第51卷 第1期
2021年1月
Electric Welding Machine
Vol.51 No.1Jan. 2021
本文参考文献引用格式：刘彩云，刘士伟，孙元，等. 高温合金熔化焊焊接性的研究进展[J]. 电焊机，2021，51（1）：28-36. 高温合金熔化焊焊接性的研究进展
0 前言
高温合金是指能够在600 ℃以上高温承受较大
复杂应力，并具有表面稳定性的高合金化铁基、镍基和钴基奥氏体金属材料[1]。高温合金具有良好的高温力学性能、抗氧化性能和抗热腐蚀性能，被广泛应用于航天航空发动机、工业燃气轮机、核电站
核反应堆等关键热端零部件[2-3]
。其中，镍基高温合金因为γ'-Ni 3（Al，Ti ）相与基体共格强化而具有稳定的高温力学性能，成为发展最快、应用最广的高温合金。相比而言，钴基高温合金虽然缺乏共格强化相，主要依靠碳化物强化，力学性能低于镍基合金，但是由于其Cr 元素含量较高，所以具有优异的抗高温氧化和腐蚀性能，多应用于航天航空、能源和化工等高温低应力环境。直到2006年，Sato 等人[4]在钴基合金中发现了稳定的γ'相，且力学性能相比传统钴基合金大幅度提升，揭开了新型沉淀强化钴基高温合金发展的序幕。目前很多学者致力于通过合理成分设计提高沉淀强化钴基合金的高温组织
收稿日期：
2020-09-27基金项目：
国家自然科学基金（51971214、51771191）；中国航空动力基金（DLJJ1825）作者简介：
刘彩云（1994—），女，硕士，主要从事Co 基沉淀强化合金的可焊性及抗氧化性方面的研究。E-mail：****************。稳定性和高温力学性能。
高温结构件使用条件苛刻，结构复杂，工艺繁复，如叶片、涡、燃烧室的火焰筒和机匣等高温合金零件不可避免地需要连接、合金表面耐磨层堆焊、微裂纹微孔洞缺陷修复等先进焊接技术[2]，尤其是熔化焊技术。高温合金经常采用的熔化焊工艺有钨极氩弧焊（Tungsten Inert Gas Welding，TIG ）、激光焊（Laser Beam Welding，LBW ）、等离子弧焊（Plasma Arc Welding，PAW ）、电子束焊接（Electron-beam wel-ding，EBW ）等。熔化焊具有操作方便、接头连接性能好、成本低等不可替代的优点，因此成为高温合金结构件生产和修复过程中必不可少的制造技术。 但是，镍基和钴基高温合金中通常含有较高的Al、Ti，以及W、Mo 等高熔点元素，在熔化焊焊接过程及焊后热处理过程中易产生热裂纹和再热裂纹，降低焊接接头性能，降低高温合金的服役可靠性。所以，高温合金的焊接性评定一直是国内外学者关注的重点问题。近年来， 国内外学者从裂纹形成机
刘彩云1，刘士伟2，孙 元1，苏 瑾3，文明月1，侯星宇1，于金江1
（1.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016；2.空装驻辽阳地区军事代表室，辽宁 沈阳 1100163710021
电子束焊接
重点关注第 1 期
理、焊接工艺和合金成分等方面对高温合金熔化焊
焊接性进行了大量研究。镍基和钴基高温合金强化
机制不同，焊接研究发展也不同步，文中分别论述了
镍基高温合金和钴基高温合金熔化焊的研究进展。
1 镍基高温合金熔化焊焊接性的研究
镍基高温合金是以镍为基体，加入大量固溶强
亚克力灯箱制作化元素和沉淀强化元素来强化合金。镍基合金基体
中分布有与γ共格的γ' -Ni3（Al，Ti）强化相。部分
强化晶界。良好的组织稳定性、高体积分数的γ'相、
羟基氧化钴
