GH3539高温合金焊接性揭秘：Zr、C、Si在凝固裂纹形成与愈合中的双重角色博弈

《Journal of Materials Research and Technology》：Weldability of GH3539 Superalloy: Unraveling the Dueling Roles of Zr, C, and Si in Solidification Crack Formation and Healing

本研究针对先进GH3539合金焊接过程中易出现凝固裂纹这一关键瓶颈，系统揭示了痕量元素Zr、C、Si的竞争性冶金机制。研究发现Zr作为单一脆化剂，显著加宽凝固温度区间并形成弱凝聚力液膜，促进裂纹扩展；而C和Si则扮演双重角色，其偏聚虽促进脆性共晶液膜形成，但同时通过形成大量M6C共晶液相对新生微裂纹进行有效的反向填充愈合。该研究为设计抗裂纹GH3539合金焊接材料提供了关键的机理理解和成分设计指导。

　　

在航空航天、能源转换以及下一代核反应堆等高端工业领域，高性能镍基高温合金是不可或缺的关键材料。其中，GH3539合金因其特定的Ni-W-Cr成分，尤其适用于熔盐堆（MSR）等极端高温（>800 °C）和腐蚀性环境。然而，焊接作为这些关键部件制造和连接不可或缺的技术，却给GH3539合金带来了严峻挑战。与许多高性能合金类似，GH3539合金在焊接过程中极易产生各种形式的裂纹，其中凝固裂纹是影响接头完整性和可靠性的主要问题。

凝固裂纹是焊接熔池冷却过程中，在 semi-liquid（半液态）区域发生的一种复杂冶金现象。此时，由热收缩引起的拉伸应力作用于晶界处脆弱、连续的液膜上，导致开裂。其敏感性受焊接工艺参数（如热输入、焊接速度、拘束条件）和本征材料因素（如基体金属成分、微观结构、杂质含量）共同影响。以往对GH3539的研究主要集中在优化焊接工艺（如激光焊接热输入）和评估拘束应力等方面。尽管付出了这些努力，对于微量或痕量元素在决定先进高温合金焊接性和凝固裂纹行为中所扮演的精确且通常复杂的作用，人们的理解仍不完整。这些元素，即使含量很少，也能深刻改变液膜特性、凝固路径，并最终影响裂纹敏感性。

值得注意的是，痕量元素对焊缝凝固裂纹的影响并非总是有害的。虽然许多元素因会形成低熔点共晶，扩大脆性温度区间，从而加剧液膜破裂而众所周知地增加裂纹敏感性，但也存在一种较少被探索的竞争可能性：某些元素或其形成的相，可能通过特定的原位机制（如共晶反向填充）来缓解裂纹——即末期液相填充新生裂纹并凝固的过程。例如，一些镍基合金（如Inconel 625）优异的实际抗裂性，就归因于富Nb末端共晶液相对新生裂纹的 backfilling（反向填充）和 healing（愈合）能力。

具体到GH3539合金，Zr、C和Si因其在镍基高温合金中强烈的碳化物（尤其是M₆C型碳化物）形成倾向而被选为研究对象。这些元素常被有意添加或是关键残留物，因为形成稳定的碳化物相是提高焊件高温强度和抗蠕变性能的关键策略。然而，它们对焊接性的影响远比其强化作用复杂。这些元素在焊接快速凝固过程中表现出强烈的偏聚倾向，深刻影响晶界液膜特性。这就在优化强度和确保良好焊接性之间造成了经典冲突。因此，理解这些关键痕量元素在GH3539合金焊接中的全面作用，不仅需要评估其脆化潜力，还需要严格研究其竞争机制，例如在凝固最后阶段“反向填充”或“愈合”新生裂纹的能力。

为了回答这些问题，研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了他们的研究成果。本研究旨在通过仔细研究Zr、C和Si对凝固路径、微观结构演变的影响，特别是它们对液膜特性和反向填充现象的影响，系统地阐明这些元素在GH3539合金焊缝凝固裂纹敏感性中的独特且通常是双重的作用。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，通过真空感应熔炼制备了Zr、C、Si含量受控变化的GH3539合金实验铸锭。其次，利用横向可调拘束试验（Trans-varestraint Test）严格评估了合金的凝固裂纹敏感性。第三，结合扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）等多种微观结构表征技术，对裂纹形貌、元素分布和析出相进行了综合分析。最后，利用Phase Lab软件进行了热力学计算，以模拟合金的平衡凝固过程并评估凝固温度区间（STR）。

