热处理对A286铁基高温合金激光焊接接头组织和性能的影响

张兵宪，雷龙宇，杜明科，张云龙，张 敏

(1.中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089；2.西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048)

0 引 言

A286(国内牌号GH2132)合金属于铁基时效强化型高温合金，是在Fe-25Ni-15Cr合金的基础上加入钼、钛、铝、钒及微量硼元素而得到的，其主要强化相是弥散分布的γ′-Ni3(Ti, Al)[1-3]。该合金在650 ℃以下具有较高的强度和优异的抗蠕变性能，并且具有优良的焊接性能、成形性能，在航空航天领域应用广泛，主要用于制造在高温下长时间工作的航空发动机承力部件及紧固件等[3-7]。

目前，可采用电阻焊、激光焊和电子束焊等方法对高温合金进行焊接。其中，激光焊接具有能量集中、热输入小、焊接速度快、焊件变形小等优点，在实际生产中应用广泛，尤其适用于薄板的焊接[8-13]。有关高温合金激光焊接及热处理工艺已有较多研究报道。谢道彪[14]研究发现，焊后热处理可提高GH4169合金激光对接焊接头的屈服强度、抗拉强度和硬度，但会降低断后伸长率。郭占英等[15]研究了热处理对GH4169合金激光焊接接头组织和性能的影响，发现热处理能够优化焊缝组织、消除残余应力、析出强化相，从而提高接头的强度和硬度。姚志浩等[16]研究发现，在固溶温度930～1 020 ℃范围内，随着固溶温度的升高和保温时间的延长，A286合金中γ′相回溶入基体，晶粒逐渐长大，硬度降低。欧梅桂等[17]研究发现，对982 ℃固溶后的GH2132合金进行700 ℃时效处理后，合金强度大幅提高，韧性有所下降，将时效温度提高至718 ℃后，γ′相析出量增加，强度进一步提高，韧性与经700 ℃时效处理后相比略有提升。目前针对A286高温合金焊接件的热处理研究较少。

因此，作者采用固溶和固溶+时效2种热处理工艺对A286激光焊接接头进行焊后热处理，研究不同热处理工艺对其显微组织和力学性能的影响，拟为提高A286合金激光焊接接头的性能提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为某厂家提供的厚度为0.8 mm的轧制态A286铁基高温合金薄板，化学成分如表1所示。采用不加丝激光焊接方法进行焊接，根据前期试焊结果确定如下参数：焊接速度500 mm·min-1，激光功率720 W，离焦量+2 mm。焊后在SANTE STM-36-14型箱式电阻炉中对焊接接头进行整体热处理，具体工艺如表2所示。

表1 A286合金的化学成分

表2 焊接接头的热处理工艺

利用线切割机在焊接接头上沿焊缝横向位置切取尺寸为25 mm×20 mm×0.8 mm的金相试样，经镶嵌、打磨(使用80#，240#，400#，600#，800#，1000#，1200#，1500#金刚石砂纸逐级打磨)、抛光后，采用王水进行腐蚀，腐蚀时间为30～60 s，直至焊缝轮廓清晰可见。采用Olympus-GX71型倒置光学显微镜观察截面宏观形貌和显微组织。以焊缝为中心垂直于焊接方向截取如图1所示的拉伸试样，使用Zwick Z100型电子拉伸试验机进行室温拉伸试验，屈服前的拉伸速度为0.005 mm·min-1，屈服后的拉伸速度为24 mm·min-1。使用S-4800型扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸断口形貌。采用MHV-1000Z型显微维氏硬度计对焊缝至母材区域的硬度进行测试，载荷为0.98 N，保载时间为15 s，测试间隔为0.2 mm。

图1 拉伸试样的形状及尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

2 试验结果与讨论

2.1 对宏观形貌的影响

由图2可见,未热处理焊态接头成形良好，焊缝连续、平直、宽度均匀，未出现焊穿、下塌、咬边和表面裂纹等缺陷，焊缝组织致密，未观察到裂纹、气孔等缺陷。经过固溶处理后，焊接接头的表面及横截面宏观形貌变化不明显；经过固溶+时效处理后，焊接接头焊缝高度与固溶态相比有所减小，焊缝宽深比增大。

2.2 对显微组织的影响

由图3可见,焊态A286合金激光焊接接头焊缝的显微组织主要由δ铁素体、γ′相、奥氏体组成。受A286合金中铬、镍含量的影响，在凝固过程中偏聚于亚晶界的铁素体生成元素(铬、钼等)促使熔体发生包晶反应，从而生成高温δ铁素体，同时增加了铁素体的稳定性，使得部分铁素体保留至室温。母材组织仍由较为细小的奥氏体组成。经固溶处理后，焊缝的显微组织主要由大量的网状δ铁素体+奥氏体基体和少量的γ′相组成，这是由于固溶处理时间较短，铁素体向奥氏体的转变不充分[18]。与焊态相比，固溶处理后焊缝组织中δ铁素体的含量略微减少，这是由于在固溶处理过程中δ铁素体向基体发生了部分回溶。固溶处理后焊接热影响区和母材组织主要为奥氏体，且晶粒细小。在熔合区发现明显的柱状晶粒，均垂直于熔合线向焊缝中心生长，这主要与焊接过程中的温度梯度有关。与焊态相比，固溶处理后焊缝组织中γ′相的数量略微减少，这是因为固溶处理时间较短导致γ′相未完全固溶，而部分溶入基体后造成。

