一种提高铸造高温合金可焊性的晶界调控方法和焊接工艺

技术领域

本发明涉及高温合金材料技术领域，具体涉及一种提高铸造高温合金可焊性的晶界调控方法和焊接工艺。

背景技术

Ni基高温合金主要通过共格的L1

熔化焊是一种经济、便捷且高效的材料连接以及修补方法，熔化焊方法在高温合金结构材料中的应用具有显著的经济效益以及重要的实际意义，同时具备良好可焊性的材料也能在实际的工业应用中具备更加广泛的用途。然而，为了保持高温合金优异的高温力学性能，多种合金元素，如Cr、Mo、Al、Ti等的加入导致高温合金的焊接性显著恶化。在熔化焊的焊接过程中，由于焊接应力以及非平衡焊接组织的形成，接头的热影响区以及熔化区中极易形成诸如液化裂纹、凝固裂纹等种类的焊接热裂纹。这些频繁发生的焊接开裂问题成为了制约熔化焊方法在高温合金材料中得到应用的主要因素。在经历焊接升温过程中，高温下的晶界强度较晶内更弱，因此晶界是焊接裂纹形成的主要位置，采用合理的晶界调控方法能够有效的改善晶界的析出相组成、元素偏析状态以及晶界的形貌，从而显著的改善合金材料的焊接性能，极大的提高合金的抗焊接热裂纹能力。

目前，针对具有较高应用价值且潜在应用范围广泛的高温合金材料M951，如何通过晶界调控方法提高焊接热裂纹抵抗能力，以及这种晶界调控对提高合金抗焊接裂纹能力背后的作用机制尚未明确。为了扩展M951高温合金在某些特定领域的应用，使熔化焊方法能够成功的应用在M951合金的连接和修复中，亟需开发合理的晶界调控方法，实现熔化焊工艺在M951合金中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铸造高温合金可焊性的晶界调控方法和焊接工艺。本发明可以显著提高包括铸造高温合金M951在内的多种高温合金的可焊性，焊接裂纹敏感性明显改善。该方法在M951等Ni基高温合金的连接和修补中具有重要的实际意义，因此具有重要的工业应用和经济效益价值。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种提高铸造高温合金可焊性的晶界调控方法，对铸造高温合金母材进行晶界调控，晶界调控方法包括如下步骤：

(1)真空感应熔炼制备M951母合金锭，母合金锭进行重熔后采用砂型铸造方法浇注成铸态合金板样品；

(2)固溶热处理：采用箱式电阻炉对铸态M951合金板进行固溶热处理，以保证合金板成分均匀化；

(3)界晶调控：固溶热处理后的合金板样品进行冷却处理，冷却采用炉内缓冷的方式对冷却过程的炉温进行控制；其中：冷却速率为每分钟2～5℃，冷却至300℃以下后，获得晶界调控后的铸造高温合金母材。

所述M951合金化学成分为(wt.％)：C：0.03～0.15％；Cr：8～10％；Co：4.5～5.5％；Al：5.5～6.2％；W：2.5～4.5％；Mo：2.5～3.5％；Nb：1.8～2.4％；B：0.001～0.04％；余Ni。

步骤(1)中，采用真空感应熔炼对合金原料进行熔炼和重熔过程中，熔炼温度1550℃～1500℃，保温时间10min～30min，反复熔炼2～4次，在1460℃～1430℃时进行浇注；对合金原料进行熔炼后所得M951合金锭的直径Φ(80±5)mm、长度≥250mm；M951合金锭进行100％的表面车削以及抛光，并切除缩孔部位后，进行再次熔炼，采用砂型铸造的方法浇注成长20～22mm、宽20～22mm、厚度3～4mm的铸态合金板样品。

步骤(2)中，固溶处理工艺为：电阻炉炉温保持在1230～1235℃，保温时间为2～3小时。

步骤(3)中，晶界调控后的铸造高温合金母材的微观组织特征为：在晶界处形成呈连续链状M

针对上述进行晶界调控后的铸造高温合金母材进行焊接，采用与母材化学成分相同的焊丝并利用焊化焊工艺进行，焊接过程中，铸造高温合金母材(M951焊板)边缘通过夹具进行限位固定，焊接参数为：焊接电流15～35A，焊接电压10～12V，焊接速度3～5cm/min，保护气体为纯度99.9％的氩气。

