低能激光冲击对Hastelloy合金C-276焊缝机械完整性的影响

采用钨极惰性气体(TIG)脉冲电流法焊接HastelloyC-276合金。显微组织检查表明，在使用UNS N06022钎料时，钎料无显微偏析现象。由于在未喷丸条件下普遍存在较高的拉应力，在不考虑填充剂的情况下，在两个接头的焊接区域都观察到拉伸失效。采用无涂层低能量激光冲击喷丸(LSPwC)技术对焊接接头两侧的焊缝区域进行了低能量激光冲击喷丸，脉冲密度分别为2500和7500 脉冲/ cm2。激光表面处理使焊接接头的拉伸破坏位置远离熔合区，显著提高了焊接接头的拉伸强度。同样，在LSPwC条件下，两种接头的缺口韧性都有显著提高。焊接接头抗拉强度和缺口冲击韧性的提高是由残余压应力引起的，x射线衍射(XRD) Sin2ψ法证实了这一点。

1. 介绍

HastelloyC-276 (Hastelloy C-276)是一种Ni -Mo-Cr基高温合金，由于其优异的耐腐蚀性，已广泛应用于航空发动机部件、化学加工和核部门。如Cieslak等人(1986)所述，Ni和Mo含量较高使该合金对还原介质中的裂缝和点蚀具有很高的弹性，而Cr的存在则提高了其对氧化环境的抵抗能力。此外，合金中碳含量低，减少了连接过程中碳化物的析出，从而保持了焊接构件的耐蚀性。此外，该合金C-276不能通过常规时效热处理进行强化或硬化。有害相的形成是C-276合金焊接过程中的主要挑战之一。

Cieslak 等(1986)研究了采用TIG焊接HastelloyC-276时P和μ相的发生。由此推断，这些非平衡相是有害的，容易引起焊缝热裂。Sims和Hagel(1972)指出，μ和P相都是拓扑密排(TCP)结构，降低了塑性、室温拉伸强度和冲击韧性以及耐蚀性。在HastelloyC-276连接过程中，研究人员在减少TCP相和/或微观分离方面做出了大量的贡献。Ahmad等人(2005)采用电子束焊接(EBW)连接3个 mm厚的HastelloyC-276板。作者的结论是，这些有害相在焊接条件下完全为零。然而，这些研究人员观察到μ相的形成后，在950 °C回火处理3 h，空气冷却。HastelloyC-276 EB焊在焊接和回火条件下的抗拉强度，作者没有提到。Ma 等(2011)研究了HastelloyC-276脉冲激光焊缝的显微偏析特性。作者指出，元素的偏析不牢固，激光处理削弱了向硬相转变的脆弱性。

如图A所示的SEM显微图给出了MZ在25×处的大视图，它显示了两个样品之间良好的光滑界面。图B(a)显示了接收态Hastelloy合金C-276的显微组织，它由等轴晶粒组成。图B(b)显示了MZ合金的微观组织，它是一种细小的片层型，这是一种完全不同于接收态合金的形态。片层结构的生长出现在之前的晶粒取向内。在高倍率下，如图C所示，共晶相中出现了非常小的气孔/孔洞，这表明在焊缝凝固过程中已经达到过冷。图D(a)和(b)给出了基体和层状粒子的EDS能谱图。这些能谱图清楚地表明，与基体相比，微共析粒子的Mo和W的强度更高。合金中Cr和Fe的浓度降低，而W在基体和共晶中的浓度增加。

基体中Co的含量也有所增加，在MZ的共晶颗粒中Co的含量很少。在共晶颗粒中Mo的含量有一程度的增加，基体中Mo的含量较原始成分有微小的损失。这可能是由于Cr和Fe的蒸发温度比W低，Co和莫。我们的研究结果清楚地表明,凝固的共析粒子发生沿着路径增加钼和w·Cieslak 等研究了微观结构和共晶阶段的焊接区Hastelloy c - 276焊接电弧熔炼技术和证明了共晶成分的组合p-和μ-相。

