采用BNi-2釬料真空釬焊0Cr18Ni9不銹鋼管材

楊敏旋， 賈振東， 藺曉超， 劉春鳳， 張　杰， 馮　聰

(1. 北京動力機(jī)械研究所，100074 北京； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

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采用BNi-2釬料真空釬焊0Cr18Ni9不銹鋼管材

楊敏旋1， 賈振東1， 藺曉超1， 劉春鳳2， 張杰2， 馮聰2

(1. 北京動力機(jī)械研究所，100074 北京； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

摘要:針對實(shí)際應(yīng)用中常需要獲得異型接頭這一目的，采用BNi82CrSiB(BNi-2)釬料釬焊套接0Cr18Ni9不銹鋼管材，研究了冷卻方式、釬焊溫度、保溫時間和裝配間隙對接頭組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響. 結(jié)果表明：管材套接的特殊結(jié)構(gòu)，填縫間隙對接頭影響較大，當(dāng)間隙過小為5～10 μm時，易出現(xiàn)填縫不足導(dǎo)致無法形成完整接頭，接頭強(qiáng)度下降；但間隙過大為250～300 μm，釬縫中形成大量脆性相并產(chǎn)生微裂紋；冷卻方式對組織影響較小，但15 ℃/min的冷卻速度所得接頭強(qiáng)度較低；釬焊溫度升高或保溫時間延長，最大間隙值增大，母材出現(xiàn)溶蝕，性能影響較小. 釬焊溫度為1 050 ℃，保溫時間為10 min，裝配間隙為20～50 μm，隨爐冷卻所得釬焊接頭顯微組織結(jié)構(gòu)中未出現(xiàn)共晶組織和金屬間化合物，接頭性能最高.

關(guān)鍵詞:0Cr18Ni9管；BNi-2；真空釬焊；顯微組織；力學(xué)性能

不銹鋼釬焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通訊、機(jī)械、能源等領(lǐng)域，如蜂窩結(jié)構(gòu)、火箭發(fā)動機(jī)燃燒室、換熱器等[1]. 經(jīng)長期研究與發(fā)展，不銹鋼釬焊中的諸多問題已基本解決，包括不銹鋼表面氧化膜去除[2]，釬料的潤濕和鋪展[3]，工藝參數(shù)對母材和接頭性能的影響等[4-5]. 其中，0Cr18Ni9鋼作為廣泛使用的奧氏體不銹鋼，具有良好的冷、熱加工性能，良好的低溫強(qiáng)度、抗晶間腐蝕性、耐熱性，良好的可焊性，焊后不易產(chǎn)生刀口狀腐蝕，采用合適的焊接工藝，就容易得到優(yōu)良的焊接接頭. 在眾多釬料中，鎳基釬料通常應(yīng)用在高溫工作的部件的釬焊連接中，其中BNi-2釬料(BNi82CrSiB)有很強(qiáng)的潤濕性和較低的液相溫度，熔化溫度間隔小，具有良好的流動性，與母材的作用較弱，適合釬焊較薄的工件[6-8]. 此外，針對實(shí)際應(yīng)用，常常需要獲得異型接頭，如管材套接接頭等，而這方面的報道不多. 因此，本文選用BNi-2釬料粉末釬焊0Cr18Ni9管材，研究冷卻方式、釬焊溫度、保溫時間和裝配間隙等工藝參數(shù)對釬焊接頭的界面組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，并對接頭進(jìn)行打壓和氣密性試驗(yàn).

1試驗(yàn)

采用0Cr18Ni9不銹鋼管為待接母材，粒度150目的BNi82CrSiB (BNi-2)粉末為釬料，分別將φ15×60 mm2熱軋圓鋼與φ10×1×80 mm3冷拔鋼管、φ15×13 mm2冷軋圓鋼與φ10×1×20 mm3冷拔鋼管套接作為力學(xué)性能和組織試樣見圖1. 釬焊前，將打磨好的待接樣放置在丙酮中超聲波清洗10 min后取出吹干，將內(nèi)管與外管按圖1套接，并將混有粘結(jié)劑的BNi2釬料粉涂抹接口處. 然后將裝配好的待接試樣水平放置在VAF-30型真空釬焊爐中進(jìn)行釬焊. 首先以15 ℃/min升溫至450 ℃，保溫30 min，以使釬料中的粘結(jié)劑完全揮發(fā)，再以20 ℃/min升溫至900 ℃，保溫30 min，使試樣受熱均勻，之后以10 ℃/min的速度升溫至釬焊溫度，保溫要求時間，最后以15C/min速度冷卻或隨爐冷卻，釬焊時的真空度為610-3Pa.

