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航空超高強度鋼零件磨損、腐蝕、開裂,該怎么修復?

發(fā)布時間:2022.05.30    點擊數(shù): 62065

        通過金相組織觀察、靜拉伸、顯微硬度測試、常溫沖擊和斷口觀察等試驗,研究了航空超高強度鋼30CrMnSiNi2A TIG焊修復接頭的組織和力學性能。結(jié)果表明:該鋼的TIG焊修復接頭主要可分為焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)和母材區(qū),熱影響區(qū)可分為完全淬火粗晶區(qū)和完全淬火細晶區(qū),TIG焊修復接頭的焊縫組織為板條馬氏體和少量殘留奧氏體,熱影響區(qū)的完全淬火粗晶區(qū)組織為粗大板條馬氏體和少量貝氏體,熱影響區(qū)的完全淬火細晶區(qū)組織主要為細小針狀馬氏體和少量貝氏體;TIG焊修復接頭的抗拉強度30CrMnSiNi2A基體相當,伸長率下降39.2%;TIG焊縫區(qū)硬度略高于基體,靠近熔合線的熱影響區(qū)硬度數(shù)值存在降低現(xiàn)象;TIG焊修復接頭的平均沖擊韌度為44.32J/cm2 ,比母材下降47.86%;TIG焊修復接頭的拉伸與沖擊斷口均呈現(xiàn)為塑性斷裂特點。

1  序言

      30CrMnSiNi2A是航空制造業(yè)中應用最普遍的一種低合金超高強度鋼,其具備比強度高、硬度高、耐磨性好、疲勞擴展速率低及抗疲勞性好等優(yōu)點,在飛機制造中常被用來作為起落架活塞桿、高強度聯(lián)接螺栓、平尾大軸等關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件的主體材料[1,2] 。在飛機服役過程中,由于承受交變載荷和各種腐蝕環(huán)境影響,所以30CrMnSiNi2A鋼航空零件難免會產(chǎn)生磨損、腐蝕、掉塊和開裂等缺陷,而TIG焊是最常見的修復工藝,也是一種降低成本且能保證零件結(jié)構(gòu)完整性的重要手段。

       TIG焊(Tungten Innert Gas)又稱鎢極氬弧焊或GTA焊(Gas Tungten Arc),是所有焊接方法中應用面最廣且能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)焊接的一種方法[3] 。TIG焊修復工藝作為一種集化學冶金、不平衡傳熱和應力變形于一體的物理化學過程[4] ,其修復接頭的性能對零件的服役可靠性有著重要影響。目前,國內(nèi)外針對30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭性能方面的研究比較少,因此開展該超高強度鋼TIG焊修復性能研究對同材質(zhì)航空零件TIG焊修復的可靠性評估具有十分重要的理論和實際意義。

      本文針對30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭的金相組織、拉伸性能、顯微硬度分布和沖擊韌度進行了測試分析,并通過掃描電鏡觀察了拉伸斷口和沖擊斷口的形貌特征。

 

2  試驗材料與試驗方法

 

2.1 試驗材料

       試驗材料采用的是航空用30CrMnSiNi2A鋼,供貨熱處理狀態(tài)為900℃淬火+290℃回火3h+空冷,其化學成分見表1。試驗材料的尺寸為200mm×100mm×11mm,為模擬此類航空零件的TIG焊修復工藝,將試驗材料的焊接坡口加工成如圖1所示尺寸。為最大程度地減少焊接缺陷的產(chǎn)生,首先對焊接坡口及附近區(qū)域進行噴砂處理并采用蘸有丙酮的干凈棉布擦拭干凈,然后采用 φ3mm的H18CrMoA焊絲對坡口進行TIG焊修復,保證坡口完全被填充,在TIG焊修復前后均需要將試驗材料放置在熱處理爐中加熱至(260±5)℃保溫2~3h,最后隨爐冷卻至室溫。

表1 30CrMnSiNi2A鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù))(%)

圖1 TIG焊修復坡口尺寸

 

2.2 試驗方法

       為了研究TIG焊修復對30CrMnSiNi2A鋼微觀組織的影響,按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》制作金相試樣,并采用VHX-1000E光學顯微鏡觀察TIG焊修復接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)等各微區(qū)的金相組織形貌。為了測試分析TIG焊修復對30CrMnSiNi2A鋼靜強度與塑性的影響,依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》加工出標準拉伸試樣,并采用UH-FI萬能試驗機進行靜拉伸試驗。

