固溶处理对Inconel 625合金电弧增材组织的影响

焊 接学报

V〇1.39(6) ：081 -085

June 2018

TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION

固溶处理对丨nconel 625合金电弧增材组织的影响

冯英超\\

刘金平1!2，

王世杰\\

孙清洁2#

(1.中国核工业二三建设有限公司，北京101300 +

2.哈尔滨工业大学（威海）山东省特种焊接技术重点试验室，威海264209)

摘要

：采用STAW电弧增材制造工艺进行了 Inconel 625合金薄壁试样的制备，并研究了焊后固溶处理对Inconel

625合金GTAW电弧增材制造组织和力学性能的影响.结果表明，增材试样的微观组织以柱状树枝晶为主，且晶粒 生长方向呈现与焊接方向近似垂直的定向生长，同时发现，增材试样组织中主要存在LaTS(N1，Fe，C?2(Nb，T1， Mo)相和MC型碳化物两种析出相.经过680丈固溶处理，Laves相中Nb，Mo元素开始向基体中扩散，从而在Laves

相附近析出针状S相，随着固溶处理温度增加，Laves相溶解量增加，Laves相附近针状'析出量明显增加，当固溶处 理温度增加至1 080 k时，大量Lave相溶解，仅剩少量细小颗粒呈弥散状分布，大量Nb，Mo元素向基体中扩散，使 得'相消失.

关键词：增材制造+ Inconel 625合金；固溶处理+微观组织

中图分类号：TG409 文献标识码：A doi ： 10.12073/j. hjxb. 2018390154

0序 言

成等人[9]对不同成形路径下Inconel 718合金激光 增材制造试样的微观组织和力学性能进行了研究. 发现采用单道光栅路径成形的焊态部件由垂直于堆 焊方向的柱状树枝晶组成.而采用交叉光栅路径成 形的试样柱状树枝晶的生长得到了抑制，且相邻堆 焊层之间晶粒方向的无序性增加.采用交叉光栅路径 成形试样的晶粒较采用单刀光栅路径的晶粒更加细 小.

采用GTAW电弧进行了 Inconel 625合金试样 的增材制造，利用金相显微镜、扫描电子显微镜、能 谱分析以及透射电镜等分析手段对增材试样的组织 特征进行了分析，并重点研究了不同固溶处理温度

对Inconel 625合金GTAW电弧增材试样的组织和 力学性能的影响.

Inconel 625合金因其具有组织稳定性、高温抗

氧化能力以及高温强度等优异的力学性能，而广泛 应用于航空航天、核动力以及海洋工程等领域[1-3]. 对于该合金，传统的加工方法具有复杂零件加工困 难、成本高等缺点，相比于传统的加工方法，增材制 造技术具有成本低、效率高、材料使用率高等优 点[4-6].因此采用增材制造的方法进行Incnel 625 合金的成形加工逐渐成为该合金加工领域的热占7]•>、、、 [

随着增材制造技术在镍基合金领域应用的推 广，镍基合金增材制造部件的组织性能已经引起学 者们广泛的关注.通常，与一般的焊接过程相比，增 材制造过程经历的热循环更加复杂，因此，很多学者

Xt線基合金增材制造部件的组织和性能进行了研 究.密歇根大学的Dinda等人[8]对Inconel 625合金 增材制造过程中的组织演变进行了分析，发现堆积 层主要为柱状树枝晶，生长方向与基板垂直.每一 堆焊层的微观组织通常由两部分组成，底部主要为 柱状晶，而顶部为含有二次枝晶的柱状树枝晶.为 改善線基合金增材试样组织，提高其力学性能，刘奋

收稿日期：2016-11 -15

基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFB0300602);国家自然科

学基金资助项目（51475104,51435004)

#参与此项研究工作的还有徐鹏威、刘一搏

1焊接试验与工艺参数

试验所用增材系统以GTAW电弧为焊接热源，

Inconel 625焊丝为填充材料，具体包括:Delta并联

臂机械行走机构，弧压调节反馈系统，OTC DT-315P

TIG焊接电源和送丝机构等，增材制造工作原理如

图1所示.试验所用基板材料为Q235A钢，基板尺 寸为200 mmX 100 mmX 7 mm，其具体兀素含量如 表1所示.试验前首先要对其进行打磨，然后用丙 酮擦拭并烘干.试验所用填充材料为直径1.2 mm 的Incnel 625焊丝，化学成分如表2所示.为了便于

82

焊接学报

第39卷

对增材试样进行 单道多

焊接工

以及力学性能的测试，试验采试样为 象.增材制造过数为焊接电流130 A，焊电压

试样进行焊后固切割机切取合适

，依

，然

以 树枝晶为主，且晶粒

，

方向与焊接方向近

似垂直的定向 焊缝间存在明显的分界.