研究结果

3.1. 基体与焊缝金属的微观结构

对基体金属（BM）和焊后焊缝金属（WM）的初始微观结构表征表明，Zr、C和Si都是碳化物析出的有效促进剂，尤其是在焊缝金属内部。随着Zr含量增加，基体金属中沿晶界出现链状析出物，焊缝金属中则在晶界出现细小的明亮析出物，经鉴定为ZrC型MC碳化物。增加C含量使基体和焊缝金属中的M₆C碳化物数量增加。Si对基体金属影响可忽略，但明显促进焊缝金属中细小M₆C析出物的形成。

3.2. 焊缝凝固裂纹敏感性

横向可调拘束试验结果表明，所有三种痕量元素都不同程度地增加了GH3539合金的焊缝凝固裂纹敏感性（WSCS）。Zr的影响最为显著，即使无外加应变（0%应变），高Zr合金也会产生明显的凝固裂纹，且总裂纹长度（TCL）随Zr含量增加而急剧增加。C和Si也逐步增加了裂纹敏感性，在施加应变下，裂纹尺寸随其含量增加而增大。

3.3. 裂纹特征与竞争机制的证据

裂纹均沿大角度晶界萌生和扩展，这些位置存在显著的应力集中。深入分析揭示了两种截然不同且相互竞争的机制：主导的脆化路径和部分反向填充现象。

3.3.1. Zr主导的脆化路径

在高Zr合金中，开裂行为主要由脆化机制主导。随着Zr含量增加，裂纹变得更长、更宽、更连续，且部分愈合现象消失。化学分析显示，Zr在裂纹尖端强烈富集，形成低凝聚力液膜，结合局部应力增加，导致严重、未愈合的裂纹扩展。

3.3.2. 富C和富Si合金中的共晶反向填充现象

与Zr的行为形成鲜明对比，高C和高Si含量的合金表现出明显的裂纹愈合机制——反向填充。随着C或Si含量增加，可以观察到末端液相（经鉴定为富含W、Mo、Si、Cr、Zr的M₆C共晶）对新生微裂纹的填充现象。这导致裂纹更短、不连续且部分愈合，代表了与主要脆化过程相竞争的机制。

讨论与结论

本研究证实GH3539合金的焊缝凝固裂纹敏感性（WSCS）强烈依赖于外加应变和化学成分。其机理可归结为裂纹萌生/扩展（脆化）与裂纹愈合（反向填充）之间的竞争。Zr作为纯粹的脆化剂，通过强烈偏聚显著降低固相线温度，加宽凝固温度区间（STR），并形成脆弱的晶界液膜和 brittle phases（脆性相），导致长而开放的未愈合裂纹。C和Si则表现出双重作用：它们的偏聚也会促进脆性共晶液膜形成（脆化），但同时引入了通过M₆C共晶液相对裂纹进行反向填充的愈合机制。

最终WSCS的净增加表明，在横向可调拘束试验的高应变速率条件下，脆化动力学主导了反向填充机制。然而，这种愈合途径的存在本身是一个关键发现，它表明在实际焊接过程中较低应变速率下，通过优化工艺参数，C和Si的 backfilling（反向填充）效应可能变得更加有效，从而改善焊接性。

这些发现对GH3539合金焊接填充材料的成分设计具有直接且重要的意义：应严格限制Zr含量（理想情况下低于0.06 wt.%），以规避其强烈的脆化作用；对C的添加可采取更细致的策略，在利用其强化和潜在 backfilling（反向填充）益处的同时控制其脆化影响；鉴于Si对形成有害低熔点液膜的显著贡献，应避免有意向其填充焊丝中添加Si。该研究强调了合金设计的一个重要原则：目标并非完全消除低熔点相，而是设计具有最佳体积、流动性和凝固特性的末端液相，以促进有效的反向填充，从而在保证强度的同时提升焊接性能。这项工作为开发用于先进能源系统的抗裂纹高温合金焊接材料提供了深刻的冶金学见解和实用的成分设计指南。