在传统TIG焊接方法中使用脉冲电流是工业采用的一种新做法，用于连接几种材料，以获得良好的冶金特性和结构的机械完整性。Farahani等(2012)在焊接过程中使用脉动电流，观察到熔合区偏析减少和晶粒细化的焊缝。Devendranath Ramkumar等人(2014)采用脉冲电流GTA焊接蒙耐尔400和HastelloyC276，获得了窄焊缝珠和减少热影响区(HAZ)。Manikandan等(2014)比较了ERNiCrMo-3和ERNiCrMo-4 TIG焊接方法中采用恒电流和脉动电流获得的Hastelloy C-276的微观偏析特征和拉伸强度。研究表明，采用脉冲电流时，HastelloyC-276熔合区Mo富集析出相的偏析明显减少。虽然采用电流脉冲焊接技术时接头强度略有提高，但由于偏析，焊缝区域出现了拉伸失效。作者指出，在使用或不使用填充物的电弧焊工艺时，熔化区基体在Mo中被耗尽，从而导致有害的P和μ相的出现。

Xu等人(2016)指出，激光冲击喷丸(LSP)是效、新颖、非破坏性和非接触面强化技术，由于通过诱导深层压缩残余应力来改善疲劳行为，被广泛推荐在行业中使用。在LSP方法中，金属表面受到高功率密度(5 ~ 10 GW/cm2)的激光的微小脉动，从而产生足够的压应力。Chen 等(2014)报道了使用高能LSP时，incoly 800H焊接接头的显微组织和拉伸强度有显著提高。作者报道，具有高功率密度的LSP会导致过度的应变率，进而导致更高的压缩应力。LSP技术可以在有或没有烧蚀涂层的情况下进行。LSPwC是激光表面处理技术的一种变体，利用低能量Nd: YAG激光诱导激光脉冲辐照产生的高强度等离子体冲击波形。

Lu等人(2010)表明，多次喷射LSPwC大大提高了ANSI 304不锈钢的疲劳寿命。Prabhakaran和Kalainathan(2016)研究了温态LSPwC对低合金钢疲劳寿命的影响。这些作者报告说，尽管激光直接照射可能对材料产生热效应，但在单位面积上增加激光脉冲照射量时，表面残余应力会被压缩。Zhang等(2011)在一项研究中，对激光焊接获得的ANSI 304接头的单侧和双面进行了LSP。研究表明，与单面焊接接头相比，双面LSP建立了好的焊接接头机械强度。Hashim等(2013)尝试激光熔化HastelloyC-276以提高耐磨性。作者注意到，由于激光扫描速度和激光功率的佳使用，硬度有了相当大的增加。

根据TAPPI标准t494，拉伸强度是在长20厘米(7.9英寸)宽15-25毫米(0.6-1.0英寸)的纸带上测量的，使用恒定的延伸率。拉伸试验如下图所示。极限力以磅/英寸为单位，千克/米或牛顿/米。拉伸指数(通过拉伸强度除以基重得到)和断裂长度是报告拉伸强度的交替方法，其中基重归一化。其他材料的抗拉强度是以力/面积为单位，而不是像纸张那样以力/宽度为单位。与所有其他强度特性依赖于纸张方向一样，纸张的抗拉强度应在MD和CD中分别测量。拉伸强度也可以在摆式机械上测量(标准t404)，这可能会给出略微不同的结果。湿强纸的抗拉强度按t456标准测定。零跨距拉伸试验可用于测量片材内纤维的强度(与纤维间粘结相反)。

