GH4169材料焊接組合件性能不合格原因分析及工藝改進(jìn)措施

田秦冠 江珍艷 羅毅

摘?要：本文對(duì)GH4169材料焊接持久性能不合格問(wèn)題進(jìn)行了分析，這是由于釬料的溫度為1040℃，導(dǎo)致GH4169材料中δ相完全熔解，使材料出現(xiàn)缺口敏感性。我們?cè)谧罱K固溶時(shí)效前增加了900℃的熱處理，解決該問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：Ni3Nb-δ相;真空釬焊;缺口敏感

GH4169鎳基高溫合金在（-253～700）℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合力學(xué)性能，但是該合金的另一個(gè)特點(diǎn)是金相組織對(duì)熱處理溫度特別敏感，掌握合金中相析出和熔解規(guī)律，及組織與工藝、性能間的相互關(guān)系，可針對(duì)不同的使用要求，制定合理可行的工藝，滿足不同要求的零件。

我們?cè)诋a(chǎn)品試制過(guò)程中出現(xiàn)GH4169材料，經(jīng)過(guò)1040℃釬焊后缺口持久性能不合格的問(wèn)題。

1?問(wèn)題描述

零件材料為GH4169，工藝路線依次為鍛造（固溶態(tài)）、粗加工、消應(yīng)力、精加工、釬焊（蜂窩環(huán)GH3536，焊料B-Ni82CrSiB）、時(shí)效。時(shí)效后檢測(cè)力學(xué)性能，其中持久性能不合格且試樣斷于缺口處。持久時(shí)間較為分散，有些為瞬間斷裂，有的則時(shí)間較長(zhǎng)，但是也不合格。

2?故障原因分析

2.1?零件加工過(guò)程情況

經(jīng)查加工記錄，加工過(guò)程符合文件要求，鍛件固溶態(tài)交付，鍛件驗(yàn)收將固溶態(tài)試樣進(jìn)行時(shí)效后，化學(xué)成分、力學(xué)性能，低倍組織、顯微組織、晶粒度均合格。釬焊工藝1040℃保溫（10-15）分鐘，氬氣冷卻。釬焊后時(shí)效熱處理工藝720℃保溫8h， 120分鐘降溫至620℃保溫8h。零件的加工過(guò)程符合文件要求。

2.2?不合格試樣分析情況

斷口試樣可以很清晰的看見(jiàn)放射區(qū)、纖維區(qū)，對(duì)試樣斷口放射區(qū)進(jìn)行掃描電鏡分析見(jiàn)圖1，可明顯看見(jiàn)裂紋為沿晶斷裂。宏觀斷口附近的金相圖片如圖2，也顯示為沿晶裂紋，而且晶界和晶內(nèi)δ相含量很少。

3?工藝分析及改進(jìn)

GH4169合金的組織對(duì)熱加工工藝特別敏感，不同的熱處理制度獲得不同的力學(xué)性能。通過(guò)查詢文獻(xiàn)材料δ相析出相圖，在熱加工過(guò)程中δ相的開(kāi)始析出溫度為700℃，980℃開(kāi)始熔解，完全熔解溫度為1020℃。而零件釬焊的加熱工藝為1040℃保溫（10～15）分鐘。因此，認(rèn)為零件出現(xiàn)缺口不合格的原因是由于釬焊溫度過(guò)高（1040℃），超過(guò)了GH4169材料δ相完全熔解溫度，在釬焊加熱保溫過(guò)程中合金中的δ相熔解。相關(guān)研究表明GH4169合金在650℃及更高溫度下多以沿晶形式擴(kuò)展，δ相的形狀、取向會(huì)影響合金裂紋擴(kuò)展速率和方向，增大裂紋擴(kuò)展的阻力。正是因?yàn)槿鄙倭司Ы绂南嗟脑斪饔?，?dǎo)致裂紋擴(kuò)展缺少阻力，最終材料出現(xiàn)缺口敏感，導(dǎo)致缺口持久試驗(yàn)不合格。

根據(jù)GH4169中δ相的析出相圖，GH4169材料δ相的析出峰值約為900℃。采用不同的熱處理工藝會(huì)有不同數(shù)量和形貌的δ相析出，且δ相在GH4169材料中的析出是可逆的。為了改善基體材料的缺口敏感性，使經(jīng)釬焊和熱處理后材料中存在適量的δ相，對(duì)經(jīng)過(guò)釬焊后試樣進(jìn)行900℃保溫再固溶時(shí)效的重復(fù)熱處理。但是δ相的析出量卻需要控制，如果析出太少則會(huì)起不到δ相的晶界扎釘作用，如果δ（Ni3Nb）相析出量太多，就會(huì)在其附近導(dǎo)致γ''、γ?貧化并影響其含量，從而影響材料的力學(xué)性能。所以需要生成適量的δ相，在確保室溫拉伸、高溫拉伸合格的前提下，使持久性能合格。最終通過(guò)工藝試驗(yàn)確定于900℃保溫30分鐘再進(jìn)行固溶時(shí)效的重復(fù)熱處理制度。

對(duì)重復(fù)熱處理后的式樣進(jìn)行高倍組織和力學(xué)性能檢測(cè)。高倍組織檢測(cè)金相顯示在晶界重新析出了大量的δ相，呈現(xiàn)棒狀或者針狀組織。高溫持久力學(xué)性能檢測(cè)合格，斷口斷于光滑處，持久的時(shí)間數(shù)據(jù)較為集中，大多在61～71h之間，較大的超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的25h，不再存在缺口敏感性，室溫拉伸和高溫拉伸也符合要求。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)論，更改零件加工工藝規(guī)程，在釬焊后進(jìn)行重復(fù)熱處理，現(xiàn)已加工多批零件，所有性能均合格，也不再有缺口敏感性問(wèn)題。

4?結(jié)語(yǔ)

4.1?通過(guò)故障分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，零件缺口持久不合格的原因是由于釬焊溫度溫度為1040℃，使晶界δ相熔解，材料出現(xiàn)缺口敏感性導(dǎo)致缺口持久。

4.2?通過(guò)對(duì)釬焊后的試樣在900℃保溫并重新進(jìn)行固溶時(shí)效，晶界處重新析出了δ相，試樣經(jīng)測(cè)試力學(xué)性能合格，不再存在缺口敏感性。

4.3?GH4169材料可以通過(guò)調(diào)整熱加工工藝獲得形貌、數(shù)量和分布不同的δ相，從而使材料獲得不同的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建國(guó)等.GH4169合金加熱過(guò)程中形態(tài)和晶粒尺寸的演化規(guī)律.熱加工工藝，2013，vol42，No.24。

[2]侯杰等.GH4169合金高溫疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀損傷機(jī)制.工程科學(xué)學(xué)報(bào)，第40卷，第7期：822-823，2018年7月。