图2 未热处理和不同工艺热处理后A286合金激光焊接接头的宏观表面和截面形貌Fig.2 Macro morphology of surface (a,c,e) and cross section (b,d,f) of A286 alloy laser welded joint without heat treatment (a-b) and after heat treatment by different processes (c-f): (c-d) solid soution; (e-f) solid solution+aging

图3 未热处理和不同工艺热处理后A286合金激光焊接接头不同区域的显微组织Fig.3 Microstructure of A286 alloy laser welded joint at different area without heat treatment and after heat treatment by different processes: (a)without heat treatment, weld; (b) without heat treatment, base metal;(c) solid solution, weld;(d) solid solution+aging, weld: (e) solid solution, heat affected zone; (f) solid solution+aging, heat affected zone; (g) solid solution, base metal and (h) solid solution+ aging, base metal

图4 未处理和不同工艺热处理后A286合金激光焊接接头拉伸断口宏观和微观形貌Fig.4 Tensile fracture macroscopic (a,c,e) and microscopic (b,d,f) morphology of A286 alloy laser welded joint without heat treatment (a-b) and after heat-treatment by different process (c-f): (c-d) solid solution and (e-f) solid solution+aging

经过时效处理后，焊缝组织中析出了大量弥散分布的γ′相。γ′相对接头具有第二相强化作用，但γ′相为脆性相，会降低接头的韧性。经过时效处理后，焊缝中δ铁素体数量减少，奥氏体晶粒发生了一定程度的粗化；热影响区和母材中孪晶数量有所增多，但晶粒发生粗化。

2.3 对力学性能的影响

2.3.1 拉伸性能

由表3可见：固溶处理对A286激光焊接接头的强度影响不大，但塑性提升较为明显，固溶+时效处理后的试样强度明显提高，与固溶处理后相比，抗拉强度提高了59.4%，屈服强度提高了45.7%，而接头韧性较低，断后伸长率下降了24.7%。结合显微组织分析可知，固溶+时效处理后合金中析出大量γ′相，当合金发生变形时，奥氏体晶间形成的γ′相可对位错起到一定的钉扎作用，阻碍位错运动，从而提高了接头的强度。另一方面，γ′相为脆性相，其析出数量的增加会降低接头韧性。

表3 未热处理和不同工艺热处理后A286合金激光焊接接头的拉伸性能

由图4可见，未热处理和固溶、固溶+时效处理后合金的拉伸断口都表现出密集型韧窝形貌，具有典型的韧性断裂特征。固溶+时效态试样的断口韧窝分布不均匀，且韧窝较浅，说明在断裂过程中微孔长大不充分，塑性变形程度较小，反映出其塑性较低，与拉伸试验结果相符。

2.3.2 显微硬度

图5 未热处理和不同工艺热处理后A286合金激光焊接接头硬度分布曲线Fig.5 Hardness distribution curves of A286 alloy laser welded joints without heat treatment and after heat-treatment by different processes

由图5可见：焊态接头中焊缝和热影响区的硬度略高于母材，表明焊后这两个区域发生了硬化；固溶、固溶+时效处理后接头热影响区和母材的硬度基本相当，固溶处理后焊缝硬度略低于母材和热影响区，固溶+时效处理后焊缝硬度略高于这两个区域。固溶态焊缝中存在较多δ铁素体，铁素体是软韧相，使得焊缝区域的硬度比其他区域低；固溶+时效处理后焊缝中铁素体减少，同时析出γ′相和碳化物，因此焊缝的硬度相比热影响区和母材略有升高。固溶处理接头整体硬度略低于未热处理接头，这是由于固溶处理过程中γ′相向基体部分回溶导致的；固溶+时效处理后接头整体硬度大幅提高，平均硬度相比于固溶处理提高了83.6%，这是由于在时效处理过程中析出了大量γ′相，且在基体中分布均匀，具有沉淀强化作用，从而提高了焊接接头的整体硬度。

3 结 论

(1) A286合金激光焊接接头焊缝组织主要由网状δ铁素体、γ′相和奥氏体组成，母材组织由细小的奥氏体组成；经固溶处理后，焊缝组织由大量的网状δ铁素体、少量γ′相和奥氏体组成，热影响区和母材组织主要由晶粒细小的奥氏体组成；再经时效处理后，焊缝组织析出大量弥散分布的γ′相，网状δ铁素体减少，奥氏体晶粒粗化，热影响区和母材区孪晶数量增多，且晶粒发生粗化。

(2) 与未热处理相比，经固溶处理后接头屈服强度由366 MPa降低至360 MPa，抗拉强度由614 MPa提高至639 MPa，断后伸长率由17.3%增高至22.7%，平均硬度由190 HV降低至180 HV,这是由于固溶时间短，焊缝组织中δ铁素体和第二相析出物γ′相发生部分回溶所致；再经时效处理后，接头的屈服强度与抗拉强度分别大幅提升至662 MPa和1 019 MPa，但断后伸长率降低至17.1%，这是由于时效处理后焊缝组织中析出了大量弥散分布的γ′相，具有第二相沉淀强化作用，但γ′相为脆性相，会降低接头韧性。