GH2132合金的焊接裂纹分析.pdf

DOI:10.3969/j.issn.1000-6826.2022.01.1301GH2132 合金的焊接裂纹分析合金的焊接裂纹分析Analysis of Welding Crack for GH2132 Alloy Part供稿|刘爱胜/LIU Aisheng导读内容GH2132 板材焊接时出现焊缝开裂，为寻找开裂原因，解决开裂问题，对焊缝取样，利用光学显微镜和扫描电镜观察焊缝组织；对试样做拉伸实验，利用扫描电镜分析拉伸断口。结果表明，焊缝组织晶界上存在大量的富 Ti、Mo 的低熔点相，组织中有较多的生长孪晶。焊缝组织层错能较低，焊后冷却速度大，热应力大。焊缝断口上存在 3 类区域，分别为未熔合区、晶界开裂区以及韧性断裂区。晶界低熔点相的大量密集分布以及焊后较大的热应力共同导致了晶界沿析出相开裂。焊缝中同时存在未熔合区导致的内部孔洞和晶界低熔点相导致的结晶裂纹。GH2132 是一种沉淀强化型高温合金，常用于制作航空发动机的热端部件12。GH2132 板材焊接时出现焊缝开裂，对焊缝取样进行分析，寻找开裂原因，以改进焊材和焊接工艺。实验方法实验所用母材为 GH2132 固溶态板材。母材与焊丝的化学成分如表 1 所示，焊接参数为：焊接电流200 A，焊接速度0.6 mm/min，送丝速度130 m/min。对焊缝部位取样，观察微观组织。并进行拉伸实验，分析断口。实验结果与分析组织分析图 1 所示为焊缝的宏观形貌。中间泛白区为焊缝，周围灰黑色区域为母材。可见焊缝截面大体呈V 形，母材及熔池因局部受热差异导致熔池左右两侧边缘形状有所不同。表1焊缝母材和焊丝化学成分（质量分数）%材料CCrNiMoAlTiSVBSiMnPFe母材0.05414.8025.151.170.222.200.000880.260.00360.970.980.026余量焊丝0.05415.1926.441.130.192.070.003400.320.00220.561.000.016余量 图 2 所示为焊缝裂纹附近组织，可见有大量析出相沿晶界分布。图 2（a）中的晶界析出相形状不规则，内部疏松，且边缘有熔化迹象。晶界及晶内有块状相存在，如箭头所示。图 2（b）中裂纹沿晶界延伸。箭头 1 所示为已开裂并有所扩展的裂纹，箭头 2 所示为刚刚在晶界萌生的裂纹，裂纹萌生处存在大量细碎析出相，如图 2（b）中椭圆框所示。可以推断，这些细碎析出相在裂纹萌生前的状态与 作者单位：江苏省扬州技师学院，江苏扬州225003 702023 年第 4 期图 2（a）中一致。在开裂过程中，被应力撕扯，导致碎成图 2（b）中所示的状态。图 2（b）箭头 3 所示为孪晶。因焊接熔池是铸态组织，故此为生长孪晶。生长孪晶的形成需要低的层错能以及大的冷却速度37。这意味着此处的冷却速度大，而大的冷却速度导致大的热应力，进一步加剧了焊缝的开裂倾向。图 3 为晶界析出相的能谱分析。结果表明相对于基体成分（表 1）晶界析出相中 Ti、Mo 富集（表 2）。GH2132 合金属铁镍基高温合金，在铁镍基的体系里，Ti 为沉淀元素，易与其它元素形成多种析出相，而 Mo 为固溶元素，通常与基体形成置换固溶体，有时也会形成析出相，但 Mo 形成的析出相不稳定，易分解。此处的能谱分析表明，Ti 形成了析出相，沉淀在晶界。而 Mo 在熔池凝固过程中因温度降低，在基体中的溶解度降低，被排到了晶界区，与其它元素一起形成了复杂的低熔点共晶组织。此类组织熔点低，强度低，疏松质脆，在合金中是严重的薄弱环节，是导致开裂的一个重要因素。