FGH98合金慣性摩擦焊接頭顯微組織與力學性能

鄭守峰，趙強，黃文彬，王樹鋒，劉佳濤，祝文卉

(1.海軍裝備部駐沈陽地區某軍事代表室，沈陽 110043; 2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043; 3.空軍裝備部駐沈陽地區第四軍事代表室，沈陽 110043)

0 前言

鎳基粉末高溫合金具有熱加工性能強、力學性能好、成分均勻、組織均勻等特點[1-4]，其組織為細晶，主要通過金屬間化合物γ′相析出來強化，為滿足先進航空發動機日益提高的性能需求，國內已經歷了二代鎳基粉末高溫合金的研制[5-6]，使用溫度在750 ℃以上的新型第三代鎳基高溫粉末合金也在研制過程中。FGH98合金是新型第三代鎳基高溫合金，具有更長的疲勞壽命和抗裂紋擴展能力，在航空發動機的應用上具有廣泛的前景[7-10]。

慣性摩擦焊是一種固相焊接技術，已被廣泛應用到航空發動機核心轉子部件的制造中[11-13]。慣性摩擦焊焊縫組織為鍛造細晶組織，因此焊接高體積百分比γ′相的粉末高溫合金時，可避免焊縫形成裂紋等缺陷。何勝春等人[14]結合FGH96慣性摩擦焊接頭的組織特征和強化相γ′相數量分析接頭的顯微硬度和常溫拉伸性能，表明FGH96慣性摩擦焊接頭具有良好的力學性能；趙桐等人[15]研究了不同電子束焊接工藝條件下GH4065A合金的焊縫質量，發現采用常規電子束焊接方法GH4065A易開裂，電子束焊接頭的焊縫區以樹枝晶為主，且存在Nb和Ti元素的偏析，γ′強化相從焊縫向近縫母材逐漸粗化，焊縫區與母材的組織差異是導致焊縫高溫下拉伸塑性降低的主要原因；信紀軍等人[16]研究了激光焊焊接IC10單晶高溫合金，表明焊縫主要由細晶區和胞狀晶以及柱狀晶組成，不同焊接速度的焊縫中均存在沿晶界擴展的焊接裂紋，接頭中晶粒生長方向趨于一致，從而增大了接頭裂紋的敏感性。慣性摩擦焊相比電子束焊、激光焊等焊接方法在控制焊接缺陷等方面具有明顯優勢，因此適合于焊接高體積分數γ′相的高溫合金，目前國內外針對鎳基高溫合金FGH98合金慣性摩擦焊研究還較少，對FGH98合金焊接接頭缺乏較為全面和深入的研究。采用慣性摩擦焊連接FGH98合金，分析了焊態和熱處理后焊接接頭的顯微組織以及力學性能，為FGH98合金的慣性摩擦焊研究提供理論依據和技術支持。

1 試驗方法

試驗材料為FGH98鎳基粉末高溫合金，表1列出了FGH98合金的主要化學成分。

表1 鎳基粉末高溫合金FGH98的化學成分(質量分數，%)

母材晶粒為等軸晶，晶粒尺寸約為5～20 μm，母材組織主要由γ和γ′兩相組成，大尺寸塊狀初次γ′相分布在晶界上，尺寸1～2 μm，晶內分布著近方形的二次γ′相，如圖1所示。試驗用材料由鋼鐵研究總院提供。

圖1 FGH98合金母材金相組織

試件為外徑φ150 mm，內徑φ110 mm的環形件，焊接試驗在YL-200噸慣性摩擦焊焊機上完成。為了研究熱處理前后FGH98合金焊接接頭的顯微組織、顯微硬度以及力學性能，對原始態焊接接頭進行760 ℃/2 h/AC(空冷)熱處理。

采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡(OM)、FEI Quanta 600掃描電子顯微鏡(SEM)觀察焊接接頭的微觀組織形貌，腐蝕液的成分為5 g CuCl2，100 mL C2H5OH和100 mL HCl。

利用Wilson Wdpert 401MVD顯微硬度儀檢測焊接接頭的顯微硬度分布，壓痕中心間距125 μm，每排檢測41個點，試驗力為1.96 N，保壓時間為10 s。對經過熱處理的焊接接頭分別進行室溫和750 ℃高溫拉伸，拉伸試驗在MTS 810材料試驗機上進行。

