GH4099粉末合金EBW接头的力学性能

doi:10.11901/1005.3093.2024.509

GH4099粉末合金EBW接头的力学性能

冒桧萍¹^,², 杨姝³, 杨嘉⁴, 卢正冠², 徐磊^,²

1 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳 110016

2 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳 110016

3 烟台大学机电汽车工程学院烟台 264005

4 北京动力机械研究所北京 100074

Microstructure and Mechanical Properties of Electron Beam Welded Joints of Powder Metallurgy Alloy GH4099

MAO Huiping¹^,², YANG Shu³, YANG Jia⁴, LU Zhengguan², XU Lei^,²

1 School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Shenyang 110016, China

2 Shi-changxu Innovation Center for Advanced Materials, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

3 School of Electromechanical and Automotive Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China

4 Beijing Institute of Power Machinery, Beijing 100074, China

通讯作者: 徐磊，研究员，lxu@imr.ac.cn，研究方向为粉末高温结构材料近净成形技术

收稿日期: 2024-12-25 修回日期: 2025-03-26

基金资助:

中国科学院国防科技创新重点部署青年人才类项目(RCJJ-145-24-39)
中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划项目(YSBR-025)
辽宁省科技重大专项(2024JH1/11700027)

Corresponding authors: XU Lei, Tel:(024)83978843, E-mail:lxu@imr.ac.cn

Received: 2024-12-25 Revised: 2025-03-26

Fund supported:

CAS Project for Young Scientists in Technology Innovation(RCJJ-145-24-39)
Basic Research(YSBR-025)
Science and Technology Major Project of Liaoning Province(2024JH1/11700027)

作者简介 About authors

冒桧萍，女，1999年生，硕士

摘要

用等离子旋转电极雾化法制备洁净的GH4099预合金粉末并将其热等静压成粉末合金。这种粉末的粒度呈正态分布，球形度良好。用这种粉末制备的粉末合金其室温和高温拉伸性能达到同牌号锻件的水平。用电子束焊接连接粉末合金，用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子探针显微分析(EPMA)表征焊接态和热处理态接头的显微组织并测试接头的力学性能和残余应力分布。结果表明，热处理显著提高了焊接接头显微组织的均匀性、促进强化相的析出和元素的均匀分配，并降低了焊后残余应力集中。两种热处理制度都将接头的硬度和室温拉伸强度提高到接近母材水平，还显著提高了高温塑性。建立有限元模型预测了GH4099粉末合金电子束焊接头的残余应力演变，模拟结果与实测结果基本相同。

关键词： 金属材料; GH4099合金; 粉末冶金; 电子束焊; 热处理; 残余应力

Abstract

Herein, Clean powders of pre-alloyed GH4099 alloy was firstly prepared via plasma rotating electrode process (PREP), which was subsequently consolidated into powder metallurgy alloy using hot isostatic pressing (HIP). The aquired powders exhibited a normal particle size distribution and good sphericity, whilst, the room and high temperature tensile properties of powder metallurgy alloy reach the level of the corresponding wrought alloy. Electron beam welding (EBW) was employed to join the powder metallurgy alloy, and the microstructure of the welded joints, both as-welded and heat-treated state, was characterized using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), and electron probe micro-analyzer (EPMA). Mechanical properties and residual stress distribution of the joints were also evaluated. The results indicated that heat treatment significantly enhanced the uniformity of the microstructure of the welded joints, promoted the precipitation of strengthening phases, and facilitated a more uniform distribution of elements, effectively reducing post-weld residual stress concentration at the same time. Both of two heat treatment procedures improved the hardness and room temperature tensile strength of the joints, bringing them close to the level of base metal, and also significantly improved the high-temperature ductility. Furthermore, a finite element model was established to predict the residual stress evolution for EMB joints of GH4099 powder metallurgy alloy. The simulation results were consistent with the measured stress distribution.