        按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》加工出硬度檢測試樣(見圖2),并采用AMH43全自動顯微硬度儀進行測試,加載載荷5N,保持時間10s。

圖1 TIG焊修復坡口尺寸

      為考察TIG焊修復接頭的沖擊韌度,按照GB/T229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》加工出沖擊試樣(見圖3),并在Instron9350型落錘儀器化沖擊試驗機上開展常溫沖擊試驗。

圖3 沖擊試樣尺寸

       為了分析拉伸斷口和沖擊斷口的微觀形貌特征,采用Quanta200FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡進行微觀形貌觀察。

 

3  試驗結(jié)果與分析

3.1 金相觀察試驗

      30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭的形貌如圖4所示,接頭由焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)和母材區(qū)組成。接頭微觀組織如圖5所示。焊縫中心主要為粗大等軸晶,靠近熔合線的焊縫區(qū)主要由柱狀晶構(gòu)成。這是因為熔融的填充金屬首先從熔合線開始凝固,由于冷卻速度較快,過冷度較大,容易生成柱狀晶,焊縫中心凝固速度變慢且過冷度減小,更容易生成等軸晶。焊縫金屬在冷卻過程中經(jīng)歷了固態(tài)相變,首先形成奧氏體和鐵素體組織,隨著溫度進一步下降,轉(zhuǎn)化為板條馬氏體和少量殘留奧氏體[5] 。

b)微觀形貌

a)宏觀形貌

      從圖4可以看出,靠近熔合線的熱影響區(qū)依次為完全淬火過熱粗晶區(qū)和完全淬火細晶區(qū),完全淬火過熱粗晶區(qū)的放大形貌如圖5b所示,完全淬火細晶區(qū)的放大形貌如圖5c所示。由于完全淬火過熱粗晶區(qū)靠近熔合線,所以在TIG焊熱量的作用下發(fā)生過熱,奧氏體晶粒變粗大,而完全淬火細晶區(qū)最高溫度相對較低,奧氏體晶粒未變粗大,隨著焊縫的快速冷卻,熱影響區(qū)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和少量貝氏體。由于冷卻過程中晶粒尺寸未發(fā)生變化,因此完全淬火過熱粗晶區(qū)組織主要由粗大的板條馬氏體和少量貝氏體組成,而完全淬火細晶區(qū)組織主要由細小均勻的針狀馬氏體和少量貝氏體組成[6,7] 。

a)焊縫區(qū)

b)完全淬火過熱粗晶區(qū)

c)完全淬火細晶區(qū)
圖5 接頭微觀組織

 

 

3.2 拉伸試驗

       按照GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》對30CrMnSiNi2A鋼的母材和TIG焊修復接頭進行常溫拉伸性能測試,結(jié)果見表2。30CrMnSiNi2A作為一種超高強度鋼,具備優(yōu)良的力學性能,但經(jīng)過TIG焊修復后接頭的各項力學性能變化較大:母材的抗拉強度為1680.50MPa,TIG焊修復接頭的抗拉強度平均值為1705.85MPa,比母材高1.5%,數(shù)值上與母材相當;TIG焊修復接頭的伸長率平均值為5.48%,比母材下降39.11%;TIG焊修復接頭的斷面收縮率平均值為24.55%,比母材下降45.44%。由此可知,TIG焊修復接頭的強度與母材相當,塑性指標下降較嚴重。這是因為TIG焊修復接頭的焊縫組織主要由塑性較差的板條馬氏體構(gòu)成,而母材組織主要由細小均勻的針狀馬氏體和貝氏體構(gòu)成,母材塑性要強于焊縫。同時TIG焊修復接頭均斷于熱影響區(qū),這是因為熱影響區(qū)相比正常的母材區(qū)和焊縫區(qū),其強度最低。

表2 靜拉伸性能測試結(jié)果
 

 

