通过协同控制凝固裂纹和MC碳化物来提高电子束焊接GH4251合金接头的抗拉强度

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Synergistic control of solidification cracks and MC carbides to enhance the tensile strength of electron beam welded GH4251 alloy joints

电子束焊接高Al、Ti镍基合金时，裂纹和MC碳化物共存导致焊接质量下降。通过优化焊接参数，实现了裂纹与碳化物的协同控制，使接头室温抗拉强度达到基体材料的92%。研究表明，裂纹和碳化物作为应力集中源加速宏观断裂，高温热应力与晶界取向影响裂纹萌生，而碳化物/基体界面位错密度与碳化物自身应变显著影响接头强度。

　　

Jincan Ma | Houqin Wang | Caiyu Guo | Yifan Wang | Yu Qiu | Binggang Zhang | Hongyao Yu

哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，中国哈尔滨市大直街西92号，150001

摘要

随着航空工业的不断发展，对飞机发动机中高温合金的需求显著增加。然而，在熔焊含有高Al和Ti含量的沉淀强化镍基合金时，裂纹形成和脆性相的析出仍然是严重影响焊接质量的主要挑战。本研究探讨了这类合金的焊接性和机械性能的基本原理，重点研究了采用电子束技术焊接的GH4251合金。通过优化焊接参数，成功实现了MC碳化物和凝固裂纹的协同控制，使得室温下的抗拉强度达到1471 MPa——相当于基体金属的92%。实验和仿真结果表明，在外加载作用下，焊缝中的凝固裂纹和MC碳化物成为应力集中区，从而加速了接头的宏观断裂。焊接过程中的瞬时拉应力和高角度晶界进一步促进了凝固裂纹的发生。此外，在MC碳化物与γ基体之间的半相干界面观察到高密度的位错，并且碳化物本身也出现了明显的拉应变。总体而言，这项研究为高温Al和Ti沉淀强化镍基超级合金接头的焊接参数、微观结构演变及室温抗拉强度之间的关系提供了新的见解。

引言

高温超级合金，特别是沉淀强化的镍基超级合金，因其优异的静态载荷抗力、疲劳强度和抗蠕变性能而被广泛认为是航空发动机应用的首选材料。为了提高推重比和燃油效率，提高涡轮入口温度已成为提升航空发动机动力性能的关键策略[1][2]。然而，这一进步对用于热段部件的材料的耐温能力和机械性能提出了更高的要求[3][4]。GH4251是一种新开发的γ′-沉淀强化镍基超级合金，在高达800°C的服务温度下表现出优异的热稳定性和机械性能，使其成为涡轮盘等关键结构部件的有希望的候选材料[5][6]。

鉴于新型航空发动机部件的制造成本极高，熔焊已成为一种有前景的工业修复技术。在各种方法中，电子束焊接（EBW）作为一种典型的高能量密度熔化工艺，由于其深宽比高、效率高和污染少的优点，特别适合用于焊接高温合金[7][8]。然而，当应用于高Al和Ti沉淀强化的镍基超级合金时，EBW的高能量输入会导致快速的加热和冷却循环以及剧烈的温度梯度。这些条件在凝固过程中产生显著的拉应力[9][10]，而增加的温度梯度则促进了沿晶界液膜的形成[11][12]。再加上快速的热循环，这些因素显著增加了凝固裂纹的敏感性[13][14]。为了减轻凝固裂纹，研究人员主要关注调节焊接热输入以降低裂纹敏感性。研究表明，增加热输入可以有效降低焊接过程中的温度梯度，从而降低接头中的拉应力并减少枝晶间液膜破裂的风险[15][16]。这些发现强调了焊接引起的应力在裂纹形成中的关键作用；然而，微观结构演变与焊接接头裂纹起始之间的关系尚未得到充分阐明。更重要的是，从工程角度来看，焊接接头的整体适用性不能仅通过裂纹抑制的程度来评判。例如，在使用热补偿EBW工艺控制IN738LC接头中的液化裂纹时，虽然裂纹得到了有效减少，但MC碳化物的同时形成导致室温和高温下的伸长率显著降低[17]。这表明微观结构特征在影响裂纹形成和决定接头机械性能方面的双重作用需要更系统的研究。

本研究系统地探讨了影响GH4251 EBW接头凝固裂纹的因素，特别关注高角度晶界在裂纹形成中的作用。此外，还对MC碳化物/γ基体界面和MC碳化物/硼化物界面进行了对比分析，从而阐明了MC碳化物影响接头室温抗拉强度的机制。基于这些见解，提出了一种对MC碳化物和凝固裂纹进行协同控制的策略。这种方法无需任何焊接后处理即可显著提高接头的室温抗拉强度，并建立了优化的工艺参数以实现协调控制。本研究的结果为推进高温Al和Ti沉淀强化镍基超级合金的加工和应用潜力提供了坚实的实验基础。

实验部分

焊接测试

本实验使用的材料是经过固溶处理和时效处理的GH4251(BM)合金。结合实际应用，使用电火花加工（EDM）线切割机和磨床将材料加工成33 mm × 15 mm × 6.5 mm的试样板。在试样的根部固定了一个背板（33 mm × 15 mm × 3 mm），以确保在所有参数设置下都能实现完全的接头穿透，并稳定焊缝形态。

接头表面和截面形态

图2显示了GH4251 EBW接头的宏观表面形态。结果表明，接头无飞溅物、宏观裂纹和其他缺陷。在360 mm/min的焊接速度下，接头的上表面变得明显凹陷，背面高度增加（图2a1,a2）。这是因为焊接速度的降低增加了焊接热输入，延长了接头各区域的高温停留时间，导致表面蒸发。

讨论

上述断裂表面分析表明，接头的宏观断裂与WZ区的微裂纹以及MC碳化物的存在有关。以下部分将重点讨论影响凝固裂纹形成的因素以及MC碳化物影响焊接接头室温抗拉强度的机制。

结论

本研究首先对GH4251合金进行了电子束焊接实验。随后，通过结合微观结构分析和温度-应力场模拟，实现了凝固裂纹和MC碳化物的协同控制，最终提高了接头的抗拉强度。基于以上研究，可以得出以下结论：

• 1)
  GH4251 EBW接头在室温抗拉测试后的断口分析

作者声明

我们声明提交的论文是原创的，尚未也未提交给任何其他期刊的同行评审过程。不存在竞争性财务利益，所有财务支持已在手稿中予以说明。

作者贡献声明

Binggang Zhang： 方法论。 Caiyu Guo： 资源提供、实验研究。 Houqin Wang： 文稿撰写 – 审稿与编辑、方法论。 Yu Qiu： 监督。 Yifan Wang： 监督。 Jincan Ma： 文稿撰写 – 初稿撰写、监督、资源提供、方法论。 Hongyao Yu： 资源提供、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52475339）的支持。