Keywords： metallic materials; GH4099 alloy; powder metallurgy; electron beam welding; heat treatment; residual stress

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本文引用格式

冒桧萍, 杨姝, 杨嘉, 卢正冠, 徐磊. GH4099粉末合金EBW接头的力学性能[J]. 材料研究学报, 2025, 39(10): 721-733 DOI:10.11901/1005.3093.2024.509

MAO Huiping, YANG Shu, YANG Jia, LU Zhengguan, XU Lei. Microstructure and Mechanical Properties of Electron Beam Welded Joints of Powder Metallurgy Alloy GH4099[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2025, 39(10): 721-733 DOI:10.11901/1005.3093.2024.509

GH4099合金是一种典型的时效强化型镍基高温合金，其成分有Ni、Cr (为主)和W、Mo、Co以及Al、Ti等强化元素^[1~4]。GH4099合金的基体是γ相，强化相以γ'(Ni₃(Al，Ti))为主^[5]。这种合金具有良好的高温强度、耐蚀性和高抗氧化性，可用于制造航空发动机部件。目前GH4099合金部件的加工大多采用轧制和锻造等热加工工艺。这种工艺的材料利用率低，同时材料的高合金化易使加工部件出现成分偏析、热变形和后续机加工难等问题。

粉末冶金法成形的产品成分均匀无宏观偏析，力学性能优异且可近净成形复杂零部件，避免了复杂热端部件用传统工艺难以加工的问题。对发动机常用的大型复杂组件，需要分体制造后再将其连接，焊接作为常见的连接手段，主要有氩弧焊、摩擦焊及高能束流焊^[6~8]等。何胜春等^[9]用惯性摩擦焊方法焊接一种粉末高温合金并分析接头力学性能，发现其室温力学性能良好。其中高能束流电子束焊和激光焊的能量密度高，焊速和焊缝质量高。但目前，关于GH4099粉末合金的高能束流焊接工作的研究较少^[10]。

焊后热处理有助于改善组织、消除应力和提高接头性能^[11]，但是研究工作常因残余应力的直观性差和不易检测等略过其表征。研究残余应力，可规避其危害并有效延长工件的使用寿命^[12]。Smith等^[13]用中子衍射法测量了一线性摩擦焊航空发动机部件的残余应力，表征了包括热影响区、热机械影响区和动态再结晶区在内的各区域残余应变与应力，观察到残余应力从母材到焊缝界面逐渐增大，并在所有正交方向的焊缝界面处都有一个峰值应力。同时，基于计算机三维模拟的发展，使用有限元分析软件可精确模拟焊接温度场、热变形和残余应力。使用软件构建有限元模型，模拟焊接温度场进而求解应力场，可预测焊接功率、角度和焊接层数等焊接参数对残余应力演变的影响^[14]。有学者^[15]使用SYSWELD有限元分析软件模拟了9%镍钢多层接头在不同焊接参数下的应力场。基于检测技术和有限元数值模型的发展，把握与调控焊后残余应力更加准确便利。

本文用等离子旋转电极雾化法(PREP)制备GH4099洁净预合金粉末，通过热等静压工艺(HIP)制备粉末合金，然后用电子束焊(EBW)连接粉末合金，研究接头的力学性能和焊后热处理参数对其显微组织、力学性能以及表面残余应力的影响。

1 实验方法

实验用材料是通过PREP法制备的GH4099洁净预合金粉末，用ICP 7300DV型等离子体发射光谱仪和TCH600型氢氧氮联合测定仪检测粉末的化学成分及H、O、N杂质含量。用Mastersizer 2000型激光粒度仪测定粉末的粒度分布。用TESCAN MAIA3型扫描电子显微镜(SEM)和TESCAN CLARA型SEM观察粉末的表面和截面形貌。

