高能噴丸對純鎳焊接接頭組織性能的影響

高鵬

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安710055）

高能噴丸對純鎳焊接接頭組織性能的影響

高鵬

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安710055）

利用高能噴丸技術(shù)對純鎳焊接接頭進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，并采用X射線衍射儀、金相顯微鏡、顯微硬度計和激光共聚掃描電鏡對處理試樣的晶粒尺寸、殘余應(yīng)力、微觀組織、微觀硬度、表面粗糙度進(jìn)行了對比分析，同時用箱式電阻爐進(jìn)行了高溫退火實(shí)驗(yàn)，分析了退火對噴丸試樣與原始試樣的微觀組織和殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：噴丸試樣的晶粒尺寸明顯變小，處理30min試樣焊縫區(qū)表層的平均晶粒尺寸可以達(dá)到30nm；噴丸強(qiáng)化處理使得焊接接頭表層組織硬度增加；噴丸強(qiáng)化后，焊接接頭產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，噴丸30min試樣焊縫區(qū)表層殘余壓應(yīng)力為160MPa，60min則為303MPa；在高溫退火條件下，30min處理試樣焊縫區(qū)表層有20MPa的拉應(yīng)力，60min處理試樣有23MPa拉應(yīng)力，原始樣退火后則為50MPa,表面強(qiáng)化對退火后表面拉應(yīng)力有釋放的作用。

純鎳；焊接接頭；高能噴丸；組織；性能

在焊接的過程中，焊接技術(shù)本身的加熱和迅速冷卻還有焊接材料的不同，這些都會使焊接接頭組織及性能受影響，這也使焊接接頭變成易損傷區(qū)。近年，很多學(xué)者對焊接接頭進(jìn)行研究，考慮如何實(shí)現(xiàn)焊接接頭組織的均勻化，以及焊接接頭強(qiáng)度、硬度等性能的提高。對金屬進(jìn)行表面強(qiáng)化，如表面自納米化技術(shù)，可以提高材料組織性能。焊接接頭表面自納米化技術(shù)主要方法有：表面機(jī)械研磨處理（SMAT）、超音速微粒轟擊（SFPB）、高能噴丸（HESP）超聲沖擊、激光沖擊改性等。

高能噴丸是利用直徑小于15mm的剛性丸粒，在高頻作用下從各個方向撞擊材料表面，使得材料表面產(chǎn)生劇烈的塑性變形，發(fā)生位錯增殖、湮滅等過程，得到細(xì)小晶粒，但是表面層與基體的成分一樣，結(jié)合性很好，從而提高了材料的整體服役性能。與SMAT等方法相比，高能噴丸的成本更低，同時可以產(chǎn)生顯著的效果，是一種良好的加工工藝。

純鎳是在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的用途，特別是在很多高溫、高壓、強(qiáng)酸的環(huán)境下，例如堿蒸發(fā)器。通過對純鎳N6焊接接頭進(jìn)行高能噴丸處理，通過高能噴丸處理，從顯微組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力等方面，研究表面強(qiáng)化對純鎳焊接接頭組織性能的影響，同時模擬高溫環(huán)境，對其進(jìn)行高溫退火實(shí)驗(yàn)。這些對在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中提高純鎳焊接接頭壽命有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取尺寸為100.0mm×100.0mm×6.0mm的純鎳N6焊接接頭，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%） Ni+Co≥ 99.50，0.1Fe，0.1Mg，0.15Si，0.03S。在處理前對試樣進(jìn)行除銹、去油、磨邊等處理。彈丸為鑄鋼丸，直徑為3.0mm，噴丸壓力為0.4MPa。本實(shí)驗(yàn)采用單面噴丸，分別進(jìn)行15、30、60分鐘高能噴丸處理。

對處理后的試樣，沿橫截面選取金相試樣，腐蝕劑為金相腐蝕液由硝酸、冰醋酸、蒸餾水配制而成,其體積比為38：100：10,進(jìn)行金相觀察。

采用Bruker-D8X射線衍射儀分別對30min試樣焊縫表面和未處理試樣焊縫表面的晶粒尺寸進(jìn)行測試。所用的靶材為CuKα，掃描的角度為20o～90°，掃描角度為6o/min。

最后對噴丸30min，60min試樣在箱式爐分別進(jìn)行800℃高溫退火實(shí)驗(yàn)，模擬高溫環(huán)境，觀察退火后組織和殘余應(yīng)力的變化。

2 結(jié)果和分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1.1表面納米化純鎳焊接接頭的顯微組織

通過對表面納米化純鎳焊接接頭的橫截面積微觀組織的觀察，可以看到鎳的顯微組織、晶粒大小等。對純鎳焊接接頭，焊縫是最薄弱的地方，由于受熱影響最嚴(yán)重，焊縫處的晶粒也是最大的。高能噴丸30min試樣焊縫區(qū)熱影響區(qū)的顯微組織，表層有劇烈的變形層，且與基體的晶粒比較，要細(xì)小很多。

