引 言

GH4169 合金是高推重比航空發動機的熱端部件廣泛采用的高強度高溫合金之一。在航空工業中，高溫合金主要用于制造燃氣渦輪發動機的高溫工作構件，如燃燒室、渦輪盤和葉片、導向器葉片和機匣、擴散器和加力燃燒室等，其中多數板材合金構件是采用焊接工藝制造，有些鍛件和鑄件也需要焊接，因此，高溫合金的焊接性和焊接工藝對其推廣和應用是非常重要的[1-2]。固溶態的高溫合金焊接逐步在工廠中投入使用，氬弧焊在薄板方面的焊接有著自己獨特的優勢[3-4]。

通過室溫拉伸試驗、斷口分析、金相組織分析、微區硬度分析手段，對 GH4169 合金氬弧焊接頭室溫力學性能和接頭組織進行了分析和研究。

1、試驗材料和方法

試驗材料為板厚 1.5 mm 的 GH4169 高溫合金，固溶酸洗狀態，其化學成分見表 1。

試驗采用鎢極氬弧焊，選用與母材化學成分相同的焊絲，焊接規范參數為：母材厚度為 1.5 mm；焊絲直徑為 2.0 ~ 2.5 mm；鎢極直徑為 2.0 ~ 2.5 mm；焊接電流低于 35 A 存在未焊合現象，因此選用焊接電流為 35 A、45 A、60 A；保護氣體（Ar）氣體流量為 12 ~15 L/min。

室溫拉伸試驗按照 GB 228.1-2010“金屬材料拉伸試驗 第 1 部分：室溫試驗方法”進行，拉伸試驗在CMT4204 微機控制電子萬能試驗機上進行；斷面觀察試驗采用蔡司 Sigma300 場發射掃描電鏡進行觀察；微區硬度采用規格型號為 QNESS 10 維氏硬度計來測量焊接接頭的硬度分布；采用 AXIO 金相顯微鏡觀察 GH4169 焊接接頭組織形貌，腐蝕劑為 CuSO4+HCl+無水乙醇。

2、試驗結果與分析

2.1 力學性能試驗結果分析

對比氬弧焊焊接件及母材的抗拉強度可以檢驗GH4169 的焊接情況。固溶態 GH4169 母材及焊接接頭室溫拉伸試驗結果見表 2。根據表中數據，35 A、45 A 焊接電流下焊接件的抗拉強度相比母材降低較少，而 60 A 電流下的焊接件抗拉強度降低明顯，焊接件的斷裂位置均位于熱影響區附近，同時斷面的方向均是傾斜 45°，斷口呈現剪切唇形貌。

2.2 斷面試驗結果分析

觀察斷面的韌窩形貌可以研究焊接熱影響區晶粒變化對韌窩形貌的影響。圖 1 為拉伸試樣的斷面形貌，均為 500 倍下觀察結果。以圖 1 進行分析如下：

圖 1 的（a）為母材的拉伸試樣斷面，剪切韌窩細小，拉伸后斷面存在較多大孔洞；35 A 焊接件斷面呈現的剪切韌窩相比母材韌窩變大許多，韌窩整體較淺，大孔洞中可見明顯的蛇形滑移花樣[5]，見（b）所示；45 A 焊接件斷面呈現的剪切韌窩相對混亂，大小不一，其中較大韌窩相比 35 A 焊接件韌窩相差不大，韌窩心部可見強化相形貌，見（c）所示；（d）為 60 A 焊接件斷面，剪切韌窩相比于 35 A、45 A 焊接件較大，孔洞的深度也更深，孔洞中蛇形滑移花樣更加明顯，應是 60 A 焊接電流下熱影響區晶粒變大明顯的結果。

2.3 金相試驗結果分析

金相組織分析可以研究不同焊接電流下熱影響區的變化情況。圖 2 為 35A、45A、60A 焊接電流下的焊接金相組織，固溶態的 GH4169 母材組織為奧氏體結構，應由 γ 基體、γ'（Ni3AlTi）、γ''（Ni3Nb）、碳化物和δ 相組成。觀察可見焊縫組織為樹枝狀奧氏體，熔合區呈現等軸的奧氏體組織，紅線內顯示的是晶粒變大的熱影響區，與母材組織相同，但晶粒長大嚴重[6]，觀察可見，其中 60 A 電流下焊接熱影響區長度遠大于 35 A、45 A 焊接熱影響區，晶粒變大的程度更加明顯。

