GH783合金氩弧焊工艺及性能

2018-03-28 49

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摘要：采用十字形试样对不同热处理与焊接组合下的裂纹倾向性进行评估、对比，确定了热处理与焊接组合方案。同时对比了HGH718和HGH738两种焊丝的接头性能，结果表明，HGH718焊丝更适宜于焊接GH783，其焊缝金属室温强度系数达92%，650℃高温强度系数达到96%，同时具有良好塑性和较好的高温持久性能。

关键词：GH783合金 HGH718焊丝 HGH738焊丝氩弧焊接头性能

前言

低膨胀高温合金是60年代发展起来的一种新型工程材料，具有高强度、低膨胀系数和稳定的弹性模量，是制造燃气涡轮机匣、涡轮外环以及封严圈、蜂窝支撑环等高温零部件的理想材料，可以实现主动间隙控制技术，有效地提高发动机的推力和效率，改善发动机的性能。GH783合金是新研制的抗氧化低膨胀高温合金，该合金既保持了低的膨胀系数，同时具有良好的应力加速晶界氧化抗力（SAGBO），其650℃抗氧化性与Incoloy 718合金相当，650℃/100h氧化速率显著降低。因此该合金在涡轮发动机机匣、涡轮外环等需要高温零间隙控制构件的选材上更具有竞争力。但目前尚未对其焊接性、焊接工艺进行研究。为推动该合金的应用研究，急需对其开展焊接工艺的研究。本文对GH783合金的裂纹敏感性进行了评估，对比了不同焊接材料的接头性能，为该合金的氩弧焊接应用提供了初步的数据。

1 试验材料及方法

1．1 试验材料

试验用材料为自行研制的GH783低膨胀高温合金，δ=3.0mm，合金主要化学成分及性能见表1，材料的热处理制度为固溶：1120℃×1h，AC；β时效：843℃×8h，AC；γ’时效：718℃×8h，以56℃/h的冷速降至621℃，再621℃×8h，AC。选用HGH718和HGH738焊丝进行焊接，对比两种焊丝的接头性能以优选焊丝。焊丝主要化学成分见表2。

1．2 试验方法

焊前材料表面先经化学清洗，再经机械清理，采用手工钨极氩弧焊焊接。采用HGH718焊丝进行合金的抗裂性试验，同时对比测试HGH718和HGH738两种焊丝的接头性能，并采用光学显微镜、扫描电镜观察分析接头组织、断口形貌。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>表1 GH783合金主要成分及性能（wt%）

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Cr

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Ni

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Nb

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Ti

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Al

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Fe

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Co

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>2.99

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>28.82

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>3.16

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>0.18

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>5.52

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>25.92

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>余

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>σ_b MPa

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>σ_b^650℃ MPa

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>1370

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>970

　　　　　　　　表2 HGH718和HGH738主要成分（wt%）

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>Al

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>Fe

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>Co

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>Cr

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>Mo

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>Ti

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>Ni

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>Nb

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>HGH718

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>0.64

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>余

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>0.26

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>18.37

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>3.12

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>0.98

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>52.44

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>5.07

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>HGH738

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>1.44

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>1.08

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>13.22

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>19.80

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>4.14

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>3.06

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>余

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>—

2 试验结果及分析

2．1 抗裂性试验

从表1中可以看出该合金的Al含量很高，并且含有少量的Ti，主要通过γ，相（Ni3Al）沉淀强化。因此从焊接热循环作用的角度看，合金属难焊合金，具有较高的裂纹敏感性。因此先进行了不同焊接和热处理组合方案下裂纹敏感性对比，以指导后期焊接试验工作。抗裂性试验采用十字形试样，试验结果见图1 和表3。从表3可见不同热处理和焊接方案组合的抗裂性相差较大，固溶处理或完全热处理后焊接，合金的抗裂性较好；固溶处理、焊后再对接头进行完全热处理，焊接接头的裂纹有所扩展；而焊前完全热处理，焊后再完全热处理对裂纹基本无影响。综合考虑合金不同状态下的抗裂性和合金、接头的性能，采取焊前固溶处理20min，焊后再完全热处理的试验方案。试验结果表明该处理方案对基体材料无不利影响。

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>图1 典型焊接裂纹

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>表3 合金抗裂性试验结果

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>方案

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>裂纹倾向性

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>K_l/（%）

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt">固溶处理+焊接

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>3.5

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt">固溶处理+β时效+焊接

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>19.2

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt">完全热处理+焊接

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>5

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt">固溶处理+焊接+完全热处理

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>6

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt">固溶处理+β时效+焊接+γ’时效

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>21

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt">完全热处理+焊接+完全热处理

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>5

备注：完全热处理指固溶+β时效+γ’时效

2．2 接头性能

焊后经完全热处理，去除焊缝余高，测试焊缝的拉伸性能和高温持久性能，所有试样均断于焊缝。试验结果见表4和表5。其中HGH718焊丝的焊缝室温强度为基体材料的92%，650℃的强度为基体的96%，同时具有较好的塑性；而HGH738焊丝的焊缝室温强度为基体材料的85%，650℃的强度为基体的92%，塑性均低于HGH718。从焊缝金属的高温持久性能也可看出，HGH718焊丝优于HGH738焊丝。因此应采用HGH718焊丝焊接GH783合金。

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>表4 接头拉伸性能

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>焊丝
牌号

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>室温

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>650℃

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>抗拉强度

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>σ_b/MPa

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>延伸率δ₅ /%

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>抗拉强度

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>σ_b/MPa

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>延伸率

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>δ₅ /%

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>HGH718

normal style="LINE-HEIGHT: 18pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly" align=center>1267