本文研究了低能激光沖擊對Hastelloy合金C-276焊縫機械完整性的影響。

摘要

采用鎢極惰性氣體(TIG)脈沖電流法焊接HastelloyC-276合金。顯微組織檢查表明，在使用UNS N06022釬料時，釬料無顯微偏析現(xiàn)象。由于在未噴丸條件下普遍存在較高的拉應(yīng)力，在不考慮填充劑的情況下，在兩個接頭的焊接區(qū)域都觀察到拉伸失效。采用無涂層低能量激光沖擊噴丸(LSPwC)技術(shù)對焊接接頭兩側(cè)的焊縫區(qū)域進行了低能量激光沖擊噴丸，脈沖密度分別為2500和7500?脈沖/ cm2。激光表面處理使焊接接頭的拉伸破壞位置遠離熔合區(qū)，顯著提高了焊接接頭的拉伸強度。同樣，在LSPwC條件下，兩種接頭的缺口韌性都有顯著提高。焊接接頭抗拉強度和缺口沖擊韌性的提高是由殘余壓應(yīng)力引起的，x射線衍射(XRD) Sin2ψ法證實了這一點。

1. 介紹

HastelloyC-276 (Hastelloy C-276)是一種Ni -Mo-Cr基高溫合金，由于其優(yōu)異的耐腐蝕性，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機部件、化學(xué)加工和核部門。如Cieslak等人(1986)所述，Ni和Mo含量較高使該合金對還原介質(zhì)中的裂縫和點蝕具有很高的彈性，而Cr的存在則提高了其對氧化環(huán)境的抵抗能力。此外，合金中碳含量低，減少了連接過程中碳化物的析出，從而保持了焊接構(gòu)件的耐蝕性。此外，該合金C-276不能通過常規(guī)時效熱處理進行強化或硬化。有害相的形成是C-276合金焊接過程中的主要挑戰(zhàn)之一。

Cieslak 等(1986)研究了采用TIG焊接HastelloyC-276時P和μ相的發(fā)生。由此推斷，這些非平衡相是有害的，容易引起焊縫熱裂。Sims和Hagel(1972)指出，μ和P相都是拓撲密排(TCP)結(jié)構(gòu)，降低了塑性、室溫拉伸強度和沖擊韌性以及耐蝕性。在HastelloyC-276連接過程中，研究人員在減少TCP相和/或微觀分離方面做出了大量的貢獻。Ahmad等人(2005)采用電子束焊接(EBW)連接3個?mm厚的HastelloyC-276板。作者的結(jié)論是，這些有害相在焊接條件下完全為零。然而，這些研究人員觀察到μ相的形成后，在950?°C回火處理3?h，空氣冷卻。HastelloyC-276 EB焊在焊接和回火條件下的抗拉強度，作者沒有提到。Ma 等(2011)研究了HastelloyC-276脈沖激光焊縫的顯微偏析特性。作者指出，元素的偏析不牢固，激光處理削弱了向硬相轉(zhuǎn)變的脆弱性。

如圖A所示的SEM顯微圖給出了MZ在25×處的最大視圖，它顯示了兩個樣品之間良好的光滑界面。圖B(a)顯示了接收態(tài)Hastelloy合金C-276的顯微組織，它由等軸晶粒組成。圖B(b)顯示了MZ合金的微觀組織，它是一種細小的片層型，這是一種完全不同于接收態(tài)合金的形態(tài)。片層結(jié)構(gòu)的生長出現(xiàn)在之前的晶粒取向內(nèi)。在高倍率下，如圖C所示，共晶相中出現(xiàn)了非常小的氣孔/孔洞，這表明在焊縫凝固過程中已經(jīng)達到過冷。圖D(a)和(b)給出了基體和層狀粒子的EDS能譜圖。這些能譜圖清楚地表明，與基體相比，微共析粒子的Mo和W的強度更高。合金中Cr和Fe的濃度降低，而W在基體和共晶中的濃度增加。

