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通过金相组织视察、静拉伸、显微硬度测试、常温攻击和断口视察等试验，研究了航空超高强度钢30CrMnSiNi2A TIG焊修复讨论的组织和力学性能 。效果批注：该钢的TIG焊修复讨论主要可分为焊缝区、熔合线、热影响区和母材区，热影响区可分为完全淬火粗晶区和完全淬火细晶区，TIG焊修复讨论的焊缝组织为板条马氏体和少量残留奥氏体，热影响区的完全淬火粗晶区组织为粗大板条马氏体和少量贝氏体，热影响区的完全淬火细晶区组织主要为细小针状马氏体和少量贝氏体 ；TIG焊修复讨论的抗拉强度30CrMnSiNi2A基体相当，伸长率下降39.2% ；TIG焊缝区硬度略高于基体，靠近熔合线的热影响区硬度数值保存降低征象 ；TIG焊修复讨论的平均攻击韧度为44.32J/cm2 ，比母材下降47.86% ；TIG焊修复讨论的拉伸与攻击断口均泛起为塑性断裂特点 。
1 序言
30CrMnSiNi2A是航空制造业中应用最普遍的一种低合金超高强度钢，其具备比强度高、硬度高、耐磨性好、疲劳扩展速率低及抗疲劳性好等优点，在飞机制造中常被用来作为升降架活塞杆、高强度联接螺栓、平尾大轴等要害承力结构件的主体质料[1，2] 。在飞机服役历程中，由于遭受交变载荷和种种侵蚀情形影响，以是30CrMnSiNi2A钢航空零件难免会爆发磨损、侵蚀、掉块和开裂等缺陷，而TIG焊是最常见的修复工艺，也是一种降低本钱且能包管零件结构完整性的主要手段 。
TIG焊（Tungten Innert Gas）又称钨极氩弧焊或GTA焊（Gas Tungten Arc），是所有焊接要领中应用面最广且能够实现高品质焊接的一种要领[3] 。TIG焊修复工艺作为一种集化学冶金、不平衡传热和应力变形于一体的物理化学历程[4] ，其修复讨论的性能对零件的服役可靠性有着主要影响 。现在，海内外针对30CrMnSiNi2A钢TIG焊修复讨论性能方面的研究较量少，因此开展该超高强度钢TIG焊修复性能研究对同材质航空零件TIG焊修复的可靠性评估具有十分主要的理论和现实意义 。
本文针对30CrMnSiNi2A钢TIG焊修复讨论的金相组织、拉伸性能、显微硬度漫衍和攻击韧度举行了测试剖析，并通过扫描电镜视察了拉伸断口和攻击断口的形貌特征 。
2 试验质料与试验要领
2.1 试验质料
试验质料接纳的是航空用30CrMnSiNi2A钢，供货热处置惩罚状态为900℃淬火+290℃回火3h+空冷，其化学因素见表1 。试验质料的尺寸为200mm×100mm×11mm，为模拟此类航空零件的TIG焊修复工艺，将试验质料的焊接坡口加工成如图1所示尺寸 。为最洪流平地镌汰焊接缺陷的爆发，首先对焊接坡口及周围区域举行喷砂处置惩罚并接纳蘸有丙酮的清洁棉布擦拭清洁，然后接纳 φ3mm的H18CrMoA焊丝对坡口举行TIG焊修复，包管坡口完全被填充，在TIG焊修复前后均需要将试验质料安排在热处置惩罚炉中加热至（260±5）℃保温2～3h，最后随炉冷却至室温 。
表1 30CrMnSiNi2A钢化学因素（质量分数）（%）
图1 TIG焊修复坡口尺寸
2.2 试验要领
为了研究TIG焊修复对30CrMnSiNi2A钢微观组织的影响，凭证GB/T 13298—2015《金属显微组织磨练要领》制作金相试样，并接纳VHX-1000E光学显微镜视察TIG焊修复讨论焊缝区和热影响区等各微区的金相组织形貌 。为了测试剖析TIG焊修复对30CrMnSiNi2A钢静强度与塑性的影响，依据GB/T 228.1—2010《金属质料拉伸试验 第1部分：室温试验要领》加工出标准拉伸试样，并接纳UH-FI万能试验机举行静拉伸试验 。
凭证GB/T 4340.1—2009《金属质料维氏硬度试验 第1部分：试验要领》加工出硬度检测试样（见图2），并接纳AMH43全自动显微硬度仪举行测试，加载载荷5N，坚持时间10s 。
为考察TIG焊修复讨论的攻击韧度，凭证GB/T229—2020《金属质料夏比摆锤攻击试验要领》加工出攻击试样（见图3），并在Instron9350型落锤仪器化攻击试验机上开展常温攻击试验 。
图3 攻击试样尺寸
为了剖析拉伸断口和攻击断口的微观形貌特征，接纳Quanta200FEG场发射情形扫描电子显微镜举行微观形貌视察 。
3 试验效果与剖析
3.1 金相视察试验
30CrMnSiNi2A钢TIG焊修复讨论的形貌如图4所示，讨论由焊缝区、熔合线、热影响区和母材区组成 。讨论微观组织如图5所示 。焊缝中心主要为粗大等轴晶，靠近熔合线的焊缝区主要由柱状晶组成 。这是由于熔融的填充金属首先从熔合线最先凝固，由于冷却速率较快，过冷度较大，容易天生柱状晶，焊缝中心凝固速率变慢且过冷度减小，更容易天生等轴晶 。焊缝金属在冷却历程中履历了固态相变，首先形成奥氏体和铁素体组织，随着温度进一步下降，转化为板条马氏体和少量残留奥氏体[5] 。
