高溫合金焊接研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉武猛，郭純，吳隨松

1.安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽蕪湖 241000

2.安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 安徽滁州 233100

1 序言

隨著科學(xué)發(fā)展，飛機(jī)生產(chǎn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率與耐用性有著越來(lái)越高的要求，因此用于內(nèi)燃機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的重要材料高溫合金獲得了快速發(fā)展。高溫合金可以在高溫的工況下承受復(fù)雜的機(jī)械應(yīng)力，且可在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下仍具備耐蝕、耐磨、抗蠕變性和抗疲勞等優(yōu)良性能。

高溫合金的研發(fā)是由歐美國(guó)家率先展開(kāi)的。在20世紀(jì)30年代，普通的金屬已經(jīng)無(wú)法滿足飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)改良的要求，因此英國(guó)、美國(guó)等開(kāi)始研發(fā)早期的高溫合金。國(guó)內(nèi)的高溫合金研發(fā)起步較晚。在高溫合金中占有重要地位的Inconel 718合金是美國(guó)在20世紀(jì)50年代研制的一種高性能高溫合金，因其具有的高抗拉、高屈服、高塑性、高持久強(qiáng)度以及優(yōu)異的耐蝕和焊接加工特性，而被廣泛用于航空、航天、核能和發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。我國(guó)也于1968年開(kāi)始逆向研發(fā)Inconel 718合金，并將其命名為GH4169合金。

目前，在粉末高溫合金領(lǐng)域，我國(guó)還處在研制第三代粉末高溫合金初期，而歐美等國(guó)已經(jīng)研制出了第四代粉末高溫合金。2019年我國(guó)高溫合金產(chǎn)量為2.7萬(wàn)t，而需求則達(dá)到了4.8萬(wàn)t，尤其是用于航空航天領(lǐng)域的高溫合金，其產(chǎn)能嚴(yán)重不足，依賴進(jìn)口程度高。

2 高溫合金的概況及分類

高溫合金的定義比較模糊，并沒(méi)有一個(gè)特別明確的定義，現(xiàn)在比較主流的高溫合金一般包括鐵基、鎳基和鈷基這三大類。

（1）鐵基高溫合金 以Fe為基體，加入少量Ni、Cr等合金來(lái)增強(qiáng)耐熱性和抗氧化性。

（2）鈷基高溫合金 以Co為基體，通過(guò)增加合金中的Cr、Ni等元素來(lái)實(shí)現(xiàn)耐熱性的提升。因Co元素的儲(chǔ)量與價(jià)格等方面因素，故鈷基高溫合金一般用于受復(fù)雜應(yīng)力的高溫零件制造。

（3）鎳基高溫合金 以Ni為基體，其在高溫的穩(wěn)定性上優(yōu)于鐵基高溫合金；而在價(jià)格和儲(chǔ)量方面，Ni遠(yuǎn)比Co適合大批量生產(chǎn)，因此鎳基高溫合金的使用較為普遍[1]。

根據(jù)材料成形方法，高溫合金可以分類為鑄造高溫合金、變形高溫合金和新型高溫合金。在目前生產(chǎn)實(shí)踐中，變形高溫合金占到了主體地位。變形高溫合金的最新進(jìn)展為我國(guó)成功研發(fā)了φ1.2m的GH4698合金盤和φ0.8m的GH4742合金盤，成功擺脫了對(duì)進(jìn)口的依賴，也滿足了我國(guó)大型艦船和燃?xì)廨啓C(jī)迫切的發(fā)展需要[2]。鑄造高溫合金具有更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，甚至能將其穩(wěn)定工作溫度提升到1827℃。新型高溫合金解決了高溫合金偏析嚴(yán)重、成形困難等問(wèn)題，主要包含普通粉末冶金和氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金這兩大類。相較于前兩種方法成形的高溫合金，新型高溫合金適用范圍更加廣泛[3]。

