镍基抗氧化合金GH3044（GH44）钢板化学成分

线性摩擦焊( Li near Fri cti on Wel di ng， LFw) 能够实现复杂截面同质及异质材料的固相连接， 成为国际公认理想的航空发动机整体叶盘焊接制造与维修关键技术ASPMEX。 目前，该技术已在钛合金整体叶盘的制造中获得成功应用。

近年来， 为进一步拓展该技术的应用， 国内外已针对几种高温合金开展了线性摩擦焊研究ASPMEX。针对GH4169开展的线性摩擦焊研究发现焊缝区晶粒明显细化， 但由于高温导致强化相丫’ 与r发生转变、杂质元素在晶界析出， 且在碳化物与氧化物的共同作用下， 导致接头力学性能下降。对I N718 Pl us进行了线性摩擦焊研究， 结果表明： 焊缝区由细小的再结晶晶粒组成， 晶间存在低熔共晶物； 热力影响区出现了由MC碳化物、 富钛的碳氮化物以及8

相等第二相液化造成的组分液化以及晶界液化， 并伴有Laves相的产生ASPMEX。陋1研究指出：IN738可以通过线性摩擦焊获得良好接头， 尽管热力影响区发生了组分液化与晶间液化， 却没有产生裂纹， 是由于焊接过程的压应力加速了液相溶质原子扩散， 使得液相能够快速凝固。

可以看出， 上述研究均针对沉淀强化型高温合金展开， 而对于强化机制不同的固溶型高温合金至今尚未开展线性摩擦焊研究ASPMEX。 GH3044是以W、 Cr为主要强化

元素的固溶强化型镍基高温合金， 用以制造900℃以下长期工作的航空发动机主燃烧室和加力燃烧室零部件ASPMEX。 本文针对该合金开展线性摩擦焊接头微观组织特征及其形成机制研究。

实验方法

试验所用材料为GH3044锻件， 化学成分如表1所示， 其组织主要为等轴奥氏体， 晶粒内部存在较多退火孪晶( 见图1) ASPMEX。 采用EDS成分分析可知， 母材组织

中黑色颗粒( 箭头) 为Ti N， 大量的白色颗粒( 箭头) 为Cr( W) 23C6， 焊接试样焊合面尺寸为28mm X 8mm， 焊接沿28mm方向振动ASPMEX。

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焊接试验在西北工业大学自主研制的XMH一250型线性摩擦焊设备上进行， 基于焊接试验探索， 选取表2中的工艺参数进行试样焊接ASPMEX。

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焊后接头按照GB／ 6397—86标准加工拉伸试样4件， 在WE一30型万能实验机上进行拉伸测试， 对焊后接头沿摩擦方向截取接头纵剖金相试样， 抛光后用王水( HCl ： HNO、 =3： 1) 进行腐蚀， 采用OLYMPUSPMG3型光学显微镜对接头进行光镜( OM) 组织观察，采用TESCAN VEGAI I LMU型电子显微镜对接头进行电镜扫描( SEM) 组织观察及EBSD分析ASPMEX。

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接头总体特征

焊接接头外观如图2所示， 可以看出， 接头两侧飞边不粘连， 与钛合金接头飞边形貌差异较大ASPMEX。 其主要原因为高温合金在高温下仍然具有较高的强度， 焊接面金属塑性流动差， 焊缝端部易氧化。 飞边不粘连难以对焊合面边缘提供良好的保护， 这一点与其他高温合金LFw接头相似。

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图3为接头典型区域组织照片ASPMEX。 由图3( a) 可见，接头中焊缝端部存在明显黑色带状物， EDS分析表明其含有氧化物。 根据接头纵向剖面( 见图3( b) ) 组织形态的变化特征， 将接头分为焊缝区( Wel d Zone， WZ) 、 热力影响区( Thermomechani cal l yAffect ed Zone， TMAZ)和母材区( Base Metal ， BM) 。 WZ呈现完全水平的流线特征， 其宽度约为0． 4mm； TMAZ的流线由垂直渐变为水平， 其宽度约为0． 8mm。

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从电镜放大照片可以看出，WZ( 见图3( C) ) 由均匀细小的等轴晶粒组成，原始BM中的颗粒状碳化物消失，而晶界处的白色物质由EDS分析可知为碳化物ASPMEX。M23 C。 型碳化物的熔点约为1010℃， 表明WZ温度超过了碳化物的熔点， 在焊后的快速冷却过程中熔解的碳化物又从基体中析出， 以致密的形态保留于晶界处。 由于GH3044层错能较低， 易发生动态再结晶， 因此TMAZ同样由大量的细晶组成。 WZ到BM具有较高的温度梯度， TMAZ中的碳化物仅发生少量熔解， 故TMAZ中可清楚看到与母材基本相同的碳化物白色颗粒( 见图3( d) ) 。 WZ和TMAZ中的碳化物随线性摩擦焊接过程热塑金属的流动， 便形成明显流线， 显然其与变形晶粒形成的钛合金接头流线是不同的。

接头拉伸试验结果如表3所示， 试样断后位置如图4所示， 1号和2号试样由于取材位置靠近接头边缘， 受焊缝端部氧化物的影响， 拉伸断裂发生在焊缝处， 虽抗拉强度仅低于母材约7％， 但断口塑性明显较差； 3号和4号试样取材位置靠近焊接中心， 试样断裂于远离焊缝的母材处， 断口可见明显颈缩ASPMEX。 测试结果表明， GH3044线性摩擦焊接头由于细晶强化获得较高抗拉强度， 且未受到碳化物流线影响。

