(1.首都航天機(jī)械公司,北京 100076; 2.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司,天津 300462)

釬焊溫度對(duì)GH4169/1Cr18Ni9Ti接頭組織和性能影響研究

林志峰1陳志凱1邢斌1李雪飛1鄧?yán)?

(1.首都航天機(jī)械公司,北京 100076; 2.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司,天津 300462)

采用BNi82CrSiB鎳基釬料真空釬焊GH4169/1Cr18Ni9Ti母材，通過(guò)光學(xué)顯微鏡、能譜儀、顯微硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)等研究了釬焊溫度對(duì)釬縫的顯微組織、顯微硬度、力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在1 060～1 100 ℃范圍內(nèi)，接頭的釬縫主要由鎳基固溶體組成，釬縫中未出現(xiàn)金屬間化合物相，釬焊溫度的變化對(duì)接頭的釬縫組織無(wú)明顯影響。斷口分析結(jié)果表明：接頭斷裂均為韌性斷裂，斷裂區(qū)域均處于靠近1Cr18Ni9Ti母材的擴(kuò)散區(qū)中。

真空釬焊GH4169/1Cr18Ni9Ti韌性斷裂微觀組織

0 序 言

1Cr18Ni9Ti具有良好的耐蝕性、高溫性能、高強(qiáng)度和焊接性能，在宇航、汽車、機(jī)械、儀器儀表和能源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。GH4169合金(國(guó)外牌號(hào)Inconel 718)是20世紀(jì)60年代發(fā)展的一種鎳鐵基高溫合金，該合金具有較好的高溫力學(xué)性能、良好的熱工藝和焊接性能，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、葉片、石油管道、核工業(yè)結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域也有大量應(yīng)用[2]。目前，關(guān)于GH4169,1Cr18Ni9Ti真空釬焊的研究主要是針對(duì)同種材料，GH4169/1Cr18Ni9Ti異種材料真空釬焊的研究還很少，而在航天工程應(yīng)用中經(jīng)常涉及GH4169/1Cr18Ni9Ti異種材料焊接結(jié)構(gòu)。因此，開展此類研究，對(duì)于異種材料真空釬焊的實(shí)際應(yīng)用具有較好的基礎(chǔ)作用。

真空釬焊是在真空狀態(tài)下，對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加熱和保溫，使釬料在適宜的溫度和時(shí)間范圍內(nèi)熔化，通過(guò)液態(tài)釬料在母材表面或間隙中浸潤(rùn)、鋪展、毛細(xì)流動(dòng)填縫，最終凝固結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合的一種先進(jìn)焊接方法[3]。由于釬焊件處在真空環(huán)境下，能有效隔絕空氣對(duì)產(chǎn)品的影響，有利于提高釬縫質(zhì)量，因而廣泛用于多種材料的焊接，尤其是高溫合金、鈦合金等[4]。釬焊溫度是釬焊工藝的主要參數(shù)之一，在一定釬焊溫度范圍內(nèi)，釬料對(duì)于基體金屬的反應(yīng)與溶蝕可保持在可接受的范圍內(nèi)，合適的釬焊溫度對(duì)于獲得性能優(yōu)良的接頭十分重要。文中采用BNi82CrSiB釬料[5-6]，裝配間隙為60 μm，保溫時(shí)間為20 min，分別在1 060 ℃,1 080 ℃,1 100 ℃三種釬焊溫度下，對(duì)GH4169/1Cr18Ni9Ti母材進(jìn)行真空釬焊試驗(yàn)，分析釬焊溫度對(duì)釬縫組織、性能的影響，為GH4169/1Cr18Ni9Ti異種材料的高質(zhì)量連接提供可靠的理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用母材為1Cr18Ni9Ti和GH4169，化學(xué)成分見表1所示。試驗(yàn)所用釬料為50 μm厚的BNi82CrSiB釬料，化學(xué)成分見表2，熔化溫度為970～1 000 ℃。

表1 母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 BNi82CrSiB的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 釬焊工藝