优异的高温力学性能等，使镍基高温合金成为应用最广泛的高温合金，因而镍基高温合金的焊接性研究尤为重要。
通常将焊接裂纹敏感性和焊接接头性能作为评价材料焊接性能的主要指标。而焊接性的优劣受焊接工艺以及合金成分的影响较大。目前镍基高温合金熔化焊的研究主要围绕裂纹形成机理、焊接工艺和合金成分对材料焊接性的影响开展。
1.1 镍基高温合金焊接裂纹形成机理
高温合金焊接过程及焊后热处理过程中容易产生热裂纹和应变时效裂纹，其中热裂纹又包括凝固裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹。
1.1.1 凝固裂纹
凝固裂纹一般产生于焊缝区中心，常沿焊缝区的凝固晶界和凝固亚晶界开裂。凝固裂纹发生在焊缝熔池液态薄膜和固体金属共存的温度范围，尤其是固相体积分数大于0.9的温度范围[2]，即脆性温度区间（Brittle temperature range，BTR），如图1所示。当凝固过程中拉伸应力产生的应变大于焊缝金属在BTR区的最小塑性，且无足够量的液态金属补充时，晶间最后凝固的液态薄膜将受力开裂形成凝固裂纹。另外，凝固裂纹还与合金凝固温度区间（Solidification temperature range，STR）的大小有关。
Shuangjian Chen等人[6]通过JMatPro 7模拟计算获得了同类合金不同成分的凝固温度区间，发现随W含量的增加，STR区间增大，凝固裂纹敏感性也增加。分析原因是：STR增大，液相凝固时间增长，元素偏析加重，促进了枝晶间低熔点液膜形成。另外，界面活性原子如B、Si等偏析于液相中，会降低固液界面能，减弱晶界结合力，降低塑性变形能力，使得液膜在拉伸应力作用下更容易产生裂纹。1.1.2 液化裂纹
液化裂纹主要分布于焊缝的热影响区（Heat aff-ect zone，HAZ），是晶间连续或半连续的液膜在热应力和机械应力的作用下开裂形成的。HAZ晶间液膜的形成与γ'、碳化物、Laves相等低熔点相的成分液化有关[7]，形成的液膜降低了界面结合力，促使裂纹产生。对于许多单相合金，热影响区界面元素的偏析形成局部低熔点成分也会在热作用下形成液膜。 Fei Yan等人[8]研究了GH909光纤激光焊接接头液化裂纹的形成机理。他们提出液化裂纹的形成分为三个过程：晶间液膜的形成、裂纹在热应力作用下萌生和裂纹扩展，如图2所示。研究结果表明，裂纹处液膜的形成与晶界处低熔点γ-Laves相的成分液化有关；且晶界处元素的偏析使得晶格扭曲而降低了相邻晶粒的结合力，进一步促进了液化裂纹的形成。
另外，晶界液膜量的数量对裂纹的形成有重要影响。Miller和Chadwick[9]提出晶界液膜厚度h和固液界面张力γSL、临界拉伸应力σ的关系式：σ=2γSL/h。随着液膜厚度h的增加，固液界面开裂的临界应力σ下降，裂纹更容易产生。但是Y. L. Hu[10]在Inconel 625合金中改变Ti的含量，发现随着Ti的增加，
激光熔覆层裂纹率降低，一方面是因为凝固温度区间STR缩小，另一方面是由于随Ti的增加，枝晶间γ/Laves共晶液相含量增多，在凝固最后阶段，液相回填“ 愈合 ”裂纹，降低裂纹率。K. R. Vishwakarma等人[11]也在ALLVAC 718PLUS电子束焊接的焊缝HAZ中发现液相回填部分裂纹并再凝固形成富Nb、Ti、Mo的γ/Laves共晶相，如图3所示。这说明当晶间液相足够多时，液相会通过毛细作用渗透回填裂纹并“ 愈合 ”裂纹，使得初始裂纹修复。
图1 合金塑性随温度变化示意[5]
Fig.1 Schematic diagram of alloy plasticity changing with