2.4 合金中相分析

化合物相的分析可以研究不同焊接狀態下化合物相相對母材的變化情況。使用場發射掃描電鏡對母材及各電流下焊接件中組成相形態的進一步探究，見圖 3 所示。

電鏡觀察狀態下，對其成分分析結果母材中嵌入相相對較多，能譜分析顯示其主要為 NbC、TiN，見圖 4 中（a）（b）所示，TiN 呈金塊狀分布在晶粒內，NbC 形狀為塊狀夾雜物；35 A、45 A、60 A 焊接試樣熱影響區位置的相形態呈現為浮在基體上的圓餅狀，能譜分析顯示主要為 NbC，位于晶界上，見圖 4中（c）所示；而焊縫位置的樹枝狀奧氏體區域的化合物，能譜顯示除了碳化物外，還存在 γ'相成分。其形態更像是懸浮基體的不規則形狀相，見圖 4 中（d）。因為合金在凝固的過程中會先形成碳化物，綜合結果來看，焊縫位置碳化物相對較多，越遠離焊縫碳化物越少 。

2.5 硬度試驗結果分析

焊縫位置硬度分析可以檢測不同焊接狀態下硬度的變化情況。圖 5 為 35 A、45 A、60 A 焊接電流下的熔合線附近顯微硬度圖，熔合線左側為母材熱影響區，右側為焊縫區，可見 35 A 和 45 A 焊接電流下熱影響區相對較窄，60 A 電流下熱影響區相對較寬，且硬度值更低，這與 60 A 電流焊接件的拉伸強度較低相對應，同時三種焊接電流焊接件的熱影響區位置硬度值最低，與拉伸試驗的斷裂位置位于熱影響區相對。熔合線左側晶粒長大對應的熱影響區及左側晶粒變化不明顯的母材區其顯微硬度均低于焊縫區。

3、結 語

綜上分析得出以下結論：

（1）固溶狀態下 GH4169 高溫合金焊接接頭的抗拉強度比母材低，隨著焊接電流的增大，抗拉強度呈下降趨勢，焊接電流達到 60 A，抗拉強度下降明顯，同時實驗過程中也發現該參數下 30 A 焊接電流板材出現未焊合情況，因此在保證抗拉強度的前提下使用該板材建議將焊接電流控制在 30 A 以上、60 A 以下；

（2）35 A、45 A 焊接電流下晶粒明顯長大的熱影響區寬度相差不大，60 A 焊接電流下熱影響區寬度明顯增大，同時其斷面的剪切韌窩增大明顯；

（3）焊縫處的樹枝狀奧氏體區含有較多碳化物，高Ni 元素也反映其存在較多 γ' 相，熱影響區碳化物含量相比焊縫降低，在電鏡中觀察形態也更趨于懸浮的圓餅狀，母材中出現一定量的 TiN 相及 NbC 相，形態為嵌入狀，同時其碳化物含量相比熱影響區明顯減少；

（4）熱影響區顯微硬度最低，遠端母材區與焊縫區硬度相差不大，因此母材真正熱影響區范圍較大，遠超過晶粒明顯長大的熱影響區范圍。

參考文獻：

[1] 許鴻吉，田世英，謝明，等.高溫合金 GH4169 氬弧焊接頭的高溫組織和力學性能[J].大連鐵道學院學報，2006，27（3）：77-79.

[2] 林志峰，陳志凱，邢斌，等.釬焊溫度對 GH4169/1Crl8Ni9Ti接頭組織和性能影響研究[J].焊接，2017（8）：25-27.

[3] 牛靜，張凡云，楊樹林，等.不同時效處理對 GH4169 合金金相組織性能的影響[J].航空制造技術，2016（20）：45-48.

[4] 劉臣，田素貴，王欣，等.一種 GH4169 鎳基合金的組織結構與蠕變性能[J].材料工程，2017，45（6）：43-48.

[5] 魏振偉，劉昌奎，顧玉麗，等.GH536 鎳基高溫合金焊接接頭力學性能與斷裂特征研究[J].航空材料學報，2015，35（5）：70-74.

[6] 吳家云.焊后熱處理對 GH648 鎳基合金氬弧焊接頭組織和性能影響的研究[J].焊接，2014（11）：10-13.

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