GH3030鎳基合金釬焊管接頭裂紋分析
GH3030是早期發(fā)展的固溶強化型高溫合金,在800℃以下具有滿意的熱強性和高塑性,并具有良好的抗氧化、熱疲勞性和焊接工藝性能。它主要用于1100℃以下,要求具有抗氧化性,但承受載荷很小的高溫部件"。某GH3030構件在試驗過程中被發(fā)現(xiàn)有2個釬焊管在釬焊接頭處發(fā)生泄漏。試驗溫度約為400℃,釬焊管在正常工況下受交變應力。2個釬焊管焊接結(jié)構和焊接工藝相同,但其中一個泄漏嚴重。釬焊管材料為GH3030高溫合金,壁厚為0.2mm,外徑為0.8mm,前室材料為GH3128高溫合金,將前室鉆頭打孔擴到0.8mm左右(與釬焊管間隙約0.03mm)后通過釬焊(1050℃,6h)將管與前室連接,隨后將前室與銅散熱板釬焊連接,使用AgCu焊料。
本研究通過采用外觀觀察、裂紋宏微觀觀察、斷口觀察、能譜分析、金相檢查、硬度檢測等手段,確定2個構件釬焊管的裂紋性質(zhì),并對其失效原因進行綜合分析,根據(jù)分析結(jié)果提出改進建議,以期為后續(xù)構件釬焊管的安全使用提供參考,對于同類釬焊管焊接過程的控制具有指導意義。
1試驗過程和結(jié)果
1.1表面觀察
發(fā)生泄漏的2個釬焊管(A、B)表面均發(fā)現(xiàn)裂紋,且裂紋均位于距銅散熱板約1mm的釬焊管焊腳處。其中,構件A釬焊管可見明顯開裂,開裂處表面暗于釬焊管表面,為焊料覆蓋特征;構件B釬焊管焊接影響區(qū)顏色明顯亮于釬焊管基體,并可見微小裂紋,裂紋附近側(cè)表面也可見焊料覆蓋(圖1)。
使用線切割將釬焊管取下,對其進行微觀形貌觀察和成分分析,結(jié)果見圖2、表1。構件A釬焊管在開裂處已經(jīng)完全斷開,斷口附近側(cè)表面可見釬料堆積和與正常管壁的過渡形貌(圖2a)。能譜分析可知:釬料堆積處(圖2a中標注1)成分主要含C、O、Ag、Cu等元素,為焊料成分;過渡處(圖2a中標注2)成分主要含C、O、Cu等元素,仍含有焊料成分。
構件B釬焊管裂紋區(qū)域呈自由凝固表面形貌,裂紋較為曲折,并可見沿晶分叉形貌,主裂紋擴展方向為周向(圖2b～圖2d)。能譜分析可知:焊腳處(圖2c中標注3)成分主要含Ag、Cu等元素,為焊料成分;裂紋兩側(cè)(圖2c中標注4)成分主要含Ni、Cr等元素,并含有少量Ag、Fe元素,其中Ag應來源于焊料;裂紋附件可見一處自由凝固形成的熔滴突起(圖2c中標注5),成分主要含Cr、Ni等元素,為釬焊管基體材料元素,說明該處的溫度已達到GH3030的熔化溫度。GH3030和GH3128合金的成分見表2。
1.2斷口觀察
對構件A釬焊管進行斷口觀察可見,整個斷面較為平整,大部分區(qū)域為沿晶斷裂特征。將斷口分為4個區(qū)(圖3a):斷口1區(qū)為沿晶氧化特征,局部晶界氧化嚴重出現(xiàn)圓滑特征,并可見熔融顆粒形貌(圖3b中標注6);斷口2區(qū)除沿晶氧化特征外,斷口內(nèi)壁可見氧化顆粒形貌(圖3c中標注8),中部可見剪切韌窩形貌(圖3d);斷口3、4區(qū)主要為沿晶氧化特征。由此可知,構件A釬焊管主要為沿晶開裂,且在焊接過程中已經(jīng)產(chǎn)生,最后發(fā)生過載斷裂。