temperature
刘彩云，等：高温合金熔化焊焊接性的研究进展
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成；四是S、P 等元素偏析于晶界使脆性化导致DDC 裂纹产生等。
Kota Kadoi 等人[13]研究了熔合比和化学成分对690合金和低合金钢LAS 的异种合金焊接的DDC 裂纹
敏感性的影响。结果显示，随着熔合比的增加，LAS 含量增加，DTR 区间扩大，最小应变临界值降低，晶界弯曲程度降低，且晶界处S 和P 含量增加，使得晶
界结合力降低，DDC 裂纹敏感性增加。1.1.4 应变时效裂纹
应变时效裂纹，又称再热裂纹，通常发生在焊后热处理的高拘束焊缝的热影响区的晶界处。焊后热处理过程中，当焊接残余应力叠加相变收缩应力引起的应变超过了合金塑性时，会引起晶界再热裂纹。 沉淀强化镍基高温合金在时效过程中会析出大量的γ'-Ni 3（Al，Ti ）相，该相与γ基体共格且γ'晶格常数小于γ晶格常数，基体会由于共格畸变产生较大的收缩应力，因此高Al 和Ti 含量的镍基合金容易形成应变时效裂纹[14]。
1.2 焊接工艺对镍基高温合金焊接性的影响
团队监控
焊接工艺参数包括热输入、拘束度、焊前热处理、焊后热处理工艺等。其中，热输入的大小对焊接裂纹敏感性具有重要影响。热输入太低时，试样无法焊透，力学性能较低；热输入太大，又容易造成焊缝区塌陷[15]。合适的热输入焊接参数可显著降低裂纹敏感性。焊前热处理及焊后热处理主要涉及加热速率、冷却速率、热处理温度和保温时间等，通过控制组织、析出相形貌和分布、焊接应力等可以调控裂纹敏感性和接头力学性能[16]。
Wenjie Ren 等人[17]对Inconel 617合金光纤激光焊接的液化裂纹的形成机理进行了研究。研究发现，HAZ 的热裂纹处发现了富Mo 和Cr 的再凝固M 23（C，B ）6相，
因此，液化裂纹在Inconel 617中产生的主要1.1.3 高温失塑裂纹
高温失塑裂纹（Ductility-dip cracking，DDC ）是沿晶开裂的细小显微裂纹，通常发生在固相线以下的高温低塑性温度区间（Ductility-dip temperature range，DTR ），且DTR 通常为熔点温度的0.5~0.8倍，见图1。 曹睿[12]综述了近期DDC 裂纹形成机理的研究，并总结出如下解释：一是DTR 失塑温度区间晶界发生相对滑动形成平直晶界，塑性降低；二是晶间析出相较少且晶界平直，尤其是三叉晶界应力集中点，容易达到应变阈值产生DDC，而有晶间析出相的弯曲晶界对DDC 有较大抗力；三是晶格常数较大的晶界碳化物容易因晶格畸变使应力集中诱导DDC
生
图2 液化裂纹形成过程图解[8]
Fig.2
Graphical analysis of liquefaction crack formation process电气石陶瓷球
b 共晶组织局部放大
图3 HAZ 热影响区回填裂纹及再凝固γ/Laves 共晶组织[11]Fig.3 Backfill crack and re solidified γ/Laves eutectic structure in HAZ heat affected zone
a 共晶组织SEM
重点关注第 1 期
原因是M23（C，B）6碳化物的成分液化产生液膜降低了晶界界面强度导致的晶界开裂。另外研究发现，通过调控焊接热输入，焊接裂纹得到了控制，高热输入和预热温度使得熔池的冷却速率降低，一方面为液膜中Cr和Mo等原子向基体扩散提供了更长的时间，使得液膜厚度减小，另一方面降低了焊接所引起的热应力，所以HAZ裂纹敏感性降低。
