分享：热处理对 A286铁基高温合金激光焊接接头组织和 性能的影响

张兵宪1,雷龙宇2,杜明科2,张云龙2,张 敏2 

(1.中航西安飞机工业集团股份有限公司,西安 710089;2.西安理工大学材料科学与工程学院,西安 710048) 

摘 要:采用激光焊接方法对 A286铁基高温合金薄板进行焊接,对焊接接头分别进行982 ℃ 固溶、982 ℃固溶+718 ℃时效热处理,研究了热处理对焊接接头显微组织和力学性能的影响。结 果表明:未热处理时焊接接头焊缝组织主要由奥氏体、δ铁素体和γ'相组成;固溶处理后,接头焊缝 中的δ铁素体含量增多,γ'相数量减少,接头强度、硬度与焊态相比变化不大,但断后伸长率由焊态 的17.3%提升至22.7%;经固溶+时效处理后,接头焊缝组织中δ铁素体大部分转变为奥氏体,晶 粒发生粗化,且析出大量弥散分布的γ'相,焊接接头的抗拉强度和屈服强度分别由固溶态的639, 360MPa提升至1019,662MPa,平均硬度达到了固溶态的200%,但断后伸长率降低至17.1%。

 关键词:激光焊接;热处理;微观组织;力学性能;铁基高温合金 中图分类号:TG407 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)10-0087-05

0 引 言

 A286(国内牌号 GH2132)合金属于铁基时效 强化型高温合金,是在 Fe-25Ni-15Cr合金的基础上 加入钼、钛、铝、钒及微量硼元素而得到的,其主要强 化相是弥散分布的 γ'-Ni3(Ti,Al)[1-3]。该合金在 650 ℃以下具有较高的强度和优异的抗蠕变性能并且具有优良的焊接性能、成形性能,在航空航天领 域应用广泛,主要用于制造在高温下长时间工作的 航空发动机承力部件及紧固件等[3-7]。 目前,可采用电阻焊、激光焊和电子束焊等方法 对高温合金进行焊接。其中,激光焊接具有能量集 中、热输入小、焊接速度快、焊件变形小等优点,在实 际生产中 应 用 广 泛,尤 其 适 用 于 薄 板 的 焊 接[8-13]。 有关高温合金激光焊接及热处理工艺已有较多研究 报 道。 谢 道 彪[14] 研 究 发 现,焊 后 热 处 理 可 提 高 GH4169合金激光对接焊接头的屈服强度、抗拉强 度和硬度,但会降低断后伸长率。郭占英等[15]研究 了热处理对 GH4169 合金激光焊接接头组织和性 能的影响,发现热处理能够优化焊缝组织、消除残余 应力、析出强化相,从而提高接头的强度和硬度。姚 志浩等[16]研究发现,在固溶温度930~1020 ℃范 围内,随 着 固 溶 温 度 的 升 高 和 保 温 时 间 的 延 长, A286合金中γ'相回溶入基体,晶粒逐渐长大,硬度 降低。欧梅桂等[17]研 究 发 现,对 982 ℃ 固 溶 后 的 GH2132合金进行700 ℃时效处理后,合金强度大 幅提高,韧性有所下降,将时效温度提高至718 ℃ 后,γ'相析 出 量 增 加,强 度 进 一 步 提 高,韧 性 与 经 700 ℃时效处理后相比略有提升。目前针对 A286 高温合金焊接件的热处理研究较少。 因此,作者采用固溶和固溶+时效2种热处理工 艺对 A286激光焊接接头进行焊后热处理,研究不同 热处理工艺对其显微组织和力学性能的影响,拟为提 高 A286合金激光焊接接头的性能提供参考。

 1 试样制备与试验方法 

试验材料为某厂家提供的厚度为0.8mm 的轧 制态 A286铁基高温合金薄板,化学成分如表1所 示。采用不加丝激光焊接方法进行焊接,根据前期 试焊结果确定如下参数:焊接速度500mm·min -1, 激光功率720W,离焦量+2mm。焊后在SANTE STM-36-14型箱式电阻炉中对焊接接头进行整体 热处理,具体工艺如表2所示。取尺寸为25mm×20mm×0.8 mm 的金相试样, 经镶嵌、打磨(使用 80 # ,240 # ,400 # ,600 # ,800 # , 1000 # ,1200 # ,1500 # 金刚石砂纸逐级打磨)、抛光 后,采用王水进行腐蚀,腐蚀时间为30~60s,直至 焊缝轮廓清晰可见。采用 Olympus-GX71 型倒置 光学显微镜观察截面宏观形貌和显微组织。以焊缝 为中心垂直于焊接方向截取如图1所示的拉伸试 样,使用ZwickZ100型电子拉伸试验机进行室温拉 伸试验,屈服前的拉伸速度为0.005mm·min -1,屈 服后的拉伸速度为24mm·min -1。使用 S-4800型 扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸断口形貌。采用 MHV-1000Z型显微维氏硬度计对焊缝至母材区域 的硬度进行测试,载荷为0.98N,保载时间为15s, 测试间隔为0.2mm。 图1 拉伸试样的形状及尺寸 Fig.1 Shapeandsizeoftensilespecimen 

2 试验结果与讨论

 2.1 对宏观形貌的影响

 由图2可见,未热处理焊态接头成形良好,焊缝 连续、平直、宽度均匀,未出现焊穿、下塌、咬边和表 面裂纹等缺陷,焊缝组织致密,未观察到裂纹、气孔 等缺陷。经过固溶处理后,焊接接头的表面及横截 面宏观形貌变化不明显;经过固溶+时效处理后,焊 接接头焊缝高度与固溶态相比有所减小,焊缝宽深 比增大。

