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，釬料無顯微偏析現象。由于在未噴丸條件下普遍存在較高的拉應力，在不考慮填充劑的情況下，在兩個接頭的焊接區域都觀察到拉伸失效。采用無涂層低能量激光沖擊噴丸(LSPwC)技術對焊接接頭兩側的焊縫區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，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，由于其優異的耐腐蝕性，已廣泛應用于航空發動機部件、化學加工和核部門。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，從而保持了焊接構件的耐蝕性。此外，該合金C-276不能通過常規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之一。
Cieslak 等(1986)研究了采用TIG焊接HastelloyC-276時P和μ相的發生。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)結構，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合金的形態。片層結構的生長出現在之前的晶粒取向內。在高倍率下，如圖C所示，共晶相中出現了非常小的氣孔/孔洞，這表明在焊縫凝固過程中已經達到過冷。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的蒸發溫度比W低，Co和莫。我們的研究結果清楚地表明,凝固的共析粒子發生沿著路徑增加鉬和w·Cieslak 等研究了微觀結構和共晶階段的焊接區Hastelloy c - 276焊接電弧熔煉技術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)接收態合金;(b)熔融區。
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TIG焊接方法中使用脈沖電流是工業采用的一種新做法，用于連接幾種材料，以獲得良好的冶金特性和結構的機械完整性。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(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時接頭強度略有提高，但由于偏析，焊縫區域出現了拉伸失效。作者指出，在使用或不使用填充物的電弧焊工藝時，熔化區基體在Mo中被耗盡，從而導致有害的P和μ相的出現。
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，由于通過誘導深層壓縮殘余應力來改善疲勞行為，被廣泛推薦在行業中使用。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，從而產生足夠的壓應力。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會導致過度的應變率，進而導致更高的壓縮應力。LSP技術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的一種變體，利用低能量Nd: YAG激光誘導激光脈沖輻照產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生熱效應，但在單位面積上增加激光脈沖照射量時，表面殘余應力會被壓縮。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，硬度有了相當大的增加。
根據TAPPI標準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(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(標準t404)，這可能會給出略微不同的結果。濕強紙的抗拉強度按t456標準測定。零跨距拉伸試驗可用于測量片材內纖維的強度(與纖維間粘結相反)。
(a)接收態合金的x射線衍射圖;(b)熔融區。
Hastelloy合金C-276的x射線衍射圖和EBW區的x射線衍射圖如上圖所示。與接收態合金相比，接收態和電子束熔融區衍射圖的不同之處在于，電子束熔融區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致晶格常數的降低。根據XRD譜圖計算得到的晶格參數為接收態合金3.619 ?，焊接區為3.570 ?。
這些結果表明，MZ的晶格參數比接收態的合金小。由于快速凝固引起的微觀殘余應力以及微觀組織的細化，導致了峰值的展寬。一般來說，微觀殘余應力也會引起這些峰值的偏移。然而，液相處理后的殘余應力通常是拉伸的，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的增強所導致的位移相反。這反映出，與濃度引起的位移相比，殘余應力的影響是非常小的。在x射線衍射圖中，EB熔融區峰的展寬是由于微觀組織的細化。SEM結果也證實了該材料具有良好的微觀結構。
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殘余壓應力來提高材料的機械完整性。然而，關于在HastelloyC-276焊接接頭中使用LSPwC的公開資料很少。研究了未噴丸狀態和低噴丸狀態下焊接接頭的結構完整性。此外，還應用了表面分析技術來支持實驗結果。
2. 實驗的程序
采用發射光譜(OES)技術確定接收候選金屬HastelloyC-276的標稱元素組成。試驗數據見表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化學成分(Wt. %)和機械性能。
圖1 母材，HastelloyC-276在接收狀態下的微觀結構。
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，并進一步用丙酮清洗。在這些試件上制作了夾角為60°的V形對接接頭結構。要焊接的板用機械夾緊，以避免彎曲和/或變形。電極的尖端角度設計為60°，以提高焊接熔透度。脈沖電流多循環焊接采用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板所采用的參數如表2所示。
