FGH99超级合金TLP接头在镍基中间层粘合下的微观结构演变及力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure evolution and mechanical properties of FGH99 superalloy TLP joints bonded with nickel-based interlayer

　　

李新荣|黄云佳|郭伟|赵伟阳|宋文清|陶博松|郭业明

中国西北工业大学凝固加工国家重点实验室，西安，710072

摘要

瞬态液相（TLP）扩散焊接是一种理想的超合金焊接方法。焊接温度作为最重要的焊接参数之一，直接影响接头中微观结构和机械性能的演变。在本研究中，使用Ni82CrSiFeB作为中间层，成功地对新一代粉末冶金超合金FGH99进行了TLP扩散焊接。本文阐明了微观结构演变的机制，特别是非热固化区（ASZ）中相的种类和晶体结构，以及在不同焊接温度（1025-1200 °C）下接头的机械性能。传统上，在TLP接头中应避免使用M₃B₂等硼化物，因为它们通常会形成网络状和骨架状结构，在应力作用下容易成为裂纹的起始点。然而，在本研究中，接头在1150 °C/60分钟的条件下达到了764 MPa的最大剪切强度，超过了基材的剪切强度（702 MPa），并且含有大量细分散的块状M₃B₂。这些硼化物不仅防止了有害于接头性能的骨架状结构的形成，还通过Orowan旁路机制和半相干强化作用增强了接头强度。

引言

FGH99作为一种新型粉末冶金（PM）超合金，与传统铸造和锻造超合金相比，具有更细的晶粒和更高的成分均匀性，使其成为制造下一代航空发动机涡轮盘的理想材料，尤其是双网涡轮盘[1]。目前，双网涡轮盘的主流制造工艺涉及将两个对称的半盘部件进行焊接[2]。考虑到涡轮盘在极端条件下长时间运行，焊接材料的疲劳强度和蠕变强度需要满足严格的要求[3]、[4]、[5]、[6]。与其他焊接技术（如摩擦焊接、钎焊、激光束焊接和固态扩散焊接）相比，瞬态液相扩散焊接（TLP）生产的接头具有更高的强度，减少了工件变形，防止了热裂纹，并提高了运行效率[7]、[8]、[9]、[10]。因此，它被认为是精密制造超合金最有前景的技术之一。

Zou等人[11]将Ni-Ti合金与FGH96粉末以1:1的体积比混合，制备了复合中间层，并对FGH96 PM超合金和DD5单晶超合金进行了异质部分TLP扩散焊接。他们发现，在焊接过程中，Ni-Ti液相、FGH96基材和FGH99粉末之间的短程、广泛且快速的扩散促进了等温固化。在1170 °C/60分钟的焊接参数下，接头成功实现了等温固化，其在650 °C下的高温抗拉强度达到了881 MPa，相当于DD5的80%和FGH96的60%。Zhang等人[12]对DD5和GH4169进行了TLP扩散焊接，重点研究了等温固化区（ISZ）的晶体结构，并简要讨论了完全等温固化后的接头形成过程。在650 °C下的最大抗拉强度达到了928 MPa，是DD5的86.8%。Jiao等人[13]对Inconel 625和Mar-M247进行了TLP焊接，发现提高焊接温度和延长焊接时间都有助于促进等温固化过程。在1150 °C/60分钟的焊接条件下，达到了865 MPa的峰值抗拉强度，断裂发生在Inconel 625基材内部。在其他焊接参数下，他们认为扩散影响区（DAZ）中的各种硼化物和非热固化区（ASZ）中的Mo-Cr-Nb硼化物是接头断裂的重要原因。然而，他们没有确定ASZ内的具体相类型和晶体结构。

总之，尽管TLP焊接已广泛应用于各种超合金的研究，但此前尚未有研究针对FGH99 PM超合金进行过研究。此外，许多研究仅关注优化焊接参数以提高接头性能，而忽视了对ASZ的系统性研究。实际上，在TLP焊接中，ASZ通常被视为ISZ的前驱体。随着焊接温度的升高，ASZ逐渐转变为ISZ。因此，了解ASZ内的相类型和晶体结构不仅反映了不同焊接温度下接头中各种元素的扩散行为，还有助于揭示未来研究中从ASZ到ISZ的演变规律。

本研究系统地研究了在不同焊接温度下TLP焊接的FGH99 PM超合金接头的微观结构和机械性能的演变，并阐明了ASZ内的相组成。值得注意的是，由于传统的EDS技术难以准确检测B等轻元素，本研究采用了多种TEM分析方法（包括SAED和STEM-EDS）来精确识别ASZ中的相类型。基于上述发现，本研究还揭示了接头形成和强化的机制。

章节摘录

材料与实验程序

FGH99的微观结构主要由三种不同的相组成：γ相、γ’相和碳化物，如图1和图2所示，晶粒尺寸为4-16 μm，剪切强度为702 MPa。中间层为Ni82CrSiFeB粉末。FGH99和Ni82CrSiFeB的化学成分列在表1中。样品使用电火花线切割机从板材上切割而成。样品组装过程如图3a所示。

如图3c所示，实验在

TLP接头的微观结构特征与演变

在TLP扩散焊接中，接头可以大致分为DAZ、ASZ和ISZ[13]。BM表示基材，在焊接过程中保持其微观结构，而ASZ和ISZ统称为固化区（SZ）。图4展示了在不同温度下焊接的接头的微观结构，表2显示了其中标记点的成分。显然，焊接温度的升高会导致DAZ变宽。

结论

本研究探讨了焊接温度如何影响使用Ni82CrSiFeB作为中间层的FGH99超合金TLP接头的微观结构和机械性能。主要结论如下：

1.

确定了使用Ni82CrSiFeB粉末中间层的FGH99 PM超合金TLP接头的典型微观结构。DAZ含有M₃B₂硼化物和MC碳化物，而SZ主要由γ、γ’和M₃B₂组成。

2.

不同焊接温度下的微观结构演变和机械性能

CRediT作者贡献声明

赵伟阳：资源获取、资金申请。宋文清：监督、正式分析。陶博松：实验研究。郭业明：正式分析。郭伟：监督、资源协调。李新荣：撰写初稿、实验研究、正式分析、数据整理。黄云佳：实验研究、正式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52475404）、西北工业大学的凝固加工国家重点实验室（项目编号：2025-TS-15）、材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室（项目编号：AWJ-26HK01）、沈阳市2023年科学技术计划（项目编号：23-401-1-06）以及西北工业大学的研究生实践与创新基金（项目编号：PF2025042）的支持。