在不锈钢包套内装填GH4099预合金粉末，将其振实、真空除气、封焊后在RD(Z)-1-850型热等静压炉内热压成形。在热压成形过程中对包套外部施加各向同等的压力，在高温下粉末得以烧结和致密化。热等静压的工艺参数为^[16]：1230 ℃/4 h/150 MPa/炉冷(FC)。用Z100电子万能实验机测试热压成形的GH4099粉末合金的室温和高温拉伸性能，拉伸试样的尺寸示意图如图1a所示。

图1

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图1 拉伸试样的示意图

Fig.1 Diagram of tensile specimen

从包套中切取尺寸为120 mm × 35 mm × 5 mm的板材，将其机械打磨抛光后依次在石油醚、酒精中超声波清洗除去表面的油污。在THDW-6型真空电子束焊机里完成焊接，电子束的电流为30 mA，电压为85 kV，扫描速度为300 mm/min。焊后热处理制度为：(1) 固溶+时效处理：1175 ℃/1 h/FC→850 ℃/5 h/FC，记作ST+AT；(2) 二次热等静压：采用与粉末合金成形相同的热等静压制度对焊接后的板材进行二次热等静压加工：1230 ℃/4 h/150 MPa/FC，记作re-HIPed。使用LXRD型X射线应力仪测定焊接态和固溶+时效热处理态接头上下表面的应力分布。

对各状态的焊接接头分别取样，将其打磨抛光和腐蚀后，用Axio Observer型金相显微镜和TESCAN MAIA3型SEM观察接头截面的显微组织。用JXA-Ihp200f型场发射电子探针采集焊接接头的面扫数据，以分析接头微区元素的扩散。使用FM-700e维氏显微硬度计测试硬度；用TSE504D万能实验机和Z100电子万能实验机分别进行室温和900 ℃高温拉伸，并用TESCAN CLARA型SEM观察试样断口的形貌。切取板状拉伸试样进行测试，试样的厚度为2 mm，其尺寸如图1b所示。

2 结果和讨论

2.1 预合金粉末的成分和形貌

本文制备的GH4099预合金粉末的主要化学成分和H、O、N杂质含量列于表1。氧含量为55 × 10^-6，有助于减少后续成形工艺加热过程中形成的原始颗粒边界(Prior particle boundaries, PPBs)，进而提高粉末颗粒间的冶金结合质量^[17]。用SEM观察预合金粉末的形貌和截面，如图2所示。可以看出，粉末颗粒呈完美的球形，表面存在发达的枝晶，几乎没有卫星球附着，未出现空心粉^[18]。

表1 GH4099预合金粉末的主要化学成分和杂质元素含量

Table 1 Chemical composition of GH4099 pre-alloyed powder (mass fraction, %)

Al	Ti	Cr	Co	Ni	Mo	W	H	O	N
2.17	1.30	18.53	6.85	Bal.	3.82	5.91	0.0003	0.0055	0.0017

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图2

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图2 GH4099预合金粉末的形貌

Fig.2 Morphology of GH4099 pre-alloyed powder (a) powder surface, (b) powder cross-section

预合金粉末的粒度分布如图3所示。可以看出，预合金粉末粒度呈正态分布，粒度集中在60~100 μm。粉末的平均粒度，即粉末中径D₅₀ (表示粉末粒度累计到50%所对应的等效粒径，其物理意义表示小于与大于该等效粒径的颗粒各占50%，通常用来表示粉末的平均粒度)约为80 μm。

