热处理对Inconel 718合金电子束焊接头微观组织和性能的影响.pdf

专题研究机械制造文摘焊接分册 热处理对I n c o n e l718 合金电子束焊接头 微观组织和性能的影响 郑欣，师玉英，陈玉宝，张伟杰 ( 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 6 6 ) 摘要：研究了“双8 时效”制度和“短时效”制度对I n c o n e l7 1 8 高温合金母材和焊缝区的金相组织、室温力学性能的影响。 结果表明，焊缝区为铸造组织特征，定向生长的树枝晶内析出 y ”和 y 强化相，枝晶主干细长挺直，两侧的二次枝品以8 相 为主，形态短而直：由于“短时效”热处理的温度偏高，使y 亚稳定相向8 稳定相转变，导致“短时效”热处理后焊件的显 微硬度和强度略低于“双8 时效”热处理试件，而断后伸长率基本无变化。 关键词：高温合金；电子束焊；时效热处理；微观组织；力学性能 中图分类号：T G l 5 6 T h ee f f e c t so fh e a tt r e a t m e n t so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fI n c o n e l7 18e l e c t r o nb e a mw e l d i n gj o i n t s Z h e n gX i n ，S h iY u y i n g ，C h e nY u b a o ，Z h a n gW e i j i e ( A E R OE n g i n eC o r p o r a t i o no fC h i n a ，H a r b i n15 0 0 6 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h ee f f e c t so ft h e “t w o - e i g h ta g i n g a n d “s h o r t - a g i n g ”p r o c e s s e so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dr o o m t e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fI n c o n e l7 1 8m a t r i xa n dw e l d i n gj o i n t sw e r es t u d i e d T h ec a s t i n gs t r u c t u r em o r p h o l o g y w a so b t a i n e di nt h ew e l d i n gj ( t i n t sa n dt h e 吖”a n d - y 7 r e i n f o r c i n gp h a s e sw e r ep r e c i p i t a t e di nt h ed e n d r i t ec r y s t a l s T h e m a i nd e n d r i t ew a sl o n ga n ds t r a i g h t H o w e v e r t h es h o r ta n ds t r a i g h ts u b d e n d r i t ec r y s t a l sc o n t a i n i n g6p h a s ew e r e p r e c i p i t a t e do nb o t hs i d e so ft h em a i nd e n d r i t e s T h em e t a s t a b l e ”p h a s ew a st r a n s f o r m e di n t ot h es t a b l e6p h a s eb e c a u s eo ft h eh i g h e rt e m p e r a t u r eo ft h e “s h o r t a g i n g ”p r o c e s s A sar e s u l t t h em i e r o h a r d n e s sa n dt h es t r e n g t hw e r e l o w e rt h a nt h o s eo ft h e “t w o e i g h ta g i n g ”p r o c e s s a n dt h ee l o n g a t i o nw a sn o tc h a n g e d K e yw o r d s ：h i g h t e m p e r a t u r ea l l o y ；e l e c t r o nb e a mw e l d i n g ；a g i n gt r e a t m e n t ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 0 前言 I n c o n e l7 1 8 是镍基高温合金，具有良好的抗热疲劳、 抗氧化和冷、热加T 性能，并在6 5 0 具有较高的强度和 2 62 0 1 7 年第1 期 良好持久、疲劳性能1 。被广泛应用于制作航空发动 机的气压机盘、涡轮盘、机匣和叶片等高温结构部件。 I n c o n e l7 1 8 高温合金的热处理方式主要由固溶处 理和时效处理两部分组成。经固溶时效处理后析出体 万方数据 机械制造文摘焊接分册专题研究 心立方1 ”和面心立方1 沉淀强化相。其中亚稳相1 ” ( N i ，N b ) 是主要强化相， y 为辅助强化相( N i ，A 1 T i ) 。另 外，8 相( N i ，N b ) 为y ”相的平衡稳定相，在一定条件下 吖”会转变为6 相。