對應圖3、圖4中標注的位置,斷口能譜分析結(jié)果見表3,由結(jié)果可知,構件A和構件B釬焊管沿晶斷口局部均可見Ag、Cu等外來元素,說明釬焊管的原始裂紋在焊接過程中已經(jīng)產(chǎn)生,性質(zhì)均為過熱沿晶裂紋,隨后裂紋發(fā)生疲勞擴展后過載斷裂或直接引起過載斷裂。
1.3組織觀察
在構件A釬焊管斷口處取縱向金相試樣,對其組織進行觀察,結(jié)果見圖5,能譜分析結(jié)果見表4。在背散射圖像下觀察,在釬焊管斷口釬料堆積處可見白亮相,釬料堆積深度最深達118um,釬料堆積處主要含Ni、Cu、Ag元素,為低熔點共晶相2(圖5b中標注A)。斷口附近可見沿晶開裂二次裂紋和晶界粗化形貌(圖5c中標注B),晶界粗化區(qū)域可見Cu元素,局部晶界在背散射下為白亮色(圖5c中標注C),此處的晶界含有Cu、Ag元素,這些均說明Ag-Cu焊料與GH3030合金發(fā)生了反應,且反應主要作用于晶界,晶界是腐蝕元素進入鎳基合金基體的通道。釬焊管近表面處還發(fā)現(xiàn)有灰色顆粒狀相(圖5d中標注D),此處含有較高的Cr元素,應為高溫形成的宮Cr相。
在構件B釬焊管斷口附近取橫向金相試樣,對其焊接結(jié)構進行觀察,實測前室孔的直徑為0.8mm,GH3030釬焊管外徑為758um,前室釬焊管之間為釬焊過渡區(qū),前室與銅散熱板的焊縫在背散射像下亮于兩側(cè)基體,呈“黑白條紋”狀,為AgCu共晶組織,即黑色條紋為Cu,白色基體為Ag6。釬焊管內(nèi)壁可見約10um的顏色變化區(qū)(對應斷口上的內(nèi)壁氧化區(qū)),變化區(qū)可見徑向小裂紋(圖6),能譜分析結(jié)果見表5,各基體材料成分與名義成分基本一致,前室釬焊管之間的釬焊過度區(qū)主要含Ni、Cr、Fe、Si元素,焊縫兩側(cè)的GH3030和GH3128成分中的Fe元素高于名義成分,應為釬料中的Fe元素反應擴散所致,釬焊管內(nèi)壁的變色區(qū)其成分含有N元素,與釬焊管斷口上發(fā)現(xiàn)的N元素相一致。
將構件A釬焊管縱向金相試樣進行腐蝕后觀察,可以發(fā)現(xiàn),有焊料影響的區(qū)域晶界開裂情況嚴重,晶粒尺寸也大于正常晶粒,而遠離焊縫的晶粒組織正常(圖7)。
1.4顯微硬度
對構件A釬焊管縱向金相試樣的硬度進行檢測,結(jié)果見表6,可知裂紋附近的硬度明顯大于基體。
2分析與討論
1)失效性質(zhì)分析。
構件A釬焊管斷口呈沿晶氧化特征,晶面存在熔融和氧化現(xiàn)象,為過燒特征7。晶面上有附著物,含有Ag、Cu、Fe等釬焊焊料中的元素,斷口附近側(cè)表面可見釬料覆蓋,斷口局部可見剪切韌窩形貌。因此,構件A釬焊管首先在焊接過程中發(fā)生高溫沿晶開裂,隨后發(fā)生過載斷裂。