图3

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图3 GH4099预合金粉末的粒度分布

Fig.3 Particle size distribution of GH4099 pre-alloyed powder

2.2 粉末合金的显微组织和力学性能

成形后的热等静压粉末高温合金的高倍SEM照片如图4a~c所示，用电子显微镜自带的能谱仪测定微区的化学成分和含量，选取基体和晶界的明亮沉淀相进行点扫分析，元素及其含量在图上标出。晶界有不连续分布的碳化物组织^[19,20]，沉淀相中的C、Ti含量明显高于基体。晶界上存在大尺寸的一次γ'相，在晶内弥散分布着纳米级球形二次γ'相^[21]。沿着原始粉末颗粒表面析出的形似晶界的连续网状碳化物及氧化物组织，即缺陷PPBs，阻碍粉末间的进一步扩散与连结，降低合金拉伸性能，易导致沿晶断裂的发生。PPBs的大小接近粉末颗粒原始尺寸。在后续的二次热等静压过程中，在高温高压作用下元素进一步扩散，析出相的分布也进一步均匀，PPBs缺陷呈消除趋势，如图4d所示。

图4

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图4 GH4099粉末合金热等静压态和二次热等静压态的显微组织

Fig.4 Microstructure of GH4099 powder alloy by hot isostatic pressing (a-c) and re-HIPed (d)

GH4099变形合金材料如冷轧板、热轧棒、锻棒等性能指标^[22]列于表2；本文制备的粉末合金其室温和550、900 ℃高温拉伸性能如图5所示。可以看出，粉末合金的室温抗拉强度为1170 MPa，延伸率为34%；其900 ℃屈服和抗拉强度约为520 MPa，延伸率为14%。这表明，强度指标优于轧板、轧棒，延伸率也高于锻棒，可见采用热等静压近净成形的GH4099粉末合金性能优异，达到锻件标准。

表2 GH4099变形合金材料的拉伸性能^[22]

Table 2 Tensile properties of GH4099 deformed alloy materials^[22]

State	Temperature / ^oC	σ_b/ MPa	σ_p0.2/ MPa	δ₅/ %
Cold-rolled plate	RT	≤ 1130	-	35
Cold-rolled plate	900	375	-	15
Hot-rolled bar(HT)	RT	1030	665	25
Hot-rolled bar(HT)	900	345	-	28
Forged bar (HT)	RT	980	measure	15
Forged bar (HT)	900	637	measure	10

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图5

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图5 GH4099粉末合金的拉伸性能

Fig.5 Tensile properties of GH4099 powder alloy

2.3 焊接接头的显微组织和力学性能

2.3.1 焊接接头的组织

焊接接头的组织影响其性能。粗大的晶粒可能使力学性能降低，细小均匀的晶粒则有助于提高其强度和韧性。电子束流的输入能量密度较高，使接头金属迅速熔化和凝固，传输到母材的多余热量较少，焊接热影响区小，板材不变形。同时，较高的能量密度使焊缝的深宽比(熔深与焊缝宽度之比)较大，在板材足够厚的情况下电子束焊的深宽比可达20∶1^[23]。焊后GH4099粉末合金板材无翘曲，焊缝的宽度约为5 mm，并且出现高出板材平面的沉积金属。焊接态和热处理态接头的截面金相照片如图6所示。根据与焊缝中心的距离可将接头分为母材(Base metal, BM)、热影响区(Heat affected zone, HAZ)和焊缝(Weld zone, WZ)三个区域。焊缝的结晶规律与铸件相同，其组织也为铸态组织，即液相凝固的形核与长大过程决定了接头各区域的组织形貌。熔池中的液态金属以靠近母材的晶粒表面为基点发生非平衡形核，并按其最大温度梯度方向生长，柱状晶沿垂直于熔合线向焊缝中心生长。沿母材界面到焊缝中心，熔池的温度梯度逐渐降低，成分过冷程度提高，凝固模式由胞状晶生长过渡到柱状晶生长，靠近焊缝中心是柱状树枝晶，如图6a所示。

图6

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图6 各状态焊接接头的显微组织

Fig.6 Microstructure of welded joints (a) as welded, (b) ST+AT, (c) re-HIPed

固溶时效热处理和二次热等静压接头焊缝区域的微观形貌相似，但是与焊后接头相比都发生了明显的转变：焊后特征枝晶形貌消失，组织均匀化程度提高，晶界数量减少且晶界形态趋于平直分明。中心区域的柱状枝晶融合胞状晶，生成更为规则排列的粗大柱状晶组织。经二次热等静压热处理温度提高到1230 ℃，提高了晶界的迁移速率，使晶粒进一步长大；接头中心多为对称柱状晶结构，与固溶时效态接头的组织相比胞状晶形貌几乎消失，如图6b、c所示。

