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    • Study on Microstructure and Properties of K438 Alloy TIG Welding Joint

    • LIU Baoxia

      1 ,

      WANG Hongshun

      1 ,

      PANG Yibin

      2 ,

      WANG Xin

      1 ,

      HUANG Zhaoliang

      1 ,

      WANG Yan

      1 ,

      ZHANG Feng

      2 ,

      ZHANG Jihua

      2
    • Vol. 54, Issue 3, Pages: 152-157(2024)   

      Published： 25 March 2024 ，

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.03.23     

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  • LIU Baoxia, WANG Hongshun, PANG Yibin, et al.Study on Microstructure and Properties of K438 Alloy TIG Welding Joint[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(3): 152-157. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.03.23.
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    Sections

    Abstract

    Aiming at the wear and failure requirements of a certain type of gas turbine power turbine rotor blade, a crack-free K438 joint was prepared by TIG welding, and the microstructure and mechanical properties of the K438 joint were analyzed. The results show that the joints are beautifully formed and have no defects such as cracks. The γ-based solid solution in the surfacing area is dispersed with Cr-rich M23C6 and M6C white phases such as columnar, granular and dendritic phases. Furthermore, the bonding line hardness is as high as 452 HV0.5, the hardness of the surfacing area is about 278 HV0.5. In addition, the average tensile strength of the joint is 403.3 MPa, and it is fractured in the surfacing area in the mode of brittle and ductile fracture.

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    Keywords

    K438 alloy; nickel based welding wire; TIG; microstructure; mechanical properties

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    0 引言

    燃气轮机是一种高效、低污染、节能的新型动力装置，被广泛应用于航空、航天、舰艇的动力装置和地面发电、天然气输送、油田注水等重要领域［

    1-2］。然而，燃气轮机服役环境恶劣，某型动力涡轮转子叶片使用一个寿命周期后由于磨损、裂纹等缺陷需要换新或维修。换新成本高、周期长，完全依赖国外维修会导致周期、成本不受控，随之带来维修周期风险和大量外汇支出。而对已经失效的叶片自主研发先进、可靠的修复技术，以延长叶片工作寿命和降低成本，对于燃气轮机的持续运行、提升我国燃机深度修理技术水平具有重要的经济效益和战略意义。
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    目前工业上采用熔焊、钎焊和粉末冶金修复再制造等技术方法来实现失效叶片的修复。钎焊强度远远低于基体合金，粉末冶金修复再制造技术的研究在我国尚处于起步阶段［

    1］，且以上两种方法仅适用于强度要求不高的导向叶片等静止件。氩弧焊作为一种成熟的熔焊技术，具有设备简单、可达性好、修复速度快等优点，在失效零件修复等领域得到了广泛应用［3-4］。
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    某型动力涡轮转子叶片的材质为高Al、Ti的K438镍基高温合金。目前关于高Al、Ti高温合金的熔焊修复已有较多报道，如某型涡轮叶片K17表面熔覆3种钴基合金粉末［

    5］，在K438表面熔覆Ni60粉末［6］、K438精铸件表面补焊HGH625焊丝、KC20WN焊丝、HGH3044焊丝［7］等，但该类高温合金含有较多的Al、Ti元素，熔焊过程中容易产生焊缝热裂纹和热影响区液化裂纹。因此，如何进行无裂纹修复仍是高Al、Ti镍基高温合金材料熔焊修复亟需解决的制造与再制造技术难题之一。
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    研究表明，改变基体组织状态、采用惰性气体保护、使用低强度的合金焊料、降低热输入等措施可有效降低高Al、Ti镍基高温合金熔焊时热影响区开裂敏感性［

    8］。因此，本文采用镍基焊丝以某型动力涡轮转子叶片无裂纹的K438钨极氩弧焊接头为对象，分析接头组织、硬度和拉伸性能，以解决高Al、Ti高温合金熔焊过程中开裂问题，为高Al、Ti高温合金叶片熔焊修复和使用提供工艺基础和数据支持。
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    1 试验材料及试验方法

    1.1 试验材料及设备

    试验母材为两块60 mm×24 mm×3 mm的K438高温合金板，采用直径1.6 mm的某NiCrMoNb系镍基高温合金焊丝，母材及焊丝化学成分如表1所示，使用前用细砂纸打磨除掉焊丝表面氧化皮后用丙酮擦拭干净。

