高温合金GH4648 焊后处理工艺对比研究.pdf

长沙航空职业技术学院学报JOURNAL OF CHANGSHA AERONAUTICAL VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE第 23 卷第 2 期2023 年 6 月Vol.23 No.2Jun.2023-30-收稿日期：2023-03-15基金项目：本文为长沙航空职业技术学院技术开发项目“高温合金TIG焊的工艺优化及应力消除研究”（编号：2104）阶段性研究成果。作者简介：魏印红（1974），男，山东汶上人，高级技师，一级军士长，研究方向为钣金和焊接。刘劲松（1967），女，湖南邵阳人，教授，工学硕士，研究方向为航空材料及其热处理。DOI:10.13829/ki.issn.1671-9654.2023.02.007高温合金 GH4648 焊后处理工艺对比研究魏印红1，蒲金魁2，王惠明子2，刘劲松1（1.长沙航空职业技术学院，湖南长沙4 1 0 1 2 4；2.国营锦江机器厂，四川成都6 1 0 0 4 3）摘要：以高温合金 GH4648 为实验研究对象，优化 TIG 焊的焊接规范参数、施焊条件等，研究了深冷和深冷后时效两种工艺对该材料 TIG 焊件的硬度、强度的影响，并探究了两种工艺对显微组织的影响。试验结果表明，深冷处理可提高镍基高温合金 GH4648 的硬度和强度，该材料焊件既适合高温也适合低温环境下的应用；深冷处理后再在 880.进行 12.h 时效处理，抗拉强度大幅提升，显微硬度也可得到提高，可有效改善高温合金 GH4648焊件的力学性能。关键词：深冷处理；GH4648；TIG 焊；时效处理中图分类号：TG156文献标识码：A文章编号：1671-9654(2023)02-0030-04Comparative Study on Post Weld Treatment Processes of Superalloy GH4648WEI Yin-hong1,PU Jin-kui2,WANG Hui-ming-zi2,LIU Jin-song1(1.Changsha Aeronautical Vocational Technical College,Changsha Hunan 410124;2.State-owned Jinjiang Machine Factory，Chengdu Sichuan 610043)Abstract:Taking superalloy GH4648 as the experimental research object,the welding specification parameters and welding conditions of TIG welding were optimized,and the effects of two processes,namely,cryogenic and post-cryogenic aging,on the hardness and strength of the materials TIG weldments were studied,and the effects of the two processes on the microstructure were also explored.The results show that cryogenic treatment can improve the hardness and strength of nickel-base superalloy GH4648,which is suitable for both high and low temperature applications,and that,after cryogenic treatment,880 *12 h aging treatment can greatly improve the tensile strength and microhardness,which can effectively improve the mechanical properties of superalloy GH4648 weldment.Key words:cryogenic treatment;GH4648;TIG welding;aging treatment高温合金主要以高熔点金属 Fe（1538）、Ni（1453）、Co（1495）为基，其中高温强度最高、应用最广及用量最大的是镍基高温合金，它在6501000 高温下有较高的强度和抗氧化、抗燃气腐蚀能力，常用于制造航空发动机叶片和核反应堆、能源转换设备上的高温零部件13。GH4648 旧称 GH648，属沉淀硬化型镍基高温合金，Cr 含量高达 32%35%。这使其具有中等强度和优异的抗热腐蚀及抗蠕变、抗疲劳性能，其具体成分见表 1。该材料密度低且无磁性，使用温度为 9001100，适宜于制造先进喷气发动机的燃烧室和涡轮部件4，5。-31-魏印红，等：高温合金 GH4648 焊后处理工艺对比研究第 2 期深冷处理在 1939 年由苏联人首次提出，如今已发展成为提升力学性能和使用寿命的有效工艺技术，无污染，操作简便，成本低廉，具有非常可观的市场前景和经济效益，应用越来越广泛6，7。目前，深冷处理工艺研究已突破钢铁材料领域，在有色金属、硬质合金等方面也取得了较大的研究成果8，9，但对于高温合金深冷处理方面的研究报道却很少。本文将深冷处理技术引入高温合金焊接领域，探究在深冷处理及循环处理过程中，高温合金微观组织的演化规律和性能变化机理，为高温合金的设计、制造，新产品的研发以及深冷处理实际应用领域的拓宽提供技术依据。表 1 GH4648 的化学成分 单位：%元素CCrWMoAl TiFeNb含量 0.1032354.35.32.33.30.51.10.51.1 4.000.51.1元素BCeSiMnPSNi含量 0.008 0.03 0.40 0.50 0.015 0.01余量1 试验设计试验材料为 GH4648 板材，准备母材 2 件，尺寸为 150 mm60 mm1.5 mm。