圖1　待接件裝配示意

將釬焊后的組織樣品沿垂直于釬縫面的方向切開，用砂紙打磨平整后使用0.5 μm的金剛石拋光劑拋亮，然后在OLYMPUS PEM-3金相顯微鏡下觀察釬焊接頭形貌，并使用FEI Quanta 200F 型掃描電鏡觀察接頭組織(背散射電子成像)，并采用EDS能譜儀分析接頭各相成分. 利用Instron5569萬能試驗(yàn)機(jī)對套接管材樣品進(jìn)行拉伸測試，分析接頭的力學(xué)性能.

2結(jié)果與分析

2.1冷卻方式對接頭組織結(jié)構(gòu)的影響

釬焊溫度1 050 ℃，保溫10 min，間隙20～50 μm，分別以15 ℃/min冷至400 ℃后隨爐冷和1 050 ℃保溫后直接隨爐冷所得釬焊接頭的界面組織結(jié)構(gòu)相同(見圖2)，均由3個區(qū)域組成：母材擴(kuò)散區(qū)、釬縫界面反應(yīng)區(qū)和釬縫中心等溫凝固區(qū). 母材擴(kuò)散區(qū)由釬料中的B和少量Si 向母材擴(kuò)散而成，其中B原子直徑小，主要表現(xiàn)為晶間滲入，分布在母材晶界處，擴(kuò)散速度快，在整個接頭分布都較均勻；Si原子直徑大，主要表現(xiàn)為晶內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散速度慢，因此該區(qū)域主要為擴(kuò)散原子沿母材晶界的移動與累積[9].

而釬縫界面反應(yīng)區(qū)則由母材向釬料溶解冷卻后生成，主要是固溶體和金屬間化合物. 釬縫區(qū)的EDS分析結(jié)果75Ni，6.70Fe，5.93Cr，12.37Si (at.%)，可知釬縫中心區(qū)是主要由Ni，Cr，Si等互溶而成的Ni基固溶體組織，沒有生成脆性共晶組織或金屬間化合物，說明等溫凝固過程滿足固溶體均勻從界面向釬縫中心區(qū)生長，使整個釬縫區(qū)均由固溶體構(gòu)成，此接頭即微結(jié)構(gòu)觀察角度的“理想接頭”. 由釬焊接頭界面組織結(jié)構(gòu)分析可知兩種冷卻方式均可采用，結(jié)合接頭的性能(2.5中詳述)及設(shè)備利用率，后續(xù)研究均選定隨爐冷卻方式.

(a)15 ℃/min速度冷卻

(b)隨爐冷卻

2.2釬焊溫度對接頭組織結(jié)構(gòu)的影響

圖3為不同釬焊溫度下保溫10 min，裝配間隙20～50 μm釬焊接頭的界面組織照片. 從中可見，當(dāng)釬焊溫度為1 000 ℃時，釬縫中心區(qū)出現(xiàn)大塊狀的金屬間化合物和共晶組織. 這是釬焊溫度過低，不利于釬縫中的低熔點(diǎn)元素向兩側(cè)母材擴(kuò)散造成的，對比圖3中各釬縫兩側(cè)母材中的晶間滲入程度也可證實(shí). 當(dāng)釬焊溫度升至1 020和1 050 ℃時，釬縫中心區(qū)的金屬間化合物和共晶組織逐漸消失.

當(dāng)釬焊溫度升至1 100 ℃時，釬縫中心區(qū)除灰色區(qū)域B外，還出現(xiàn)灰白色帶狀區(qū)域A，見圖3(d). EDS能譜分析顯示，A區(qū)主要元素為Ni，只含少量Cr元素，不含Si元素，B區(qū)則Ni、Cr、Si元素均存在. 這也再次證明釬焊溫度的升高，利于釬縫內(nèi)的元素向母材兩側(cè)擴(kuò)散，即使是只發(fā)生晶內(nèi)擴(kuò)散的Si元素. 同時,隨釬焊溫度升高，母材兩側(cè)向釬料的溶解擴(kuò)散量增大，母材與釬縫界面處易出現(xiàn)溶蝕缺陷，見圖3(d). 而且，當(dāng)釬焊溫度超過1 100 ℃時，母材不銹鋼的晶粒長大劇烈，使母材性能大幅降低. 另外，對比圖3所示不同釬焊溫度下釬縫不出現(xiàn)脆性相的間隙值，即最大間隙值(MBC)，可知釬焊溫度不高于1 020 ℃時，MBC≈20 μm；釬焊溫度為1050 ℃時，MBC≈30 μm；釬焊溫度為1100 ℃時，MBC≈60 μm. 由此可見，隨釬焊溫度升高，最大間隙值增大. 但為避免因釬焊溫度過高引起的母材溶蝕，最終選定釬焊溫度1 050 ℃進(jìn)行其它參數(shù)的試驗(yàn).