Shuangjian Chen等人[6]在150~250 A之间设置了焊接电流变量，发现Ni-28W-6Cr合金TIG焊接中凝固裂纹长度随电流的增大呈线性增加。进一步分析凝固裂纹产生原因可知，随着热输入的增大，Si元素容易与W、Cr、Mn元素在凝固最后阶段一起偏聚到晶界和亚晶界，并形成低熔点相，且Si元素可以降低固液界面能，弱化晶界结合力，促使裂纹的形成。此外，晶界处的富W的M6C共晶碳化物降低了晶界的塑性，使得碳化物/γ界面容易成为裂纹起始点。
K. Han[18]采用EBW焊接K465合金，发现随着热输入的增加，枝晶间共晶析出相的含量增加，凝固裂纹敏感性增加；大量的共晶相使凝固后期枝晶间的液膜分布更为连续，更容易开裂；而HAZ液化裂纹随热输入的增加而减少，这是因为冷却速率降低使温度梯度减小，从而减少了焊接热应力；同时，更多的Al、Ti元素从γ'液相扩散至γ相，减少了液膜厚度，结合Miller and Chawick’s理论可知，随着抗裂性能的增强，液化裂纹敏感性降低。
Fei Yan等人[19]通过实验和有限元模拟发现在焊接热输入恒定的前提下，同时减小输入功率和焊接速度会降低GH909热影响区液化裂纹的敏感性并提高其力学性能。他指出裂纹形成与焊接应力和晶界结合力有关。当焊接速度和输入功率较小时，升温速度相对缓慢，使得冷却速率和热应力也降低，而高功率和快速焊接致使晶粒粗化，晶界结合力减弱，塑性降低，从而引发HAZ裂纹。
Wanxia Wang[20]对比Hastelloy N不同温度的焊后热处理对组织和力学性能的影响，发现随着焊后时效热处理（Post-welding Heat Treatment，PWHT）温度的升高，合金硬度和屈服强度降低，这是M2C沉淀强化相的减少和位错的湮灭所致；而抗拉强度和延伸率的增加是晶界大尺寸M6C阻碍晶界滑移和裂纹扩展所致。
Xin Ye等人[21]研究了母材热处理状态、焊接电流和多层多道焊对Inconel 718 TIG 热裂纹的影响，结果显示，Inconel 718焊接凝固裂纹敏感性随着热输入的增加而增加。这是因为热输入增加时，高温停留时间增长，熔池冷却速率下降，导致柱状树枝晶间距增加，富Nb的Laves相增加以及应力增加，从而裂纹敏感性增加。另外，Xin Ye对焊材进行焊前热处理，发现焊接组织成分均匀化，显微偏析降低，HAZ晶间Laves相减少，可显著降低裂纹率。
Kun Yu等人[22]研究了焊后热处理对GH3535激光焊焊接接头组织和性能的影响。对比未热处理和热处理（871℃/6 h，WQ）的焊接样品，发现未热处理焊接样品由于熔池快速凝固，其基体中析出相很
少；而热处理工艺促进了原子的扩散，使得熔化区亚晶界和晶界处分布有大量富Mo和Si的M6C碳化物，这些碳化物有效地钉扎了晶界，阻碍了晶界的滑移和位错运动，使得热处理样品650 ℃的拉伸强度比未热处理样品提高90 MPa，且延伸率增加至43%；分析断口发现，热处理样品断口有韧窝和二次碳化物颗粒，说明焊后热处理促使焊接样品由脆性断裂变为韧性断裂，提高了塑性变形能力。
不同焊接工艺在焊接过程中引入的热输入和热作用范围不同，对焊接裂纹的影响不同。G.Asala[23]在TIG焊的ATI 718Plus焊后时效样品中未发现裂纹，而Idowu OA等人对同样材料采用EBW焊接工艺并时效处理后却发现有裂纹。然而两种工艺获得的显微组织是一致的。G.Asala推测原因是焊接工艺带来的热输入变化使焊接温度梯度不同，从而导致残余应力不同。TIG焊接热输入高于EBW，温度梯度的降低使得焊接残余应力减少，从而减少了焊后热处理中裂纹的敏感性，说明热输入对于PWHT再热裂纹也有重要影响。