表1b 填料的化學成分(Wt.%)。
表2 HastelloyC276 PCGTA焊接工藝參數
焊接試樣然后暴露于射線照相和染色滲透測試技術，以分析接縫表面/次表面的缺陷。根據測試數據的結果，根據ASTM推薦的標準，使用電火花線切割從接頭中提取試樣，完成微觀結構表征和機械研究，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，確定焊縫各區域的微觀結構特征。焊接接頭采用不同的顯微技術進行檢查。使用各種砂紙的研磨片進行拋光的標準微觀結構檢查程序。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構研究中所使用的橫斷面加工的。硬度數據是在每0.25?mm的規則距離下獲得的。提供500 gf的典型試驗載荷，在10-15?s的停留時間內測量焊縫整個寬度的壓痕，從而推斷-à-vis蓋、填充物和根區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。拉伸試樣的設計符合ASTM E8/8?M標準。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標準加工的。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，持續數納秒，通過消融作用將表面瞬間轉化為等離子體。根據Sano等人(2006)的研究，汽化金屬受到水射流的限制，所產生的高密度蒸汽迅速電離，通過逆軔致輻射產生等離子體羽流。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域內的激光能量，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致了沖擊波的產生。這種激波在材料中傳播過程中失去能量，從而產生永久的應變。
隨后，激光沖擊脈沖波增加，應變區受到彈性抑制，獲得了暴露表面的殘余壓應力。LSPwC在焊接接頭上的工作原理如圖3所示。采用Nd: YAG激光器，脈沖持續時間為10?ns，激光重復頻率為10?Hz，功率密度為6.97?GW?cm?2，在室溫下對Hastelloy合金C-276焊接區進行低能量LSPwC(350?mJ)。采用的標準程序包括: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。在關節-à-vis帽區和根區進行了雙脈沖LSPwC試驗，脈沖密度分別為2500和7500?脈沖/ cm2。根據Devendranath Ramkumar et al.(2016)的報道，在采用更高的脈沖密度時，噴丸過程中產生的波的機械效應會增加材料的應變硬化，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采用的實驗參數如表3所示，其值與Devendranath Ramkumar等人(2016)使用的數據一致。
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(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，該儀器有一個現場支架，幫助記錄殘余應力的狀態，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射線衍射殘余應力分析。每50?μm對貼片進行電拋光，然后分別在熔融區頂部和底部不同截面深度的貼片上以殘基形式描述應力。而對于焊態的掛片，則通過x射線衍射分析在焊縫區域中心及焊縫界面處測量了殘余應力。
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，利用激光束產生等離子體沖擊波，等離子體沖擊波在構件表面反射，產生壓殘余應力(CRS)， CRS深入到材料內部，如下圖所示。Kalentics等人引入了3D lsp——一種對選擇性激光熔化產生的零件的殘余應力進行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合在一起加工奧氏體鋼零件。trs很容易轉換成crs。激光光斑的大小決定了誘導crs的深度和面積。研究還發現，在LSP處理之間增加SLM層數會導致CRS深度的增加。SLM-printed ss316l的LSP能夠將由于層間高溫梯度引起的地下區域的trs轉化為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深度下產生100 MPa的最大壓縮應力，這顯著改善了材料的拉伸性能。結果表明，LSP顯著改善了trs轉化為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生更深層次的CRS。由于LSP明顯具有最小的冷加工效應，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量和機械性能的合適方法。
激光脈沖可以實時調節和控制，這是LSP的獨特優勢(Mannava, 1998)。通過計算機控制系統，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用多條LSP。通過噴丸(SP)無法到達的區域，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。當在很短的時間內(約30 ns)向金屬表面發射一束強激光時，受熱區就會汽化，達到超過10000°C的溫度，然后通過電離轉化為等離子體。等離子體繼續吸收激光能量，直到沉積時間結束。等離子體產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,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”。最近的研究發現，當使用受限模式時，在金屬表面可以產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力較大的LSP結果向更深的深度發展。
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
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