所述焊丝的制备过程为：按照M951合金名义成分准备焊丝原料(C、Ni、Al、Nb、Mo、Co、Cr、W纯金属以及Ni-B中间合金)，将焊丝原料置于真空熔炼炉水冷铜坩埚中进行熔炼，熔炼温度1550℃～1500℃，保温10min～30min，反复熔炼2～4次；合金熔体在1460℃～1430℃时进行浇注，得到直径Φ(80±5)mm、长度≥250mm的M951合金锭；合金锭进行100％的表面车削以及抛光后，切除一次缩孔后，进行焊丝切割。采用线切割的方式，切割成所需焊丝的标准尺寸，焊丝的直径为Φ1mm-Φ3mm，长度范围为150-400mm。

将焊接后的板材样品沿垂直于焊接方向进行切割，观察焊接接头的横断面，按照公式(1)统计每个焊接面的平均裂纹长度；焊接后的板材样品的平均裂纹长度降低到46μm以下；

公式(1)中：

本发明有益效果如下：

目前，针对具有较高应用价值且潜在应用范围广泛的高温合金材料M951，如何通过晶界调控方法提高焊接热裂纹抵抗能力，以及对M951的焊接材料进行设计仍然缺少相关的技术工艺指导以及规范。为了扩展M951高温合金在某些特定领域的应用，使熔化焊工艺能够成功的应用在M951合金的连接和修复中，亟需开发合理的晶界调控方法，实现熔化焊工艺在M951合金中的应用。通过该晶界调控方法，能够实现的有益效果如下：

(1)通过该晶界处理过程后，晶界显微组织状态得到了调控。沿晶界连续析出的M23X6析出相以及沿晶界偏析的B元素，以及锯齿化的晶界显微组织是合金的抗焊接裂纹敏感性提高的关键原因。在焊接热循环的加热过程中，靠近熔化区的热影响区在高温作用下，晶界析出相M23X6与MC相发生局部固溶，而由于短时间内溶质元素难以发生较远距离的扩散，热影响区的晶界处形成局部偏析，在焊接加热过程中热影响区中发生了液化过程。

(2)由于B元素分布于晶界，形成“趋肤效应”，能够显著降低液膜的固液界面能，这有利于提高液膜的延展性，从而协调高温下的晶界移动变形，提高合金的抗裂性。

(3)弯曲的晶界有效的抑制了液膜中裂纹的扩展过程，液膜形成开裂后沿弯曲晶界扩展的阻力增加，在焊接冷却液膜凝固的过程中，随着残余应力的积累，裂纹能不发生扩展，甚至产生愈合，液膜凝固后，晶界相经过重熔过程后，发生因此焊接热裂纹的总长度能够控制在一个极低的值。这一系列的晶界显微组织随着焊接的加热过程以及冷却过程发生的变化，一过程的示意图如附图(3)所示。

本发明公开一种通过调控晶界结构提高M951高温合金可焊性的方法以及焊接材料的制备方法。目前，在某些特定的场合中，急需通过熔化焊工艺对M951高温合金结构件进行修补和连接，同时熔化焊是一种灵活，经济且高效的工艺方法，其应用具有重要的实际意义，因此这类晶界调控工艺具有重要的工业应用和经济效益价值。

附图说明

图1为晶界M

图2为采用二次离子质谱(TOP-SIMS)方法对晶界分布的B元素进行表征；其中：(a)表征区域对应的SEM显微组织；(b)B元素的分布强度。

图3为通过调控晶界链状M

图4为通过实施例1中的晶界调控方法获得的M951母材；其中：(a)晶界调控方法得到的晶界微观组织；(b)TIG焊后的接头截面显微组织；(c)接头热影响区中的晶界焊接热裂纹。

图5为通过实施例2中的晶界调控方法获得的M951母材；其中(a)通过该晶界调控方法得到的晶界微观组织；(b)TIG焊后的接头截面显微组织；(c)接头热影响区中重新凝固后的显微组织。

图6为通过对比例1中的晶界调控方法获得的M951母材；其中：(a)通过该晶界调控方法得到的晶界微观组织；(b)TIG焊后的接头截面显微组织；(c)接头热影响区中重新凝固后的显微组织。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详述本发明中的这种可提高M951可焊性的晶界调控方法。

实施例1

按照M951名义成分配比的5Kg纯Ni、Al、Nb、Mo、Co、Cr、W以及中间合金Ni-B的金属料置于电弧熔炼炉水冷铜坩埚中。通过真空感应熔炼对合金原料进行熔炼，反复熔炼2～3次，在1500℃保温20min，在1460℃时进行浇注，将熔炼并均匀化后的合金熔体浇注成板状样品。