(a)接收态合金的x射线衍射图;(b)熔融区。

Hastelloy合金C-276的x射线衍射图和EBW区的x射线衍射图如上图所示。与接收态合金相比，接收态和电子束熔融区衍射图的不同之处在于，电子束熔融区的峰向更高的角度移动，同时展宽。衍射图的变化可能是由于MZ基体中Cr、Fe和Mo的消耗和Co、Ni和W的增强。Co和Ni的原子半径比Cr和Fe小，Mo和W的原子半径比较大，所以浓度的净变化导致晶格常数的降低。根据XRD谱图计算得到的晶格参数为接收态合金3.619 Å，焊接区为3.570 Å。

这些结果表明，MZ的晶格参数比接收态的合金小。由于快速凝固引起的微观残余应力以及微观组织的细化，导致了峰值的展宽。一般来说，微观残余应力也会引起这些峰值的偏移。然而，液相处理后的残余应力通常是拉伸的，这是由于凝固过程中的收缩引起的。因此，拉伸残余应力将使峰值向较低的角度移动，即与基体中Mo、Fe、Cr的消耗和Ni、Co的增强所导致的位移相反。这反映出，与浓度引起的位移相比，残余应力的影响是非常小的。在x射线衍射图中，EB熔融区峰的展宽是由于微观组织的细化。SEM结果也证实了该材料具有良好的微观结构。

采用脉冲电流焊接法对5mm厚的HastelloyC-276板材进行焊接，采用合金填充材料，主要是为了减少偏析问题。由文献可知，激光冲击强化通过诱导残余压应力来提高材料的机械完整性。然而，关于在HastelloyC-276焊接接头中使用LSPwC的公开资料很少。研究了未喷丸状态和低喷丸状态下焊接接头的结构完整性。此外，还应用了表面分析技术来支持实验结果。

2. 实验的程序

采用发射光谱(OES)技术确定接收候选金属HastelloyC-276的标称元素组成。试验数据见表1a。本研究采用热轧、溶液退火的HastelloyC-276合金。母材的显微组织表明，在变形过程中存在富ni的γ(奥氏体)晶粒，并形成孪晶界[图1]。HastelloyC-276合金在接收状态下的平均抗拉强度和缺口韧性分别为792 MPa和70 J。

表1a HastelloyC-276化学成分(Wt. %)和机械性能。

将Hastelloy合金C-276板剪切成测量值为 170 mm × 55 mm × 5 mm的矩形试样，采用线切割电火花加工（WEDM）。对这些样本进行酸洗以去除任何杂质，并进一步用丙清洗。在这些试件上制作了夹角为60°的V形对接接头结构。要焊接的板用机械夹紧，以避免弯曲和/或变形。电极的端角度设计为60°，以提高焊接熔透度。脉冲电流多循环焊接采用8 Hz的频率。在此过程中，焊接电流在背景模式和峰值模式之间变化，以提供有效的熔化和凝固。本研究采用的峰值电流为140 a . 99.9%纯度氩气作为保护气体，保护熔池免受杂质和氧化等污染。研究中使用了直径为1.6 mm的钎料即UNS N06022 (ERNiCrMo-10)和UNS N06686(ERNiCrMo-14)，这些钎料的组成见表1b。选择富Ni-Mo过合金钎料主要是为了减少焊缝边界的Mo偏析，同时避免焊缝区基体中Mo的过度耗损。两种焊道的平均热输入为0.726 ~ 0.792 kJ/mm。焊接5个 mm厚的HastelloyC-276板所采用的参数如表2所示。

表1b 填料的化学成分(Wt.%)。

表2 HastelloyC276 PCGTA焊接工艺参数

焊接试样然后暴露于射线照相和染色渗透测试技术，以分析接缝表面/次表面的缺陷。根据测试数据的结果，根据ASTM推荐的标准，使用电火花线切割从接头中提取试样，完成微观结构表征和机械研究，如图2所示。