試驗(yàn)所用真空爐為WZQH-30型真空釬焊爐，最高加熱溫度為1 320 ℃，爐溫均勻性±5 ℃。文中試驗(yàn)的工藝規(guī)范為：真空度5×10-3Pa，釬焊溫度分別為1 060 ℃, 1 080 ℃,1 100 ℃，保溫時(shí)間20 min，釬焊間隙60 μm，擴(kuò)散處理溫度1 000 ℃，擴(kuò)散處理保溫時(shí)間60 min。

1.3 測(cè)試方法

焊前，對(duì)待焊試件進(jìn)行酸洗，去除其表面氧化膜，釬料采用丙酮或酒精進(jìn)行清洗。通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)接頭界面組織形貌進(jìn)行觀察和分析，能譜儀(EDS)對(duì)接頭界面組織成分進(jìn)行分析，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭的室溫剪切強(qiáng)度，顯微硬度計(jì)對(duì)接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。

剪切試件結(jié)構(gòu)如圖1a所示，由圓環(huán)和圓棒組成。釬料通過(guò)點(diǎn)焊固定在圓環(huán)試件內(nèi)側(cè)，如圖1b所示。釬焊時(shí)，釬料熔化并流入間隙中形成接頭。鑒于釬縫圓角對(duì)結(jié)果精度影響較大，試件剪切測(cè)試前采用機(jī)加方式去除釬縫圓角[7]，如圖1c所示。

圖1 剪切試件

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織

圖2為三種釬焊溫度下的釬縫微觀組織。從圖中可以看出三種接頭的微觀組織存在以下共同點(diǎn)：①接頭由釬縫、擴(kuò)散區(qū)、母材三部分組成；②接頭的釬縫與母材均結(jié)合緊密，釬縫組織均勻；④接頭的釬縫區(qū)域未見金屬間化合物相，釬縫組織由鎳基固溶體組成。同時(shí)，三種接頭的微觀組織存在以下不同：1 100 ℃的接頭擴(kuò)散區(qū)顏色(GH4169側(cè))比另外兩種的要淺，靠近GH4169一側(cè)擴(kuò)散區(qū)的顏色與GH4169母材的相近，靠近1Cr18Ni9Ti一側(cè)擴(kuò)散區(qū)的顏色與釬縫相近。

對(duì)接頭的釬縫中心、擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3。從表3中可以看出：①釬縫中的Ni含量均很高；②釬縫中Si含量與釬料中的相近；③釬縫中Fe,Cr含量高于釬料；④釬縫中未檢測(cè)出B元素；⑤在靠近1Cr18Ni9Ti一側(cè)擴(kuò)散區(qū)，Cr,Fe,B的含量較高，Ni,Si的含量較低。

該車站站位范圍主要控制管線為布置在灃涇大道道路兩側(cè)、埋深分別為4 m和8 m的污水管，因此考慮將車站設(shè)置在路中進(jìn)行避讓。

由于真空釬焊使用的是鎳基釬料(Ni含量高于80%)，在有限的擴(kuò)散時(shí)間內(nèi)釬料中的大量Ni元素不能充分地?cái)U(kuò)散到母材中，所以釬縫中的Ni含量均很高；釬縫中Si含量與釬料中的相近，說(shuō)明硅元素并沒(méi)有得到完全的擴(kuò)散，大部分仍然存留在釬縫中，從而使接頭中心富余Si元素；釬縫中Fe,Cr含量高于釬料的，說(shuō)明母材中的Fe,Cr在釬焊過(guò)程中不斷向釬縫擴(kuò)散；釬縫中未檢測(cè)出B元素，說(shuō)明B元素全部擴(kuò)散到母材當(dāng)中。在靠近1Cr18Ni9Ti一側(cè)擴(kuò)散區(qū)，Cr,Fe,B

的含量較高，Ni,Si的含量較低，說(shuō)明此區(qū)域主要含有Cr-B,Fe-B的化合物；在靠近GH4169一側(cè)擴(kuò)散區(qū)，Cr,Fe,Ni的含量較高，Si含量較低，未檢測(cè)到B元素，說(shuō)明此區(qū)域主要為Fe-Ni-Cr的固溶體。隨著溫度升高，擴(kuò)散區(qū)的Ni含量逐漸升高，導(dǎo)致金相制樣(采用腐蝕劑腐蝕)的釬縫擴(kuò)散區(qū)顏色逐漸變淺(耐腐性增強(qiáng))。

