42CrMo/GH4169異種金屬慣性摩擦焊工藝

張春波，袁明強，周軍，全威，孫佳佳，烏彥全，王志永

(1. 中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028；2. 黑龍江省先進摩擦焊接技術與裝備重點實驗室，哈爾濱 150028；3. 上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠，上海 200241)

0 前言

異種材料焊接不僅能改善結構材料的使用用途，而且還能節約成本，已受到行業內人士越來越多的關注[1-6]。尤其是中碳鋼和鎳基高溫合金的異種材料連接，能在充分利用復合材料的優勢性能基礎上，降低工件結構的復雜性和成本。近些年來，航空發動機對推重比的要求逐步增加，渦輪輪盤和主軸的工作環境極其惡劣，又因中小型發動機的內部空間有限，盤軸機械連接結構較為復雜，裝配困難，可靠性低[7]，且鎳基高溫合金整體化鑄造/鍛造技術還不完善，所以目前渦輪輪盤和主軸只能采取焊接的方式來完成整體連接。

GH4169是一種鈮強化的鎳基鍛造高溫合金，該合金可以在高溫及氧化腐蝕環境中長期穩定工作，也是高推重比航空發動機熱端部件廣泛采用的高強度高溫合金之一，其組織性能可滿足高壓渦輪盤的使用要求[8-9]。42CrMo是一種中碳調質高強鋼，具有較高的強度、韌性和淬透性，完全滿足渦輪軸的使用要求，但因其GH4169和42CrMo的力學性能、合金成分和物理性能相差較大，若采取常規熔焊方式，很難應用在異種合金連接上[10]。

慣性摩擦焊是一種固相連接方法，具有焊接周期短、工藝簡單、節能、環保等特點，其焊接接頭屬于鍛造組織，接頭性能穩定可靠，材料適用性廣，在工業領域內有著巨大的潛力，部分產品已經被用于航空航天、石油、汽車等領域[11-15]。目前，大量科研工作者在異種合金焊接接頭的工藝、組織及力學性能等方面進行了深入研究。Ding等學者[16]通過慣性摩擦焊成功地將42CrMo + K418焊接在一起，研究了飛輪慣性能對接頭微觀組織和力學性能的影響，且在界面處觀察到Fe0.64Ni0.36，Ni3（Al，Ti），NbC和TiC等金屬間化合物，分析接頭上金屬間化合物的分布對結構強度的影響。Luo等學者[17]通過外加電場的作用下，研究了42CrMo + K418異種金屬慣性摩擦焊成形特征、原子擴散和力學性能，試驗結果表明混合附加電流對異種材料接頭的界面特性有顯著的正向影響，使焊縫界面加寬，接頭的拉伸性能明顯得到提升。目前，關于42CrMo/GH4169異種材料慣性摩擦焊的研究較少，缺乏對工藝、機理及力學性能的深入研究。因此，采用不同工藝參數對42CrMo和GH4169異種金屬進行慣性摩擦焊研究，針對焊接接頭的宏觀形貌、微觀組織、界面特性及接頭的力學性能進行試驗分析，旨在探討不同慣性能條件下改善焊縫的成形情況，為工程化應用提供理論依據。

1 試驗方法

試驗中所用材料為?40 mm × 75 mm的調質態42CrMo中碳鋼棒材和?40 mm × 108 mm GH4169鎳基高溫合金棒材，其母材組織如圖1和圖2所示，力學性能見表1。42CrMo母材組織為典型的回火索氏體，是將42CrMo鋼經調質處理（淬火 + 高溫回火）所得到的組織，以鐵素體為基體內部分布著細小均勻的碳化物顆粒，其組織結構具有良好的綜合力學性能。GH4169母材組織為等軸γ相，在γ相的周圍析出了大量的短棒狀的沉淀硬化相δ，局部存在γ′ ′(Ni3Nb)相對基體組織起到彌散強化的作用[18]。