采用不同的热处理工艺可使合金获 得不同的组织结构，且合金中1 ，1 ”和8 相具有不同的 形态和体积分数_ 3 。J 。因此使合金呈现不同的力学和 蠕变性能等。目前，对该合金的时效研究主要为标准 的“双8 时效”制度。5J ，而且多集中于对母材的热处理 相变和组织性能研究。6 qJ ，对焊缝的时效组织变化规 律研究很少。最近，美国通用电气公司在某份研究报 告中针对I n c o n e l7 1 8 高温合金提出了“短时效”的热处 理制度 9 ，因此采用两种时效制度进行对比研究，分析 其对焊缝和母材的微观组织、相组成和显微硬度的影 响规律，为I n c o n e l7 1 8 产品焊后热处理提供依据。 1 试验材料及工艺 I n c o n e l7 1 8 合金铸锭经开坯、锻造成, , 4 2 0I n l T lX2 0 0 n l l n 的锻件。铸锭的高温扩散退火工艺为：11 6 0 。C 2 4h + 11 9 0 。C 7 2h 。锻件采用真空感应+ 真空自耗的双联冶 炼工艺，再经等温锻造而成。初锻温度为11 0 0o C ，终锻温 度为9 5 0o C 。 合金的化学成分如表1 所示。 表1 I n c o n e l7 1 8 合金的化学成分( w t ) 采用线切割工艺从弘2 0m m X2 0 0m m 的合金锻 件上直接切取若干规格为1 5 0m m 8 0m mX 4m m 试 件用于电子束焊接试验。电子束焊接设备为K 4 9 G 1 5 0 C N C 型高真空电子束焊机，焊接前试件装夹结构 如图1 所示。焊接参数如表2 所示。 图1高温合金试件电子束焊接照片 表2 I n c o n e l7 18 合金试件电子束焊接工艺参数 焊接完成的试件分别采用两种时效处理方案： ( 1 ) “双8 时效”制度：7 2 0o C 6 并保温8h ，以 ( 4 5 6 5 ) h 冷却速度到6 2 0o C ，并在6 2 0o C 6o C 保温8h 后空冷。 ( 2 ) “短时效”制度：真空加热到7 6 0 1 4 并 保温5h ，炉冷至6 4 9o C ，在6 4 9o C 1 4o C 保温lh ，空 冷至4 2 7o C 以下。 采用上述制度处理的时效试样经研磨抛光，沿焊 缝两侧对称测量显微硬度。然后腐蚀试样在金相显微 镜下观察，腐蚀剂为：8 0 H C l + 1 3 H F + 7 H N 0 3 。 电子束焊完成后，沿着垂直焊缝方向将板状试件 切成规格为1 2 0m m X3 2m m 4i r l m 的若干试样条，并 按A S T ME 8 E 8 M - 2 0 1 5 a 标准加工性能试样，进行室 温力学性能检测。 2 试验结果 2 1 两种时效热处理的母材金相组织 I n c o n e l7 1 8 合金经两种时效热处理后的低倍组织 如图2 所示。热处理前后的基体晶粒尺寸接近且比较 均匀，为1 0 2 0 m 。采用“双8 时效”和“短时效”热 处理后的晶界平直。从图2 b 和图2 c 发现两种时效处 理后的晶内都有细小的粒状和针状晶体析出。 2 2 两种时效热处理工艺的焊接区微观组织 经过两种不同时效热处理后，I n c o n e l7 1 8 合金试 2 0 1 7 年第1 期2 7 万方数据 专题研究机械制造文摘焊接分册 件电子束焊缝、热影响区附近的低倍组织照片如图3 和4 所示。从图3 和图4 显微组织照片发现，采用“双 8 时效”和“短时效”热处理后，熔合线附近品体为短小 的胞状枝晶( 图3 ( 1 1 ) 和图4 ( ) 区) ，整个焊缝中心 区都呈现清晰的定向生长的树枝晶，主干细长而挺直， 二次枝晶短而直，树枝晶的生长方向与焊缝中心的温 度梯度垂直，一直生长到焊缝中心处相交，没有等轴晶 出现。而且，两种时效热处理后的焊缝上表面和下表 面的枝晶相比，焊缝上半部分的枝晶都更加细长。 ( ：1 ) 热处理之前的微观组织 r h ) “双8 时效”之后的微观组织 ( I ) “短时效”之后的微观组织 图2母材热处理前后的微观组织照片 图5 为不同时效热处理后的焊缝中心区金相组 织，两种时效热处理后的焊缝区均为树枝晶，在枝晶主 2 82 0 1 7 年第1 期 r a 焊缝截面低倍照片 f ，) 焊缝中心上部( I 区) 的微观组织照片 f c ) 焊缝与母材过渡区( I I 区) 的微观组织照片 “l 焊缝中心下部( 1 1 I 区) 的微观组织照片 图3 采用“双8 时效”制度处理后 焊缝的微观组织照片 万方数据 机械制造文摘焊接分册专题研究 ( a ) 焊缝截面低倍照片 f I ，) 焊缝中心上部( I 区) 的微观组织照片 l ( 一) 焊缝与母材过渡区( 1 1 区) 的微观组织照片 ) 焊缝中心下部( I l I 区) 的徼观组织照片 图4 采用“短时效”制度处理后 焊缝的微观组织照片 干两侧沿垂直枝晶中轴线方向析出短而直的二次晶。 而且，“短时效”热处理后树枝晶和二次品生长比较粗 大，呈现鱼骨状结构。 ( a ) “双8 时效”处理后微观组织照片 ( 1 1 ) “短时效”处理后微观组织照片 图5 不同时效制度处理后 焊缝中心的组织照片 2 3 两种时效制度热处理焊接接头的力学性能 2 3 1 时效热处理后的室温力学性能 表3 中列出了两种时效热处理后焊接试件的室温 力学性能。“短时效”热处理的焊接试样强度略低于 “双8 时效”的焊接试样强度。两种热处理后的延伸率 基本没有明显变化。 2 3 2 时效热处理后的显微硬度 显微硬度是一种压入硬度，反映被测物体对抗硬 物体压人的能力。在进行相分析过程中，通过测量显 微硬度来确定所观察组织的种类和性质。在电子束焊 接过程中，焊缝金属经历快速熔化和凝固过程，为铸造 组织状态。远离焊缝的金属母材保持原有组织状态不 变，而靠近焊缝附近一定范围的金属受到焊缝处热量 输人的影响，经历一个固态相变过程。虽然相变区内 组织形貌没有明显变化，但是由于相变导致晶界已经 出现较大间隙，对抗压入的能力减弱，反映为显微硬度 下降。