基體中Co的含量也有所增加，在MZ的共晶顆粒中Co的含量很少。在共晶顆粒中Mo的含量有一定程度的增加，基體中Mo的含量較原始成分有微小的損失。這可能是由于Cr和Fe的蒸發(fā)溫度比W低，Co和莫。我們的研究結(jié)果清楚地表明,凝固的共析粒子發(fā)生沿著路徑增加鉬和w·Cieslak 等研究了微觀結(jié)構(gòu)和共晶階段的焊接區(qū)Hastelloy c - 276焊接電弧熔煉技術(shù)和證明了共晶成分的組合p-和μ-相。

圖A給出MZ的SEM顯微圖。

圖BHastelloyC-276的SEM顯微圖:(a)接收態(tài)合金;(b)熔融區(qū)。

圖C掃描電鏡顯示MZ中的孔隙/空隙。

圖D (a)基體的EDS能譜;(b)共析粒子。

在傳統(tǒng)TIG焊接方法中使用脈沖電流是工業(yè)采用的一種新做法，用于連接幾種材料，以獲得良好的冶金特性和結(jié)構(gòu)的機械完整性。Farahani等(2012)在焊接過程中使用脈動電流，觀察到熔合區(qū)偏析減少和晶粒細化的焊縫。Devendranath Ramkumar等人(2014)采用脈沖電流GTA焊接蒙耐爾400和HastelloyC276，獲得了窄焊縫珠和減少熱影響區(qū)(HAZ)。Manikandan等(2014)比較了ERNiCrMo-3和ERNiCrMo-4 TIG焊接方法中采用恒電流和脈動電流獲得的Hastelloy C-276的微觀偏析特征和拉伸強度。研究表明，采用脈沖電流時，HastelloyC-276熔合區(qū)Mo富集析出相的偏析明顯減少。雖然采用電流脈沖焊接技術(shù)時接頭強度略有提高，但由于偏析，焊縫區(qū)域出現(xiàn)了拉伸失效。作者指出，在使用或不使用填充物的電弧焊工藝時，熔化區(qū)基體在Mo中被耗盡，從而導(dǎo)致有害的P和μ相的出現(xiàn)。

Xu等人(2016)指出，激光沖擊噴丸(LSP)是最高效、最新穎、非破壞性和非接觸面強化技術(shù)，由于通過誘導(dǎo)深層壓縮殘余應(yīng)力來改善疲勞行為，被廣泛推薦在行業(yè)中使用。在LSP方法中，金屬表面受到高功率密度(5 ~ 10 GW/cm2)的激光的微小脈動，從而產(chǎn)生足夠的壓應(yīng)力。Chen 等(2014)報道了使用高能LSP時，incoly 800H焊接接頭的顯微組織和拉伸強度有顯著提高。作者報道，具有高功率密度的LSP會導(dǎo)致過度的應(yīng)變率，進而導(dǎo)致更高的壓縮應(yīng)力。LSP技術(shù)可以在有或沒有燒蝕涂層的情況下進行。LSPwC是激光表面處理技術(shù)的一種變體，利用低能量Nd: YAG激光誘導(dǎo)激光脈沖輻照產(chǎn)生的高強度等離子體沖擊波形。

Lu等人(2010)表明，多次噴射LSPwC大大提高了ANSI 304不銹鋼的疲勞壽命。Prabhakaran和Kalainathan(2016)研究了溫態(tài)LSPwC對低合金鋼疲勞壽命的影響。這些作者報告說，盡管激光直接照射可能對材料產(chǎn)生熱效應(yīng)，但在單位面積上增加激光脈沖照射量時，表面殘余應(yīng)力會被壓縮。Zhang等(2011)在一項研究中，對激光焊接獲得的ANSI 304接頭的單側(cè)和雙面進行了LSP。研究表明，與單面焊接接頭相比，雙面LSP建立了更好的焊接接頭機械強度。Hashim等(2013)嘗試激光熔化HastelloyC-276以提高耐磨性。作者注意到，由于激光掃描速度和激光功率的最佳使用，硬度有了相當(dāng)大的增加。