11 V，焊接速度300 mm/min，送丝速度1.2 m/min，

流量10 L/min.对增材

1 080 °C，

处理，处理温度分别为680, 780, 880, 980,

时间为4 h.:

尺寸的试样并

次使用400〜1200

净，之后将试样

试样进行

后在 机对试样进行.： 量分数为10iCO3溶液作为电解液（电解时 材料为304L不镑钢，电解电流为0. \" A，时间为10 A对增材制造试样 行电化学腐蚀•

学

（0LYMPUS-DSX510)，扫描电镜（Zeiss MERLIN Compact)，投射

电 行， 能谱分析仪 中析出相的化学成分进行分析， 硬度测量仪器（HV-1000DT)对试样

硬度进行分析，加

200 g，加载时间为10 s.

增材试样 基体

图1 TIG增材制造原理示意图

Fig. 1 Schematic representation of TIG additive manufac­turing

表1 Q235A钢化学成分（质量分/ # % )

Table 1

Chemical composition of Q235A steel

CMnSiS P0.14 -0.22

0.30 -0.65

$0.30

$0.050

$0.045

表2 Inconel 625焊丝化学成分（质量分数，％〇)Table 2

Chemical composition of Inconel 625 alloy

Ni

Cr

Mo NbA1 FeTi C 其

64.27 22.70

8.70

3.53

0.13

0.19

0.2

0.01

0.11

2试验结果

2.1 Inconel 625合金GTAW电弧增材制造组织特征

增材试样 如图2所示，其中2a为平行于增材方向

，发现增材试样的微观

(b)增材试样微观组织

图2增材试样光镜组织

Fig. 2 Optical image ofadditive manufacturing sample

3为增材试样

XRD

谱，试样在

(200)晶的 强度明

其它晶 强度，

说明试样中晶粒具有沿< 1〇〇 >晶向的

取向，与

增材试样 吻合.同时发现，试样 主

要由构成，并没有发现y'(%3AlTi)，y\" (Ni3Nb)，'（Ni3Nb)，Laves(Ni，Fe，Cr)2(Nb，Ti，Mo) 的 峰存在.这说明这些析出相可能不存在

析出量很少且尺寸很小，因此有必要对其 ：一步的测试.

|20(_

25(

0o 5

o

0

o

图3

增材试样纵截面XRD衍射谱

Fig. 3 XRD diffraction patterns of longitudinal sections of

additive manufacturing sample

第6期冯英超，等：固溶处理对Inconel 625合金电弧增材组织的影响83

4为增材试样的SEM形貌，可以发现，增材

试样 主要存在两种不同的析出相:一种为不规

形状的析出相（图4中B所示％，尺寸为10 \"m左 ，量较多，在焊缝中呈现弥散分布;另一种为细 小的颗粒相（图4中C所示％，尺寸不足1 \"m，含量 较少.分别 较深的基体和白色不 形状区域进行EDS能谱分析，而小的颗粒相由于尺寸较 小，需要

电

其进行进一步的分析，EDS

结果如表3所示，发现基体区域主要含有大量的％ 和Cr元素，而Nb，Mo，T;

量较少，分析其为+不

形状析出相区域％，Cr元素含量明

，Nb，Mo，Fe:

量明显增加，％，Cr，

Fe三种

的原子分数之和为66. 57i，而Nb，Mo，

Ti三种元素的原子分数之和为33. 43i

，分析其成

分可能为 Laves ( %，Fe，Cr % 2 ( Nb，Mo，Ti % 相• Laves 为增材试样中的脆 ，它的析出会大量 基体中的Nb，Mo等基体强化 ，使得基体软化，进而会

增材试样的力学性能.

图4

增材试样SEM形貌

Fig. 4 SEM image of additive manufacturing sample

表3增材试样组织中析出相的能谱分析结果（原子分数，％)

Table 3 EDS analysis result of precipitated phasein theadditive manufacturing sample microstructure

位置

NiCrMoNbFeTiA65.0227.304.441.501.290.45B41.6720.4514.4918.194.450.75C

42.57

19.54

15.13

17.66

4.59

0.51

图5为颗粒相TEM明场照片以及选区衍射斑 点.结果证实颗粒相为MC型碳化物，其尺寸为100

nm

， 表明[1〇]析出的碳化物颗粒有 提

高焊缝试样的力学性能.

前文证实，Inconel 625合金GTAW电弧增材制

中存在不均勻析出的Laves相，脆 Laves相

的生成严重 增材试样力学性能.为 焊缝

中脆性的Laves相，对增材试样进行焊后

处理.