3 高溫合金焊接的發(fā)展

3.1 焊接裂紋形成機(jī)理

因?yàn)楦邷睾辖鹛厥獾墓ぷ鳝h(huán)境，所以焊接難點(diǎn)主要集中在對(duì)焊接裂紋的控制、焊接接頭強(qiáng)度和微觀組織的均勻度。

（1）凝固裂紋 由于凝固溫度區(qū)間內(nèi)初生的發(fā)達(dá)枝晶互相勾連形成晶間的液體封閉，因而造成沿焊縫區(qū)的凝固晶界和凝固亞晶界開(kāi)裂的裂紋稱為凝固裂紋。產(chǎn)生凝固裂紋的根本原因是常規(guī)高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，液態(tài)高溫合金流動(dòng)性差，因此焊接接頭往往具有較大的拘束應(yīng)力，導(dǎo)致焊接接頭熱裂傾向較大。CHEN Shuangjian等[4]通過(guò)JMatPro 7 模擬計(jì)算獲得了同類合金不同成分的凝固溫度區(qū)間，并發(fā)現(xiàn)W含量與合金凝固溫度區(qū)間呈正相關(guān)。另外，界面活性原子如B、Si 等偏析于液相中，會(huì)降低固液界面能，減弱晶界結(jié)合力，降低焊縫塑性變形能力，使焊縫更容易產(chǎn)生裂紋。唐正柱等研究發(fā)現(xiàn)Nb元素在焊接熱影響下產(chǎn)生偏析并形成低熔點(diǎn)共晶相，降低晶界結(jié)合力，也是凝固裂紋產(chǎn)生的原因之一。

（2）液化裂紋 晶間連續(xù)或半連續(xù)的液膜在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用下開(kāi)裂形成的裂紋稱為液化裂紋。產(chǎn)生液化裂紋的機(jī)理是焊縫的熱影響區(qū)（HAZ）晶間有液膜形成，會(huì)降低界面結(jié)合力，促使裂紋產(chǎn)生。張冬梅等[5]使用激光焊接儀器對(duì)718高溫合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Nb、B等元素會(huì)增大液化裂紋敏感性，隨著焊接接頭所受焊接應(yīng)力的增加，焊接接頭中產(chǎn)生的焊接裂紋的總長(zhǎng)度增加，焊縫自身的拘束應(yīng)力越大，液化裂紋越容易產(chǎn)生。此外，還發(fā)現(xiàn)液化裂紋產(chǎn)生的主要原因是熱影響區(qū)晶界上富 Nb 的碳化物相受焊接熱輸入影響而發(fā)生溶解以及部分組分液化。

（3）高溫失塑裂紋 沿晶開(kāi)裂的細(xì)小顯微裂紋，通常發(fā)生在固相線以下的高溫低塑性溫度區(qū)間。學(xué)術(shù)界關(guān)于高溫失塑裂紋產(chǎn)生的機(jī)理還沒(méi)有統(tǒng)一的觀點(diǎn)，但是影響高溫失塑裂紋敏感性[6]的主要因素有：①焊接材料的元素及其含量，如P、S、Nb、Mn等。②采用的焊接以及焊后熱處理工藝。③晶界的曲折程度、晶粒的大小、晶界的滑移以及晶界與施加應(yīng)變的適應(yīng)性。

（4）應(yīng)變時(shí)效裂紋，又稱再熱裂紋 這種裂紋產(chǎn)生的機(jī)理是焊接部件存在焊后殘余應(yīng)力，當(dāng)焊接部件處于熱環(huán)境下，殘余應(yīng)力會(huì)得到釋放，殘余應(yīng)力與熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)效應(yīng)力相互疊加，合金塑性無(wú)法承受疊加產(chǎn)生的總應(yīng)力時(shí)，晶界處會(huì)因應(yīng)力的集中而發(fā)生沿晶開(kāi)裂?；谄洚a(chǎn)生機(jī)理，這種裂紋通常在焊后熱處理或者高溫服役過(guò)程中的焊縫熱影響區(qū)晶界處。可通過(guò)細(xì)化合金晶粒尺寸、降低焊接時(shí)的熱輸入量、焊前預(yù)熱或焊后噴丸處理等方法進(jìn)行防范[7]。

3.2 高溫合金的焊接工藝研究

（1）鎢極氬弧焊 鎢極氬弧焊簡(jiǎn)稱TIG焊，它具有電弧穩(wěn)定、無(wú)飛濺、焊接質(zhì)量好和幾乎可以焊接所有合金及金屬等優(yōu)點(diǎn)，此外還因其設(shè)備簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，故應(yīng)用十分廣泛。高溫合金鎢極氬弧焊的焊接研究方向主要集中在改善或添加某些焊接工藝，從而獲得性能更好的焊接接頭。

張曉鴻等[8]使用脈沖T I G 焊接方法，對(duì)Inconel690高溫合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)，在對(duì)焊接工藝優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)峰值電流處于60～100A的區(qū)間內(nèi)，Inconel690焊縫的晶粒相對(duì)較小，焊接峰值電流為50A和100A的焊縫晶相對(duì)比如圖1、圖2所示。通過(guò)不同焊接參數(shù)下的金相組織對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在焊接過(guò)程中通過(guò)適當(dāng)增大峰值電流、脈沖頻率、占空比，可以有效細(xì)化焊縫晶粒組織。