1.3 合金成分对镍基高温合金焊接性的影响 高温合金的成分包含：固溶强化元素，如W、Mo、Cr、Co等；沉淀强化元素，如Al、Ti、Nb等；晶界强化元素，如B、C、Zr、Hf等；其他微量元素如S、P 等。Mo、Ti、Nb、Al等是常见的镍基高温合金强化元素，可以显著增强γ'相的溶解温度和高温稳定性，从而提高高温力学性能。但是在焊接熔池凝固过程中，低固溶度元素容易偏析在枝晶间并形成低熔点液膜，扩大了凝固温度区间，增加了裂纹敏感性。且Al和Ti元素作为γ'强化相的组成元素，是镍基高温合金必不可少的重要元素。当合金中w（Al+Ti）的总含量大于6%时[14]，极容易在焊接和焊后热
处理
刘彩云，等：高温合金熔化焊焊接性的研究进展
重点关注第 51 卷
过程中因快速析出大量γ'相产生较大的收缩应力而降低焊接性，产生应变时效裂纹。
Ke Han [18]对K465电子束焊接的焊接性、焊接组织和裂纹特征进行了研究。结果显示，K465合金FZ 区凝固裂纹的形成是由于Ti、Nb、Al 元素在枝晶间严重偏析使得焊接凝固最后阶段在晶界和枝晶间分布有连续液膜，当应力大于液膜的抗拉能力时，就会形成裂纹，且最终在裂纹两侧形成了γ/MC 和γ/γ'共晶相。同时，他发现HAZ 液化裂纹是由
于γ'、MC、初（γ+γ'）共晶相、富Cr 硼化物的成分
液化所致，如图4所示。同样地，O.A. Ojo 等[14，24]
在Inconel 738焊接样品的HAZ 裂纹处发现再凝固的低熔点共晶（γ+γ'）相，如图5所示；Wenjie Ren [17]在Inconel 617激光焊接沿晶裂纹处发现富Mo 和Cr 的再凝固相，说明晶界液化主要是由M 23（C，B ）6碳
化物成分液化所引起的。
a 裂纹横截面SEM
b 裂纹局部放大
c 裂纹局部放大
d 裂纹局部放大
图4 K465合金FZ 区的凝固裂纹形貌[18]
Fig.4 Solidification crack morphology in FZ region of K465 Alloy
并对焊接样品进行了应变-裂纹（STF ）实验。结果
显示，52M 焊接样品的横截面比平行焊缝表面的截面具有更高的DDC 裂纹敏感性和更低的分形维数。而加Mo 和Nb 的52MSS 焊接样品平行面的裂纹敏感性明显降低很多，且具有较大的分形维数。分析原因为：Mo 和Nb 元素的添加增加了熔池凝固的成分过冷，促使Mo 和Nb 偏析于枝晶间并形成更多的NbC、Laves 相和γ相。这些析出相一方面可以作为奥氏体晶粒的形核质点，促使更多晶粒产生，减小晶粒尺寸；另一方面可以阻碍晶界的迁移，对晶界产生钉扎作用而形成弯曲晶界，致密且弯曲的晶界分散了局部应变，增加了材料对DDC 裂纹的抗力。
Hyo IkAhn 等人[5]研究了Nb 含量对Inconel 690合金DDC 裂纹敏感性的影响。wan-107
实验采用电弧焊工艺
图5 Inconel 738焊缝HAZ 晶界裂纹形貌[14]
Fig.5 HAZ grain boundary crack morphology of Inconel 738 weld
Xiao Wei 等人[25]研究了Mo 和Nb 含量对690合金GTAW 焊接样品的高角度晶界（RHGB ）的分形维数和热裂纹敏感性的影响。实验中采用FM-52M 焊丝和高Mo、Nb 含量的FM-52MSS 焊丝进行焊接，
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