耐磨堆焊层中化学成分对热裂纹倾向的影响

【摘要】零件耐磨性的好坏与使用寿命紧密相关。本文分析了耐磨堆焊裂缝产生的原因、实验分析以及解决措施，以供参考。

【关键词】耐磨堆焊；裂纹；产生原因；实验分析；解决措施

中图分类号： C35 文献标识码： A

一、前言

当前，耐磨堆焊层的应用范围越来越广泛，但是由于基体和堆焊层的成分差异性，使得裂纹的出现较为普遍。

二、裂纹产生原因分析

1、裂纹机理

热影响区液化裂纹属于焊接热裂纹的一种，发生部位在粗晶的热影响区，对于高温合金材料，特别是时效强化高温合金更易形成液化裂纹。液化裂纹均有较明显的氧化特征，表面无光泽，这是在高温下形成的一个证明。同时，液化裂纹主要沿晶粒边界(包括亚晶界)分布，即属于沿晶断裂性质。

液化裂纹是在焊缝凝固结晶过程中，晶间形成的液态薄膜所导致的裂纹现象。晶间液膜一般是低熔点共晶物，但其具体组成则与合金的化学成分有关，而且是因焊接时不平衡的快速加热过程引起的偏析所造成的。液膜主要形成于晶界碳化物相，在焊接快速加热时，碳化物趋向分解并向基体扩散溶解，但时间不充分，在碳化物周围富集高浓度溶质元素与基体时效组织形成低熔点共晶。Al、Ti含量高的时效强化合金会发现γ'与γ反应而形成的低熔点共晶，其本质也是加热溶解、扩散的非平衡过程。

因此，针对液化裂纹故障产生原因，主要从原材料和叶片制造工艺进行分析，原材料包括母合金及合金锭化学成分，重点分析杂质元素O、N、P、S、B的含量;制造工艺包括真空熔模铸造、磨削加工、氩弧焊接、气相渗铝及渗透检验。

2、叶片材料的影响

高涡叶片材料为K417合金，是一种低密度、高强度的镍基铸造高温合金，为真空熔模铸造等轴晶型合金，铸态下直接使用，是我国自行研制并最早成功应用的涡轮叶片材料。合金化学成分中铝和钛含量较高，强化相γ'约占合金质量的67%，组织稳定性较差，其铝和钛质量含量之和约为10%，在国际推荐的高温合金焊接性图表中属于不可焊接的范畴。同时，合金成分中碳含量较高，在焊接加热凝固过程中更易形成基于液态薄膜理论的热影响区液化裂纹。

3、铸造工艺的影响

通过对比故障叶片裂纹和基体区碳化物组织形态发现，故障叶片无论是在裂纹区域还是在基体区域，其碳化物形态多以短条状分布，并且在晶界处存在宽化的带状碳化物，这更容易促使热影响区液化裂纹的产生。同时，在能谱分析表中，在焊接非平衡加热过程中，钛元素以碳化物的形态向晶界偏析聚集的现象进一步增加了产生液化裂纹的风险。因此，通过合理的铸造工艺能够改善碳化物分布形态(一般采用熔体处理)，提高组织均匀性，减少形成液化裂纹几率。

4、焊接工艺的影响

焊接工艺措施有降低焊接热输入量和加强散热，具体焊接工艺对比试验依据如下:

(1)盆向焊接电流及时间略大于背向，其由待焊面基体厚度决定。

(2)随着焊接电流幅值降低，堆焊时间显著增加，受基体散热的影响，当电流幅值进一步降低，电弧热量已不足以熔化堆焊面金属。

(3)为判定热影响区液化裂纹受填充金属影响的程度，采用了降低母材稀释率的堆焊方法，分两层施焊，其首层焊接时间并未明显缩短，仍受基体散热影响。

(4)焊前铣加工成形槽深由0．8mm减少至0．5mm，有利于减少填充金属的熔敷量，减少焊接时间。

(5)取消预热、增加水冷夹具，有利于提高基体散热能力，减少热影响区过热程度。通过上述六组典型试验，判定对热影响区液化裂纹的影响程度。在对比焊接工艺试验后，按后续工序流程先后进行了磨加工、去除多余物、染色荧光检验、超声清洗、真空渗铝(合并消除应力)、后乳化荧光检验等。在焊后荧光检验中发现，所有堆焊叶片均有不同程度的线性显示，其位于堆焊层热影响区与试车发生故障的叶片一致。按验收标准规定，在堆焊层及热影响区仅允许存在最多三个线性缺陷且最大尺寸不超过1mm、间距不小于2mm，0．4mm以下显示不计为缺陷。因此，以上工艺试验的叶片仍存在不合格叶片。为进一步验证热影响区液化裂纹存在的实际情况，对荧光显示的叶片进行扫描电镜检查，