图2 CAD模型显示了在HastelloyC-276焊接接头上进行各种冶金和机械试验时提取的试样。

通过横截面(与焊接方向垂直)加工的测量样本28 mm × 10 mm × 5 mm，确定焊缝各区域的微观结构特征。焊接接头采用不同的显微技术进行检查。使用各种砂纸的研磨片进行抛光的标准微观结构检查程序。随后用氧化铝溶液进行圆盘抛光，在试样表面获得镜面抛光效果。用80 mL盐酸、4 mL硝酸、1 g CuCl2、20 mL甘油作为蚀刻试剂，在抛光后的样品上擦洗15分钟 ;硬度测量是用维氏显微硬度计对贴片进行的，这些贴片是用类似于微观结构研究中所使用的横断面加工的。硬度数据是在每0.25 mm的规则距离下获得的。提供500 gf的典型试验载荷，在10-15 s的停留时间内测量焊缝整个宽度的压痕，从而推断-à-vis盖、填充物和根区的不同轨迹上的硬度值的异常变化。采用拉伸和缺口冲击韧性试验评估焊接接头的机械完整性。

在Instron 8801通用试验机上对焊接接头的拉伸性能进行了测试。拉伸试样的设计符合ASTM E8/8 M标准。拉力试验机的十字头速度保持在2 mm/min。为了达到足够低的应变水平3.3 × 10−4 s−1，如Davis(2004)所报道的。在室温下，用Charpy试验机对HastelloyC-276接头进行缺口冲击研究，Hastelloy C-276接头是按照ASTM E23-12c标准加工的。在每个焊接件上进行了三次试验，以计算拉伸和冲击研究。

LSP的工作原理是将强激光脉冲聚焦在水中的材料上，持续数纳秒，通过消融作用将表面瞬间转化为等离子体。根据Sano等人(2006)的研究，汽化金属受到水射流的限制，所产生的高密度蒸汽迅速电离，通过逆轫致辐射产生等离子体羽流。水的惯性会阻止等离子体的膨胀，而等离子体的膨胀又会影响到封闭区域内的激光能量，等离子体的压力会比大气中的等离子体压力大10-100倍，从而达到某些GPa水平的范围，并撞击到材料上。等离子体中的这种能量吸收导致了冲击波的产生。这种激波在材料中传播过程中失去能量，从而产生久的应变。

随后，激光冲击脉冲波增加，应变区受到弹性抑制，获得了暴露表面的残余压应力。LSPwC在焊接接头上的工作原理如图3所示。采用Nd: YAG激光器，脉冲持续时间为10 ns，激光重复频率为10 Hz，功率密度为6.97 GW cm−2，在室温下对Hastelloy合金C-276焊接区进行低能量LSPwC(350 mJ)。采用的标准程序包括:在进行激光冲击冲击试验前，使用不同磨粒的SiC金刚砂片抛光金属卷，并用乙醇和去离子水的混合物溶液进行清洗。在关节-à-vis帽区和根区进行了双脉冲LSPwC试验，脉冲密度分别为2500和7500 脉冲/ cm2。根据Devendranath Ramkumar et al.(2016)的报道，在采用更高的脉冲密度时，喷丸过程中产生的波的机械效应会增加材料的应变硬化，从而促进硬度的增加。本研究选择的脉冲密度符合Abdullahi和Mamoun(2014)。LSPwC采用的实验参数如表3所示，其值与Devendranath Ramkumar等人(2016)使用的数据一致。

图3 HastelloyC-276焊接接头ND: YAG低能量激光喷丸工艺示意图。

表3 激光喷丸中使用的实验参数(Devendranath Ramkumar等人，2016)。

LSPwC后，利用自动便携式的Proto XRD衍射仪，用Sin2ψ法计算了残余应力。利用Cuk α辐射，利用PROTO XRDWin 2.0软件计算了衍射角下的x射线辐射。该x射线衍射仪装有陶瓷管，并配备了2θ范围的斑点敏感闪烁探测器(SSSD)。角度计的焦距为400 mm, x射线管直径为30 mm。此外，该仪器有一个现场支架，帮助记录残余应力的状态，这是通过在z轴上的运动，也有一个自动的X轴和Y轴的桌子。测量系统允许观察与试样表面正交的测角器。对喷丸前后焊接接头进行了x射线衍射残余应力分析。每50 μm对贴片进行电抛光，然后分别在熔融区顶部和底部不同截面深度的贴片上以残基形式描述应力。而对于焊态的挂片，则通过x射线衍射分析在焊缝区域中心及焊缝界面处测量了残余应力。