根據(jù)TAPPI標(biāo)準(zhǔn)t494，拉伸強度是在長20厘米(7.9英寸)寬15-25毫米(0.6-1.0英寸)的紙帶上測量的，使用恒定的延伸率。拉伸試驗如下圖所示。極限力以磅/英寸為單位，千克/米或牛頓/米。拉伸指數(shù)(通過拉伸強度除以基重得到)和斷裂長度是報告拉伸強度的交替方法，其中基重歸一化。其他材料的抗拉強度是以力/面積為單位，而不是像紙張那樣以力/寬度為單位。與所有其他強度特性依賴于紙張方向一樣，紙張的抗拉強度應(yīng)在MD和CD中分別測量。拉伸強度也可以在擺式機械上測量(標(biāo)準(zhǔn)t404)，這可能會給出略微不同的結(jié)果。濕強紙的抗拉強度按t456標(biāo)準(zhǔn)測定。零跨距拉伸試驗可用于測量片材內(nèi)纖維的強度(與纖維間粘結(jié)相反)。

(a)接收態(tài)合金的x射線衍射圖;(b)熔融區(qū)。

Hastelloy合金C-276的x射線衍射圖和EBW區(qū)的x射線衍射圖如上圖所示。與接收態(tài)合金相比，接收態(tài)和電子束熔融區(qū)衍射圖的不同之處在于，電子束熔融區(qū)的峰向更高的角度移動，同時展寬。衍射圖的變化可能是由于MZ基體中Cr、Fe和Mo的消耗和Co、Ni和W的增強。Co和Ni的原子半徑比Cr和Fe小，Mo和W的原子半徑比較大，所以濃度的凈變化導(dǎo)致晶格常數(shù)的降低。根據(jù)XRD譜圖計算得到的晶格參數(shù)為接收態(tài)合金3.619 ?，焊接區(qū)為3.570 ?。

這些結(jié)果表明，MZ的晶格參數(shù)比接收態(tài)的合金小。由于快速凝固引起的微觀殘余應(yīng)力以及微觀組織的細化，導(dǎo)致了峰值的展寬。一般來說，微觀殘余應(yīng)力也會引起這些峰值的偏移。然而，液相處理后的殘余應(yīng)力通常是拉伸的，這是由于凝固過程中的收縮引起的。因此，拉伸殘余應(yīng)力將使峰值向較低的角度移動，即與基體中Mo、Fe、Cr的消耗和Ni、Co的增強所導(dǎo)致的位移相反。這反映出，與濃度引起的位移相比，殘余應(yīng)力的影響是非常小的。在x射線衍射圖中，EB熔融區(qū)峰的展寬是由于微觀組織的細化。SEM結(jié)果也證實了該材料具有良好的微觀結(jié)構(gòu)。

采用脈沖電流焊接法對5mm厚的HastelloyC-276板材進行焊接，采用合金填充材料，主要是為了減少偏析問題。由文獻可知，激光沖擊強化通過誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力來提高材料的機械完整性。然而，關(guān)于在HastelloyC-276焊接接頭中使用LSPwC的公開資料很少。研究了未噴丸狀態(tài)和低噴丸狀態(tài)下焊接接頭的結(jié)構(gòu)完整性。此外，還應(yīng)用了表面分析技術(shù)來支持實驗結(jié)果。

2. 實驗的程序

采用發(fā)射光譜(OES)技術(shù)確定接收候選金屬HastelloyC-276的標(biāo)稱元素組成。試驗數(shù)據(jù)見表1a。本研究采用熱軋、溶液退火的HastelloyC-276合金。母材的顯微組織表明，在變形過程中存在富ni的γ(奧氏體)晶粒，并形成孿晶界[圖1]。HastelloyC-276合金在接收狀態(tài)下的平均抗拉強度和缺口韌性分別為792?MPa和70?J。