構件B釬焊管裂紋附近區(qū)域呈自由凝固表面形貌,裂紋呈沿晶分叉形貌,斷口上裂紋對應位置發(fā)現(xiàn)少量的C1、Ag、Cu等釬料元素,局部有沿晶特征,說明構件B釬焊管在焊接時外表面已存在沿晶裂紋,同時釬焊管內(nèi)表面也存在徑向小裂紋,隨后斷裂在內(nèi)、外壁表面裂紋處線性起源,并在交變應力下形成大量疲勞條帶。因此,構件B釬焊管的裂紋性質(zhì)為首先在焊接過程中存在沿晶小裂紋,隨后發(fā)生疲勞擴展,最后在人工打開的外力作用下斷裂。
2)失效原因分析。
2個釬焊管失效的共同點是均存在沿晶裂紋,且沿晶裂紋產(chǎn)生于焊接過程中。
從焊接工藝上看,釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料作釬料8,釬焊管和前室的釬焊溫度為1050℃,高于釬焊管材料GH3030的固溶溫度(980~1020℃),如釬焊過程溫度控制不當,將會使釬焊管材料出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。構件B釬焊管裂紋附近的自由凝固表面也說明了焊接過程中局部溫度超過了GH3030的熔點,該裂紋為金屬過熱過燒引起的沿晶裂紋。
從結(jié)構上看,2個焊接位置相距不到1mm,由于釬焊管尺寸細小,在第二次與銅散熱板焊接的過程中極易產(chǎn)生焊料溢出甚至粘附在釬焊管表面的現(xiàn)象(2個釬焊管表面均有焊料粘附),這將對釬焊管的表面強度造成一定影響并增加其表面殘余應力。同時,在高溫條件下,Cu、Ag等焊料元素會沿晶界擴散,弱化晶界結(jié)合力,腐蝕后的晶粒組織形貌也說明了這一點。此外,銅散熱板尺寸較大,距釬焊管的距離又近,銅散熱板在工作中產(chǎn)生的應力可能會直接作用于釬焊管,應力集中區(qū)域的焊接缺陷是影響疲勞壽命最主要的因素10。如果將前室和釬焊管的焊接位置(焊接點1)與銅散熱板焊接位置(焊接點2)的距離增大(圖8),會從一定程度上改善焊接結(jié)構受力和焊接質(zhì)量。
從環(huán)境上看,2個釬焊管斷口內(nèi)壁均行在教化特征,局部有小裂紋特征,金相圖中也可見內(nèi)壁仔在約10um的變化區(qū)及徑向小裂紋,且這些位置
均發(fā)現(xiàn)有一定量的N元素,這說明:焊接氣氛(氮氣)對材料內(nèi)壁表面狀態(tài)及成分造成了一定影響,N元素滲人會使材料脆性增加.影響力學性能
綜上所述,構件釬焊管的失效原因主要與焊接過程有關。構件A釬焊管大部分區(qū)域為沿晶特征,為高溫沿晶開裂,最后發(fā)生過載斷裂;構件B釬焊管在焊接過程中存在沿晶小裂紋,隨后在交變應力作用下發(fā)生疲勞擴展,最后在人工應力下完全斷裂。
構件釬焊管焊接裂紋的產(chǎn)生與2個焊接位置相距較近有關,焊接時存在互相影響,且存在焊接
溫度控制不當?shù)那闆r,建議嚴格控制焊接過程開對構件的焊接結(jié)構進行改進。
3結(jié)論
1)構件A釬焊管為高溫沿晶開裂,最后發(fā)生過載斷裂;構件B釬焊管在焊接過程中存在沿晶小裂紋,在交變應力作用下發(fā)生疲勞擴展,最后在人工應力下完全斷裂。
2)構件釬焊管焊接裂紋的產(chǎn)生原因是2個焊接位置相距較近,焊接時互相影響,且存在焊接溫度控制不當?shù)那闆r。建議嚴格控制焊接過程并對構件的焊接結(jié)構進行改進。