焊后接头中存在一定数量的显微孔隙，与焊缝金属熔融过程中的气体未能及时逸出有关。孔隙使接头的连接强度降低，局部的强度降低可能导致裂纹的产生。简单的固溶+时效热处理不能彻底消除孔隙缺陷，残留的孔隙可能在高温下产生热诱导孔洞(Thermal induced porosity, TIP)。归因于HIP工艺特殊的物理与化学作用，在密闭容器中对焊接接头施加各向均匀的高温和高压，促进接头内部的扩散，实现孔隙的愈合和组织的进一步致密化^[24,25]。二次热等静压有效修复了本文焊接接头中孔隙缺陷，如图6c所示。

统计各接头截面焊缝区与热影响区的晶粒尺寸，考虑焊缝区粗大柱状晶特征，测定其长径比作为晶粒尺寸参考，统计结果列于表3。可以看出，热处理前后接头的平均晶粒尺寸变化不大，固溶时效和二次热等静压均未促使等轴晶长大，大致约为55 μm。而热处理后焊缝区柱状晶的长径比值稍小于焊接态，晶粒径向尺寸稍有增大。符合树枝晶融合长大行为和粗大柱状晶的形貌特征。同时，与固溶时效热处理态相比，二次热等静压态焊缝区的晶粒更为粗大，相同倍数的照片中完整的晶粒更少，长径比有所增大。对比1175 ℃的固溶温度，二次热等静压温度更高，同时存在高压作用，焊缝区树枝晶的融合转变更为彻底。

表3 焊接接头的平均晶粒尺寸

Table 3 Average grain size of welded joints

State	Grain size (HAZ)	Aspect ratio (WZ)
As welded	57 μm	6.9
ST+AT	54 μm	5.6
Re-HIPed	56 μm	6.3

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图7给出了焊缝区的高倍SEM照片。可以看出，因焊缝区金属凝固较快强化相来不及析出，焊接态组织以γ树枝晶为主且在枝晶干与枝晶间发生了元素偏析。热处理的升温保温和冷却方式决定了强化相的析出数量及形态。温度越高合金元素的固溶效果越好，则后续时效强化的效果越好。固溶时效和二次热等静压热处理后元素与相重新分配，消除了组织间偏析，基体γ枝晶转变为粗大柱状晶，晶界数量显著减少，晶内析出颗粒状弥散强化相γ′。二者的热处理温度相差不大，第二相的分布和数量级水平相似，如图7b、c所示。焊缝区的组织由γ、γ′和晶界MC碳化物等组成，与母材的相组成相同。

图7

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图7 不同状态焊接接头的SEM照片

Fig.7 SEM images of welded joints (a) as welded, (b) ST+AT, (c) re-HIPed

2.3.2 焊接接头中元素的扩散

在焊接过程中元素的扩散有助于形成均匀的接头组织，可提高接头的性能。在焊接高温合金的过程中，合金元素如Ni、Ti等的扩散可改善焊缝的微观结构，减少脆性相如Laves相等的形成，从而提高接头的性能^[26]。此外，元素扩散还有助于消除组织内的显微孔洞等缺陷。

