GH2132是一種沉淀強化型高溫合金，常用于制作航空發動機的熱端部件[1−2]。GH2132板材焊接時出現焊縫開裂，對焊縫取樣進行分析，尋找開裂原因，以改進焊材和焊接工藝。

1.   實驗方法

實驗所用母材為GH2132固溶態板材。母材與焊絲的化學成分如表1所示，焊接參數為：焊接電流200 A，焊接速度0.6 mm/min，送絲速度130 m/min。對焊縫部位取樣，觀察微觀組織。并進行拉伸實驗，分析斷口。

表  1  焊縫母材和焊絲化學成分（質量分數） %

材料	C	Cr	Ni	Mo	Al	Ti	S	V	B	Si	Mn	P	Fe
母材	0.054	14.80	25.15	1.17	0.22	2.20	0.00088	0.26	0.0036	0.97	0.98	0.026	余量
焊絲	0.054	15.19	26.44	1.13	0.19	2.07	0.00340	0.32	0.0022	0.56	1.00	0.016	余量

2.   實驗結果與分析

2.1   組織分析

圖1所示為焊縫的宏觀形貌。中間泛白區為焊縫，周圍灰黑色區域為母材。可見焊縫截面大體呈V形，母材及熔池因局部受熱差異導致熔池左右兩側邊緣形狀有所不同。

圖  1  焊縫宏觀形貌

圖2所示為焊縫裂紋附近組織，可見有大量析出相沿晶界分布。圖2（a）中的晶界析出相形狀不規則，內部疏松，且邊緣有熔化跡象。晶界及晶內有塊狀相存在，如箭頭所示。圖2（b）中裂紋沿晶界延伸。箭頭1所示為已開裂并有所擴展的裂紋，箭頭2所示為剛剛在晶界萌生的裂紋，裂紋萌生處存在大量細碎析出相，如圖2（b）中橢圓框所示。可以推斷，這些細碎析出相在裂紋萌生前的狀態與圖2（a）中一致。在開裂過程中，被應力撕扯，導致碎成圖2（b）中所示的狀態。

圖  2  裂紋附近組織：（a）區域一；（b）區域二

圖2（b）箭頭3所示為孿晶。因焊接熔池是鑄態組織，故此為生長孿晶。生長孿晶的形成需要低的層錯能以及大的冷卻速度[3−7]。這意味著此處的冷卻速度大，而大的冷卻速度導致大的熱應力，進一步加劇了焊縫的開裂傾向。

圖3為晶界析出相的能譜分析。結果表明相對于基體成分（表1）晶界析出相中Ti、Mo富集（表2）。GH2132合金屬鐵鎳基高溫合金，在鐵鎳基的體系里，Ti為沉淀元素，易與其它元素形成多種析出相，而Mo為固溶元素，通常與基體形成置換固溶體，有時也會形成析出相，但Mo形成的析出相不穩定，易分解。此處的能譜分析表明，Ti形成了析出相，沉淀在晶界。而Mo在熔池凝固過程中因溫度降低，在基體中的溶解度降低，被排到了晶界區，與其它元素一起形成了復雜的低熔點共晶組織。此類組織熔點低，強度低，疏松質脆，在合金中是嚴重的薄弱環節，是導致開裂的一個重要因素。

圖  3  裂紋附近晶界區能譜分析：（a）電子圖像；（b）能譜圖

2.2   斷口分析

圖4所示為焊縫的拉伸斷口。當拉伸試樣內部有微裂紋時，試樣將沿微裂紋開裂，觀察斷口可分析微裂紋的成因。斷口上有3種類型的區域，分別是圖4（b）中橢圓標示區域、圖4（b）中方框標示區域以及如圖4（d）所示的韌窩區。

圖  4  焊縫斷口：（a）宏觀形貌；（b）韌窩區-未結晶界面；（c）未結晶界面；（d）韌窩區

方框所示區域呈熔化跡象，表明此區域在焊接過程中未熔合，以下稱此類區域為未熔合區。橢圓區域無韌窩特征，既無解理斷裂特征，也無晶界脆性斷裂的平滑斷口特征，而是呈碎顆粒狀。結合圖2所示的晶界析出相的狀態可以判斷，此為晶界沿析出相分離后的界面，碎顆粒為被應力撕碎的析出相，與圖2（b）的分析一致。以下稱此類區域為晶界開裂區。圖4（c）為未熔合區與晶界開裂區的放大顯示，其更清晰地顯示了此二區的特點。

由晶界開裂區斷口形貌及圖2所示的晶界低熔點析出相可以判斷，晶界處的裂紋為結晶裂紋，是晶界低熔點相與熱應力共同導致的。圖4（d）所示的韌窩區也表明，焊縫中有部分熔合良好的區域呈韌性斷裂。

由以上分析可知，焊縫中有未熔合區域，成為內部孔洞與原始裂紋。且焊縫中有晶界低熔點相導致的結晶裂紋。另外，冷卻速度快造成的熱應力大也是開裂的一個重要原因。

3.   結論

（1）焊縫組織晶界上存在大量的富Ti、Mo的低熔點相，組織中有較多的生長孿晶。焊縫組織層錯能較低，焊后冷卻速度大，熱應力大。

（2）焊縫斷口上存在3類區域，分別為未熔合區、晶界開裂區以及韌性斷裂區。

（3）晶界低熔點相的大量密集分布以及焊后熱應力大共同導致了晶界沿析出相開裂。

（4）焊縫中同時存在未熔合區導致的內部孔洞與晶界低熔點相導致的結晶裂紋。

文章來源——金屬世界