表1a HastelloyC-276化學(xué)成分(Wt. %)和機械性能。

圖1 母材，HastelloyC-276在接收狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)。

將Hastelloy合金C-276板剪切成測量值為?170?mm?×?55?mm?×?5?mm的矩形試樣，采用線切割電火花加工（WEDM）。對這些樣本進行酸洗以去除任何雜質(zhì)，并進一步用丙酮清洗。在這些試件上制作了夾角為60°的V形對接接頭結(jié)構(gòu)。要焊接的板用機械夾緊，以避免彎曲和/或變形。電極的尖端角度設(shè)計為60°，以提高焊接熔透度。脈沖電流多循環(huán)焊接采用8?Hz的頻率。在此過程中，焊接電流在背景模式和峰值模式之間變化，以提供有效的熔化和凝固。本研究采用的峰值電流為140 a . 99.9%純度氬氣作為保護氣體，保護熔池免受雜質(zhì)和氧化等污染。研究中使用了直徑為1.6?mm的釬料即UNS N06022 (ERNiCrMo-10)和UNS N06686(ERNiCrMo-14)，這些釬料的組成見表1b。選擇富Ni-Mo過合金釬料主要是為了減少焊縫邊界的Mo偏析，同時避免焊縫區(qū)基體中Mo的過度耗損。兩種焊道的平均熱輸入為0.726 ~ 0.792?kJ/mm。焊接5個?mm厚的HastelloyC-276板所采用的參數(shù)如表2所示。

表1b 填料的化學(xué)成分(Wt.%)。

表2 HastelloyC276 PCGTA焊接工藝參數(shù)

焊接試樣然后暴露于射線照相和染色滲透測試技術(shù)，以分析接縫表面/次表面的缺陷。根據(jù)測試數(shù)據(jù)的結(jié)果，根據(jù)ASTM推薦的標(biāo)準(zhǔn)，使用電火花線切割從接頭中提取試樣，完成微觀結(jié)構(gòu)表征和機械研究，如圖2所示。

圖2 CAD模型顯示了在HastelloyC-276焊接接頭上進行各種冶金和機械試驗時提取的試樣。

通過橫截面(與焊接方向垂直)加工的測量樣本28?mm?×?10?mm?×?5?mm，確定焊縫各區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)特征。焊接接頭采用不同的顯微技術(shù)進行檢查。使用各種砂紙的研磨片進行拋光的標(biāo)準(zhǔn)微觀結(jié)構(gòu)檢查程序。隨后用氧化鋁溶液進行圓盤拋光，在試樣表面獲得鏡面拋光效果。用80?mL鹽酸、4?mL硝酸、1?g CuCl2、20?mL甘油作為蝕刻試劑，在拋光后的樣品上擦洗15分鐘?;硬度測量是用維氏顯微硬度計對貼片進行的，這些貼片是用類似于微觀結(jié)構(gòu)研究中所使用的橫斷面加工的。硬度數(shù)據(jù)是在每0.25?mm的規(guī)則距離下獲得的。提供500 gf的典型試驗載荷，在10-15?s的停留時間內(nèi)測量焊縫整個寬度的壓痕，從而推斷-à-vis蓋、填充物和根區(qū)的不同軌跡上的硬度值的異常變化。采用拉伸和缺口沖擊韌性試驗評估焊接接頭的機械完整性。

在Instron 8801通用試驗機上對焊接接頭的拉伸性能進行了測試。拉伸試樣的設(shè)計符合ASTM E8/8?M標(biāo)準(zhǔn)。拉力試驗機的十字頭速度保持在2?mm/min。為了達到足夠低的應(yīng)變水平3.3?×?10?4?s?1，如Davis(2004)所報道的。在室溫下，用Charpy試驗機對HastelloyC-276接頭進行缺口沖擊研究，Hastelloy C-276接頭是按照ASTM E23-12c標(biāo)準(zhǔn)加工的。在每個焊接件上進行了三次試驗，以計算拉伸和沖擊研究。

