上海雄鋼特種合金有限公司

GH3030是早期發(fā)展的固溶強(qiáng)化型高溫合金,在800℃以下具有滿意的熱強(qiáng)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(gòu)件在試驗(yàn)過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)有2個(gè)釬焊管在釬焊接頭處發(fā)生泄漏。試驗(yàn)溫度約為400℃,釬焊管在正常工況下受交變應(yīng)力。2個(gè)釬焊管焊接結(jié)構(gòu)和焊接工藝相同,但其中一個(gè)泄漏嚴(yán)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(kuò)到0.8mm左右(與釬焊管間隙約0.03mm)后通過(guò)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(guò)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(cè)等手段,確定2個(gè)構(gòu)件釬焊管的裂紋性質(zhì),并對(duì)其失效原因進(jìn)行綜合分析,根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)建議,以期為后續(xù)構(gòu)件釬焊管的安全使用提供參考,對(duì)于同類釬焊管焊接過(guò)程的控制具有指導(dǎo)意義。

1試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

1.1表面觀察

發(fā)生泄漏的2個(gè)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(gòu)件A釬焊管可見(jiàn)明顯開(kāi)裂,開(kāi)裂處表面暗于釬焊管表面,為焊料覆蓋特征;構(gòu)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(jiàn)微小裂紋,裂紋附近側(cè)表面也可見(jiàn)焊料覆蓋(圖1)。

使用線切割將釬焊管取下,對(duì)其進(jìn)行微觀形貌觀察和成分分析,結(jié)果見(jiàn)圖2、表1。構(gòu)件A釬焊管在開(kāi)裂處已經(jīng)完全斷開(kāi),斷口附近側(cè)表面可見(jiàn)釬料堆積和與正常管壁的過(guò)渡形貌(圖2a)。能譜分析可知:釬料堆積處(圖2a中標(biāo)注1)成分主要含C、O、Ag、Cu等元素,為焊料成分;過(guò)渡處(圖2a中標(biāo)注2)成分主要含C、O、Cu等元素,仍含有焊料成分。

構(gòu)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(jiàn)沿晶分叉形貌,主裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橹芟?圖2b～圖2d)。能譜分析可知:焊腳處(圖2c中標(biāo)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(biāo)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(yīng)來(lái)源于焊料;裂紋附件可見(jiàn)一處自由凝固形成的熔滴突起(圖2c中標(biāo)注5),成分主要含Cr、Ni等元素,為釬焊管基體材料元素,說(shuō)明該處的溫度已達(dá)到GH3030的熔化溫度。GH3030和GH3128合金的成分見(jiàn)表2。

1.2斷口觀察

對(duì)構(gòu)件A釬焊管進(jìn)行斷口觀察可見(jiàn),整個(gè)斷面較為平整,大部分區(qū)域?yàn)檠鼐嗔烟卣?。將斷口分?個(gè)區(qū)(圖3a):斷口1區(qū)為沿晶氧化特征,局部晶界氧化嚴(yán)重出現(xiàn)圓滑特征,并可見(jiàn)熔融顆粒形貌(圖3b中標(biāo)注6);斷口2區(qū)除沿晶氧化特征外,斷口內(nèi)壁可見(jiàn)氧化顆粒形貌(圖3c中標(biāo)注8),中部可見(jiàn)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(gòu)件A釬焊管主要為沿晶開(kāi)裂,且在焊接過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生,最后發(fā)生過(guò)載斷裂。

對(duì)應(yīng)圖3、圖4中標(biāo)注的位置,斷口能譜分析結(jié)果見(jiàn)表3,由結(jié)果可知,構(gòu)件A和構(gòu)件B釬焊管沿晶斷口局部均可見(jiàn)Ag、Cu等外來(lái)元素,說(shuō)明釬焊管的原始裂紋在焊接過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生,性質(zhì)均為過(guò)熱沿晶裂紋,隨后裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展后過(guò)載斷裂或直接引起過(guò)載斷裂。

1.3組織觀察

在構(gòu)件A釬焊管斷口處取縱向金相試樣,對(duì)其組織進(jìn)行觀察,結(jié)果見(jiàn)圖5,能譜分析結(jié)果見(jiàn)表4。在背散射圖像下觀察,在釬焊管斷口釬料堆積處可見(jiàn)白亮相,釬料堆積深度最深達(dá)118um,釬料堆積處主要含Ni、Cu、Ag元素,為低熔點(diǎn)共晶相2(圖5b中標(biāo)注A)。斷口附近可見(jiàn)沿晶開(kāi)裂二次裂紋和晶界粗化形貌(圖5c中標(biāo)注B),晶界粗化區(qū)域可見(jiàn)Cu元素,局部晶界在背散射下為白亮色(圖5c中標(biāo)注C),此處的晶界含有Cu、Ag元素,這些均說(shuō)明Ag-Cu焊料與GH3030合金發(fā)生了反應(yīng),且反應(yīng)主要作用于晶界,晶界是腐蝕元素進(jìn)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(biāo)注D),此處含有較高的Cr元素,應(yīng)為高溫形成的宮Cr相。