圖1 峰值電流50A 的焊縫晶相

圖2 峰值電流100A 的焊縫晶相

王濤[9]通過(guò)對(duì)高溫合金Inconel601H進(jìn)行試驗(yàn)，探究脈沖TIG焊的工藝參數(shù)對(duì)焊縫的影響，并發(fā)現(xiàn)將參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)時(shí)，焊縫強(qiáng)度會(huì)隨著峰值電流、脈沖頻率及占空比的提高而提高，并且以上焊接參數(shù)的提高對(duì)焊縫區(qū)晶粒細(xì)化效果明顯。

國(guó)外學(xué)者GONZáLEZ等[10]使用預(yù)熱處理后的Inconel939高溫合金對(duì)TIG焊熱影響區(qū)的開(kāi)裂進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在合金進(jìn)行焊前預(yù)熱處理后，會(huì)減少焊接過(guò)程中熱影響區(qū)液化裂紋的產(chǎn)生。

TIG焊自身也有部分缺點(diǎn)，如焊接速度慢，焊接熔深淺，容易出現(xiàn)咬邊、氣孔等缺陷，且熱影響區(qū)較大，以及在實(shí)際使用中還會(huì)增加液化裂紋產(chǎn)生的概率，因此TIG焊只適合普通用途的高溫合金焊接，而無(wú)法滿足航空航天方向關(guān)鍵構(gòu)件的焊接。

（2）激光焊接 激光焊接是將高能量密度的激光束作為熱源進(jìn)行焊接的一種高效精密焊接方法。激光焊接具有熱輸入集中，焊件熱影響區(qū)小，以及自動(dòng)化控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域最常使用的焊接技術(shù)之一。高溫合金使用激光焊，需要盡量減少熱輸入，因?yàn)闊彷斎脒^(guò)大容易產(chǎn)生裂紋。對(duì)高溫合金進(jìn)行激光焊，可以很好地解決高溫合金熔池流動(dòng)性低的問(wèn)題。對(duì)高溫合金的激光焊接研究主要是嘗試采用不同的焊接參數(shù)，來(lái)減少裂紋產(chǎn)生，并增加焊縫的強(qiáng)度。

孫文君等[11]使用激光焊分別對(duì)傳統(tǒng)軋制態(tài)（R）GH4196板材和SLM增材制造（3D）GH4196板材進(jìn)行焊接，相同熱輸入條件下獲得成形良好的不同材料狀態(tài)的GH4196激光焊接頭，焊縫均無(wú)裂紋和氣孔等嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量的缺陷。焊縫因母材的材料狀態(tài)不同，強(qiáng)度也不相同，熔合區(qū)平均顯微硬度依次是3D/3D GH4196為274HV，R/R GH4196為261HV，R/3D GH4196為250HV。

因?yàn)镚 T D-111鎳基高溫合金的焊接性不良，易產(chǎn)生裂紋，所以ZHANG Guiju等[12]選用250W的Nd：YAG激光器焊接GTD-111鎳基合金板，研究了不同的焊前、焊后熱處理對(duì)熔析、凝固和應(yīng)變時(shí)效裂紋的影響。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊前固溶熱處理（1120℃）可以使鎳-鋯金屬間化合物和富鉻-鉬硼化物完全溶解，且母材金屬硬度的增加也會(huì)引起凝固和熔化裂紋長(zhǎng)度的增加。

（3）電子束焊 電子束焊（Electron Beam Welding）是指真空或大氣狀態(tài)下對(duì)焊件使用加速和聚焦的電子束轟擊焊接區(qū)域完成焊接的方法。電子束焊具有能量密度高、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接殘余變形小和在真空環(huán)境下焊縫純凈等優(yōu)點(diǎn)，主要在航空航天等高端制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。電子束焊接的熱沖擊雖會(huì)增加熱裂紋的產(chǎn)生，但是采用焊前熱處理可以減少熱裂紋產(chǎn)生。常見(jiàn)的電子束焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電子束焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)

章晨楊等[13]使用電子束焊接工藝對(duì)6mm厚的GH4169合金進(jìn)行了焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形及微觀組織影響的試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出，熔深和深寬比與電子束流的大小呈正相關(guān)，加入掃描波形易導(dǎo)致焊縫背面未焊透，接頭橫截面中下部出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，呈不對(duì)稱性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)電弧電壓為60kV、聚焦電流為504mA、工作距離為275mm、焊接速度為900mm/min、束流為29mA時(shí)，可獲得成形最優(yōu)的焊縫，成形美觀，無(wú)明顯缺陷，接頭橫截面呈上寬下窄的釘形。各試驗(yàn)數(shù)據(jù)下的接頭硬度皆高于母材，焊縫區(qū)硬度皆低于母材。加入電子束的掃描波形不能有效提高焊縫硬度。而熱處理不但可以提升接頭硬度，還可以顯著增加抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