3.3 顯微硬度試驗

       按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》開展顯微硬度測試,TIG焊修復接頭的顯微硬度分布曲線如圖6所示。從圖6可看出,該接頭的硬度分布趨勢大體是焊縫處最高,為592HV;熱影響區(qū)最低,為458HV;遠離熔合區(qū)的母材硬度平均值為562HV。這是因為在TIG焊修復過程中,焊縫區(qū)冷卻速度較快,生成了硬度較大的板條馬氏體和少量殘留奧氏體組織,靠近熔合線的熱影響區(qū)在焊接熱的作用下形成了完全淬火粗晶區(qū),硬度值最低;完全淬火細晶區(qū)和母材區(qū)均由晶粒細小的馬氏體組織和少量貝氏體組織構(gòu)成,硬度值較高。

圖6 TIG焊修復接頭的顯微硬度分布曲線

 

3.4 沖擊試驗結(jié)果與分析

       按照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》對30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭與母材開展常溫沖擊試驗,TIG焊修復接頭沖擊曲線如圖7所示,沖擊性能測試結(jié)果見表3。

 

 

b)沖擊吸收能量曲線

圖7 TIG焊修復接頭沖擊曲線

 

表3 沖擊性能測試結(jié)果

 

        沖擊試驗結(jié)果表明,TIG焊修復接頭的平均沖擊韌度值為44.32J/cm2,母材沖擊韌度值為85J/cm2,經(jīng)TIG焊修復后接頭的沖擊韌度降低了47.86%。由此可知,TIG焊修復接頭的耐沖擊性能相比母材下降嚴重。這是因為焊縫金屬為鑄態(tài)組織,且組織主要由板條馬氏體和殘留奧氏體構(gòu)成,相比母材的軋制態(tài)組織,脆性增大,耐沖擊性能下降。

 

3.5 斷口形貌觀察試驗

       通過上述拉伸試驗發(fā)現(xiàn),TIG焊接頭的拉伸試樣均斷裂在熔合線附近的熱影響區(qū),根據(jù)金相觀察和顯微硬度測試結(jié)果,可以判斷出斷裂位置為完全淬火過熱粗晶區(qū)。該斷口的宏觀形貌如圖8a所示,掃描電鏡觀察的高倍微觀形貌如圖8b所示。通過相關(guān)文獻[8-10] 可知,超高強度鋼材料的沖擊斷口會存在三個典型區(qū)域:放射區(qū)、纖維區(qū)和剪切唇,如圖9所示。本文采用掃描電鏡對TIG焊修復接頭沖擊斷口的底部剪切唇區(qū)域進行了觀察,其高倍微觀形貌如圖10所示。

       通過圖8b和圖10均可觀察到明顯韌窩和撕裂棱,圖8b顯示的等軸韌窩及圖10顯示的拉長韌窩和等軸韌窩在沖擊斷口中均占據(jù)一定比例。通過以上斷口的微觀觀察,可以判斷出TIG焊修復接頭的拉伸斷口和沖擊斷口均呈現(xiàn)塑性斷裂特征。

 

4  結(jié)束語

1)30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭焊縫中心為粗大等軸晶,靠近熔合線的焊縫主要為柱狀晶,靠近熔合線的熱影響區(qū)依次為完全淬火過熱粗晶區(qū)和完全淬火細晶區(qū),前者主要由粗大的板條馬氏體和少量貝氏體組成,后者主要由細小均勻的針狀馬氏體和少量貝氏體組成,該補焊修復接頭組織可通過低溫回火處理得到改善,進而滿足產(chǎn)品性能要求。

 
2)TIG焊修復接頭的抗拉強度與母材相當,伸長率下降39.11%,斷面收縮率下降45.44%;修復接頭焊縫硬度最高為592HV,熱影響區(qū)最低為458HV,遠離熔合區(qū)的母材硬度平均值為562HV;修復接頭沖擊韌度為44.32J/cm2,母材沖擊韌度為85J/cm2 ,TIG焊修復接頭的耐沖擊性能下降嚴重,表明該TIG焊修復部位更容易在沖擊載荷下產(chǎn)生開裂缺陷。因此,可通過增大焊縫余高來保障使用的可靠性。
 

3)掃描電鏡觀察結(jié)果表明,TIG焊修復接頭的拉伸斷口和沖擊斷口均存在大量韌窩和撕裂棱,呈現(xiàn)塑性斷裂特征。

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