2.1.2 表面納米化純鎳焊接接頭焊縫的晶粒尺寸

經(jīng)過高能噴丸處理可以實(shí)現(xiàn)純鎳焊接接頭的表面納米化，可以通過XRD的半峰寬化效應(yīng)分析。實(shí)驗(yàn)后成像可以看出未處理試樣和經(jīng)過30min處理試樣焊縫的XRD圖譜，通過對比，30min處理后的試樣半峰寬有明顯的變大，由布拉格方程可知，晶粒的尺寸變小了，可得30min試樣焊縫表層平均晶粒為30nm,說明高能噴丸強(qiáng)化使材料表面發(fā)生劇烈塑性變形，產(chǎn)生大量位錯，表層晶粒發(fā)生細(xì)化,同時也說明純鎳是一種比較軟的材料，晶粒容易被加工細(xì)化。

2.2 力學(xué)性能特征參數(shù)

2.2.1 表面納米化純鎳焊接接頭焊縫的宏觀殘余應(yīng)力

對于工件而言，表面強(qiáng)化產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力對裂紋的萌生和擴(kuò)展有阻礙作用，同時可以改變裂紋的位置以及個數(shù)，可以提高工件的力學(xué)性能（表1）。

由表2可知，在退火之后，高能噴丸誘導(dǎo)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力逐漸全部釋放，但與與原始試樣相比，在高溫退火條件下，原始試樣退火后測得為50MPa的拉應(yīng)力，30min處理的試樣變成20MPa的拉應(yīng)力，60min處理試樣變成23MPa的拉應(yīng)力，可得到在高溫條件下，高能噴丸處理可以起到釋放表層拉應(yīng)力的作用。

表1 不同時間HESP處理后焊縫表層殘余應(yīng)力變化

表2 30、60分鐘退火后殘余應(yīng)力變化

2.2.2 表面納米化對純鎳焊接接頭的硬度

經(jīng)過高能噴丸處理后，試樣表面產(chǎn)生了劇烈的塑性變形，在試樣的表面層形成了劇烈變形層，過渡區(qū)以及基體組織。噴丸后試樣表層的顯微硬度也會大大增加，用401MVD維氏顯微硬度測量儀對純鎳焊接接頭表面加工處理后樣品沿厚度方向硬度進(jìn)行了測量。

如表3、4和5所示，隨著噴丸時間的延長，焊縫、熱影響區(qū)以及與其相連的母材金屬的硬度均有了明顯的提高。噴丸處理后接頭顯微硬度的增高也是晶粒細(xì)化的結(jié)果。通過計算，與母材相比，焊縫、熱影響區(qū)部位硬度提高更為明顯，經(jīng)過高能噴丸處理30分鐘，焊縫區(qū)域的顯微硬度提高了37.7%，熱影響區(qū)提高了10.8%，母材提高了6.3%；處理60分鐘的試樣，焊縫區(qū)域的顯微硬度提高了13.13%，熱影響區(qū)提高了22.12%，母材提高了16%；隨著高能噴丸處理時間的增加，焊接接頭表面硬度也隨之增加。這對于改善焊接接頭的力學(xué)性能有積極的作用。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用高能噴丸的表面強(qiáng)化方法，對純鎳焊接接頭進(jìn)行表面加工處理。經(jīng)過上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出如下的結(jié)論：（1）高能噴丸處理后的材料表層發(fā)生劇烈塑性變形，隨著沖擊時間的增加，試樣的塑性變形量逐漸增大。由于晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，純鎳中位錯組織的演變占主導(dǎo)作用，位錯大量產(chǎn)生，晶粒明顯細(xì)化，高能噴丸處理30分鐘的試樣焊縫區(qū)表面變形層的平均晶粒尺寸達(dá)到30nm。隨著沖擊時間的增加，試樣的塑性變形量逐漸增大。（2）高能噴丸后焊接接頭表面形成塑性變形層，與原始材料相比處理后表面組織硬度提高，HESP處理后焊接組織焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度比母材提高的更明顯。（3）高能噴丸后焊接接頭表面具有一定厚度的殘余壓應(yīng)力場，處理30分鐘的試樣焊縫表面殘余壓應(yīng)力為160MPa，處理60分鐘的試樣則為303MPa；在高溫環(huán)境下高能噴丸處理產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力會不斷釋放，但是對退火后表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力有釋放作用，由原始樣的50MPa拉應(yīng)力變成處理30分鐘的20MPa和處理60分鐘的23MPa；高能噴丸處理后的試樣表層在高溫下可以保持組織的穩(wěn)定，晶粒沒有明顯變大。

表3 未經(jīng)HESP處理表面硬度沿厚度方向變化

表4 HESP處理30分鐘后表面硬度沿厚度方向變化

表5 HESP處理60分鐘后表面硬度沿厚度方向變化

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TG407；TG668

A

1671-0711（2016）11（上）-0124-02