2 結果與討論

2.1 焊接接頭的宏觀組織形貌

采用慣性摩擦焊可獲得焊縫質量良好、無缺陷的FGH98合金焊接接頭，圖2為去除飛邊的FGH98合金慣性摩擦焊焊接接頭宏觀形貌，由圖可見，焊縫區域在0.5～2 mm，焊縫的中間區域最窄，兩端側相對中間部位較寬。接頭宏觀組織由4部分組成，即母材區(base material, BM)，熱影響區(heat affected zone, HAZ)，熱力影響區(thermo-mechanically affected zone, TMAZ)，焊合區(weld zone,WZ)，熱力影響區和熱影響區之間沒有明顯的界限。

圖2 FGH98合金焊接接頭宏觀形貌(OM)

2.2 焊接接頭熱處理前后各區域微觀組織形貌

2.2.1焊接接頭焊合區微觀組織形貌

原始態的焊接接頭焊合區主要由γ和γ′兩相組成，如圖3所示。其中圖3a為原始態組織形貌，晶粒為等軸晶粒，尺寸約為5～20 μm，部分γ′相發生了溶解。粉末合金在慣性摩擦焊過程中，焊合區的峰值溫度可達到1 200 ℃以上[17]，超過γ′相的溶解溫度，γ′相發生了回溶。由于焊接時間僅有幾秒左右，峰值溫度超過γ′相溶解溫度的時間不足，因此晶界的大尺寸塊狀初次γ′相未完全溶解，但晶內尺寸較小的二次γ′相大部分溶解。在粉末合金的過固溶處理冷卻過程中脫溶析出的γ′相的形貌、尺寸和數量變化與冷卻速度密切相關[18-19]，隨冷卻速度增加，γ′相的尺寸和數量明顯變小，FGH98合金焊接過程是短暫的非充分固溶處理，冷卻速度超過50 ℃/s，由于冷卻速度過大，焊合區γ′相形核密度高，平均尺寸極為細小。

熱處理態的焊接接頭焊合區主要由γ和γ′兩相組成，由圖3b可見，焊合區經過熱處理后，晶粒尺寸未發生明顯變化，殘余γ′相的尺寸未長大，數量也未增多，是由于熱處理溫度未達到γ′相可大量析出的溫度。

圖3 焊接接頭焊合區微觀組織形貌

2.2.2焊接接頭熱力影響區及熱影響區微觀組織形貌

圖4為接頭熱力影響區及熱影響區微觀組織形貌,原始態的焊接接頭熱力影響區的晶粒沒有發生較為明顯的拉長或擠壓變形(圖4a)，由于熱力影響區溫度低于焊合區，但是仍然高于γ′相的固溶溫度，因此發生了部分γ′相的溶解，溶解的數量和尺寸相對焊合區較小。隨著距焊縫中心距離的增加，二次γ′相的體積分數逐漸增加[18-19]。熱影響區與熱力影響區之間沒有明顯的界限，晶粒也未發生明顯變形。經過熱處理后，焊接接頭熱力影響區和熱影響區的晶粒沒有發生較為明顯的變化，γ′相的數量和尺寸也未發生明顯變化(圖4b)。

圖4 焊接接頭熱力影響區及熱影響區微觀組織形貌

2.2.3焊接接頭母材區微觀組織形貌

圖5為母材區域微觀組織形貌，焊接接頭經過熱處理后(圖5b)，母材區域晶粒尺寸約為5～20 μm，晶粒尺寸未發生明顯變化，母材由γ和γ′兩相組成，γ′相彌散分布在晶界上和晶內，γ′相尺寸和數量未發生增加。

圖5 焊接接頭母材區域微觀組織形貌

2.3 焊接接頭力學性能

2.3.1熱處理前后焊接接頭顯微硬度

對原始態、熱處理態的焊接接頭顯微硬度進行測試，如圖6所示。原始態焊接接頭的焊合區的硬度值最高，約在480～500 HV，焊合區的硬度升高原因可能與焊合區存在的高密度的細小γ′相、晶格畸變強化和高密度位錯相關，高驅動力使得合金元素即使在極高的冷卻速度下依然能形成高體積分數γ′相[18-19]。在焊合區的中心區域存在硬度降低的現象，主要由于該區域的γ′相幾乎全部溶于基體中，在焊接冷卻過程中析出γ′相的體積分數低于焊合區邊緣區域，因此出現硬度值下降；在熱力影響區和焊合區的過渡區域硬度值減小，形成較為明顯的硬度梯度。熱處理后焊接接頭顯微硬度整體分布相比原始態硬度值變化不大，主要是因為熱處理溫度未達到γ′相的固溶溫度，冷卻過程中也未析出大量γ′相使的硬度值提高。