表1 42CrMo及GH4169力學性能

圖1 42CrMo基體組織形貌

圖2 GH4169基體組織形貌

選用型號為中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司自主研制的HWI-IFW-130型軸/徑向慣性摩擦焊機，焊接前將焊口端面進行機加工，焊口的外徑尺寸公差控制在±0.1 mm以內。焊前對焊口使用丙酮溶液擦拭，去除表面黏附雜質。GH4169試驗件安裝在主軸夾具內，42CrMo試驗件安裝在尾座夾具內如圖3所示，具體焊接工藝參數見表2，總能量計算式為

表2 GH4169與42CrMo試驗件焊接工藝參數

圖3 焊接工裝及試驗件

式中：E為總能量；I為轉動慣量；n為轉速。焊接后將試樣置于立式車床上，將擠壓出來的焊接飛邊進行車削，防止接頭飛邊上有微小裂紋發生擴展。

2 試驗結果與分析

2.1 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭宏觀形貌

圖4為2種試件的焊接過程，試件焊接界面為實心圓棒，整體焊接時間為30 s。當主軸飛輪轉速達到800 r/min時，尾座開始施加頂鍛壓力，從圖4b可以看出，在靠近焊接界面的42CrMo側擠出的金屬引起了不對稱變形，邊緣方向先朝著42CrMo側卷曲；同時，摩擦界面區域的材料以飛濺的形式擠出界面，這表明42CrMo側的熱強度低于GH4169側，率先開始發生塑性變形[19]，不同慣量對接頭的宏觀形貌影響很大，對GH4169側能否產生飛邊起著重要作用，最后，在經歷過摩擦熱和頂鍛力的共同作用下實現異種材料焊接。

圖4 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊的焊接過程

圖5為42CrMo/GH4169高溫合金慣性摩擦焊接頭試件的宏觀形貌。飛邊較小一側為GH4169，較大一側為42CrMo。從圖5可以看出，42CrMo/GH4169的焊接界面在圓周方向表現出良好的對稱性和一致的飛邊，1號、2號試件未出現宏觀裂紋及雜質等明顯的缺陷。焊后對試件整體長度進行測量，1號、2號試件縮短量分別為7.12 mm，12.72 mm。

圖5 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭的宏觀形貌

為了更直觀的觀察到焊縫形貌，采用線切割方式對距接頭端面中心2.5 mm位置處截取焊縫界面。宏觀形貌如圖6所示，焊縫整體形貌呈弓字形，在GH4169一側端部下垂，芯部平直，這也證明GH4169高溫合金在粘塑性狀態下的強度要高于42CrMo，42CrMo側的軟化金屬率先從一側擠出，外側的摩擦界面壓力小于中心部位，若金屬達到粘塑性狀態后不能充分互溶，將導致缺陷發生，從1號、2號試件宏觀接頭上觀察，并未發現宏觀缺陷。

圖6 42CrMo/GH4169 慣性摩擦焊接頭剖視圖

2.2 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭組織形貌

為了辨別微觀條件下的1號和2號焊接接頭成形是否良好，焊后取金相和SEM試樣如圖7所示，從圖7a可以看出，1號接頭摩擦界面形貌呈曲面狀，在GH4169側明顯存在多處黑色孔洞缺陷，越靠近圓柱中心區域缺陷越少。從圖7c明顯的觀察到GH4169側基體組織插入到42CrMo一側，像一根倒刺鑲嵌在基體里，同樣，在GH4169側熱力影響區內有明顯的斷續線性微裂紋，長度2～10 μm不等。這說明1號試樣在此工藝參數下，慣性能較小，產生的熱量不足，圓柱邊緣區域沒有達到粘塑性狀態，2種材料主要依靠機械力咬合在一起。圖7b為摩擦焊接頭界面處的顯微組織，焊核區呈平直狀形貌，從圖中觀察到42CrMo側熱影響區寬度較大，受熱-力耦合作用較為明顯，這證明42CrMo晶粒之間發生嚴重的塑性變形和流變行為[20]。圖7d為接頭中間區域的微觀結構，在焊縫兩側處聚集了大量的黑色塊狀二次相，右上角為高倍下的焊縫界面，觀察到界面處存在“犁溝”形貌，寬度約為5 μm，而且在靠近焊縫界面的區域發生了動態再結晶，新生晶界較明顯，且在焊核區生成了金屬間化合物，丁煜瀚[21]研究也有相似現象，同時發現再結晶會加速摩擦結合區的晶粒細化和界面粘附。

