2.5 mm時焊接后橫斷面如圖2所示。

圖2 接頭焊接效果對比

從試件的橫斷面可以發現，當斜切口深度為1 mm時，對接面的直接接觸面積較大，由于焊接時材料的熔合深度不足以到達試件的中心，因此在試件中心位置出現了較大的未接合部位，焊接缺陷明顯。增加斜切口的深度到2 mm時，焊接橫斷面的未接合部分面積明顯縮小，繼續提高斜切口的深度到2.5 mm，可以看到焊接部位已經完全接合，從試驗結果可以看出將斜切口的深度定為2.5 mm時焊接效果能夠滿足試驗要求，故將接合面斜切口深度定為2.5 mm。

3 拉伸試驗

拉伸試驗系統以深圳SANS CMT5105電子拉伸試驗機為平臺，此平臺集成了萬能夾具和電子引伸計，能夠在大氣環境下針對金屬材料開展力學試驗，最大拉力100 kN，溫度為15 ℃。拉伸試驗采用位移控制，加載速率選用GB/T 228.2-2010推薦的應變率10-4量級，符合準靜態加載要求。試驗件通過卡頭安裝在試驗機上，在試驗開始階段使用引伸計測量試件應變，在試驗件進入屈服階段后，取下引伸計以保護設備，如圖3所示。

圖3 試驗件的安裝

為研究不同的焊接熱處理工藝順序對試驗件的拉伸強度影響，分別開展五組試件拉伸試驗，如表1所列。

表1 試驗件分類明細表

拉伸試驗按以下步驟進行：

(1) 將試件上端固定在試驗機上夾具內，調整試驗機到零點。

(2) 將引伸計用橡皮筋固定在試驗件標距段內。

(3) 開動試驗機進行拉伸，控制拉伸速度為0.2 mm/min，并記錄數據。

(4) 當試驗件進入屈服階段后，將引伸計取下，繼續進行拉伸試驗直到試件斷裂。

4 試驗結果分析

開展未經過時效處理的原始材料及其焊接后試件拉伸試驗。根據實驗數據作出了試件名義應力和卡頭位移的關系曲線，如圖4所示。

圖4 未熱處理試件試驗曲線

由試驗結果可知，對于未進行熱處理的試件，焊接試件與完整試件的拉伸強度基本保持不變，分別為825 MPa和820 MPa。但從拉伸曲線可以看出，相對于完整試件，焊接試件的拉伸曲線在過屈服后斜率更大，同時斷裂時的卡頭位移距離更小，未進行熱處理的試件經過焊接后其韌性降低，延展性變差，完整試件延伸率為68%，焊接試件的延伸率為28%。如圖5所示的試件的斷口可以看出，完整試件在斷裂前經過了明顯的縮頸過程，斷口接近45°斜向斷裂；焊接試件沒有明顯的頸縮過程，斷口接近平面斷裂。

圖5 未熱處理試件

在實際使用過程中，為提高材料的強度會對材料進行固溶時效處理，熱處理的方式為(950～980)±10 ℃，1 h；720±5 ℃空冷，8 h，50 ℃/h,爐冷至620±5 ℃，8 h。

分別對固溶時效處理后的完整試件和焊接試件進行了拉伸試驗，根據拉伸試驗數據做出了試件名義應力和卡頭位移之間的關系曲線，如圖6所示。

圖6 固溶時效處理試件試驗曲線

由實驗數據可知，GH4169材料經過固溶時效處理之后，其拉伸強度顯著提高，拉伸極限強度達到1 430 MPa，但同時材料韌性降低，試件延伸率降低至22%。固溶時效處理試件焊接性能較差，焊接試件拉伸強度為770 MPa，僅為完整試件的53.8%。試件的延伸率為11%，相比于熱處理后的完整試件進一步降低。從實驗結果來看，焊接對試件的熱處理效果破壞較明顯，對比可以發現，熱處理后焊接試件的拉伸強度不及未熱處理焊接試件的拉伸強度，且斷口位置都在接頭位置，說明接頭位置是焊接試件的薄弱點。試驗件斷口如圖7所示。

圖7 固溶時效處理試件

鑒于熱處理后試件的焊接強度下降明顯，不能滿足結構的使用要求，為提高焊接強度，調整工藝順序，對原始棒材先進行焊接再對焊接后的試件進行固溶時效處理，再將試驗件標距段打磨處理，焊接后固溶時效處理試件與焊接前固溶時效處理試件以及固溶時效處理完整試件的的拉伸曲線對比如圖8所示。

由圖8可以看出，焊接后固溶時效處理試件的拉伸強度為1 230 MPa，其焊接強度相當于固溶時效處理完整試件的91.8%，相對于焊接前固溶時效處理試件有明顯的提高，但材料的韌性降低程度較大，延伸率僅為4.2%，通過實驗曲線可以發現，焊接后固溶時效處理試件的韌性下降比較嚴重，屈服后短時間內就發生了斷裂，從如圖9所示的試件斷口可以看出二者的明顯區別，焊接后的試件斷口與主應力方向垂直，斷口平齊，斷裂方式為脆性斷裂，而標準試件斷裂時發生了較大的塑性變形，斷口附近有明顯縮頸現象，有較為明顯的斜斷面，斷面位于最大切應力方向，斷裂為韌性斷裂。鑒于材料的這種特性，在使用過程中需要提高材料的安全系數，將焊接部位設計在應力水平較低的位置，以防因瞬時應力過大導致結構在焊接部位產生脆性斷裂，造成嚴重事故。

圖8 焊接后固溶時效處理試件拉伸曲線

圖9 焊接后固溶時效處理試件

5 結 論

通過開展不同接頭切口深度焊接效果及焊接熱處理工序對GH4169材料拉伸性能的影響研究，重點結果總結如下。

(1) GH4169材料在焊接過程中熔合深度小于1 mm，需要在接頭位置加工深度適當的斜切口才能使接頭部位完全熔合，可為后續構件的制造工藝設計提供參考。

(2) 未熱處理的GH4169材料拉伸強度為825 MPa，截斷焊接后拉伸強度為820 MPa，拉伸強度未見明顯變化，韌性有較明顯的下降；經固溶時效處理的GH4169材料拉伸強度為1430 MPa，提高73%，截斷焊接后的拉伸強度為770 MPa，焊接性能明顯降低。

(3) GH4169材料焊接后進行固溶時效處理可以大幅地提高焊接部位的拉伸強度，可以達到1230 MPa，為未經焊接時的91.8%，但是試件的韌性下降較大，試驗件延伸率僅為4.2%，說明經過固溶時效處理的焊接部位在過屈服后極易發生脆性斷裂，因此在使用過程中應提高安全系數，避免焊接部位的應力水平過高，為后續測量裝置制造工藝及強度設計提供了參考。