于 浩，董 江

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 引 言

航空發(fā)動機作為飛機的心臟，其內(nèi)部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度直接影響飛機的飛行安全[1-3]。由于流場測量裝置需安裝在發(fā)動機流道內(nèi)，如果出現(xiàn)破損、斷裂之類的結(jié)構(gòu)破壞，輕則損傷發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件，重則導(dǎo)致機毀人亡的重大事故，因此結(jié)構(gòu)強度是發(fā)動機流場測量裝置設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)[4-5]。某發(fā)動機在試飛過程中需要在渦輪后加裝流場測量裝置，該部位溫度較高，傳統(tǒng)的材料不足以滿足高溫下的強度要求，擬選用GH4169作為測量裝置的主體材料，由于該測量裝置在加工過程中需要進(jìn)行焊接，為保證結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求，需要對GH4169焊接后的材料性能進(jìn)行研究。GH4169合金(美國牌號Inconel718)是一種沉淀強化型鎳基高溫合金，在650 ℃以下具有屈服強度高、塑性好、抗氧化能力強、焊接性能好的特點[6-7]。目前國內(nèi)外關(guān)于GH4169材料的力學(xué)性能在高溫合金手冊中已有較詳細(xì)的介紹[8]。

釬焊是焊接高溫合金常用的方法之一[9]，同材釬焊具有良好的潤濕性，能夠形成良好的焊接接頭。但是由于釬材中添加了Si、B等降低熔點的材料，易導(dǎo)致接頭脆化使接頭的性能降低[10-11]，同時釬焊過程也會破壞GH4169材料的組織，使焊接區(qū)域晶粒粗大，產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力[12]。為提高GH4169的焊接性能，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了一些研究，A.T.Egbewande等人[13]研究了焊接前熱處理方式對焊接熱影響區(qū)域裂紋敏感度的影響，研究發(fā)現(xiàn)熱處理時產(chǎn)生較少晶間液化的試件在焊接時有更高的裂紋敏感性；方海鵬等[14]研究了熱處理對GH4169電子束焊接頭的影響，發(fā)現(xiàn)焊接接頭的強度較未進(jìn)行熱處理時提高了61%；張奇等[15]對GH4169零件釬焊接后的性能恢復(fù)工藝進(jìn)行了研究，確定了改善GH4169材料釬焊后性能的最優(yōu)工藝參數(shù)。

筆者設(shè)計加工了GH4169焊接試驗試件，研究了三種不同深度斜切口試件焊接接頭的接合效果，確定了接頭切口深度；另外，對三種不同焊接及熱處理工序的試件及兩件對比試件進(jìn)行拉伸試驗，研究了焊接及熱處理工序?qū)H4169材料拉伸性能的影響。

1 試驗件設(shè)計

試驗選用了棒試件作為實驗對象，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 試驗件圖紙

試件總長度96 mm，分為三個部分，裝夾段、過渡段和標(biāo)距段，標(biāo)距段長36 mm，直徑6 mm。焊接試件在完整試件標(biāo)距段中間截斷，為保證試驗件焊接強度，在焊接部分加工45°斜切口，焊接采用釬焊的方式，焊絲材料與母材相同。焊接完成后對焊接處進(jìn)行打磨處理，保持焊接處的試件直徑與標(biāo)距段保持一致，試件表面平整光滑。

2 接頭切口深度確定試驗

試驗件直徑較大，在焊接過程中由于對接部位較深，可能造成接頭中心位置焊接不完全，存在空心現(xiàn)象，因此在正式試驗前對試件的焊接效果進(jìn)行了試驗研究。通過在接頭處加工一定深度的斜切口提高試驗件的有效焊接深度，當(dāng)切口深度分別為1 mm、2 mm、2.5 mm時焊接后橫斷面如圖2所示。

圖2 接頭焊接效果對比

從試件的橫斷面可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜切口深度為1 mm時，對接面的直接接觸面積較大，由于焊接時材料的熔合深度不足以到達(dá)試件的中心，因此在試件中心位置出現(xiàn)了較大的未接合部位，焊接缺陷明顯。增加斜切口的深度到2 mm時，焊接橫斷面的未接合部分面積明顯縮小，繼續(xù)提高斜切口的深度到2.5 mm，可以看到焊接部位已經(jīng)完全接合，從試驗結(jié)果可以看出將斜切口的深度定為2.5 mm時焊接效果能夠滿足試驗要求，故將接合面斜切口深度定為2.5 mm。

3 拉伸試驗

拉伸試驗系統(tǒng)以深圳SANS CMT5105電子拉伸試驗機為平臺，此平臺集成了萬能夾具和電子引伸計，能夠在大氣環(huán)境下針對金屬材料開展力學(xué)試驗，最大拉力100 kN，溫度為15 ℃。拉伸試驗采用位移控制，加載速率選用GB/T 228.2-2010推薦的應(yīng)變率10-4量級，符合準(zhǔn)靜態(tài)加載要求。試驗件通過卡頭安裝在試驗機上，在試驗開始階段使用引伸計測量試件應(yīng)變，在試驗件進(jìn)入屈服階段后，取下引伸計以保護(hù)設(shè)備，如圖3所示。

圖3 試驗件的安裝

為研究不同的焊接熱處理工藝順序?qū)υ囼灱睦鞆姸扔绊懀謩e開展五組試件拉伸試驗，如表1所列。

表1 試驗件分類明細(xì)表

拉伸試驗按以下步驟進(jìn)行：

(1) 將試件上端固定在試驗機上夾具內(nèi)，調(diào)整試驗機到零點。

(2) 將引伸計用橡皮筋固定在試驗件標(biāo)距段內(nèi)。

(3) 開動試驗機進(jìn)行拉伸，控制拉伸速度為0.2 mm/min，并記錄數(shù)據(jù)。

(4) 當(dāng)試驗件進(jìn)入屈服階段后，將引伸計取下，繼續(xù)進(jìn)行拉伸試驗直到試件斷裂。

4 試驗結(jié)果分析

開展未經(jīng)過時效處理的原始材料及其焊接后試件拉伸試驗。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了試件名義應(yīng)力和卡頭位移的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 未熱處理試件試驗曲線