圖7 42CrMo/GH4169焊縫顯微組織

為進一步表征2號試件焊縫區內的原子分布，表3列出圖8a放大圖標記的點，EDS結果表明，焊縫處主要基體元素為Fe，Ni，Cr，2號點含碳量明顯上升。從材料結構上可知42CrMo側碳元素含量較高，GH-4169中Ti，Mo，Nb，Cr等強碳化合物元素占比較多，從42CrMo側遷移過來的碳元素會與其形成一個不連續分布的碳化物層，該物質為MC型碳化物，推測為NbC和少量TiC。另一方面，焊縫界面的SEM圖像和EDS線掃描結果如圖8所示，在受到熱-力耦合作用下，焊縫界面處Ni，Cr和Nb從GH4169側向42CrMo側擴散，而Fe從42CrMo側向GH4169側擴散，在強力的塑性變形和相互擴散的過程中，摩擦界面中形成了大量的Ni-Fe-Cr相，還獲得了Fe-Ni，Ni3（Al，Ti）等金屬間化合物。此外，由于42CrMo/GH4169的熱性能和物理性能差異很大，當摩擦熱和頂鍛壓力共同作用時，摩擦界面溫度會迅速升高，42CrMo側先開始軟化，初始摩擦面會轉移到GH4169內部，形成二次摩擦面，這一結果將會促進原子擴散和塑性變形。從理論上講，原子擴散和塑性變形也將提高焊接接頭質量，促進異種材料良好的冶金結合[22]。

表3 2號接頭試樣EDS結果（質量分數，%）

圖8 2號焊縫形貌及EDS元素分布特征

圖9為接頭熱力影響區組織形貌，界面連接區在微觀上呈形貌的多樣性、不連續性和不均勻性。圖9a為42CrMo接頭靠近焊縫區所發生熱力影響區組織形貌呈流線型，該區域晶粒受到熱循環及剪切力作用變得模糊不清，但是能夠發現有再結晶的細晶組織和黑色二次相，其中組織觀察為細小馬氏體，力學性能具有高強度、高硬度特點。圖9b為GH4169鎳基高溫合金側的熱力影響區，組織較穩定，變形較小，但依然能觀察到晶粒被拉長。又因該區域距離摩擦界面相對較遠，熱力影響區變形溫度在γ′相停留時間較短，且焊后溫度下降速率較快，這將會導致部分γ′相回溶[19]。

圖9 42CrMo/GH4169接頭熱力影響區的顯微組織

2.3 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭力學性能

2.3.1 顯微硬度

對1號、2號試件沿垂直焊縫方向進行顯微硬度測試，測試點間距0.25 mm，曲線分布如圖10所示。曲線的走勢可分為4個區域：硬化區、過渡區、弱化區及母材區。以2號試樣為例，a區是離42CrMo側焊接界面中心約1.2 mm處的硬化區，該區域硬度值最大，根據前文分析可知，該區發生動態再結晶，晶粒較小，根據Hall-Petch關系，晶粒越細，單位體積內包含的晶界越多，強化效果越好[23]。b區為過渡區約為2.2 mm，受熱作用減少，硬度下降，c區為軟化區，主要集中在GH4169一側，長度約為1 mm，這是因為42CrMo側的C元素與GH4169側的Nb，Ti，Ni等強碳元素結合生成MC型碳化物，導致GH4169側的這一區域硬化，隨著遠離焊縫，熱作用降低，再結晶程度減弱，顯微硬度值隨距離增加而減少。通過對比1號和2號試樣發現，1號試件焊接熱輸入小，試樣受熱-力耦合作用小，a區發生再結晶晶粒少，組織轉變區域小，且c區的C元素擴散受溫度影響，導致碳化物減少，因此，1號試樣的硬度值低于2號試樣。