LSP的工作原理是將強激光脈沖聚焦在水中的材料上，持續(xù)數(shù)納秒，通過消融作用將表面瞬間轉(zhuǎn)化為等離子體。根據(jù)Sano等人(2006)的研究，汽化金屬受到水射流的限制，所產(chǎn)生的高密度蒸汽迅速電離，通過逆軔致輻射產(chǎn)生等離子體羽流。水的慣性會阻止等離子體的膨脹，而等離子體的膨脹又會影響到封閉區(qū)域內(nèi)的激光能量，等離子體的壓力會比大氣中的等離子體壓力大10-100倍，從而達到某些GPa水平的范圍，并撞擊到材料上。等離子體中的這種能量吸收導(dǎo)致了沖擊波的產(chǎn)生。這種激波在材料中傳播過程中失去能量，從而產(chǎn)生永久的應(yīng)變。

隨后，激光沖擊脈沖波增加，應(yīng)變區(qū)受到彈性抑制，獲得了暴露表面的殘余壓應(yīng)力。LSPwC在焊接接頭上的工作原理如圖3所示。采用Nd: YAG激光器，脈沖持續(xù)時間為10?ns，激光重復(fù)頻率為10?Hz，功率密度為6.97?GW?cm?2，在室溫下對Hastelloy合金C-276焊接區(qū)進行低能量LSPwC(350?mJ)。采用的標(biāo)準(zhǔn)程序包括:在進行激光沖擊沖擊試驗前，使用不同磨粒的SiC金剛砂片拋光金屬卷，并用乙醇和去離子水的混合物溶液進行清洗。在關(guān)節(jié)-à-vis帽區(qū)和根區(qū)進行了雙脈沖LSPwC試驗，脈沖密度分別為2500和7500?脈沖/ cm2。根據(jù)Devendranath Ramkumar et al.(2016)的報道，在采用更高的脈沖密度時，噴丸過程中產(chǎn)生的波的機械效應(yīng)會增加材料的應(yīng)變硬化，從而促進硬度的增加。本研究選擇的脈沖密度符合Abdullahi和Mamoun(2014)。LSPwC采用的實驗參數(shù)如表3所示，其值與Devendranath Ramkumar等人(2016)使用的數(shù)據(jù)一致。

圖3 HastelloyC-276焊接接頭ND: YAG低能量激光噴丸工藝示意圖。

表3 激光噴丸中使用的實驗參數(shù)(Devendranath Ramkumar等人，2016)。

LSPwC后，利用自動便攜式的Proto XRD衍射儀，用Sin2ψ法計算了殘余應(yīng)力。利用Cuk α輻射，利用PROTO XRDWin 2.0軟件計算了衍射角下的x射線輻射。該x射線衍射儀裝有陶瓷管，并配備了2θ范圍的斑點敏感閃爍探測器(SSSD)。角度計的焦距為400?mm, x射線管直徑為30?mm。此外，該儀器有一個現(xiàn)場支架，幫助記錄殘余應(yīng)力的狀態(tài)，這是通過在z軸上的運動，也有一個自動的X軸和Y軸的桌子。測量系統(tǒng)允許觀察與試樣表面正交的測角器。對噴丸前后焊接接頭進行了x射線衍射殘余應(yīng)力分析。每50?μm對貼片進行電拋光，然后分別在熔融區(qū)頂部和底部不同截面深度的貼片上以殘基形式描述應(yīng)力。而對于焊態(tài)的掛片，則通過x射線衍射分析在焊縫區(qū)域中心及焊縫界面處測量了殘余應(yīng)力。

對不同脈沖密度的焊接接頭進行LSPwC試驗后，對試樣進行硬度、拉伸性能和缺口沖擊韌性測試，以確定接頭的完整性。對不同道次的HastelloyC-276接頭截面套片進行了硬度測試;而在激光噴射的優(yōu)惠券中，測量是在不同深度的上下表面進行的，如圖4所示。

