江蘇科技大學(xué)、江蘇省高端鋼鐵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員報(bào)道了鎳基高溫合金焊接過程中的熱裂紋問題綜述。相關(guān)論文以“Review: Hot cracking during welding nickel-based superalloys”為題發(fā)表在《Journal of Materials Science》上。

導(dǎo)讀

鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性、耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于航空航天、能源和化學(xué)工業(yè)。然而，鎳基高溫合金在焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋，這會(huì)嚴(yán)重?fù)p害焊接部件的結(jié)構(gòu)完整性、承載能力、疲勞壽命和整體安全性。因此，本文系統(tǒng)綜述了鎳基高溫合金的成分分類體系，以及熔焊、固相焊和釬焊等焊接技術(shù)在鎳基高溫合金中的當(dāng)前應(yīng)用。同時(shí)，深入分析了鎳基高溫合金焊接過程中常見的熱裂紋問題，包括凝固裂紋、液化裂紋和塑性跌落裂紋的形成機(jī)制，以及元素偏析、熱應(yīng)力集中和晶界弱化等重要因素對熱裂紋的影響。此外，本文還梳理了鎳基高溫合金熱裂紋敏感性測試方法。本綜述為開發(fā)新型鎳基高溫合金焊接技術(shù)、熱裂紋敏感性測試方法以及探索更有效的熱裂紋抑制策略提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

部分圖文

圖1：鎳基高溫合金的應(yīng)用：a現(xiàn)代商用高旁通發(fā)動(dòng)機(jī)，b GE航空制造的高旁通CF6航空發(fā)動(dòng)機(jī)按成品重量的材料使用情況，c燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，d燃?xì)鉁u輪燃燒器，e燃?xì)鉁u輪燃燒室過渡管道。

圖2：四種鎳基高溫合金焊接設(shè)備示意圖。

圖3：焊接過程中鎳基高溫合金熱裂紋的分類與特征。

圖4：用于固溶處理的鎳基高溫合金合金元素。

圖5：單晶鎳基高溫合金制造設(shè)備示意圖。

圖6：激光焊接工藝參數(shù)對GH3539鎳基高溫合金焊接接頭影響的分析。

圖7：K465鎳基高溫合金接頭形貌分析。

圖8：焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)。

圖11：焊接過程中焊縫熔池周圍存在的半固態(tài)材料，即部分熔化的母材晶粒和糊狀區(qū)。

圖12：焊縫裂紋形成機(jī)制：a熔池開始凝固，b形核，c晶粒生長，d低熔點(diǎn)液膜形成，e嵌入裂紋，f貫穿裂紋。

圖17：不同電流下的焊道形貌：a 150A, b 170A, c 190A, d 210A, e 230A, f 250A, 以及g最大裂紋長度隨焊接電流（熱輸入）變化的函數(shù)。

圖22：液化裂紋的微觀形貌：a IN-738 LC的液化裂紋，b Inconel 718的液化裂紋，c, d K447A的液化裂紋。

圖26：不同熱輸入下718Plus鎳基高溫合金熱影響區(qū)液化裂紋分析：a低熱輸入，b高熱輸入焊接條件下718Plus合金激光焊縫的熔合區(qū)和熱影響區(qū)的光學(xué)顯微照片，c共晶回填，d無裂紋高熱輸入激光焊縫熱影響區(qū)的晶界液化，e熱影響區(qū)晶界增厚形貌。

圖28：電子束粉末床熔融多重預(yù)熱工藝及液化裂紋機(jī)制：a基于多重預(yù)熱工藝的EB-PBF設(shè)備，b采用多重預(yù)熱法的EB-PBF工藝示意圖，c液化裂紋機(jī)制，d開裂和未開裂樣品中碳化物和硼化物的平均尺寸，e開裂和未開裂樣品中碳化物和硼化物的分布曲線。

圖30：晶間析出相對晶界滑移、應(yīng)變集中和空洞形成的影響：a平直晶界，b晶間析出相的影響，c晶間析出相和曲折晶界的影響。

圖35：自拘束裂紋試驗(yàn)：a魚骨裂紋試驗(yàn)，b圓形鑲塊焊接試驗(yàn)，c雙角焊縫試驗(yàn)的試樣形狀，d鑄件拉伸試驗(yàn)裝置。

圖36：外載下的裂紋試驗(yàn)方法：a可變拘束試驗(yàn)，b橫向可變拘束試驗(yàn)，c U型熱裂紋試驗(yàn)，d橫向運(yùn)動(dòng)焊接性試驗(yàn)，e程序變形速率試驗(yàn)，f水平拉伸型熱裂紋試驗(yàn)。

結(jié)論/展望

總結(jié)：

1.鎳基高溫合金焊接面臨的主要熱裂紋問題——凝固裂紋、液化裂紋和塑性跌落裂紋——具有不同的形成機(jī)制，但均與高溫下晶界的局部弱化或塑性不足密切相關(guān)。元素偏析是影響熱裂紋敏感性的關(guān)鍵因素。抑制措施需要多管齊下，包括成分設(shè)計(jì)、工藝控制和熱處理。

2.準(zhǔn)確評估熱裂紋敏感性依賴于多種測試方法，主要分為自拘束試驗(yàn)和外載試驗(yàn)兩大類。自拘束試驗(yàn)更接近實(shí)際工藝的固有應(yīng)力狀態(tài)，而外載試驗(yàn)?zāi)芴峁└_的力學(xué)邊界條件和定量數(shù)據(jù)。需根據(jù)目標(biāo)熱裂紋類型和數(shù)據(jù)精度要求選擇或結(jié)合使用。

展望：

盡管研究已取得顯著進(jìn)展，但以下方向仍需進(jìn)一步探索：

1.未來需結(jié)合多因素模擬技術(shù)，揭示成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能的多維關(guān)系，特別是熱應(yīng)力與微觀偏析的協(xié)同作用機(jī)制。

2.針對單晶或定向凝固合金，需開發(fā)低熱損傷焊接技術(shù)，并研發(fā)合適的高溫釬料和中間層材料。

3.結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和熱裂紋預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)焊接工藝的跨學(xué)科融合與智能化，通過大數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測優(yōu)化工藝，預(yù)防熱裂紋，提高焊接效率和質(zhì)量控制水平。

未來研究需要在理論深度與工程實(shí)踐之間架設(shè)橋梁，將基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用中的有效解決方案，推動(dòng)鎳基高溫合金焊接技術(shù)不斷向高精度和高可靠性發(fā)展。