图8给出了EPMA分析所得接头元素的宏观表征。与母材约0.07%的Fe含量相比，焊后Fe元素在焊缝区富集，考虑到焊接过程未使用焊料，此现象大致与焊接过程的熔合特性有关，由于凝固较快，熔池金属混合不均匀，从而造成微量元素的宏观区域偏析，该现象难以通过热处理过程消除。Ti元素的分配也不均匀，多见于焊缝区的枝晶内，其余则富集于晶界。固溶时效热处理使焊缝中心区域的Fe浓度有所降低，但是没有消除富集；Ti元素的分配较为均匀，浓度也有所降低，依稀可见于晶界处，与晶界碳化物的组成相同。二次热等静压对Fe元素在焊缝区的浓度影响不大，但是促进了Ti的均匀分配，使Ti元素有向母材扩散的趋势。元素的充分扩散，有利于提高焊缝的质量，两种制度元素再分配的差异也可能导致调控后接头性能表现的差异。

图8

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图8 不同状态焊接接头的元素分布

Fig.8 Element distribution of welded joints (a) as welded, (b) ST+AT, (c) re-HIPed

2.3.3 焊接接头的力学性能

图9给出了热处理前后焊接接头显微硬度的变化。可以看出，焊后接头的硬度为150~250HV整体相差不大，可以说达到母材金属的平均水平。从母材、热影响区到焊缝区，越靠近焊缝中心显微硬度值越低。其原因是，焊接时金属凝固较快，接头的组织以树枝晶与胞状晶为主，没有析出强化相。固溶时效热处理和二次热压的接头硬度曲线相近，因为焊缝组织融合生长，晶内析出的γ'等强化相，硬度比焊接态提高约100~150HV。各区域间硬度的变化趋势也与焊接态相同，接头中元素的扩散使母材与焊缝区硬度的差异有所减小。

图9

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图9 不同状态焊接接头的硬度曲线

Fig.9 Hardness curve of welded joints in different states

图10给出了母材、焊接态和热处理各态焊接接头的室温、900 ℃高温拉伸性能。焊接过程中的高能量输入密度和高冷速使强化相来不及析出、Fe和Ti等元素在组织间富集以及焊缝区的孔隙缺陷，使焊后接头性能降低而容易开裂，其室温抗拉强度只有326 MPa (低于母材强度的1/3)。后续热处理促进了接头元素的再分配、焊缝区枝晶的二次生长，同时均匀的冷速保证了γ'等强化相的及时析出，提高了接头的拉伸性能，比焊接态大幅度提高。室温拉伸强度与母材接近，延伸率比焊接态提高了大约五倍，其中固溶时效态接头的室温延伸率提高到大约20%。各状态接头的高温拉伸性能降低，焊接态接头发生脆断，两种热处理后接头的900 ℃拉伸性能恢复到焊接态接头的室温性能。

图10

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图10 母材和不同状态焊接接头的室温、900 ℃高温拉伸性能

Fig.10 Tensile properties of base metal and welded joints at room temperature and 900 ^oC (a) yield strength, (b) ultimate tensile strength, (c) elongation

图11和图12给出了对应的各状态焊接接头的室温、高温拉伸试样断口形貌。焊接态接头的断裂位置位于焊缝区，室温拉伸并非完全脆性断裂，约有1/3面积保留韧性断裂特征，断口布满韧窝；高温拉伸时几乎不发生塑性变形，小平面保留撕裂状组织，呈现沿枝晶断裂特征并伴有粉末脱粘。

图11

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图11 焊接态和热处理态焊接接头的室温拉伸断口

Fig.11 Tensile fracture of welded joints at room temperature: (a) as welded, (b) ST+AT, (c) re-HIPed

图12

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图12 焊接态和热处理态焊接接头的900 ℃拉伸断口

Fig.12 Tensile fracture of welded joints at 900 ^oC (a) as welded, (b) ST+AT, (c) re-HIPed

固溶时效热处理与二次热等静压后接头断口的形貌相似，这对应接头的显微组织相似，如图6和图7所示。室温和高温拉伸断裂均为沿晶断裂，裂纹沿晶界扩展，与晶界上的碳化物有关^[27]。但是，两种温度拉伸断口的微观形貌又有所不同，室温拉伸断口是沿晶韧窝断裂，晶界伴有小而密的韧窝；高温拉伸断口是沿晶脆断，断面上多面体感很强，具有晶界刻面的颗粒状形貌。这也与高温拉伸断裂偏离焊缝位置，位于母材等轴晶区域有关。

