南昌大学JMR&T 实现20毫米厚Inconel 690合金的超高功率激光深焊:工艺优化、微观结构不均匀性及机械性能

图1a）为Inconel 690合金激光焊接头的横截面宏观形貌，整个接头区域未观察到气孔、裂纹等微观缺陷。图1b）~f）显示，沿焊缝底部向顶部的Z向，焊接接头可划分为5个特征区域，对应深度分别为Z=1~2 mm、4~5 mm、7~8 mm、14~15 mm和17~18 mm。整体焊缝呈“I”形轮廓：近表面区域（Z=17~18 mm）焊缝宽度较大，中部（7~8 mm）与底部（Z=1~2 mm）宽度相对较窄。

如图1b）~f）中箭头所示，熔合区（FZ）内的枝晶生长取向随深度发生显著变化：在Z=17~18 mm的近表面区与Z=1~2 mm的底部区域，枝晶垂直于熔合线生长，与焊缝中心线处的凝固晶界呈锐角相交；在熔合区中部（6~16 mm），枝晶生长方向几乎同时垂直于熔合线与焊缝中心线，该特征由热流方向主导。其形成机制为：近表面与底部区域的接头热量可同时向大气环境与母材（BM）散失，指向大气的附加温度梯度驱动这两个区域的枝晶发生侧向生长；而焊缝中部的热量主要通过母材散失，因此枝晶取向垂直于焊缝中心线。

如图1g）所示，5个特征区域不同深度处的熔合区宽度分别为5 mm、1.5 mm、1.8 mm、1.5 mm、1.7 mm、1.6 mm和4 mm，熔合区最宽位置出现在“I”形焊缝的上下表面（Z=0 mm与Z=20 mm）；Z=15~16 mm与Z=4~5 mm区域形成凸起特征，与Z=17~18 mm、7~8 mm、1~2 mm的三个颈缩区共同构成“两凸三缩”的形貌特征。图1h）为单侧热影响区再结晶区的宽度变化规律，5个区域的热影响区宽度分别为0.55 mm、0.21 mm、0.15 mm、0.3 mm和0.72 mm，其中Z=14~15 mm与Z=4~5 mm区域的热影响区宽度最大，中部深度范围（6~16 mm）内热影响区宽度随深度增加呈下降趋势。

熔合区与热影响区的宽度变化规律表明，超高功率激光深熔焊过程中，激光束在匙孔内壁的反射会导致匙孔形态在局部位置发生波动：Z=14~15 mm与Z=4~5 mm区域发生液态金属堆积，造成熔合区扩张，形成双凸起特征，对应Z=17~18 mm、7~8 mm、1~2 mm区域形成三个颈缩区；同时，熔合区堆积的液态金属在凝固过程中持续向热影响区传热，使得热影响区再结晶区也呈现双凸起特征。

图1. 焊缝的宏观形貌及焊接接头宽度统计。a) 焊接接头横截面的金相图，不同焊缝背面渗透深度：b) Z = 17-18 mm 区域, c) Z = 14-15 mm 区域, d) Z = 7-8 mm 区域, e) Z = 4-5 mm 区域, f) Z = 1-2 mm 区域; g) 焊熔区宽度统计; h) 单侧热影响区宽度统计。

图2为采用电子背散射衍射（EBSD）分析得到的焊接接头不同深度凝固组织的晶向与晶粒尺寸特征。图10a）~e）显示，熔合区（FZ）以柱状晶为主，粗大柱状晶之间夹杂细小晶粒，晶粒生长方向在三维空间内呈现多向性；该特征源于激光焊接高冷却速率诱发的大过冷度，使Inconel 690的面心立方（FCC）结构可沿多取向生长。在Z=17~18 mm的近表面区与Z=1~2 mm的底部区域，晶粒优先沿表面法向取向生长，其中Z=17~18 mm区域的熔合区中心可见细小等轴晶组织，该区域晶粒沿{001}方向择优生长。接头其他区域中，邻近熔合线的热影响区（HAZ）晶粒因焊接热输入发生再结晶；母材（BM）中则呈现轧制态典型的粗大柱状晶与大量细小晶粒共存特征，细晶大概率为轧制过程中变形诱导形成。