b）微观形貌
a）宏观形貌
从图4可以看出，靠近熔合线的热影响区依次为完全淬火过热粗晶区和完全淬火细晶区，完全淬火过热粗晶区的放大形貌如图5b所示，完全淬火细晶区的放大形貌如图5c所示 。由于完全淬火过热粗晶区靠近熔合线，以是在TIG焊热量的作用下爆发过热，奥氏体晶粒变粗大，而完全淬火细晶区最高温度相对较低，奥氏体晶粒未变粗大，随着焊缝的快速冷却，热影响区的奥氏体转变为马氏体和少量贝氏体 。由于冷却历程中晶粒尺寸未爆发转变，因此完全淬火过热粗晶区组织主要由粗大的板条马氏体和少量贝氏体组成，而完全淬火细晶区组织主要由细小匀称的针状马氏体和少量贝氏体组成[6，7] 。
a）焊缝区
b）完全淬火过热粗晶区
3.2 拉伸试验
凭证GB/T 228.1—2010《金属质料室温拉伸试验要领》对30CrMnSiNi2A钢的母材和TIG焊修复讨论举行常温拉伸性能测试，效果见表2 。30CrMnSiNi2A作为一种超高强度钢，具备优良的力学性能，但经由TIG焊修复后讨论的各项力学性能转变较大：母材的抗拉强度为1680.50MPa，TIG焊修复讨论的抗拉强度平均值为1705.85MPa，比母材高1.5%，数值上与母材相当 ；TIG焊修复讨论的伸长率平均值为5.48%，比母材下降39.11% ；TIG焊修复讨论的断面缩短率平均值为24.55%，比母材下降45.44% 。由此可知，TIG焊修复讨论的强度与母材相当，塑性指标下降较严重 。这是由于TIG焊修复讨论的焊缝组织主要由塑性较差的板条马氏体组成，而母材组织主要由细小匀称的针状马氏体和贝氏体组成，母材塑性要强于焊缝 。同时TIG焊修复讨论均断于热影响区，这是由于热影响区相比正常的母材区和焊缝区，其强度最低 。
3.3 显微硬度试验
凭证GB/T 4340.1—2009《金属质料维氏硬度试验 第1部分：试验要领》开展显微硬度测试，TIG焊修复讨论的显微硬度漫衍曲线如图6所示 。从图6可看出，该讨论的硬度漫衍趋势概略是焊缝处最高，为592HV ；热影响区最低，为458HV ；远离熔合区的母材硬度平均值为562HV 。这是由于在TIG焊修复历程中，焊缝区冷却速率较快，天生了硬度较大的板条马氏体和少量残留奥氏体组织，靠近熔合线的热影响区在焊接热的作用下形成了完全淬火粗晶区，硬度值最低 ；完全淬火细晶区和母材区均由晶粒细小的马氏体组织和少量贝氏体组织组成，硬度值较高 。
图6 TIG焊修复讨论的显微硬度漫衍曲线
3.4 攻击试验效果与剖析
凭证GB/T 229—2020《金属质料夏比摆锤攻击试验要领》对30CrMnSiNi2A钢TIG焊修复讨论与母材开展常温攻击试验，TIG焊修复讨论攻击曲线如图7所示，攻击性能测试效果见表3 。
b）攻击吸收能量曲线
图7 TIG焊修复讨论攻击曲线
表3 攻击性能测试效果
攻击试验效果批注，TIG焊修复讨论的平均攻击韧度值为44.32J/cm2，母材攻击韧度值为85J/cm2，经TIG焊修复后讨论的攻击韧度降低了47.86% 。由此可知，TIG焊修复讨论的耐攻击性能相比母材下降严重 。这是由于焊缝金属为铸态组织，且组织主要由板条马氏体和残留奥氏体组成，相比母材的轧制态组织，脆性增大，耐攻击性能下降 。
3.5 断口形貌视察试验
通过上述拉伸试验发明，TIG焊讨论的拉伸试样均断裂在熔合线周围的热影响区，凭证金相视察和显微硬度测试效果，可以判断出断裂位置为完全淬火过热粗晶区 。该断口的宏观形貌如图8a所示，扫描电镜视察的高倍微观形貌如图8b所示 。通过相关文献[8-10] 可知，超高强度钢质料的攻击断口会保存三个典范区域：放射区、纤维区和剪切唇，如图9所示 。本文接纳扫描电镜对TIG焊修复讨论攻击断口的底部剪切唇区域举行了视察，其高倍微观形貌如图10所示 。
通过图8b和图10均可视察到显着韧窝和撕裂棱，图8b显示的等轴韧窝及图10显示的拉长韧窝和等轴韧窝在攻击断口中均占有一定比例 。通过以上断口的微观视察，可以判断出TIG焊修复讨论的拉伸断口和攻击断口均泛起塑性断裂特征 。
4 竣事语
1）30CrMnSiNi2A钢TIG焊修复讨论焊缝中心为粗大等轴晶，靠近熔合线的焊缝主要为柱状晶，靠近熔合线的热影响区依次为完全淬火过热粗晶区和完全淬火细晶区，前者主要由粗大的板条马氏体和少量贝氏体组成，后者主要由细小匀称的针状马氏体和少量贝氏体组成，该补焊修复讨论组织可通过低温回火处置惩罚获得改善，进而知足产品性能要求 。
3）扫描电镜视察效果批注，TIG焊修复讨论的拉伸断口和攻击断口均保存大宗韧窝和撕裂棱，泛起塑性断裂特征 。
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