2.4 焊接接头内的残余应力

电子束焊接的输入热量密度高，焊缝区金属迅速受热熔化和冷却。这种急剧的温度变化使材料不均匀热膨胀和收缩，从而产生应力。这既是凝固收缩和高温塑性变形产生的局部应力，也是总体结构的拉伸产生的整体应力^[28]。远离焊缝区域对焊缝及其近缝区金属的膨胀和收缩的拘束，使焊后冷却至室温时在近缝区域产生残余拉应力，其数值与材料的室温屈服应力相当，而远离焊缝则存在残余压应力。

金属存在残余应力时，不同晶粒的晶面间距随应力的大小发生规律变化，据此可测量出相应的应力^[29~31]。通过X射线衍射法，利用二维探测器和多轴摇摆技术，可高精度测量粗化的镍基合金复合焊缝的残余应力^[32]。

图13给出了焊接态和固溶时效态接头上下表面横向和纵向的残余应力分布。测试区域为垂直于焊缝方向一固定直线，在线上间隔取点，每点所测得表面应力值分为横向和纵向应力两个数据，并存在一定误差范围，σ_x为垂直于焊缝方向的横向残余应力，σ_y为沿焊缝方向的纵向残余应力。图中绿色曲线为焊接态接头表面应力值，较之黑色曲线各点位数值起伏明显。沿母材到焊缝区，上下表面各向应力走势相同。焊接态接头的横向残余应力值先减小后增大，在焊缝中心达到区域峰值，较近缝区应力增值约为600~800 MPa；纵向残余应力先增大后减小，也在焊缝中心达到区域最低值，较近缝区落差约为400~700 MPa。同时，下表面由于金属沉积整体应力值较大，约为上表面的两倍。可见固溶+时效热处理，在一定程度上释放了接头区域的残余应力，使数值趋于均匀，各向应力整体差值为200~300 MPa。这也是热处理后材料的性能有所提高的原因之一。

图13

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图13 焊接态和固溶时效态接头的上下表面应力对比

Fig.13 Surface stress of welded joints in different states (a) upper surface-σ_x, (b) upper surface-σ_y, (c) lower surface-σ_x, (d) lower surface-σ_y

2.5 电子束焊接头残余应力的模拟

本文对已完成的GH4099粉末合金电子束焊进行有限元模拟。采用顺序热力耦合分析方法模拟了粉末合金板材焊接过程中的温度场，进而预测残余应力分布。使用ABAQUS软件的三维实体单元建立有限元模型，在保证计算精度的同时兼顾计算效率，采用过渡网格划分，如图14a所示，即远离焊缝中心区域的网格划分较粗，靠近焊缝中心区域的网格划分较密且数量有限。选用高斯面热源和双椭球体热源的组合模型进行热源模拟，热源模型如图14b、c所示。

图14

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图14 网格划分和热源模型

Fig.14 Mesh dividing (a) and (b) Gaussian heat source, (c) double ellipsoid heat source

高斯热源的热流密度分布为^[33]

q (x, y) = \frac{3 η_{1} Q}{π a b} e^{- 3 \frac{x^{2}}{a^{2}} - 3 \frac{y^{2}}{b^{2}}}

(1)

其中Q为焊接热源的总热量，参数为电子束电流与电压的乘积2550 W。 $η_{1}$ 为热源在体系中分配系数，a、b分别为热源在x和y方向的半轴。

双椭球热源的热流密度分布为^[34]

q (x, y, z) = \frac{6 \sqrt[]{3} f_{1} η_{2} Q}{π a_{1} b c \sqrt[]{π}} e^{- 3 \frac{x^{2}}{{a_{1}}^{2}} - 3 \frac{y^{2}}{b^{2}} - 3 \frac{z^{2}}{c^{2}}}