图5 MC相TEM照片

Fig. 5 TEM image of MC

6为增材试样不

处理温度下SEM形貌，其中图6a为680 k 处理后SEM形貌，此 时，Laves相附近析出

§相，由于热处理温度较

，Nb，Mo元素的扩散能力有限，5相的析出量较 少，尽 ％化学成分与§相同样为％3Nb，但其尺寸 较小，通常在TEM下才能 到[11]+如 6b所示，

当

处理温度升高至780 k，Nb，Mo元素的移动

能力增加，从Laves相中释放的Nb，Mo元素数量增 加，Laves相附近 §析出量明显增加，§相的尺寸为1 \"m +当

处理温度增加至880 k时，Lavs

解量明显增大，基中

§相的数量明显增

加，尺寸增大，约为2〜5 \"m，此时，Laves相的溶解 尚不完全，残余的Laves相为细小的块状分布于基 上；当

处理温度升高至980 k，Lavs大量溶

解，仅余少量颗粒状与§相相连，Nb，Mo : 量

扩散至基体中，使得§相发

化，同时Laves相中

Nb，Mo元素的大量

使得试样中Nb，Mo元素的偏析现象减弱；当

处理温度增加至1 080 k时，

量Laves相溶解，仅少量细小颗粒呈弥散状分 布，大量Nb，Mo元素向基体中扩散，使得§相消失.

3接头力学性能

3K 显微硬度

图7为

处理温度

硬度影响的测量结

果.发现

硬度呈现先增加后减小的趋势，当固

溶处理温度增加至880 k时，试样的 硬度达到最大，这是由于，随着 处理温度的提高，Laves相

解量

增 ， Nb

析

，

的 §

在Laves相附近析出，对基 到了强化作用.当温度增加至1 080 k时，试样的 硬度最低，低于

焊后态试样显微硬度，且随试样高度增加

硬度

的变化趋

失，尽 1 080 k的

处理使Laves

84

焊接学报

第39卷

(a) 680 T：/4 h固溶处理的SEM形貌 （b ) 780 t/4 h固溶处理的SEM形貌 （c ) 880 T：/4 h固溶处理的SEM形貌

(d ) 980 T：/4 h固溶处理的SEM形貌 （e ) 1 080 T：/4 h固溶处理的SEM形貌

图6不同固溶处理温度SEM形貌

Fig. 6 SEM images of different solution heat treatment temperature

和'相几乎完全消失，但在 降低.

度下晶粒发 4. 2i.----

1 000 -----------严重的长大，使得基体软化，导致试样显微硬度的

姻

顒«耘

MMDC!r

图8不同固溶热处理温度抗拉强度

Fig. 8 Tensile strength of different solution heat treatment

temperature

图7

不同固溶热处理温度显微硬度

Fig. 7 )%1门（//9ifferent /◦'此-he%t tern-

4结

(

论

增材试样的

以

树枝晶为主，

l

)

3.2拉伸性能

8为固溶处理温度对抗拉强度影响的测量结

果.与试样的 度随着 的趋势，当

硬度变化趋

似，试样抗拉强

处理温度的不断上升呈现先增加后减小

度为980 C时试样的抗拉强度最

未

提

l2i

且晶粒

，

方向呈现与焊接方向近似垂直的定向生

焊缝间存在明显的分界.增材试样 中

主要存在 LaVes(Ni，Fe，Cr)2(Nb，Ti，M〇)和 MC 型 化物两种析出相.

(2%经过680 °C固溶处理，Laves相中Nb，Mo

向基体中扩散，从而在Laves相附近析出 '相，随着

处理温度增加，Laves相溶解量

：

增加，Lave相附近针状'析出量明显增加，当

，达到840 MPa， ，略低

部件抗拉强度，当热处理温度升高至l 080

C时，试样抗拉强度下降至718 MPa，

焊后态

第6期冯英超，等：固溶处理对Inconel 625合金电弧增材组织的影响

tions of the China Wel(ding Institution, 2015, 36(9) ： 87 -90.

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处理温度增加至1 080 °C时，大量Laves相溶解，仅 剩少量细小颗粒呈弥散状分布，大量NB，Mo元素向 基体中扩散，使得5相消失.

(3)显微硬度和抗拉强度随着固溶处理温度的 升高均呈现先增加后减小的趋势，固溶处理温度为

980 C时试样的显微硬度和抗拉强度值达到最高， 而当固溶处理温度为1 080 C时，试样的显微硬度 和抗拉强度均低于焊后态试样.

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作者简介：冯英超，男，1982年出生，硕士研究生.主要从事窄间 隙自动焊、复合焊方面的研究• Email： fengyingchao@cni23.com通讯作者：孙清洁，男，博士，副教授，博士研究生导师.Email：qjsun@hitwh.edu