由試驗結(jié)果可知，對于未進(jìn)行熱處理的試件，焊接試件與完整試件的拉伸強度基本保持不變，分別為825 MPa和820 MPa。但從拉伸曲線可以看出，相對于完整試件，焊接試件的拉伸曲線在過屈服后斜率更大，同時斷裂時的卡頭位移距離更小，未進(jìn)行熱處理的試件經(jīng)過焊接后其韌性降低，延展性變差，完整試件延伸率為68%，焊接試件的延伸率為28%。如圖5所示的試件的斷口可以看出，完整試件在斷裂前經(jīng)過了明顯的縮頸過程，斷口接近45°斜向斷裂；焊接試件沒有明顯的頸縮過程，斷口接近平面斷裂。

圖5 未熱處理試件

在實際使用過程中，為提高材料的強度會對材料進(jìn)行固溶時效處理，熱處理的方式為(950～980)±10 ℃，1 h；720±5 ℃空冷，8 h，50 ℃/h,爐冷至620±5 ℃，8 h。

分別對固溶時效處理后的完整試件和焊接試件進(jìn)行了拉伸試驗，根據(jù)拉伸試驗數(shù)據(jù)做出了試件名義應(yīng)力和卡頭位移之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 固溶時效處理試件試驗曲線

由實驗數(shù)據(jù)可知，GH4169材料經(jīng)過固溶時效處理之后，其拉伸強度顯著提高，拉伸極限強度達(dá)到1 430 MPa，但同時材料韌性降低，試件延伸率降低至22%。固溶時效處理試件焊接性能較差，焊接試件拉伸強度為770 MPa，僅為完整試件的53.8%。試件的延伸率為11%，相比于熱處理后的完整試件進(jìn)一步降低。從實驗結(jié)果來看，焊接對試件的熱處理效果破壞較明顯，對比可以發(fā)現(xiàn)，熱處理后焊接試件的拉伸強度不及未熱處理焊接試件的拉伸強度，且斷口位置都在接頭位置，說明接頭位置是焊接試件的薄弱點。試驗件斷口如圖7所示。

圖7 固溶時效處理試件

鑒于熱處理后試件的焊接強度下降明顯，不能滿足結(jié)構(gòu)的使用要求，為提高焊接強度，調(diào)整工藝順序，對原始棒材先進(jìn)行焊接再對焊接后的試件進(jìn)行固溶時效處理，再將試驗件標(biāo)距段打磨處理，焊接后固溶時效處理試件與焊接前固溶時效處理試件以及固溶時效處理完整試件的的拉伸曲線對比如圖8所示。

由圖8可以看出，焊接后固溶時效處理試件的拉伸強度為1 230 MPa，其焊接強度相當(dāng)于固溶時效處理完整試件的91.8%，相對于焊接前固溶時效處理試件有明顯的提高，但材料的韌性降低程度較大，延伸率僅為4.2%，通過實驗曲線可以發(fā)現(xiàn)，焊接后固溶時效處理試件的韌性下降比較嚴(yán)重，屈服后短時間內(nèi)就發(fā)生了斷裂，從如圖9所示的試件斷口可以看出二者的明顯區(qū)別，焊接后的試件斷口與主應(yīng)力方向垂直，斷口平齊，斷裂方式為脆性斷裂，而標(biāo)準(zhǔn)試件斷裂時發(fā)生了較大的塑性變形，斷口附近有明顯縮頸現(xiàn)象，有較為明顯的斜斷面，斷面位于最大切應(yīng)力方向，斷裂為韌性斷裂。鑒于材料的這種特性，在使用過程中需要提高材料的安全系數(shù)，將焊接部位設(shè)計在應(yīng)力水平較低的位置，以防因瞬時應(yīng)力過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在焊接部位產(chǎn)生脆性斷裂，造成嚴(yán)重事故。

圖8 焊接后固溶時效處理試件拉伸曲線

圖9 焊接后固溶時效處理試件

5 結(jié) 論

通過開展不同接頭切口深度焊接效果及焊接熱處理工序?qū)H4169材料拉伸性能的影響研究，重點結(jié)果總結(jié)如下。

(1) GH4169材料在焊接過程中熔合深度小于1 mm，需要在接頭位置加工深度適當(dāng)?shù)男鼻锌诓拍苁菇宇^部位完全熔合，可為后續(xù)構(gòu)件的制造工藝設(shè)計提供參考。

(2) 未熱處理的GH4169材料拉伸強度為825 MPa，截斷焊接后拉伸強度為820 MPa，拉伸強度未見明顯變化，韌性有較明顯的下降；經(jīng)固溶時效處理的GH4169材料拉伸強度為1430 MPa，提高73%，截斷焊接后的拉伸強度為770 MPa，焊接性能明顯降低。

(3) GH4169材料焊接后進(jìn)行固溶時效處理可以大幅地提高焊接部位的拉伸強度，可以達(dá)到1230 MPa，為未經(jīng)焊接時的91.8%，但是試件的韌性下降較大，試驗件延伸率僅為4.2%，說明經(jīng)過固溶時效處理的焊接部位在過屈服后極易發(fā)生脆性斷裂，因此在使用過程中應(yīng)提高安全系數(shù)，避免焊接部位的應(yīng)力水平過高，為后續(xù)測量裝置制造工藝及強度設(shè)計提供了參考。