123(a)(b)4 m4 m图2裂纹附近组织：（a）区域一；（b）区域二 能量/keV相对强度+05101520NiTiTiFeFeMoMoMoMnMnCrCrNiSiNi10 m(a)(b)图3裂纹附近晶界区能谱分析：（a）电子图像；（b）能谱图 表2晶界析出相成分（质量分数）%SiTiCrMnFeNiMo3.3419.258.211.2330.4934.083.40 断口分析图 4 所示为焊缝的拉伸断口。当拉伸试样内部有微裂纹时，试样将沿微裂纹开裂，观察断口可分析微裂纹的成因。断口上有 3 种类型的区域，分别是图 4（b）中椭圆标示区域、图 4（b）中方框标示区域以及如图 4（d）所示的韧窝区。方框所示区域呈熔化迹象，表明此区域在焊接过程中未熔合，以下称此类区域为未熔合区。椭圆 2222 m图1焊缝宏观形貌焊接质量工艺与装备Apparatus and Equipments71区域无韧窝特征，既无解理断裂特征，也无晶界脆性断裂的平滑断口特征，而是呈碎颗粒状。结合图 2所示的晶界析出相的状态可以判断，此为晶界沿析出相分离后的界面，碎颗粒为被应力撕碎的析出相，与图 2（b）的分析一致。以下称此类区域为晶界开裂区。图 4（c）为未熔合区与晶界开裂区的放大显示，其更清晰地显示了此二区的特点。由晶界开裂区断口形貌及图 2 所示的晶界低熔点析出相可以判断，晶界处的裂纹为结晶裂纹，是晶界低熔点相与热应力共同导致的。图 4（d）所示的韧窝区也表明，焊缝中有部分熔合良好的区域呈韧性断裂。由以上分析可知，焊缝中有未熔合区域，成为内部孔洞与原始裂纹。且焊缝中有晶界低熔点相导致的结晶裂纹。另外，冷却速度快造成的热应力大也是开裂的一个重要原因。结论（1）焊缝组织晶界上存在大量的富 Ti、Mo 的低熔点相，组织中有较多的生长孪晶。焊缝组织层错能较低，焊后冷却速度大，热应力大。（2）焊缝断口上存在 3 类区域，分别为未熔合区、晶界开裂区以及韧性断裂区。（3）晶界低熔点相的大量密集分布以及焊后热应力大共同导致了晶界沿析出相开裂。（4）焊缝中同时存在未熔合区导致的内部孔洞与晶界低熔点相导致的结晶裂纹。参考文献 中国航空材料手册编写委员会.中国航空材料手册.2版.北京：中国标准出版社，20021 北京钢铁学院高温合金教研室主编.GH132合金.北京：国防工业出版社，19802 Salgado-Ordorica M A,Phillion A B Rappaz M.Morphologyand growth kinetic advantage of quenched twinned dendrites inAlZn alloys.Metall Mater Trans A，2013(44)：26993 杨鲁岩，李双明，高卡，等.铝合金中孪生枝晶的研究进展.稀有金属材料与工程，2015，44（7）：18094 马晓光.层错能对面心立方金属冷拔微观组织及织构演化的影响.西安：西北工业大学，20185 章小峰，冷德平，张龙，等.Al含量对FeMnAlC系低密度钢层 错 能 及 形 变 孪 晶 的 影 响.材 料 热 处 理 学 报，2015，36（12）：1286 韩宇，姜文超，刘志璞.RS590轮辋用钢焊缝开裂原因分析.金属世界，2021（5）：727 作者简介：刘爱胜（1982）男，江苏省扬州市人，江苏省扬州技师学院教师。2005 年毕业于南京工业大学材料化学专业，主要研究方向：材料科学类。主持市级以上课题 4 项、公开发表论文 5 篇。通信地址：江苏省扬州市邗江区职中南路 33 号，江苏省扬州技师学院，邮政编码 225000；E-mail：。(c)(d)(a)(b)2 m20 m10 m10 m图4焊缝断口：（a）宏观形貌；（b）韧窝区-未结晶界面；（c）未结晶界面；（d）韧窝区焊接质量Metal World 722023 年第 4 期