熱處理對A286鐵基高溫合金激光焊接接頭組織和性能的影響

張兵憲，雷龍宇，杜明科，張云龍，張 敏

(1.中航西安飛機工業集團股份有限公司，西安 710089；2.西安理工大學材料科學與工程學院，西安 710048)

0 引 言

A286(國內牌號GH2132)合金屬于鐵基時效強化型高溫合金，是在Fe-25Ni-15Cr合金的基礎上加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼元素而得到的，其主要強化相是彌散分布的γ′-Ni3(Ti, Al)[1-3]。該合金在650 ℃以下具有較高的強度和優異的抗蠕變性能，并且具有優良的焊接性能、成形性能，在航空航天領域應用廣泛，主要用于制造在高溫下長時間工作的航空發動機承力部件及緊固件等[3-7]。

目前，可采用電阻焊、激光焊和電子束焊等方法對高溫合金進行焊接。其中，激光焊接具有能量集中、熱輸入小、焊接速度快、焊件變形小等優點，在實際生產中應用廣泛，尤其適用于薄板的焊接[8-13]。有關高溫合金激光焊接及熱處理工藝已有較多研究報道。謝道彪[14]研究發現，焊后熱處理可提高GH4169合金激光對接焊接頭的屈服強度、抗拉強度和硬度，但會降低斷后伸長率。郭占英等[15]研究了熱處理對GH4169合金激光焊接接頭組織和性能的影響，發現熱處理能夠優化焊縫組織、消除殘余應力、析出強化相，從而提高接頭的強度和硬度。姚志浩等[16]研究發現，在固溶溫度930～1 020 ℃范圍內，隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長，A286合金中γ′相回溶入基體，晶粒逐漸長大，硬度降低。歐梅桂等[17]研究發現，對982 ℃固溶后的GH2132合金進行700 ℃時效處理后，合金強度大幅提高，韌性有所下降，將時效溫度提高至718 ℃后，γ′相析出量增加，強度進一步提高，韌性與經700 ℃時效處理后相比略有提升。目前針對A286高溫合金焊接件的熱處理研究較少。

因此，作者采用固溶和固溶+時效2種熱處理工藝對A286激光焊接接頭進行焊后熱處理，研究不同熱處理工藝對其顯微組織和力學性能的影響，擬為提高A286合金激光焊接接頭的性能提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為某廠家提供的厚度為0.8 mm的軋制態A286鐵基高溫合金薄板，化學成分如表1所示。采用不加絲激光焊接方法進行焊接，根據前期試焊結果確定如下參數：焊接速度500 mm·min-1，激光功率720 W，離焦量+2 mm。焊后在SANTE STM-36-14型箱式電阻爐中對焊接接頭進行整體熱處理，具體工藝如表2所示。

表1 A286合金的化學成分

表2 焊接接頭的熱處理工藝

利用線切割機在焊接接頭上沿焊縫橫向位置切取尺寸為25 mm×20 mm×0.8 mm的金相試樣，經鑲嵌、打磨(使用80#，240#，400#，600#，800#，1000#，1200#，1500#金剛石砂紙逐級打磨)、拋光后，采用王水進行腐蝕，腐蝕時間為30～60 s，直至焊縫輪廓清晰可見。采用Olympus-GX71型倒置光學顯微鏡觀察截面宏觀形貌和顯微組織。以焊縫為中心垂直于焊接方向截取如圖1所示的拉伸試樣，使用Zwick Z100型電子拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，屈服前的拉伸速度為0.005 mm·min-1，屈服后的拉伸速度為24 mm·min-1。使用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。采用MHV-1000Z型顯微維氏硬度計對焊縫至母材區域的硬度進行測試，載荷為0.98 N，保載時間為15 s，測試間隔為0.2 mm。

圖1 拉伸試樣的形狀及尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 對宏觀形貌的影響

由圖2可見,未熱處理焊態接頭成形良好，焊縫連續、平直、寬度均勻，未出現焊穿、下塌、咬邊和表面裂紋等缺陷，焊縫組織致密，未觀察到裂紋、氣孔等缺陷。經過固溶處理后，焊接接頭的表面及橫截面宏觀形貌變化不明顯；經過固溶+時效處理后，焊接接頭焊縫高度與固溶態相比有所減小，焊縫寬深比增大。

2.2 對顯微組織的影響

由圖3可見,焊態A286合金激光焊接接頭焊縫的顯微組織主要由δ鐵素體、γ′相、奧氏體組成。受A286合金中鉻、鎳含量的影響，在凝固過程中偏聚于亞晶界的鐵素體生成元素(鉻、鉬等)促使熔體發生包晶反應，從而生成高溫δ鐵素體，同時增加了鐵素體的穩定性，使得部分鐵素體保留至室溫。母材組織仍由較為細小的奧氏體組成。經固溶處理后，焊縫的顯微組織主要由大量的網狀δ鐵素體+奧氏體基體和少量的γ′相組成，這是由于固溶處理時間較短，鐵素體向奧氏體的轉變不充分[18]。與焊態相比，固溶處理后焊縫組織中δ鐵素體的含量略微減少，這是由于在固溶處理過程中δ鐵素體向基體發生了部分回溶。固溶處理后焊接熱影響區和母材組織主要為奧氏體，且晶粒細小。在熔合區發現明顯的柱狀晶粒，均垂直于熔合線向焊縫中心生長，這主要與焊接過程中的溫度梯度有關。與焊態相比，固溶處理后焊縫組織中γ′相的數量略微減少，這是因為固溶處理時間較短導致γ′相未完全固溶，而部分溶入基體后造成。