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接头微观组织特征及形成机制

为探究接头微观组织演变， 在图3中选取了4个区域进行EBSD分析ASPMEX。 主要针对OI M软件输出的晶界图( 以下简称OI M晶界图) 和大小角度晶界所占比例分布图( 以下简称晶界角度分布图) 进行讨论。 区域1( 母材) 、 区域2( TMAZ中部) 、 区域3( TMAZ近焊缝区)及区域4( 焊缝) 的测试结果如图5～ 7所示。在此说明， 晶界图中黑色线条为大角度晶界， 绿色线条为小角度晶界， 红色线条为孪晶界。 晶界角度分布图中取向差处于20～ 150的晶界为小角度晶界( Low． Angl eGrai n Boundari es， LAGBs) ， 取向差>1 5。的晶界为大角度晶界( Hi gh—Angl eGrai n Boundari es，HAGBs) ， 其中取向差处于600处为孪晶界( Twi nBoundari es) 。

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母材

对照图5( a) 和( b) 可以看出， 母材晶粒粗大， 主要为大角度晶界， 单个晶粒内部的取向几乎一致， 仅存在微量小角度晶界ASPMEX。 图5( a) 中可见大量孪晶界， 由图5( b) 可知母材中孪晶界约占71％。

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热力影响区

从图6( a) 和( c) 可以看出， TMAZ中部到近缝区的晶粒的尺寸逐渐变大， 但较母材晶粒细小很多， 表明TMAZ发生了较为充分的再结晶ASPMEX。 从图6( b) 和( d)可得出， TMAZ中部的小角度晶界占9． 9％， 大角度晶界占90． 1％， 晶粒的平均取向差角为40． 950； 近缝区的小角度晶界占17． 5％， 大角度晶界82．5％， 晶粒的平均取向差角为35． 26。 。 与母材相比， TMAZ小角度晶界比例大幅增高， 而近缝区的比例更高， 这是因为在线性摩擦焊局部大变形条件下， TMAZ不同区域的变形程度、 应变速率及温度具有显著差异。 近缝区晶粒内部的位错密度更高， 在高温作用下这些高密度位错易发生多边化形成大量小角度亚晶界。 另外， TMAZ近缝区可见较多大尺寸晶粒， 使得大角度晶界比例下降， 但这些大尺寸晶粒并不是由单纯的晶粒长大形成。

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从图6中还可以看到孪晶界比例在TMAZ中部占17％， 在近缝区占12． 3％， 较母材显著减少， 这是因为局部塑性大变形导致孪晶发生转动， 失去与基体之间理想的位向关系而转变成普通大角度晶界， 致使孪晶界比例大量减少 ， 近缝区变形程度更高， 其孪晶界的比例也就更低ASPMEX。

焊缝区

从图7( a) 可以看出， WZ为细小等轴组织与TMAZ相比更加细小均匀ASPMEX。 从图7( b) 可以得出， 焊缝区的小角度晶界比例为9． 9％， 大角度晶界比例为90． 1％， 平均取向差为38． 96。 ， 通过比较可得出小角度晶界比例的变化趋势： 母材微量， TMAZ中部显著升高，TMAZ近缝区再次大幅升高到最大值， WZ下降但与TMAz中部相当。

WZ的温度必然高于TMAZ， 却没有出现TMAZ中的大尺寸晶粒ASPMEX。 有如下推测： TMAZ在LFW强烈地变形过程中， 部分相邻晶粒的位向趋于一致形成比较强的织构， 使部分HAGB S转变为LAGB S， 其中位向趋于一致的相邻晶粒在晶界图中呈现为大尺寸晶粒。 TMAZ近缝区变形程度更高， 织构则更为明显，这与接头中LAGBS所占比例最高相吻合。 WZ中大小角度晶界比例虽与TMAZ中部相当， 但孪晶界含量在整个接头中最低， 仅为9％， 普通大角度晶界比例则相对更高， 加上其晶粒均匀细小， 表明在更高的温度和应变速率条件下发生了更为充分的再结晶， 而未形成织构。

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从图6( a) 、 ( C) 和图7( a) 中可以看到ASPMEX， WZ与TMAZ较多晶粒发生了晶界弓出( 箭头所指) ， 且其附近还出现了一些细小等轴晶粒， 这些小晶粒内几乎不含小

角度晶界ASPMEX。 该组织形态特征表明， GH3044在LFW过程中接头组织主要发生了不连续动态再结晶( DDRX) ，这与低层错能金属易发生DDRX相符， 还可以看到部

分晶粒内部包含少量的HAGBs( 箭头所指) ， 其为亚晶通过旋转不断吸收位错以增加取向差从而转变为HAGBs， 说明焊接过程中还伴随着部分连续动态再结晶( CDRX) ASPMEX。 另外， 在WZ和TMAZ中还可看到个别较小的晶粒内出现了孪晶界( 见小晶粒内的红色线段) ，而基本无小角度晶界， 表明GH3044在LFW快速冷却过程中， 还发生了静态再结晶( SRX) 使WZ晶粒进一步细化， 同时产生退火孪晶。

结论

(1) GH3044通过LFW可获得拉伸强度与母材相当的焊接接头， 但飞边不粘连易使焊缝端部发生氧化ASPMEX。接头WZ和TMAZ晶粒均明显细化， 碳化物随焊接过程热塑金属流动使两个区域均形成明显流线， 但未对接头拉伸强度造成影响。

( 2) GH3044在LFw过程中主要发生了不连续动态再结晶( DDRX) ， 并伴随部分连续动态再结晶(CDRX) 及静态再结晶( SRX) ASPMEX。 WZ和TMAZ中LAGB比例大幅增高， 同时孪晶界大幅减少， TMAZ中形成较强织构， LAGB比例低于WZ。