GH3030镍基高温合金的微观组织与力学性能关系研究

镍基高温合金(Nickel-based High-temperature Alloys)
镍基高温合金是高温合金中的重要一类，其特点是成分以Ni为主，且大多数镍基合金中会加入10~20%的Cr，以形成镍铬奥氏体基体。按照成分和强化方式，镍基高温合金大致可以分为纯镍合金、固溶强化型合金、沉淀强化型合金和其他特殊合金四大类。

纯镍合金是指Ni的质量百分数达到99%以上的镍基合金，如Nickel 200和Nickel 201等。这种合金的强度和硬度均较低，但拥有良好的抗氧化性和耐腐蚀性。纯镍合金的焊接性一般较好，但在焊接时对气孔较为敏感，可以通过选择适当的保护气体或焊剂来减少气孔的形成。

固溶强化型合金是加Cr、Co、Fe、Mo、W和Cu等元素进行固溶强化。这些合金元素易与C元素结合，形成多种碳化物，强化方式为固溶强化。如Haynes 230和Inconel 617等，为了保证强化效果，绝大多数固溶强化型合金以固溶退火状态供货，以确保各合金元素溶解在奥氏体基体中，并使合金中没有脆性相存在。固溶强化型合金在焊接时可能会出现凝固裂纹、液化裂纹和失塑裂纹(DDC)等焊接性问题。

GH3030镍基高温合金(80Ni-20Cr)是一种典型的固溶强化型高温合金，主要由镍、铬、钛、铁等元素组成。该合金在800℃以下具有满意的热强性和高塑性，以及良好的抗氧化、抗疲劳、冷冲压和焊接工艺性。因此，被广泛应用于制造发动机燃烧室部件、高温容器、热电偶保护套等。但研究发现，镍基高温合金中存在多种固溶强化元素，如W、Mo、Cr、Co、Al、Ti等，同时合金中还有微量元素C、B、Mg、P、S、稀土等，这些元素可能导致焊缝组织偏析、金属间化合物反应层以及焊接热裂纹等缺陷，导致焊接接头发生断裂。

沉淀强化型合金是指主要强化方式为沉淀强化的镍基合金，如Nimonic 263和Inconel 740等。这种合金通常会添加Al、Ti和Nb等合金元素，经过适当的热处理后与基体中的Ni形成沉淀物来强化γ基体。沉淀强化相通常是γ'-Ni3(Al, Ti)和γ"-Ni3Nb，通过与基体及位错的相互作用来提高基体的强度。沉淀强化型合金的焊接冶金过程类似于固溶强化型合金，因此也可能出现相似的焊接性问题，此外还可能出现应变时效裂纹(SAC)。

(1) GH3030镍基高温合金的组织结构特点：为铬固溶于镍基体形成的单相等轴晶奥氏体组织，晶粒较为粗大，主要为大块状结构的初生γ相，晶间析出少量黑色颗粒状碳化物，主要为晶界短棒状Laves相，母材区域存在Ti、Si元素富集形成的杂质相。

(2) 焊接速度固定为v=1.2 m/min，离焦量为0mm，激光功率由750W-1500W条件下，研究焊缝的影响。结果表明：焊接时无飞溅缺陷产生，表面成型良好；在焊接功率为750~1200W范围时，无法将2mm厚GH3030镍基合金对接接头焊透，焊缝截面呈现钉子形；随着焊接功率增加值1350W、1500W时，焊缝截面由钉形向X形转变。

(3) 固定焊接功率1350W，离焦量0mm条件下，采用焊接速度由0.8~2.0m/min，研究焊缝的影响。结果表明：焊接速度为0.8m/min时，激光烧穿了试样；在焊接速度1.2~2.0m/min范围，焊缝成型良好，表面平整；在焊接速度1.0~1.6m/min时，都能焊透2mm厚GH3030镍基高温合金，且焊缝形状都呈现X形。

(4) 对GH3030镍基高温合金焊接接头进行组织分析。结果显示：熔合区出现尺寸较小的胞状晶组织，区域较窄且呈带状分布；熔合区边缘出现沿垂直熔合线生长的较大柱状晶；焊缝中心出现细小的奥氏体等轴晶；焊缝中心区明显有C、Si、Ti三种元素的聚集现象；焊缝枝晶间有白色相析出，为Laves相；接头通过线扫发现Ti元素在焊缝中心的含量急剧增加。

(5) 焊接工艺参数对焊缝显微硬度的影响。结果显示：焊缝区的显微硬度普遍低于母材(231.1HV)，而热影响区的硬度(215.2HV)则介于焊缝区和母材之间。具体地，当焊接速度固定时，焊缝区的平均硬度为191.48±7.23HV，焊接功率最小和最大时，焊缝中心硬度分别为198.4HV、187.3HV；当焊接功率固定时，焊缝区的平均硬度为195.04±5.43HV，焊接速度为最大2.0m/min和最小1.0m/min时，焊缝中心硬度达到最大值与最小值，分别为205.3±4.46HV、170.6±5.37HV。