接头组织的不均匀性与力学性能分析

1.组织的不均匀性

固溶强化高温合金的组织比较简单，这类合金焊接后，焊缝金属由变形组织变为铸态结晶组织。由于焊接熔池冷却速度快，焊缝金属会因晶内偏析形成层状组织。当偏析严重时，会在枝晶间形成共晶组织。接头热影响区产生沿晶界的局部熔化和晶粒长大，其程度依合金成分和焊接工艺不同而异。如GH3044合金比GH3039合金的晶粒长大明显，在焊缝两侧形成两条粗晶带，直接影响接头的拉伸和疲劳性能。

镍基高温合金的组织为单相奥氏体组织，焊接中不会发生相变，但加热会使晶粒明显长大。特别是焊接热影响区加热到1150℃以上晶粒会急剧长大，危害焊接接头区的力学性能，甚至在焊接状态下引发低塑性裂纹。

加热不仅可使晶粒长大，还会析出一些脆硬析出相。例如，InconelX750镍基合金在927℃热处理后会析出很多析出相，这些析出相有Ni₃Al、碳化物Cr₂₃C₆和TiC等。聚集在晶界的脆性析出物会引发微裂纹，降低接头的力学性能。

沉淀强化型高温合金和铸造高温合金的组织比较复杂，这类合金的焊接接头组织，不论是焊缝还是热影响区的组织结构都比较复杂。焊缝金属经历了熔化凝固的过程，原来的γ′或γ″、碳化物相、硼化物相等均溶入基体中，形成单一的γ相（即Ni的固溶体）。焊缝金属冷却速度快，形成横向枝晶很短主轴很长的树枝状晶，在树枝状晶间和主轴之间存在较大的成分偏析，在焊缝中会产生共晶成分的组织。接头热影响区在周期性加热的、温度梯度很大的热循环区域会引起γ′、γ″强化相溶解，碳化物相转变使热影响区的组织变得十分复杂，从而影响高温合金的性能。

γ′相对镍基高温合金有着特殊的意义，在这里γ′相实际上是Ni₃Al，为面心立方有序超点阵结构。它在Ni的固溶体｛100｝面析出，在＜100＞方向长大。γ′相的晶格常数与基体几乎一样，相差在0.5%以内。适当增加Al、Ti、Nb、Ta等元素的含量，材料的蠕变断裂强度将有明显提高，这是由于这些元素能显著提高γ′相向γ相的固溶温度，如图6-5所示。其中，Al能够提高γ′相的析出速度，对γ′相的析出强化影响最大，如图6-6所示。但若Al含量太高，γ′相虽然易于析出，但却易于聚集长大，反而失去强化效果。Al的析出强化与其溶解度的关系如图6-7所示，可见在给定的温度（此处为900℃），Al含量相当于该温度下的溶解度时，可使合金得到最高的热强性（即出现热强度峰值）。

图6-5 Ti或Al含量对γ′相固溶温度的影响

a）Ti的影响 b）Al的影响

图6-6 Al对析出强化的影响

图6-7 Al的析出强化与其溶解度的关系

Ti含量对析出强化的影响与Al含量的影响类似，也有一个最佳值（见图6-8）。Ti含量少时，γ′相的数量不足以产生足够的强化效果；但Ti含量较多时，开始优先析出α′亚稳定相使合金脆化而降低热强性。

2.焊接接头的力学性能(www.xing528.com)

图6-9所示为试验温度对γ′相（Ni₃Al）屈服强度的影响。一般地，合金的屈服强度随着温度的上升而下降，但γ′相（Ni₃Al）的屈服强度却出现随温度的上升而升高的特异现象，在700℃左右达最大值之后，才又随温度的上升而下降。从-196℃到700℃，屈服强度几乎提高了6倍。

γ′相除了自身的强化和使合金得以强化之外，它还有相当的塑性。图6-10所示为温度对γ′相（Ni₃Al）单晶在＜001＞位相上伸长率和断面收缩率的影响。这种塑性和温度之间的关系为随着温度的提高，先降低后升高，也存在一个低谷（约为816℃）。这一规律正与屈服强度的变化相对应。

图6-8 Ti的析出强化与含量的关系

图6-9 温度对γ′相（Ni₃Al）屈服强度的影响

图6-10 温度对γ′相（Ni₃Al）单晶在＜001＞位相上伸长率和断面收缩率的影响

对高温合金焊接接头的要求与母材相当，同样应抗氧化、耐腐蚀，具有良好的高温强度、塑性和疲劳性能，而且希望接头与母材等强。焊接接头的等强性常用接头强度系数Kσ（接头抗拉强度与母材抗拉强度之比）来表示。

焊接接头强度系数主要取决于接头区的组织特征。尤其是热影响区中晶粒长大，γ′强化相和碳化物的溶解形成了弱化区直接影响接头强度，在拉伸过程中，弱化区与硬化区阻碍试样的均匀变形。焊缝的存在也同样影响接头的均匀变形，使大部分塑性变形发生在弱化区，最终缩颈和断裂大多数发生在热影响区。

固相扩散连接时，随着扩散界面的移动而使结合界面消失是非常重要的。但是含Al、Ti较多的镍基高温合金的结合界面上容易形成Al₂O₃、TiO₂、TiC或TiN、NiTiO₃等，阻止扩散界面的移动，削弱了扩散界面的结合性能，这就降低了焊接接头的抗蠕变性能。

过渡液相扩散连接，也与固相扩散连接一样，特别是产生的液相容易与氧反应形成氧化物。这种氧化物残留在结合界面，是结合界面强度性能下降的原因之一。

此外，接头强度系数与高温合金的类型及焊接方法有关。固溶强化型高温合金手工氩弧焊和自动氩弧焊的接头强度系数为90%～95%；电子束焊的接头强度系数可以达到95%～98%。沉淀强化型高温合金的接头强度系数普遍较低，如氩弧焊的Kσ为82%～90%；只有焊后经固溶和时效处理后接头强度才可以接近母材的水平。当采用非同质焊丝时，接头的强度更难以达到母材的水平。