具体试验方案为：前处理（除油、除锈等）TIG 焊深冷处理（-190 深冷 5 h、10 h）时效（880，持续 12 h，普通空气炉）显微组织观测性能检验（显微硬度、抗拉强度）。钨极氩弧焊经常被称作 TIG 焊，其优势是能焊接几乎所有的金属及其合金，电极温度高，热影响区比较小，不形成焊渣，无飞溅，焊条成形优美。缺点是不易在室外工作，生产成本较高，易产生夹钨。而高温合金在进行焊接时,如果采用较小的焊缝热输入和较稳定的电流及合适的电极形状，则可防止结晶断裂，得到较好的连接，无需采用任何工艺措施。本文研究了高温合金的冶金连接性能及连接工艺，并深入进行GH4648焊接性分析，选择合适焊接设备及焊接材料（包括钨极、喷嘴、焊丝、保护气体等），优化了焊接规范参数（主要为焊接电流）、施焊条件等，制订了高温合金GH4648的TIG焊工艺卡，参见表2。表 2 高温合金 GH4648 的焊接工艺卡焊接方法钨极氩弧焊（TIG 焊）母材高温合金 GH4648焊缝符号示意图保护气体氩气 Ar预热温度不预热清洗工具超声波清洗机焊前准备焊前清理用超声波清洗机去除油污、铁锈，再将待焊件烘干，检查焊机和气瓶等设备，确定劳保用品无损坏能正常使用。检查焊接环境是否干燥，周围是否有易燃易爆物品，焊接技术人员是否持证上岗。露天下雨停止焊接焊接参数焊层焊接材料焊接电流电弧电压焊接速度/（cmmin-1）焊丝牌号直径/mm极性电流/A1 层HGH46481.5直流正接4060自动匹配512钨极种类钨极直径/mm喷嘴到工件之间的距离/mm喷嘴直径/mm气体流量/（Lmin-1）气体纯度/%铈钨极1.68121113101599.999操作过程1.施焊开始前选择好参数，使用高频或者脉冲引弧法；2.在施焊过程中，先调整好焊枪的角度再进行平稳的施焊。密切注意熔池的变化，调整焊速或焊接电流；3.直接关闭电弧容易发生收缩，应断续收弧或调到适当的收弧电流缓慢收弧焊后处理焊接完后将焊件冷却到常温，清理焊缝表面，再用砂轮机打磨焊接处的焊缝余高，使用精细的磨砂纸对焊接周围处进行表面抛光处理，再使用锉刀将焊缝余高控制在 0.51 mm 以内焊后检查1.焊后进行目视检查，看有无表面明显缺陷，或用放大镜观察；2.使用 X 射线检测焊缝周围是否有缺陷-32-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷TIG 焊后，采用线切割切出若干个小试样，然后将小试样分成 A0、A1、A2 及 B1、B2 共 5 组，每组 3 个，放在液氮中分别进行 5 h、10 h 深冷处理（A0 组未深冷），再将 B1、B2 组置于普通空气炉进行深冷后880、持续12 h的时效处理，见表3。表 3 GH4648 合金 TIG 焊后处理试验方案焊件编号试验工艺A0未深冷A1深冷（-190，5 h）A2深冷（-190，10 h）B1深冷（-190，5 h）+时效（880，12 h）B2深冷（-190，10 h）+时效（880，12 h）深冷处理设备如图 1 所示。待试验完成后，将试样取出，再在室温状态下测试其力学性能。图 1 深冷处理的专用设备2 试验结果与分析经过深冷处理后的焊件硬度值通过 HV-1000硬度计进行测量(每个数据为 3 个试样硬度的平均值)，抗拉强度通过 TD-6000A 电子拉力试验机进行测试，拉伸试样如图 2 所示，金相组织通过SEM 进行研究。图 2 GH4648 焊件拉伸试样深冷处理后的 GH4648 焊接件的硬度柱状图如图 3 所示。可见该材料经 5 h 的深冷处理后，GH4648 的显微硬度就可从 289 HV 提高到 334 HV，升幅达 15.6%。深冷处理 5 h、10 h 后，再分别在880 进行 12 h 时效处理，硬度略有下降，但仍大于未进行焊后处理的原始焊件。图 3 不同焊后处理方式对高温合金 GH4648 焊缝显微硬度的影响图 4 是经过不同深冷方式后得到的 GH4648 的强度曲线。可见该材料经过不同时间深冷处理后，强度略有提高但变化幅度很小，这证明深冷处理的时间对该材料的强度影响较小。GH4648 不仅适合高温环境下应用，而且其低温强度也较好，具有广泛的应用价值。但深冷处理 5 h、10 h 后，再分别升温至 880，进行 12 h 时效处理，强度可得到大幅提高。经 5 h 的深冷处理后，GH4648 的显微硬度可从未经时效处理的 792 MPa 提高到 946 MPa，升幅达到 19.4%。图 4 不同焊后处理方式对高温合金 GH4648 焊件强度的影响经过不同实验方案后得到的 GH4648 的金相组织如图 5 所示。镍基高温合金 GH4648 的原始固溶组织以 相为基体，铬、钼等元素形成对晶界及基体产生强化作用的尺寸和形态各不相同的球状或立方体化合物。-33-魏印红，等：高温合金 GH4648 焊后处理工艺对比研究第 2 期(a).原始固溶组织(b).深冷（-190.，5.h）（c）深冷（-190.，5.h）+时效（880.，12.h）图 5 高温合金 GH4648 焊后处理的显微组织GH4648 通过深冷后时效处理，显微组织为奥氏体+弥散化合物。镍基高温合金晶粒内析出大量细小且共格有序的 A3B 型金属间化合物，主要的强化相是(Ni3Al)相，另一类强化相是(Ni3Nb)相。由图可见，析出的化合物数量明显增多，分布更加细小和均匀，增加了硬质点的弥散强化程度，从而显著提高硬度和强度。此外，深冷处理引起的收缩还可使 GH4648本身存在的微小缺陷（如微孔、应力集中部位）产生塑性流变，并在回火升温时在空位表面产生残余应力，减小缺陷对材料的损害，提高高温合金的力学性能。3.结论（1）通过深冷后回火时效处理，GH4648 焊件晶粒内析出大量细小且共格有序的 A3B 型金属间化合物，此外深冷处理引起的收缩还可使镍基高温合金内部的微小缺陷