圖6 熱處理前后的焊接接頭顯微硬度分布

2.3.2焊接接頭室溫及高溫拉伸性能

對熱處理態的FGH98合金母材和焊接接頭分別進行室溫和750 ℃高溫拉伸試驗。圖7為焊接接頭室溫拉伸的斷裂情況，焊縫位于試樣的中間位置，從圖中可以看出，室溫拉伸的斷口沒有明顯的頸縮現象，斷裂位置全部位于母材區域。

圖7 室溫拉伸試樣斷裂位置

表2為焊接接頭及母材的室溫拉伸力學性能，焊接接頭室溫屈服強度大于1 130 MPa，達到母材屈服強度的93%以上；焊接接頭室溫抗拉強度大于1 616 MPa，達到母材抗拉強度的99%以上。

表2 焊接接頭及母材室溫拉伸力學性能

圖8為焊接接頭750 ℃拉伸的斷裂情況，焊縫位于試樣的中間位置，從圖中可以看出，750 ℃拉伸的斷裂位置全部位于焊縫區域，斷口沒有發現明顯的頸縮現象。

圖8 750 ℃高溫拉伸試樣斷裂位置

表3為焊接接頭及母材750 ℃高溫拉伸力學性能，焊接接頭750 ℃屈服強度大于1 025 MPa，達到母材屈服強度的99%以上；焊接接頭750 ℃抗拉強度大于1 197 MPa，達到母材抗拉強度的同等水平；焊接接頭斷后伸長率大于7%，達到母材的35%以上。

焊接接頭750 ℃拉伸斷裂于焊縫中心，斷后伸長率較低，可能與焊合區的γ′相數量和尺寸有關，FGH98在高溫下由γ′相起主要強化作用[20]，焊接接頭焊合區在熱處理后相比母材未產生足夠大尺寸和數量的γ′相，在高溫下的強化作用不高，因此焊接接頭先于母材發生失效，從而斷裂于焊縫，斷后伸長率也低于母材。

2.3.3焊接接頭拉伸斷口形貌

圖9為焊接接頭室溫拉伸的斷口形貌，由圖9可見，斷口呈韌性斷裂特征，斷面上有大量的韌窩，韌窩尺寸小，深度也較小，韌窩的內部還殘留一些小顆粒，可能為γ′強化相。斷面上還存在部分準解理小刻面，尺寸在1～10 μm，表面還存在較淺的滑移帶。

圖10為焊接接頭750 ℃高溫拉伸的斷口形貌，由圖10可見，斷口呈韌性斷裂特征，斷面上有大量尺寸小而淺的韌窩，韌窩的內部也殘留部分小顆粒，750 ℃高溫拉伸比室溫拉伸斷口上出現較少的準解理小刻面。

圖10 750 ℃高溫拉伸試樣斷口SEM形貌

3 結論

(1)原始態焊接接頭焊合區主要由γ和γ′兩相組成，γ′相在焊接過程中發生了回溶，殘余γ′相尺寸和數量均明顯降低，經過熱處理后，焊合區晶粒尺寸、殘余γ′相的尺寸和數量未發生明顯變化。

(2)原始態焊接接頭的焊合區的硬度值最高，在焊合區的中心區域存在硬度降低的現象；熱處理態焊接接頭顯微硬度整體分布相比原始態硬度值未發生較大變化。

(3)焊接接頭室溫拉伸的斷裂位置在母材區，屈服強度大于1 130 MPa，達到母材的93%以上；抗拉強度大于1 616 MPa，達到母材的99%以上；750 ℃拉伸的斷裂位置在焊縫區域，屈服強度大于1 025 MPa，達到母材的99%以上；抗拉強度大于1 197 MPa，達到母材同等水平。

(4)焊接接頭室溫斷口形貌呈韌性斷裂特征，斷面上有大量的韌窩，韌窩尺寸小，深度也較小；750 ℃高溫斷口形貌呈韌性斷裂特征，斷面上有大量尺寸小而淺的韌窩。