对M951母材进行熔炼浇注完成的板状样品真空封管后，采用箱式电阻炉对铸态的M951合金板进行焊前固溶热处理，电阻炉炉温保持在1230℃，保温时间为2小时。样品冷却过程在电阻炉内进行，通入氩气对冷却速率进行控制，冷却速率为每分钟平均2℃，冷却至300℃以下后，将样品从电阻炉中拿出。

本实施例对M951母材进行晶界控制处理后，晶界形成具有以下三种特征的微观组织：(1)晶界形成连续的M

如图(4a)所示为通过该晶界调控方法得到的母合金晶界显微组织。可以观察到，通过该晶界调控方法，晶界形成链状分布的微米级M

采用TIG焊方法对晶界调控后的母合金板材进行单道次的熔敷焊，填充材料成分与M951合金成分相同，M951焊板边缘通过夹具进行限位固定。焊接参数为焊接电流35A，焊接电压12V，焊接速度为平均每分钟5cm，保护气体为99.9％Ar气，焊道长度为35mm，焊接完成后，通过线切割将焊道分割，通过SEM观察焊缝横截面，统计焊接熔化区以及热影响区中的裂纹的长度以及数量。

图3为通过调控晶界链状M

图4(b)给出了经过TIG焊后的接头截面显微组织，接头中产生的焊接裂纹数量较少，平均每个面的裂纹长度为46μm，远低于标准热处理后接头中产生的焊接热裂纹平均裂纹长度(2883±365μm)。图4(c)为TIG焊后，热影响区中的显微裂纹。晶界析出相在经历焊接热循环后，发生了溶解并重新凝固的过程，晶界发生了液化，但是由于B元素的作用，提高了晶界的润湿性，抑制了液化裂纹的开裂。M951合金的可焊性，通过这种晶界调控方法，获得了显著的提升。

将焊接样品沿垂直于焊接方向进行切割，观察焊接接接头的横断面，统计每个面的平均裂纹长度

实施例2

按照M951名义成分Ni

对M951母材进行熔炼浇注完成的板状样品真空封管后，采用箱式电阻炉对铸态的M951合金板进行焊前固溶热处理，电阻炉炉温保持在1230℃，保温时间为2小时。样品冷却过程在电阻炉内进行，通入氩气对冷却速率进行控制，冷却速率为每分钟平均2℃，直到冷却至室温。

采用TIG焊方法进行单道次的熔敷焊，填充材料成分与M951合金成分相同，M951焊板边缘通过夹具进行限位固定。焊接参数为焊接电流35A，焊接电压12V，焊接速度为平均分钟5cm，保护气体为99.9％Ar气，焊道长度为35mm，焊接完成后，通过线切割将焊道分割，通过SEM观察焊缝横截面，统计焊接熔化区以及热影响区中的裂纹的长度以及数量。

如图5(a)所示为通过该晶界调控方法得到的母合金晶界显微组织。可以观察到，通过该晶界调控方法，晶界形成链状分布的微米级M

对比例1

按照M951名义成分配比的5Kg纯Ni、Al、Nb、Mo、Co、Cr、W以及中间合金Ni-B的金属料置于电弧熔炼炉水冷铜坩埚中。通过真空感应熔炼对合金原料进行熔炼，反复熔炼2～3次，在1500℃保温20min，在1460℃时进行浇注，将熔炼并均匀化后的合金熔体浇注成板状样品。

对M951母材进行熔炼浇注完成的板状样品真空封管后，采用箱式电阻炉对铸态的M951合金板进行焊前固溶热处理，电阻炉炉温保持在1230℃，保温时间为2小时。样品冷却过程在电阻炉内进行，不采用炉内缓冷，直接冷却至室温。

采用TIG焊方法进行单道次的熔敷焊，填充材料成分与M951合金成分相同，M951焊板边缘通过夹具进行限位固定。焊接参数为焊接电流35A，焊接电压12V，焊接速度为平均分钟5cm，保护气体为99.9％Ar气，焊道长度为35mm，焊接完成后，通过线切割将焊道分割，通过SEM观察焊缝横截面，统计焊接熔化区以及热影响区中的裂纹的长度以及数量。

如图6(a)所示为通过该晶界调控方法得到的母合金晶界显微组织。可以观察到，通过该晶界调控方法，晶界形成链状分布的微米级M