5、荧光检验方法的影响

调取近五年的叶冠耐磨层生产检验记录发现，在荧光检验中并未出现如此多的线性显示情况。因此，重新疏理了荧光检验方法及操作过程，由于该叶片生产已经持续了近30年，焊后一直采用染色荧光检验，渗铝后采用后乳化荧光检验在2010年才得以应用，而焊后染色荧光至今仍未改变。同时，从外厂又借调了一定数量的一寿和二寿叶片，经扫描电镜检查，也发现了热影响区液化裂纹的客观存在，证实了高涡叶片堆焊耐磨层发生液化裂纹的必然性。

基于上述情况，对比染色荧光和后乳化荧光灵敏度发现，染色荧光对低于0．4mm以下的缺陷不敏感，而后乳化荧光检验灵敏度达到S4级，其能够分辨0．1mm甚至以下的线性或点状缺陷，统计结果显示染色荧光的漏检率约为5%。同时发现渗铝工艺对0．4mm以下的微小缺陷具有弥合作用，而对于尺寸较大缺陷有真空清洗作用，根据现行的缺陷验收标准0．4mm以下缺陷忽略不计，判定渗铝工艺不会对耐磨层质量产生影响，相反，渗铝工艺对尺寸较大缺陷的真空清洗作用使缺陷再次暴露，弥补了染色荧光检验灵敏度不足和其他加工工序对缺陷的掩盖作用，减小了漏检几率。在荧光工艺及操作方面，应严格控制显影时间，避免荧光液反渗不足或反渗过度，影响对缺陷显示尺寸的判定。

三、实验分析

将尺寸为20×15×80mm的低碳钢块并排在专用夹具上,并且螺钉以不变的力压紧,同样用两平板靠螺栓将钢块的上面压紧,焊缝横向堆焊在钢块上。由于焊缝有热裂的倾向,在钢块间的对缝处便会形成裂纹。在这种情况下,热裂纹形成的机理和很多形式的焊缝焊拉时所观察到的相似,如图1，

图1堆焊时热裂纹形成机理

当电弧经过钢块时,由于强烈的加热,钢块伸长,并在近缝区中发生应力和塑性变形。这是因为远离电弧的一些钢块阻碍加热开高温的钢块的伸长。经过一定时间,在电弧经过后,钢块逐渐冷却和收缩,在它们之间形成不断增加的空隙。当金属还处于形成树枝状结晶或它们自己生长(液―――固态)阶段时,由于可产生无破坏的拉伸变形,热裂纹还不能产生。

假如到了塑性变形的钢块开始收缩和形成空隙时,金属来得及完全结晶,裂纹就不会产生。因为在凝固后堆焊金属塑性及变形能力会急剧提高。但如果金属正处于固―――液相状态时,那么增长着的变形只能在柱状晶粒的微小体积中产生,在焊缝中就会产生热裂纹。由于裂纹通常布在垂直于焊道纵轴的平面上,为了评价堆焊合金成分对热裂纹倾向的影响,本文利用测量裂纹面积大小的方法进行评估。方法如下:将焊后试件从夹具上取下并沿钢块对缝加以破坏,然后在破坏处用低倍(10倍左右)放大镜对焊缝金属进行观察。只要在五个检查的对缝中的一个上看出热裂纹,就在低倍(10倍左右)的金属显微镜的毛玻璃上把所有五个对缝的焊道断面外形描绘出来。同样也把沿兰色断面上清晰可见的热裂纹外形描绘出来(当然焊道和裂纹面积也可以通过拍摄断面而记录下来),并测量热裂纹所占的面积和所有对缝的焊道断面积。热裂纹所占的断口总面积与焊道断面积总和之比就作为堆焊合金成分对热裂纹倾向程度的衡量指标。

四、故障排除

针对上述故障分析及工艺验证结果，主要采取了以下三种排故措施:

1、优化铸造工艺，如增加浇铸冒口尺寸、增加叶冠厚度和优化浇铸温度控制碳化物析出形态。

2、改进了焊接工艺及过程控制，通过增加水冷夹具，适当降低焊接电流、提高焊工操作速度及稳定性，降低堆焊区及热影响区局部过热倾向。

3、合理安排荧光检验方法和细化工艺操作过程，如特制专用测量荧光塞尺，提高判定缺陷的精确度，并加强工厂试车后荧光检验控制，防止超出标准的叶片装机。同时，在此基础上又连续跟踪外厂叶片故检情况，证明热影响区液化裂纹显示无扩展趋势，保证了叶片长期使用的可靠性。经优化改进工艺生产了2000余件高涡叶片，一次焊接合格率达到了95%以上，至此，高涡工作叶片叶冠耐磨层热影响区裂纹故障得以解决，并在故障机理认识和工艺对比验证上，提高了综合分析水平和排故技术能力。

五、结束语

通过分析，我们对裂纹的产生原因有了一定的了解，通过分析能够有效了解裂纹的形成，对于无裂缝的耐磨堆焊层的研究提供了借鉴。

参考文献

[1]印有胜著.金属焊接缺陷及其防止[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,2012

[2]周敏惠著.焊接缺陷与对策[M].上海:上海科学技术出版社,2010