在構(gòu)件B釬焊管斷口附近取橫向金相試樣,對(duì)其焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,實(shí)測(cè)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(guò)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(jiàn)約10um的顏色變化區(qū)(對(duì)應(yīng)斷口上的內(nèi)壁氧化區(qū)),變化區(qū)可見(jiàn)徑向小裂紋(圖6),能譜分析結(jié)果見(jiàn)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(guò)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(yīng)為釬料中的Fe元素反應(yīng)擴(kuò)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(gòu)件A釬焊管縱向金相試樣進(jìn)行腐蝕后觀察,可以發(fā)現(xiàn),有焊料影響的區(qū)域晶界開(kāi)裂情況嚴(yán)重,晶粒尺寸也大于正常晶粒,而遠(yuǎn)離焊縫的晶粒組織正常(圖7)。

1.4顯微硬度

對(duì)構(gòu)件A釬焊管縱向金相試樣的硬度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)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(gòu)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(guò)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(jiàn)釬料覆蓋,斷口局部可見(jiàn)剪切韌窩形貌。因此,構(gòu)件A釬焊管首先在焊接過(guò)程中發(fā)生高溫沿晶開(kāi)裂,隨后發(fā)生過(guò)載斷裂。

構(gòu)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(duì)應(yīng)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(shuō)明構(gòu)件B釬焊管在焊接時(shí)外表面已存在沿晶裂紋,同時(shí)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(yīng)力下形成大量疲勞條帶。因此,構(gòu)件B釬焊管的裂紋性質(zhì)為首先在焊接過(guò)程中存在沿晶小裂紋,隨后發(fā)生疲勞擴(kuò)展,最后在人工打開(kāi)的外力作用下斷裂。

2)失效原因分析。

2個(gè)釬焊管失效的共同點(diǎn)是均存在沿晶裂紋,且沿晶裂紋產(chǎn)生于焊接過(guò)程中。

從焊接工藝上看,釬焊是采用比母材熔點(diǎn)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(guò)程溫度控制不當(dāng),將會(huì)使釬焊管材料出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。構(gòu)件B釬焊管裂紋附近的自由凝固表面也說(shuō)明了焊接過(guò)程中局部溫度超過(guò)了GH3030的熔點(diǎn),該裂紋為金屬過(guò)熱過(guò)燒引起的沿晶裂紋。

從結(jié)構(gòu)上看,2個(gè)焊接位置相距不到1mm,由于釬焊管尺寸細(xì)小,在第二次與銅散熱板焊接的過(guò)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(gè)釬焊管表面均有焊料粘附),這將對(duì)釬焊管的表面強(qiáng)度造成一定影響并增加其表面殘余應(yīng)力。同時(shí),在高溫條件下,Cu、Ag等焊料元素會(huì)沿晶界擴(kuò)散,弱化晶界結(jié)合力,腐蝕后的晶粒組織形貌也說(shuō)明了這一點(diǎn)。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(yīng)力可能會(huì)直接作用于釬焊管,應(yīng)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(diǎn)1)與銅散熱板焊接位置(焊接點(diǎn)2)的距離增大(圖8),會(huì)從一定程度上改善焊接結(jié)構(gòu)受力和焊接質(zhì)量。

從環(huán)境上看,2個(gè)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(jiàn)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(shuō)明:焊接氣氛(氮?dú)?對(duì)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(huì)使材料脆性增加.影響力學(xué)性能

綜上所述,構(gòu)件釬焊管的失效原因主要與焊接過(guò)程有關(guān)。構(gòu)件A釬焊管大部分區(qū)域?yàn)檠鼐卣?為高溫沿晶開(kāi)裂,最后發(fā)生過(guò)載斷裂;構(gòu)件B釬焊管在焊接過(guò)程中存在沿晶小裂紋,隨后在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展,最后在人工應(yīng)力下完全斷裂。

構(gòu)件釬焊管焊接裂紋的產(chǎn)生與2個(gè)焊接位置相距較近有關(guān),焊接時(shí)存在互相影響,且存在焊接

溫度控制不當(dāng)?shù)那闆r,建議嚴(yán)格控制焊接過(guò)程開(kāi)對(duì)構(gòu)件的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3結(jié)論

1)構(gòu)件A釬焊管為高溫沿晶開(kāi)裂,最后發(fā)生過(guò)載斷裂;構(gòu)件B釬焊管在焊接過(guò)程中存在沿晶小裂紋,在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展,最后在人工應(yīng)力下完全斷裂。

2)構(gòu)件釬焊管焊接裂紋的產(chǎn)生原因是2個(gè)焊接位置相距較近,焊接時(shí)互相影響,且存在焊接溫度控制不當(dāng)?shù)那闆r。建議嚴(yán)格控制焊接過(guò)程并對(duì)構(gòu)件的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。