圖10 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭顯微硬度

2.3.2 拉伸性能

在現實工況中，上海汽輪機廠中汽輪機的渦輪盤和渦輪軸的使用最高溫度為540 ℃，為了達到使用要求，在每個試驗件接頭上取4個拉伸試樣，將1號（1-1，1-2）和2號（2-1，2-2）焊接接頭試件分別進行室溫和高溫（540 ℃）拉伸，拉伸接頭宏觀形貌如圖11所示，1-1試樣斷裂位置為焊縫，其余試樣斷裂位置均為42CrMo側。從圖中可以看出，室溫狀態下的拉伸接頭1-1試樣從中間斷裂，縮頸現象較小，具體平均拉伸性能參數如圖12所示，室溫狀態下，2號試樣平均抗拉強度為1 062.5 MPa，高于1號試樣40 MPa，達母材的98.38%。高溫狀態下，2號試樣平均抗拉強度為687.5 MPa，高于1號試樣120 MPa。根據上文的組織分析可知，1號試件慣性能較低，2種材料的結合主要還是依靠機械咬合，焊縫界面沒有形成中間化物層，導致力學性能下降。當2號增加能量輸入后，2種材料的焊接界面可以獲得均勻的金屬間化合物層和碳化物帶，原子的擴散和塑性變形有利于異種材料的冶金結合，進而提高力學性能。

圖11 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭拉斷后試樣

圖12 42CrMo/GH4169慣性摩擦焊接頭拉伸性能

2.3.3 斷口分析

2號試樣的裂紋擴展路徑如圖13所示，是典型的韌性斷裂，圖13a為宏觀斷口，呈杯錐形，由纖維區和放射區組成，圖13b為纖維區，從局部放大圖上可以觀察到，斷口有很多的韌窩結構，深淺不一。圖13c為放射區，裂紋起源于中心向邊緣擴展，通過局部放大圖可以看出韌窩減少，且深度較淺。這是因為在拉力的持續作用下，裂紋擴展到臨界尺寸后，試樣在低能量下發生撕裂形成，放射線越粗，變形量越大[24]。通過與1號試樣對比來看，2號試樣屬于韌性斷裂，力學性能最佳，然而1號試樣并未產生縮頸現象，宏觀上呈脆性斷裂。

圖13 室溫拉伸斷口形貌

圖14為2號試樣接頭高溫拉伸斷口形貌。從圖14觀察到有明顯的縮頸現象，宏觀形貌呈杯錐形，為典型的韌性斷裂。圖14b為中心區域的纖維區，此區域有大量的韌窩結構，且韌窩較深，這證明，在高溫條件下，2號試樣在抵抗外力的過程中發生很大的塑性變形，1號和2號試樣都具有優異的塑性。

圖14 2號試樣接頭高溫拉伸斷口形貌

3 結論

（1）通過改變焊接工藝參數，42CrMo/GH4169異種材料慣性摩擦焊可以得到良好的焊縫形貌和圓滑的焊接飛邊。

（2）當慣量為120 kg·m2，界面結構主要是依靠機械咬合將兩側組織摻雜在一起，發生再結晶組織較少。當慣量提高到168 kg·m2時，兩側焊縫組織均發生了不同程度的動態再結晶，且在焊縫界面處形成了金屬間化合物和碳化物帶。

（3）接頭拉伸性能試驗結果表明，2號試樣室溫平均抗拉強度為1 062.5 MPa，達母材98.38%，高于1號試樣。從裂紋擴展途徑上看，室溫和高溫接頭斷口形貌均呈韌性斷裂，證明在焊縫界面處，2種材料完成了界面原子相互擴散的冶金結合。