 2.2 对显微组织的影响 

由图3可见,焊态 A286合金激光焊接接头焊 缝的显微组织主要由δ铁素体、γ'相、奥氏体组成。 受 A286合金中铬、镍含量的影响,在凝固过程中偏 聚 于亚晶界的铁素体生成元素(铬、钼等)促使熔体发生包晶反应,从而生成高温δ铁素体,同时增加了 铁素体的稳定性,使得部分铁素体保留至室温。母 材组织仍由较为细小的奥氏体组成。经固溶处理 后,焊缝的显微组织主要由大量的网状δ铁素体+ 奥氏体基体和少量的γ'相组成,这是由于固溶处理 时间较短,铁素体向奥氏体的转变不充分[18]。与焊 态相比,固溶处理后焊缝组织中δ铁素体的含量略 微减少,这是由于在固溶处理过程中δ铁素体向基 体发生了部分回溶。固溶处理后焊接热影响区和母 材组织主要为奥氏体,且晶粒细小。在熔合区发现 明显的柱状晶粒,均垂直于熔合线向焊缝中心生长, 这主要与焊接过程中的温度梯度有关。与焊态相 比,固溶处理后焊缝组织中 γ'相的数量略微减少, 这是因为固溶处理时间较短导致γ'相未完全固溶, 而部分溶入基体后造成。 经过时效处理后,焊缝组织中析出了大量弥散 分布的γ'相。γ'相对接头具有第二相强化作用,但 γ'相为脆性相,会降低接头的韧性。经过时效处理 后,焊缝中δ铁素体数量减少,奥氏体晶粒发生了一 定程度的粗化;热影响区和母材中孪晶数量有所增 多,但晶粒发生粗化。 

2.3 对力学性能的影响

 2.3.1 拉伸性能 

由表3可见:固溶处理对 A286激光焊接接头 的强度影响不大,但塑性提升较为明显,固溶+时效 处理后的试样强度明显提高,与固溶处理后相比,抗 拉强度提高了59.4%,屈服强度提高了45.7%,而 接头韧性较低,断后伸长率下降了24.7%。结合显 微组织分析可知,固溶+时效处理后合金中析出大 量γ'相,当合金发生变形时,奥氏体晶间形成的 γ' 相可对位错起到一定的钉扎作用,阻碍位错运动,从 而提高了接头的强度。另一方面,γ'相为脆性相,其 析出数量的增加会降低接头韧性。由图4可见,未热处理和固溶、固溶+时效处理 后合金的拉伸断口都表现出密集型韧窝形貌,具有 典型的韧性断裂特征。固溶+时效态试样的断口韧 窝分布不均匀,且韧窝较浅,说明在断裂过程中微孔 长大不充分,塑性变形程度较小,反映出其塑性较 低,与拉伸试验结果相符。

 2.3.2 显微硬度 

由图5可见:焊态接头中焊缝和热影响区的硬度略高于母材,表明焊后这两个区域发生了硬化;固 溶、固溶+时效处理后接头热影响区和母材的硬度 基本相当,固溶处理后焊缝硬度略低于母材和热影 响区,固溶+时效处理后焊缝硬度略高于这两个区 域。固溶态焊缝中存在较多δ铁素体,铁素体是软 韧相,使得焊缝区域的硬度比其他区域低;固溶+时 效处理后焊缝中铁素体减少,同时析出γ'相和碳化 物,因此焊缝的硬度相比热影响区和母材略有升高。 固溶处理接头整体硬度略低于未热处理接头,这是 由于固溶处理过程中γ'相向基体部分回溶导致的; 固溶+时效处理后接头整体硬度大幅提高,平均硬 度相比于固溶处理提高了83.6%,这是由于在时效 处理过程中 析 出 了 大 量 γ'相,且 在 基 体 中 分 布 均 匀,具有沉淀强化作用,从而提高了焊接接头的整体 硬度。

 3 结 论

 (1)A286合金激光焊接接头焊缝组织主要由 网状δ铁素体、γ'相和奥氏体组成,母材组织由细小 的奥氏体组成;经固溶处理后,焊缝组织由大量的网 状δ铁素体、少量γ'相和奥氏体组成,热影响区和母 材组织主要由晶粒细小的奥氏体组成;再经时效处 理后,焊缝组织析出大量弥散分布的γ'相,网状δ铁 素体减少,奥氏体晶粒粗化,热影响区和母材区孪晶 数量增多,且晶粒发生粗化。 (2)与未热处理相比,经固溶处理后接头屈服强 度由366MPa降低至360MPa,抗拉强度由614MPa 提 高 至 639 MPa,断 后 伸 长 率 由 17.3% 增 高 至 22.7%,平均硬度由190 HV 降低至180 HV,这是 由于固溶时间短,焊缝组织中δ铁素体和第二相析 出物γ'相发生部分回溶所致;再经时效处理后,接 头的屈服强度与抗拉强度分别大幅提升至662MPa 和1019MPa,但断后伸长率降低至17.1%,这是由 于时效处理后焊缝组织中析出了大量弥散分布的 γ'相,具有第二相沉淀强化作用,但 γ'相为脆性相, 会降低接头韧性。 

来源：材料与测试网