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    表1  K438母材及镍基焊丝的化学成分（质量分数，%）
    Table 1  Chemical composition of K438 alloy and NiCrMoNb welding wire （wt.%）
    材料AlTiCCrWMoNbTaFeCoNi
    K438 3.2~3.7 3.0~3.5 0.10~0.20 15.7~16.3 2.4~2.8 1.5~2.0 0.6~1.1 1.5~2.0 — 8.0~9.0 余量
    NiCrMoNb系焊丝 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.05 19.0~24.0 ≤0.50 7.0~9.0 3.5~5.0 — ≤1.0 ≤3.0 余量
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    氩弧焊设备选用VBC直流快频次脉冲焊机。氩弧焊前，使用打磨工具清理基板表面，并用丙酮擦拭。以表面光洁度、表面成形质量以及有无裂纹、未熔合等缺陷为评判指标，通过前期堆焊工艺试验以及荧光检测、金相检测结果，优化后无裂纹堆焊参数为：钨极直径1.6 mm，喷嘴直径8 mm，焊接主电流30 A，快频InterPulse电流15 A，InterPulse快频频率20 kHz，焊接速度5 mm/s，氩气流量10~12 L/min，预热温度450~550 ℃，堆焊轨迹为垂直焊接方向前后摆动，主要在于预热温度与堆焊轨迹的双重作用。

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    1.2 试验方法

    试验采用坡口填充对接试样，拉伸力学性能和金相试板如图1所示，预制槽角度为45°，坡口对接间隙预留0.1~0.5 mm，以单面填丝堆焊方式制备3个试样（平行试样）。堆焊表面应按HB/Z61-1998进行渗透检测来验证是否有裂纹。若检测合格（无线性显示），则进行退火（1 000 ℃，保温1 h，氩气快冷）。此外，取样示意以及拉伸试样尺寸分别如图2所示，拉伸试样厚度1 mm。

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    图1  对接接头示意

    Fig.1  Butt groove

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    fig

    图2  取样位置及试样尺寸

    Fig.2  Sample sampling location and size

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    采用uVision 365ES手动荧光检测线设备进行接头未线切割取样前的渗透检测。接头金相试样经镶嵌、打磨、抛光后，选用铸造高温合金腐蚀液（质量比H2O2∶HCl=0.7∶10）腐蚀，采用DM4M金相显微镜观察微观组织。随后采用Qness Q10M显微维氏硬度计从右往左测试金相试样右侧横截面的基材、热影响区、堆焊区的硬度，施加载荷为500 N，加载时间为15 s。高温拉伸（800 ℃）测试遵循GB/T228.2—2015，测试设备为CMT5105万能拉伸试验机。金相、拉伸断口检测采用IT500-A场发射扫描电镜，加速电压为15 kV。

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    2 试验结果与讨论

    2.1 组织分析

    氩弧焊接头宏观形貌及荧光检测结果如图3所示，三个试样表面均呈银白色或淡黄色，外观成形美观，不存在明显的咬边；接头的荧光检测结果表明，接头无裂纹缺陷。

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    图3  接头宏观形貌和荧光检测结果

    Fig.3  Joint macroscopic morphology and fluorescence detection results

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    K438对接接头镍基焊丝堆焊区、热影响区和K438基体金相组织如图4所示。图5为接头的截面SEM微观组织形貌，其中图5a为接头SEM宏观组织，由镍基焊丝堆焊区（接头中心）、热影响区和K438基体三部分组成，图5b、5c分别为堆焊区、热影响区的SEM形貌，热影响区和堆焊区以结合线为界，而图5d、5e分别为图5b、5c中对应位置的能谱。由文献［

    9-11］可知，高Al、Ti高温合金熔焊时裂纹起源于结合线附近，向母材进行扩展，而文中结合线两侧并无裂纹、未熔合等缺陷，结合界面为牢固的冶金结合，说明接头是可靠的。基材主要由基体γ相、碳化物、γ'相和γ/γ'共晶组织组成［12］，γ/γ'共晶以十字状分布在晶界和枝晶间，块状、颗粒状组织为MC型碳化物（见图4c）。接头堆焊后，热影响区宽约0.5~0.7 mm，与基体相比组织形貌未表现出明显的变化，但晶粒变得粗大。结合图4、图5可知，由结合线向堆焊区（中心）依次可以看到从胞状晶、柱状晶向堆焊区中部的粗大柱状晶、树枝晶以及堆焊区上部的等轴晶转变过程，这是因为温度梯度G/结晶速率R一直是决定熔池结晶凝固、组织生长的重要参数［13-14］。堆焊区组织中γ基固溶体上弥散分布着富Cr的柱状、颗粒状、树状等形态各异的白色硬质相。对比spc_012（靠近结合线），发现spc_011点（结合线附近）Al、Ti含量高，可知γ' 相转变为以共晶形式存在于枝晶间的η相，spc_013（远离结合线）Al、Ti含量相近。
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    （a）  堆焊区

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    （b）  热影响区

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    （c）  基材

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    图4  K438接头金相组织

    Fig.4  Metallographic microstructure of K438 joint

    fig
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    图5  K438接头SEM形貌及能谱

    Fig.5  SEM morphology and energy spectrum of k438 joint

    2.2 显微硬度

    K438氩弧焊接头横截面右侧结合线附近硬度分布曲线如图6所示。从基材到堆焊区，硬度先增大后降低，K438基材的显微硬度为409 HV0.5，氩弧焊接头结合线部位出现了硬化现象，显微硬度高达452 HV0.5，硬度分布与组织大小是对应的，通常显微硬度值与晶粒尺寸成反比［