图2f）为熔合区沿深度梯度的晶粒尺寸统计结果，统计区域为以熔合区中心线为中心的2000×500 μm矩形范围。结果显示，熔合区中部10~100 μm尺寸的晶粒占比显著高于表面区域，平均晶粒尺寸沿深度方向呈“大-小-大”的变化趋势：Z=17~18 mm区域约20%的晶粒尺寸超过200 μm，仅10%的晶粒处于10~100 μm区间，平均晶粒尺寸为57 μm；Z=5~15 mm的中部区域约20%的晶粒尺寸超过200 μm，30%以上的晶粒尺寸为10~50 μm，平均晶粒尺寸分别为40.6 μm、40 μm、34 μm；Z=1~2 mm区域约30%的晶粒尺寸超过200 μm，10%以下的晶粒尺寸为10~50 μm，平均晶粒尺寸约79.5 μm。

图2g）为热影响区沿深度梯度的晶粒尺寸统计结果：Z=17~18 mm区域约25%的晶粒尺寸超过40 μm，不足75%的晶粒处于10~30 μm区间，平均晶粒尺寸约18.4 μm；Z=5~15 mm的中部热影响区仅2%的晶粒尺寸超过40 μm，98%以上的晶粒处于10~30 μm区间，平均晶粒尺寸分别为14.3 μm、15 μm、14.1 μm；Z=1~2 mm区域15%的晶粒尺寸超过40 μm，不足85%的晶粒处于10~30 μm区间，平均晶粒尺寸约16.6 μm。板材上下表面附近的热影响区中，尺寸超过30 μm的晶粒占比显著高于中部热影响区，后者10~30 μm的晶粒占比极高。

图2. 不同深度焊接接头的晶粒特征。a) Z = 17-18 mm 区域，b) Z = 14-15 mm 区域，c) Z = 7-8 mm 区域，d) Z = 4-5 mm 区域，e) Z = 1-2 mm 区域；f) FZ 区不同深度焊接接头的晶粒尺寸统计；g) HAZ 区不同深度焊接接头的晶粒尺寸统计。

图3a）对比了Inconel 690合金母材与焊缝在不同温度下的拉伸性能：室温下二者弹性变形行为相近，均在约500 MPa时进入塑性变形阶段；母材塑性变形阶段更长，应变为0.56%时发生屈服，而焊缝屈服应变为0.28%。高温拉伸曲线呈现明显的锯齿状塑性变形特征。

图3b）的性能统计结果显示，焊接接头室温下的屈服强度与抗拉强度分别为500 MPa和680 MPa，可达母材（500 MPa、750 MPa）强度的90%以上；母材断后伸长率为41%，高于焊缝的23%。在350 ℃、450 ℃、550 ℃高温条件下，焊接接头的屈服强度分别为420 MPa、410 MPa、400 MPa，抗拉强度分别为550 MPa、545 MPa、540 MPa，断后伸长率分别为20%、21%、20%，焊缝强度与伸长率均随拉伸温度升高呈小幅下降趋势。

现有研究已对Inconel 690合金弧焊接头的力学性能开展了大量分析，本次研究将激光焊接头与弧焊接头性能进行了对比：弧焊接头室温下屈服强度与抗拉强度仅为300 MPa和580 MPa，温度从350 ℃升至550 ℃时，屈服强度从250 MPa降至230 MPa，抗拉强度从530 MPa降至450 MPa。可见本研究获得的激光焊接头抗拉强度较弧焊接头高20%~40%，力学性能优势显著。图3c）显示，不同温度下的焊接接头拉伸试样均断裂于焊缝区域。

图3 焊接接头的拉伸性能。a) 焊接接头的拉伸应力-应变图；b) 焊接接头的屈服强度、抗拉强度和伸长率统计；c) 拉伸试验后的断口试样。