圖4 HastelloyC-276焊接件的(a)焊接時和(b)激光噴射片上的硬度測量位置。

在LSP中，利用激光束產(chǎn)生等離子體沖擊波，等離子體沖擊波在構(gòu)件表面反射，產(chǎn)生壓殘余應(yīng)力(CRS)， CRS深入到材料內(nèi)部，如下圖所示。Kalentics等人引入了3D lsp——一種對選擇性激光熔化產(chǎn)生的零件的殘余應(yīng)力進行3D控制的新方法。描述了一種混合制造工藝，將LSP和選擇性激光熔化結(jié)合在一起加工奧氏體鋼零件。trs很容易轉(zhuǎn)換成crs。激光光斑的大小決定了誘導(dǎo)crs的深度和面積。研究還發(fā)現(xiàn)，在LSP處理之間增加SLM層數(shù)會導(dǎo)致CRS深度的增加。SLM-printed ss316l的LSP能夠?qū)⒂捎趯娱g高溫梯度引起的地下區(qū)域的trs轉(zhuǎn)化為crs。trs對疲勞壽命有不利影響。

激光沖擊強化(LSP)原理圖。

Sun等研究了絲弧增材制備的2319鋁合金在LSP作用下的組織和機械性能。LSP引起的高密度位錯增加了表面的顯微硬度。LSP能夠在0.75 mm深度下產(chǎn)生100 MPa的最大壓縮應(yīng)力，這顯著改善了材料的拉伸性能。結(jié)果表明，LSP顯著改善了trs轉(zhuǎn)化為crs后的顯微組織和顯微硬度。此外，還觀察到屈服強度提高了72%，對極限拉應(yīng)力(UTS)沒有影響。Hackel等人討論了LSP作為AM的后處理操作。對比了未噴丸、噴丸和激光沖擊噴丸試樣的疲勞強度，觀察到激光沖擊能產(chǎn)生更深層次的CRS。由于LSP明顯具有最小的冷加工效應(yīng)，材料硬度和屈服強度沒有變化。綜上所述，LSP是一種改善增材零件表面質(zhì)量和機械性能的合適方法。

激光脈沖可以實時調(diào)節(jié)和控制，這是LSP的獨特優(yōu)勢(Mannava, 1998)。通過計算機控制系統(tǒng)，每個脈沖的能量可以測量和記錄的每個LSP過程的組件。特別是在同一位置可以應(yīng)用多條LSP。通過噴丸(SP)無法到達的區(qū)域，如小圓角和缺口，仍然可以使用LSP處理(Mannava和Cowie, 1996)。

激光沖擊強化原理圖。

金屬板上LSP過程的示意圖配置如上圖所示。當(dāng)在很短的時間內(nèi)(約30 ns)向金屬表面發(fā)射一束強激光時，受熱區(qū)就會汽化，達到超過10000°C的溫度，然后通過電離轉(zhuǎn)化為等離子體。等離子體繼續(xù)吸收激光能量，直到沉積時間結(jié)束。等離子體產(chǎn)生的壓力通過激波傳遞給材料。等離子體與沒有涂層的金屬表面的相互作用被定義為“直接燒蝕”，這可以實現(xiàn)等離子體壓力的幾分之一GPa (Sano等人，1997;Masse和Barreau, 1995 a, b)。為了獲得高振幅的沖擊壓力,一個太陽能發(fā)電過程通常使用一個封閉模式,在金屬表面通常覆蓋著一個不透明的物質(zhì),如黑漆或鋁箔,在蒸餾水或玻璃等透明材料對激光輻射。這種相互作用稱為“局限消融”。最近的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用受限模式時，在金屬表面可以產(chǎn)生更大的等離子體壓力，高達5-10GPa (Fairand 等人， 1974;Devaux等人，1991年;Berthe等人，1997年;Bolger等人，1999)。較強的壓力脈沖可以使殘余壓應(yīng)力較大的LSP結(jié)果向更深的深度發(fā)展。

來源：Effect of low energy laser shock peening on the mechanical integrityof Hastelloy C-276 welds，Journal of Materials Processing Technology，doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116296

參考文獻：K.G. Abdullahi, M. Mamoun，Laser peeningprocess and its impact on materials properties in comparison with shot peeningand ultrasonic impact peening，Materials, 7 (2014), pp. 7925-7974