    15］。堆焊区平均硬度为278 HV0.5，但靠近结合线0.2 mm的堆焊区域硬度明显高于其他区域，主要原因是结合线附近组织主要为细小的胞状晶和柱状晶，同时在多层多道的热循环作用、Al和Ti扩散促进作用下底层γ' 相转变为稳定结构的η相，此外上层不断的加热同时也起到了固溶的作用。
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    图6  K438接头右侧结合线附近显微硬度

    Fig.6  Microhardness near the right bond line of K438 joint

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    2.3 拉伸性能

    叶片叶尖修理技术要求为800 ℃高温抗拉强度达到基材标准（≥785 MPa）的50%以上，K438基材及氩弧焊接头800 ℃拉伸性能测试结果如表2所示。K438基材拉伸性能合格（≥785 MPa），接头平均抗拉强度403.3 MPa，为K438基材标准规定的51.4%，因此对接接头均断裂于堆焊区中间，从图7所示接头高温拉伸断裂照片结果也证明了这一点。

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    表2  K438基材及其接头800 ℃高温拉伸性能
    Table 2  tensile properties of K438 substrate and its joint at 800 ℃
    材料高温拉伸强度/MPa延伸率/%
    试验值平均值试验值平均值
    K438基材 844/836/828 836 6.5/6/6.5 6.3
    K438接头 405/397/408 403.3 3.5/4/3 3.5
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    图7  接头高温拉伸试样断裂位置

    Fig.7  Fracture position of joint’ tensile sample

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    图8a、8b分别为K438基材拉伸断裂后低倍与高倍断口形貌，图8c、8d分别为接头拉伸断裂后低倍与高倍断口形貌。基材断口面相对平整，发现裂纹源，边缘表现为接近45°的剪切唇，较少的微孔位于断裂韧窝里面，这与母材中存在较多的孔洞缺陷有关，且韧窝较大、深度不一，表现出韧性断裂特征。而接头断口面不平整，边缘也表现为剪切唇，呈现河流花样形貌，并有较多撕裂面，发现明显的裂纹源，这进一步证实了接头较差的抗拉强度，但局部区域也看到较小的韧窝（接头延伸率低）。因此，接头为脆性和韧性混合断裂方式。

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    图8  拉伸试样断口形貌

    Fig.8  Fracture morphology of tensile sample

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    一般修复材料选用等强匹配材料，再加上K438本身易裂的特性，会大大增加开裂风险，而修复接头抗拉强度降低也有利于降低开裂风险。

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    2.4 叶片试堆焊

    采用以上验证工艺进行动力涡轮转子叶片叶尖（约长58 mm，磨损1~2 mm）多层单道氩弧焊试堆焊，堆焊后叶片局部宏观照片结果如图9所示，堆焊焊缝连续，效果较好，渗透检测无裂纹等缺陷，说明此镍基高温合金焊丝可修复高Al、Ti高温合金，表明本文氩弧焊修复工艺是可行的。

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    图9  叶片修复后宏观照片

    Fig.9  Macro photos after blade repair

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    综上所述，选用的镍基焊丝Al、Ti含量低，与K438冶金结合较好，降低了开裂倾向。在堆焊过程中匹配的焊接参数降低了温度梯度，垂直焊接方向前后摆动的堆焊轨迹有利于减小焊接应力。同时结合线附近的强化元素Al、Ti含量高，生成适量的沉淀强化相、稳定结构η相，有效地改善了热影响区组织，提高了堆焊的结合强度，同时由于多层多道热循环的固溶作用，使得结合线强化，增强了抗开裂的能力。因此，选取与基材冶金结合较好且低Al、Ti高温合金焊丝堆焊、降低温度梯度、匹配的焊接参数可避免高Al、Ti高温合金基材开裂。

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    3 结论

    （1）通过基材预热、焊枪垂直焊接方向前后摆动以及选用低Al、Ti高温合金焊丝可制备无裂纹缺陷的K438接头，接头堆焊区与基材之间形成了致密、无缺陷的冶金结合。

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    （2）堆焊区表现为明显的梯度组织特征，表现为结合线附近胞状晶、柱状晶向中部粗大柱状晶、树枝晶以及上部的等轴晶转换。

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    （3）由于接头各区域组织存在差异，使得接头结合线硬化，硬度达452 HV0.5，而热影响区硬度为373~452 HV0.5，堆焊区硬度为246~350 HV0.5之间。

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    （4）K438接头800 ℃高温拉伸强度低于基材，但能够满足叶片叶尖修理技术要求，为熔焊方法在高Al、Ti高温合金修复应用提供了新的思路。

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    参考文献

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