HAN Ke等[14]使用電子束焊接工藝對(duì)K465合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)，探究焊接裂紋組織、裂紋特征和焊接性，發(fā)現(xiàn)Ti、Nb、Al元素在枝晶間偏析，導(dǎo)致在焊接凝固的最后階段于晶界和枝晶間形成液膜，從而造成液化裂紋。另外，還發(fā)現(xiàn)了液化裂紋是由于γ’、MC、初（γ+γ’）共晶相、富Cr 硼化物的成分液化所致。

電子束焊接雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在焊接時(shí)局限性也很明顯。因?yàn)楹附訒r(shí)需要真空環(huán)境，且抽真空的時(shí)間較長(zhǎng)，并受限于真空室的大小，所以過(guò)大的工件無(wú)法使用電子束焊接。在生產(chǎn)中電子束焊主要焊接要求高質(zhì)量的零件，大批量的焊接不適合用電子束焊接。

（4）釬焊 釬焊是用低于焊件熔點(diǎn)的釬料與焊件同時(shí)加熱到釬料熔化溫度后（熱源可以是化學(xué)反應(yīng)熱，也可以是間接熱能），利用液態(tài)釬料填充固態(tài)工件的縫隙使金屬連接的焊接方法。業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)于釬焊的研究少于常見(jiàn)焊接方式，主要研究方向是探究焊接成形良好的焊接參數(shù)。

閭川陽(yáng)等[15]使用BNi71CrSi釬料對(duì)鎳基Hastelloy N高溫合金實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量真空釬焊連接。試驗(yàn)針對(duì)1120～1240℃和保溫1～50 min條件下的BNi71CrSi釬料與典型Hastelloy N鎳基高溫合金的焊接接頭成分進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示，在釬焊溫度1240℃、保溫10min條件下，所獲得的接頭抗剪強(qiáng)度最高，為643.3 MPa。

李思思等[16]介紹了4種釬焊K465高溫合金技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片修復(fù)中的應(yīng)用，闡述了各種釬焊技術(shù)在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片修復(fù)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，介紹了各種釬焊技術(shù)在面對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片修復(fù)應(yīng)用情況下的使用方法與參數(shù)。

（5）摩擦焊 摩擦焊是工件在壓力作用下以接觸面的相對(duì)摩擦產(chǎn)生的熱量為熱源，使待焊面產(chǎn)生塑性變形而完成焊接的方法。摩擦焊的熱量集中在接合面處，具有熱影響區(qū)窄、焊接接頭質(zhì)量較好和不容易產(chǎn)生熱裂紋等優(yōu)點(diǎn)[17]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫合金摩擦焊的研究主要集中在焊接參數(shù)的優(yōu)化上，對(duì)機(jī)理研究相對(duì)較少。

金峰等[18]使用φ25mm的GH4169實(shí)心合金棒進(jìn)行摩擦焊試驗(yàn)，探究飛邊與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)速低于800r/m in時(shí)，飛邊呈光滑形貌；轉(zhuǎn)速介于800～1500r/min時(shí)，飛邊出現(xiàn)弧紋；轉(zhuǎn)速≥1500r/min時(shí)，飛邊顯著開(kāi)裂。

VISHWAKARMA等[19]通過(guò)對(duì)Allvac718 Plus合金進(jìn)行線性摩擦焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)域由細(xì)小的重結(jié)晶晶粒組成，與常規(guī)熔焊工藝的焊縫不同。由于焊接過(guò)程中施加的壓應(yīng)力抑制了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，所以也不會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)產(chǎn)生液化裂紋。

CHEEPU Muralimohan等[20]研究了攪拌摩擦焊的轉(zhuǎn)速對(duì)焊接頭性能及微觀組織形貌的影響。通過(guò)控制其他焊接參數(shù)不變，選擇不同的轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)inconel718合金進(jìn)行焊接。結(jié)果表明，攪拌摩擦的熔核區(qū)出現(xiàn)晶粒細(xì)化和沉淀，并且攪拌摩擦焊的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度越高，熔核區(qū)硬度值也越高。

4 高溫合金焊接技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

高溫合金優(yōu)良的綜合性能決定了其應(yīng)用前景廣闊，各種焊接技術(shù)的發(fā)展也使得高溫合金可以應(yīng)用在越來(lái)越復(fù)雜的環(huán)境下。更成熟的高溫合金焊接技術(shù)可以使高溫合金用在坦克制造、渦輪扇葉焊接以及尖端戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造方面[5，6]。因此，對(duì)高溫合金焊接加工的研究，依舊是應(yīng)用科學(xué)研究的重要方面。