圖2 未熱處理和不同工藝熱處理后A286合金激光焊接接頭的宏觀表面和截面形貌Fig.2 Macro morphology of surface (a,c,e) and cross section (b,d,f) of A286 alloy laser welded joint without heat treatment (a-b) and after heat treatment by different processes (c-f): (c-d) solid soution; (e-f) solid solution+aging

圖3 未熱處理和不同工藝熱處理后A286合金激光焊接接頭不同區域的顯微組織Fig.3 Microstructure of A286 alloy laser welded joint at different area without heat treatment and after heat treatment by different processes: (a)without heat treatment, weld; (b) without heat treatment, base metal;(c) solid solution, weld;(d) solid solution+aging, weld: (e) solid solution, heat affected zone; (f) solid solution+aging, heat affected zone; (g) solid solution, base metal and (h) solid solution+ aging, base metal

圖4 未處理和不同工藝熱處理后A286合金激光焊接接頭拉伸斷口宏觀和微觀形貌Fig.4 Tensile fracture macroscopic (a,c,e) and microscopic (b,d,f) morphology of A286 alloy laser welded joint without heat treatment (a-b) and after heat-treatment by different process (c-f): (c-d) solid solution and (e-f) solid solution+aging

經過時效處理后，焊縫組織中析出了大量彌散分布的γ′相。γ′相對接頭具有第二相強化作用，但γ′相為脆性相，會降低接頭的韌性。經過時效處理后，焊縫中δ鐵素體數量減少，奧氏體晶粒發生了一定程度的粗化；熱影響區和母材中孿晶數量有所增多，但晶粒發生粗化。

2.3 對力學性能的影響

2.3.1 拉伸性能

由表3可見：固溶處理對A286激光焊接接頭的強度影響不大，但塑性提升較為明顯，固溶+時效處理后的試樣強度明顯提高，與固溶處理后相比，抗拉強度提高了59.4%，屈服強度提高了45.7%，而接頭韌性較低，斷后伸長率下降了24.7%。結合顯微組織分析可知，固溶+時效處理后合金中析出大量γ′相，當合金發生變形時，奧氏體晶間形成的γ′相可對位錯起到一定的釘扎作用，阻礙位錯運動，從而提高了接頭的強度。另一方面，γ′相為脆性相，其析出數量的增加會降低接頭韌性。

表3 未熱處理和不同工藝熱處理后A286合金激光焊接接頭的拉伸性能

由圖4可見，未熱處理和固溶、固溶+時效處理后合金的拉伸斷口都表現出密集型韌窩形貌，具有典型的韌性斷裂特征。固溶+時效態試樣的斷口韌窩分布不均勻，且韌窩較淺，說明在斷裂過程中微孔長大不充分，塑性變形程度較小，反映出其塑性較低，與拉伸試驗結果相符。

2.3.2 顯微硬度

圖5 未熱處理和不同工藝熱處理后A286合金激光焊接接頭硬度分布曲線Fig.5 Hardness distribution curves of A286 alloy laser welded joints without heat treatment and after heat-treatment by different processes

由圖5可見：焊態接頭中焊縫和熱影響區的硬度略高于母材，表明焊后這兩個區域發生了硬化；固溶、固溶+時效處理后接頭熱影響區和母材的硬度基本相當，固溶處理后焊縫硬度略低于母材和熱影響區，固溶+時效處理后焊縫硬度略高于這兩個區域。固溶態焊縫中存在較多δ鐵素體，鐵素體是軟韌相，使得焊縫區域的硬度比其他區域低；固溶+時效處理后焊縫中鐵素體減少，同時析出γ′相和碳化物，因此焊縫的硬度相比熱影響區和母材略有升高。固溶處理接頭整體硬度略低于未熱處理接頭，這是由于固溶處理過程中γ′相向基體部分回溶導致的；固溶+時效處理后接頭整體硬度大幅提高，平均硬度相比于固溶處理提高了83.6%，這是由于在時效處理過程中析出了大量γ′相，且在基體中分布均勻，具有沉淀強化作用，從而提高了焊接接頭的整體硬度。

3 結 論

(1) A286合金激光焊接接頭焊縫組織主要由網狀δ鐵素體、γ′相和奧氏體組成，母材組織由細小的奧氏體組成；經固溶處理后，焊縫組織由大量的網狀δ鐵素體、少量γ′相和奧氏體組成，熱影響區和母材組織主要由晶粒細小的奧氏體組成；再經時效處理后，焊縫組織析出大量彌散分布的γ′相，網狀δ鐵素體減少，奧氏體晶粒粗化，熱影響區和母材區孿晶數量增多，且晶粒發生粗化。

(2) 與未熱處理相比，經固溶處理后接頭屈服強度由366 MPa降低至360 MPa，抗拉強度由614 MPa提高至639 MPa，斷后伸長率由17.3%增高至22.7%，平均硬度由190 HV降低至180 HV,這是由于固溶時間短，焊縫組織中δ鐵素體和第二相析出物γ′相發生部分回溶所致；再經時效處理后，接頭的屈服強度與抗拉強度分別大幅提升至662 MPa和1 019 MPa，但斷后伸長率降低至17.1%，這是由于時效處理后焊縫組織中析出了大量彌散分布的γ′相，具有第二相沉淀強化作用，但γ′相為脆性相，會降低接頭韌性。