分享：GH2132合金的焊接裂紋分析

GH2132是一種沉淀強(qiáng)化型高溫合金，常用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件[1−2]。GH2132板材焊接時(shí)出現(xiàn)焊縫開裂，對(duì)焊縫取樣進(jìn)行分析，尋找開裂原因，以改進(jìn)焊材和焊接工藝。

1.   實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用母材為GH2132固溶態(tài)板材。母材與焊絲的化學(xué)成分如表1所示，焊接參數(shù)為：焊接電流200 A，焊接速度0.6 mm/min，送絲速度130 m/min。對(duì)焊縫部位取樣，觀察微觀組織。并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，分析斷口。

表  1  焊縫母材和焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

材料	C	Cr	Ni	Mo	Al	Ti	S	V	B	Si	Mn	P	Fe
母材	0.054	14.80	25.15	1.17	0.22	2.20	0.00088	0.26	0.0036	0.97	0.98	0.026	余量
焊絲	0.054	15.19	26.44	1.13	0.19	2.07	0.00340	0.32	0.0022	0.56	1.00	0.016	余量

2.   實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1   組織分析

圖1所示為焊縫的宏觀形貌。中間泛白區(qū)為焊縫，周圍灰黑色區(qū)域?yàn)槟覆??？梢?jiàn)焊縫截面大體呈V形，母材及熔池因局部受熱差異導(dǎo)致熔池左右兩側(cè)邊緣形狀有所不同。

圖  1  焊縫宏觀形貌

圖2所示為焊縫裂紋附近組織，可見(jiàn)有大量析出相沿晶界分布。圖2（a）中的晶界析出相形狀不規(guī)則，內(nèi)部疏松，且邊緣有熔化跡象。晶界及晶內(nèi)有塊狀相存在，如箭頭所示。圖2（b）中裂紋沿晶界延伸。箭頭1所示為已開裂并有所擴(kuò)展的裂紋，箭頭2所示為剛剛在晶界萌生的裂紋，裂紋萌生處存在大量細(xì)碎析出相，如圖2（b）中橢圓框所示?？梢酝茢啵@些細(xì)碎析出相在裂紋萌生前的狀態(tài)與圖2（a）中一致。在開裂過(guò)程中，被應(yīng)力撕扯，導(dǎo)致碎成圖2（b）中所示的狀態(tài)。

圖  2  裂紋附近組織：（a）區(qū)域一；（b）區(qū)域二

圖2（b）箭頭3所示為孿晶。因焊接熔池是鑄態(tài)組織，故此為生長(zhǎng)孿晶。生長(zhǎng)孿晶的形成需要低的層錯(cuò)能以及大的冷卻速度[3−7]。這意味著此處的冷卻速度大，而大的冷卻速度導(dǎo)致大的熱應(yīng)力，進(jìn)一步加劇了焊縫的開裂傾向。

圖3為晶界析出相的能譜分析。結(jié)果表明相對(duì)于基體成分（表1）晶界析出相中Ti、Mo富集（表2）。GH2132合金屬鐵鎳基高溫合金，在鐵鎳基的體系里，Ti為沉淀元素，易與其它元素形成多種析出相，而Mo為固溶元素，通常與基體形成置換固溶體，有時(shí)也會(huì)形成析出相，但Mo形成的析出相不穩(wěn)定，易分解。此處的能譜分析表明，Ti形成了析出相，沉淀在晶界。而Mo在熔池凝固過(guò)程中因溫度降低，在基體中的溶解度降低，被排到了晶界區(qū)，與其它元素一起形成了復(fù)雜的低熔點(diǎn)共晶組織。此類組織熔點(diǎn)低，強(qiáng)度低，疏松質(zhì)脆，在合金中是嚴(yán)重的薄弱環(huán)節(jié)，是導(dǎo)致開裂的一個(gè)重要因素。

圖  3  裂紋附近晶界區(qū)能譜分析：（a）電子圖像；（b）能譜圖

2.2   斷口分析

圖4所示為焊縫的拉伸斷口。當(dāng)拉伸試樣內(nèi)部有微裂紋時(shí)，試樣將沿微裂紋開裂，觀察斷口可分析微裂紋的成因。斷口上有3種類型的區(qū)域，分別是圖4（b）中橢圓標(biāo)示區(qū)域、圖4（b）中方框標(biāo)示區(qū)域以及如圖4（d）所示的韌窩區(qū)。

圖  4  焊縫斷口：（a）宏觀形貌；（b）韌窩區(qū)-未結(jié)晶界面；（c）未結(jié)晶界面；（d）韌窩區(qū)

方框所示區(qū)域呈熔化跡象，表明此區(qū)域在焊接過(guò)程中未熔合，以下稱此類區(qū)域?yàn)槲慈酆蠀^(qū)。橢圓區(qū)域無(wú)韌窩特征，既無(wú)解理斷裂特征，也無(wú)晶界脆性斷裂的平滑斷口特征，而是呈碎顆粒狀。結(jié)合圖2所示的晶界析出相的狀態(tài)可以判斷，此為晶界沿析出相分離后的界面，碎顆粒為被應(yīng)力撕碎的析出相，與圖2（b）的分析一致。以下稱此類區(qū)域?yàn)榫Ы玳_裂區(qū)。圖4（c）為未熔合區(qū)與晶界開裂區(qū)的放大顯示，其更清晰地顯示了此二區(qū)的特點(diǎn)。

由晶界開裂區(qū)斷口形貌及圖2所示的晶界低熔點(diǎn)析出相可以判斷，晶界處的裂紋為結(jié)晶裂紋，是晶界低熔點(diǎn)相與熱應(yīng)力共同導(dǎo)致的。圖4（d）所示的韌窩區(qū)也表明，焊縫中有部分熔合良好的區(qū)域呈韌性斷裂。

由以上分析可知，焊縫中有未熔合區(qū)域，成為內(nèi)部孔洞與原始裂紋。且焊縫中有晶界低熔點(diǎn)相導(dǎo)致的結(jié)晶裂紋。另外，冷卻速度快造成的熱應(yīng)力大也是開裂的一個(gè)重要原因。

3.   結(jié)論

（1）焊縫組織晶界上存在大量的富Ti、Mo的低熔點(diǎn)相，組織中有較多的生長(zhǎng)孿晶。焊縫組織層錯(cuò)能較低，焊后冷卻速度大，熱應(yīng)力大。

（2）焊縫斷口上存在3類區(qū)域，分別為未熔合區(qū)、晶界開裂區(qū)以及韌性斷裂區(qū)。

（3）晶界低熔點(diǎn)相的大量密集分布以及焊后熱應(yīng)力大共同導(dǎo)致了晶界沿析出相開裂。

（4）焊縫中同時(shí)存在未熔合區(qū)導(dǎo)致的內(nèi)部孔洞與晶界低熔點(diǎn)相導(dǎo)致的結(jié)晶裂紋。

文章來(lái)源——金屬世界