对不同脉冲密度的焊接接头进行LSPwC试验后，对试样进行硬度、拉伸性能和缺口冲击韧性测试，以确定接头的完整性。对不同道次的HastelloyC-276接头截面套片进行了硬度测试;而在激光喷射的优惠券中，测量是在不同深度的上下表面进行的，如图4所示。

图4 HastelloyC-276焊接件的(a)焊接时和(b)激光喷射片上的硬度测量位置。

在LSP中，利用激光束产生等离子体冲击波，等离子体冲击波在构件表面反射，产生压残余应力(CRS)， CRS深入到材料内部，如下图所示。Kalentics等人引入了3D lsp——一种对选择性激光熔化产生的零件的残余应力进行3D控制的新方法。描述了一种混合制造工艺，将LSP和选择性激光熔化结合在一起加工奥氏体钢零件。trs很容易转换成crs。激光光斑的大小决定了诱导crs的深度和面积。研究还发现，在LSP处理之间增加SLM层数会导致CRS深度的增加。SLM-printed ss316l的LSP能够将由于层间高温梯度引起的地下区域的trs转化为crs。trs对疲劳寿命有不利影响。

激光冲击强化(LSP)原理图。

Sun等研究了丝弧增材制备的2319铝合金在LSP作用下的组织和机械性能。LSP引起的高密度位错增加了表面的显微硬度。LSP能够在0.75 mm深度下产生100 MPa的大压缩应力，这显著改善了材料的拉伸性能。结果表明，LSP显著改善了trs转化为crs后的显微组织和显微硬度。此外，还观察到屈服强度提高了72%，对极限拉应力(UTS)没有影响。Hackel等人讨论了LSP作为AM的后处理操作。对比了未喷丸、喷丸和激光冲击喷丸试样的疲劳强度，观察到激光冲击能产生更深层次的CRS。由于LSP明显具有小的冷加工效应，材料硬度和屈服强度没有变化。综上所述，LSP是一种改善增材零件表面质量和机械性能的合适方法。

激光脉冲可以实时调节和控制，这是LSP的特优势(Mannava, 1998)。通过计算机控制系统，每个脉冲的能量可以测量和记录的每个LSP过程的组件。特别是在同一位置可以应用多条LSP。通过喷丸(SP)无法到达的区域，如小圆角和缺口，仍然可以使用LSP处理(Mannava和Cowie, 1996)。

激光冲击强化原理图。

金属板上LSP过程的示意图配置如上图所示。当在很短的时间内(约30 ns)向金属表面发射一束强激光时，受热区就会汽化，达到超过10000°C的温度，然后通过电离转化为等离子体。等离子体继续吸收激光能量，直到沉积时间结束。等离子体产生的压力通过激波传递给材料。等离子体与没有涂层的金属表面的相互作用被定义为“直接烧蚀”，这可以实现等离子体压力的几分之一GPa (Sano等人，1997;Masse和Barreau, 1995 a, b)。为了获得高振幅的冲击压力,一个太阳能发电过程通常使用一个封闭模式,在金属表面通常覆盖着一个不透明的物质,如黑漆或铝箔,在蒸馏水或玻璃等透明材料对激光辐射。这种相互作用称为“局限消融”。近的研究发现，当使用受限模式时，在金属表面可以产生更大的等离子体压力，高达5-10GPa (Fairand 等人， 1974;Devaux等人，1991年;Berthe等人，1997年;Bolger等人，1999)。较强的压力脉冲可以使残余压应力较大的LSP结果向更深的深度发展。

来源：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

参考文献：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