(a)1 000 ℃

(c)1 050 ℃

(b)1 020 ℃

(d)1 100 ℃

2.3保溫時間對接頭組織結(jié)構(gòu)的影響

圖4為釬焊溫度1 050 ℃，保溫時間分別為30和60 min，裝配間隙20～50 μm的釬焊接頭界面組織照片. 由圖4和圖3(c)可看出，保溫時間延長引起的釬焊接頭界面組織結(jié)構(gòu)變化趨勢與隨釬焊溫度升高產(chǎn)生的變化趨勢一致. 隨保溫時間延長，釬縫中元素向母材擴(kuò)散量增大，釬縫組織成分更加均勻，最大釬縫間隙增大，當(dāng)保溫時間60 min時，MBC≈70 μm. 然而，這也說明保溫時間延長，母材向釬料溶解量增大，釬縫寬度逐漸增大，最終導(dǎo)致釬縫界面反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生溶蝕.

2.4裝配間隙對接頭組織結(jié)構(gòu)的影響

BNi-2釬料對0Cr18Ni9不銹鋼的填縫能力試驗(yàn)表明其最大填縫間隙可達(dá)1.5 mm，但實(shí)際上釬縫間隙的大小對母材的溶蝕、組織以及接頭性能都有很大影響.

圖5顯示了釬焊溫度1 050 ℃，保溫時間10 min，裝配間隙分別為5～10m和250～300m釬焊接頭顯微組織. 當(dāng)裝配間隙為5～10m時，見圖5(a)和(b)，管的裝配插接需借助外力完成，而在外力作用下引起的裝配間隙不均勻，使得最終無法保證釬料填滿整個間隙. 當(dāng)釬料能較好地填縫時，其釬縫組織結(jié)構(gòu)見圖5(a)，釬縫中心區(qū)由Ni基固溶體組成，接頭組織理想. 但當(dāng)釬料無法填縫時，見圖5(b)，則無法形成致密完整的釬縫，釬縫中擠滿裝配時產(chǎn)生的母材碎屑. 適當(dāng)增大裝配間隙至20～50m時，能形成良好的接頭，如圖3、4所示. 進(jìn)一步增大裝配間隙達(dá)到250～300m時，接頭組織如圖5(c)和(d)所示. 不同于裝配間隙5～10m和20～50m時的釬焊接頭界面組織結(jié)構(gòu)，在裝配間隙為250～300m的接頭中(見圖5(c))，靠近母材處生成連續(xù)相(A)，釬縫中心處生成大量灰白色網(wǎng)狀相(B)和黑色塊狀相(C)，并且在釬縫中出現(xiàn)大量微裂紋，這與金屬間化合物或共晶組織等脆性相在釬縫中形成有關(guān). 結(jié)合Ni-Cr-Si和Ni-Cr-B三元相圖對A、B和C相進(jìn)行EDS能譜分析，結(jié)果見表1，這些相也通常形成于其他不銹鋼接頭中[10]. 由此可見，釬焊過程選擇合理的裝配間隙并控制，對提高釬焊質(zhì)量至關(guān)重要.

(a) 30 min

(b) 60 min

(a)5～10 μm

(c) 250～300 μm

(b) 5～10 μm

(d) 250～300 μm

表1裝配間隙為250～300 μm的接頭內(nèi)不同位置處的元素含量

at.%

2.5釬焊工藝參數(shù)對接頭力學(xué)性能的影響

釬焊接頭的力學(xué)性能與其接頭的界面組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，釬縫中是否僅含固溶體對接頭性能影響很大[11]. 表2列出不同釬焊工藝下所得接頭試樣的抗拉強(qiáng)度，可看出，接頭抗拉強(qiáng)度受焊后冷卻方式、釬焊溫度和保溫時間的影響并不明顯，而且斷裂位置均發(fā)生在兩鋼管連接端部及釬角結(jié)合處，見圖6(b). 這是因?yàn)锽Ni-2釬料與0Cr18Ni9不銹鋼母材的力學(xué)性能不匹配，在釬焊接頭中產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，釬角處應(yīng)力集中且狀態(tài)復(fù)雜，故成為最薄弱環(huán)節(jié)，最終斷裂發(fā)生在此處[12]. 只是當(dāng)釬焊溫度為1 100 ℃和采用小間隙釬焊時，釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度較低. 釬焊接頭抗拉強(qiáng)度與其組織結(jié)構(gòu)變化一致，間隙過小時，接頭中未釬著率較大，且釬縫較薄，加工硬化嚴(yán)重，變形困難，殘余應(yīng)力難以釋放，從而導(dǎo)致接頭抗拉強(qiáng)度減小. 釬焊溫度過高時，一方面接頭界面反應(yīng)區(qū)出現(xiàn)溶蝕缺陷，另一方面在1 100 ℃時母材晶粒發(fā)生長大，性能惡化，從而也導(dǎo)致釬焊接頭抗拉強(qiáng)度降低.