另外，根據(jù)文獻(xiàn)[8]研究結(jié)論，在釬焊溫度為1 080 ℃，保溫15 min，釬焊間隙60 μm的釬焊規(guī)范下，GH4169材料的釬縫中心區(qū)域會(huì)殘留有金屬間化合物相，而此研究在近似的釬焊規(guī)范下獲得的接頭釬縫未出現(xiàn)金屬間化合物相，其原因主要是研究獲得的釬縫都增加了1 000 ℃/60 min的擴(kuò)散處理工序，釬縫中的B元素在釬料凝固后繼續(xù)向母材擴(kuò)散，消除了釬焊過(guò)程中形成的金屬間化合物相，因而釬縫中未出現(xiàn)金屬間化合物相。

2.2 顯微硬度測(cè)試

圖3為三種釬焊溫度下的接頭顯微硬度分布。由圖可知，在1 060～1 100 ℃范圍內(nèi)，從1Cr18Ni9Ti到GH4169，三種接頭顯微硬度都呈現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)，硬度值變化規(guī)律曲線幾乎重合，說(shuō)明它們?nèi)叩拟F縫成分近似(前文的成分分析結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn))；圖中釬縫區(qū)域未出現(xiàn)尖峰值，表明三種接頭的釬縫均由鎳基固溶體組成，未有金屬間化合物相。

圖2 不同釬焊溫度下的釬縫微觀組織

溫度T/℃區(qū)域元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)BSiCrFeNi1060A—0.4526.3015.5538.911060B—4.947.497.0380.541060C7.061.0243.7342.491.401080A—0.4223.0915.2643.961080B—4.708.206.5080.601080C7.481.5543.5042.512.571100A—0.5220.3917.2749.521100B—4.878.297.0179.831100C5.930.9835.1246.8211.16

2.3 剪切強(qiáng)度分析

表4為三種釬焊溫度下的接頭剪切試驗(yàn)結(jié)果，從表4可以看出，三種接頭剪切強(qiáng)度相差不大，1 060 ℃的接頭獲得最大剪切強(qiáng)度為318 MPa。圖4為接頭剪切斷口掃描照片，從圖中可以看出，接頭在斷裂過(guò)程中出現(xiàn)了較大的塑性變形，產(chǎn)生了大量的韌窩，因而其斷裂機(jī)理為韌性斷裂。對(duì)三種接頭斷裂表面進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其Fe含量分別為39.87%(1 060 ℃),35.98%(1 080 ℃),34.28%(1 100 ℃)，根據(jù)Fe含量在接頭的分布規(guī)律，推斷它們的斷裂位置都處于靠近1Cr18Ni9Ti母材的擴(kuò)散區(qū)中。

圖3 不同釬焊溫度下的接頭顯微硬度分布

表4 不同釬焊溫度下接頭剪切強(qiáng)度

圖4 釬焊接頭斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)采用BNi82CrSiB非晶釬料真空釬焊實(shí)現(xiàn)了GH4169與1Cr18Ni9Ti的可靠連接，接頭由釬縫、擴(kuò)散區(qū)、母材三部分組成，釬縫中未發(fā)現(xiàn)金屬間化合物相；隨著溫度升高， Ni逐漸向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散，Si元素并沒(méi)有得到完全的擴(kuò)散，大部分仍然存留在釬縫中。

(2)在1 060～1 100 ℃范圍內(nèi)，從1Cr18Ni9Ti到GH4169一側(cè)，接頭的顯微硬度不斷升高，溫度的變化對(duì)釬縫顯微硬度沒(méi)有明顯影響。

(3)在1 060 ℃釬焊溫度下，接頭獲得最高常溫剪切強(qiáng)度值318 MPa，斷口分析表明其為韌性斷裂，斷裂區(qū)域處于靠近1Cr18Ni9Ti母材的擴(kuò)散區(qū)中。

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2016-11-19

TG454

林志峰，1982年出生，本科，工程師。主要從事液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究制造工作，已發(fā)表文章3篇，已申報(bào)專利2項(xiàng)。