(2)

q (x, y, z) = \frac{6 \sqrt[]{3} f_{2} η_{2} Q}{π a_{2} b c \sqrt[]{π}} e^{- 3 \frac{x^{2}}{{a_{2}}^{2}} - 3 \frac{y^{2}}{b^{2}} - 3 \frac{z^{2}}{c^{2}}}

(3)

其中 $η_{2}$ 为双椭球热源分配系数，总热流密度为两者之和，有 $η_{1} + η_{2} = 1$ 。 $a_{1}$ 、 $a_{2}$ 分别为前后椭球模型的x向半轴，b为y向半轴，c为z向半轴。 $f_{1}$ 和 $f_{2}$ 分别为前后椭球模型的能量分配系数， $f_{1}$ 和 $f_{2}$ 满足

f_{1} = \frac{2 a_{1}}{a_{1} + a_{2}}

(4)

f_{2} = \frac{2 a_{2}}{a_{1} + a_{2}}

(5)

f_{1} + f_{2} = 2

(6)

由于焊接过程中温度的变化较快，材料的性能应视为温度的函数，所以确定母材的热物理性能及各项高温力学性能是建立模型的基础与关键，测试本研究所制备的GH4099粉末合金各项性能参数，指标如图15所示。调整热源模型各项参数，对比模拟输出与实测数据以验证模型准确性，确定模型参数列于表4。

图15

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图15 GH4099粉末合金的机械性能和热物理性能

Fig.15 Mechanical properties and thermal properties of GH4099 powder alloy

表4 各热源模型参数

Table 4 Parameters of each heat source model

Heat source	x / mm	y / mm	z / mm	ƒ	η
Gaussian	5.5	5.5	/	/	0.3
Ellipsoid-front	2.8	6	0.3	0.4	0.7
Ellipsoid-rear	11.2	6	0.3	1.6	0.7

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如图14a所示沿垂直于焊缝测试区域进行残余应力分布模拟，图16给出了该路径下焊接板两平面横、纵向残余应力实测值与模拟数据对比。残余应力数值和走势分布都非常相似，横向残余应力在焊缝中心达到区域峰值，纵向残余应力则在近缝区表现为最大拉应力。这表明，借助热源模型的有限元分析方法对GH4099粉末合金的电子束焊有一定的指导价值，为后续开展焊接工艺的优化提供良好的理论依据。通过对不同参数条件下的残余应力进行仿真分析有助于推演出最佳的焊接参数，可减少焊后残余应力的不利影响。同时，指导后续操作如热处理以消除或释放残余应力，从而提高焊接接头的性能。

图16

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图16 焊接态接头上下表面的残余应力实测值和模拟结果

Fig.16 Experimental and simulated results of residual stress in welded joints: (a) upper surface-σ_x, (b) upper surface-σ_y, (c) lower surface-σ_x, (d) lower surface-σ_y

3 结论

(1) 用包套热等静压工艺制备的GH4099粉末合金组织为均匀细小的等轴晶，冶金结合良好，拉伸性能与同牌号锻造合金相当。

(2) GH4099粉末合金的可焊性良好，电子束焊接头中不存在宏观气孔和夹杂等缺陷，热处理后的接头强度达母材水平。

(3) 二次热等静压愈合了接头中的孔隙缺陷，实现显微组织的均匀化，显著提高了接头力学性能。热处理改善了接头焊缝的微观结构并释放了残余应力提升接头整体性能。

(4) 用有限元方法可模拟GH4099粉末合金电子束焊接头的残余应力分布，模型的可靠性与准确性良好，可用于优化焊接工艺和制定后续热处理制度。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Wang

H L

Study on improving mechanical properties of GH99 alloy plate

[J]. Spec. Steel Technol., 2006, 11(1): 30