另外，為驗(yàn)證試驗(yàn)件的接頭強(qiáng)度是否滿足實(shí)際需要，對套接管材進(jìn)行打壓和氣密性試驗(yàn). 分別經(jīng)4 MPa水壓和2 MPa氣壓保壓5 min，釬焊接頭均滿足使用強(qiáng)度. 進(jìn)一步對接頭進(jìn)行30 MPa的水壓試驗(yàn)，保壓20 min后發(fā)現(xiàn)釬焊接頭仍完好. 表明各種工藝參數(shù)下的20～50m裝配間隙得到的釬焊接頭強(qiáng)度和密封性均能滿足使用要求. 而250～300m間隙的接頭因?yàn)槲⒘鸭y的存在可能會影響其長期使用性能.

(a) 原始接頭試樣

(b) 斷裂后樣品形貌

冷卻方式釬焊溫度/℃保溫時間/min裝配間隙/μm抗彎強(qiáng)度/MPa15℃/min10501020～501143.5?2.3隨爐冷10501020～501465.4?3.0隨爐冷10001020～501460.3?1.7隨爐冷10201020～501443.4?4.3隨爐冷11001020～501381.1?0.6隨爐冷10503020～501431.6?3.0隨爐冷10506020～501448.5?3.0隨爐冷1050105～101263.2?0.5隨爐冷105010250～3001494.0?1.7

3結(jié)論

1)釬焊溫度升高，有利于釬縫內(nèi)的元素向母材兩側(cè)擴(kuò)散，但釬焊溫度過高達(dá)到1 100 ℃時，易引起母材向釬料大量溶蝕. 保溫時間延長可增大釬縫最大間隙，不至因釬縫過寬產(chǎn)生裂紋，但保溫時間過長易引起母材向釬料的溶蝕. 冷卻速度對接頭組織影響不大.

2)裝配間隙對于管套接接頭的影響較大，當(dāng)間隙小于10 μm時，無法保證釬料充分填滿間隙，裝配間隙大于250 μm時，釬縫內(nèi)出現(xiàn)裂紋和大量脆性相.

3)BNi-2釬焊0Cr18Ni9不銹鋼管最佳工藝：裝配間隙20～50 μm、1 050 ℃保溫10 min隨爐冷卻.

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(編輯王小唯苗秀芝)

Vacuum brazing 0Cr18Ni9 stainless steel pipe to itself with BNi-2 filler alloy

YANG Minxuan1, JIA Zhendong1, LIN Xiaochao1, LIU Chunfeng2, ZHANG Jie2, FENG Cong2

(1. Beijing Power Machinery Institute, 10074 Beijing, China; 2. School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology, 150001 Harbin, China)

Abstract:Focused on the application of special-shaped joints, 0Cr18Ni9 stainless steel pipes were brazed using BNi82CrSiB (BNi-2) as filler alloy to form a bell and spigot joint. Influences of cooling-down velocity, brazing temperature, holding time and fit-up gap on the microstructure and mechanical property of joints were investigated. Results indicated that the fit-up gap had a great effect on the joints due to the special structure of pipe joints, when the width of gap is only 5～10 μm, it is difficult to fill the lap to form a complete joint and the strength of joints is low, but if the gap is too large up to 250～300 μm, large amounts of brittle phases formed in the brazing seam as well as micro-cracks. Cooling velocity almost made no difference on the microstructure, while the joints cooled at 15 ℃/min present lower strength than that furnace cooled. Increasing brazing temperature or prolonging holding time, the maximum gap increases and erosion of the matrix can be observed, but both parameters have few effects on mechanical property. When the two pipes with the fit-up gap of 20～50 μm were brazed at 1 050 ℃ for 10 min and furnace cooled, no eutectic phases and intermetallics appeared in the seam, and the strength of the joint reached the maximum.

Keywords:0Cr18Ni9 pipe; BNi-2; vacuum brazing; microstructure; mechanical property

中圖分類號:TG454

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)05-0184-05

通信作者:劉春鳳，lcfeng@hit.edu.cn.

作者簡介:楊敏旋(1981-)，女，博士，高級工程師;

收稿日期:2015-3-17.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.05.030

張杰(1963-)，女，教授，博士生導(dǎo)師.