采用BNi82CrSiB釬料釬焊 1Cr12Ni3MoVN不銹鋼的接頭 組織及性能

裴沖 吳欣 程耀永 李文文 李思思 熊華平

摘要：采用BNi82CrSiB（BNi-2）釬料真空釬焊1Cr12Ni3MoVN不銹鋼材料，分析了接頭的組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明：BNi82CrSiB釬料可用于真空釬焊1Cr12Ni3MoVN不銹鋼，采用1 070 ℃/15 min釬焊工藝能夠形成完整接頭;1 070 ℃/15 min釬焊之后增加940 ℃/1 h擴(kuò)散處理，釬縫寬度減少，組織更加均勻，接頭的室溫平均抗拉強(qiáng)度提高至382.0 MPa，較未經(jīng)擴(kuò)散處理接頭強(qiáng)度提升約50%;拉伸試樣斷口呈脆性斷裂特征，斷裂位置為焊縫處。

關(guān)鍵詞：BNi82CrSiB（BNi-2）;1Cr12Ni3MoVN不銹鋼;釬焊;擴(kuò)散處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TG454，TG457.11? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0268-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.31

0 前言

1Cr12Ni3MoVN（S/SJ2）為12%Cr型低碳馬氏體耐熱鋼，是我國(guó)從英國(guó)羅爾斯-羅伊斯公司（羅羅公司）引進(jìn)的材料，該材料主要用于英國(guó)斯貝MK202發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的制造[1]。鋼中加入Mo、V、N等元素，用于提高鋼的高溫性能;加入Ni元素，用于平衡δ-Fe的含量，以避免過(guò)多的鐵素體造成材料韌性下降[2]。該材料具有較好的強(qiáng)度、韌性和抗氧化性能，目前已經(jīng)用于多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓進(jìn)氣匣、導(dǎo)向葉片、壓氣機(jī)盤(pán)、壓氣機(jī)葉片、渦輪等零部件的制造[3]。

如采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接1Cr12Ni3MoVN不銹鋼，焊后不銹鋼的強(qiáng)度與硬度增高，但塑性和韌性會(huì)降低， 加之焊后殘余應(yīng)力與材料本身的淬硬傾向共同作用，容易出現(xiàn)冷裂紋，會(huì)增加焊接難度[4-5]。相較于熔焊方法，如采用釬焊方法焊接1Cr12Ni3MoVN不銹鋼則對(duì)母材的不利影響較小，且焊接過(guò)程造成的應(yīng)力和變形較少，不易產(chǎn)生裂紋，更加適用于精密零部件的焊接。

BNi82CrSiB（BNi-2）釬料為Ni-Cr-Si-B系釬料，在以Si和B為降熔元素的鎳基釬料中，其熔化溫度最低（970～1 000 ℃），可在較低的溫度下進(jìn)行釬焊，且具有較好的釬焊工藝性能，廣泛用于不銹鋼及高溫合金的釬焊[6]。文中采用BNi82CrSiB釬料真空釬焊1Cr12Ni3MoVN不銹鋼材料，研究釬焊及擴(kuò)散處理對(duì)釬焊接頭組織及性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑榘魻?Cr12Ni3MoVN不銹鋼，尺寸為φ14 mm×40 mm，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用的釬料為-150目粉末狀BNi-2，其主要化學(xué)成分及熔化溫度見(jiàn)表2。試驗(yàn)前試樣采用丙酮超聲清洗對(duì)表面進(jìn)行清潔處理。

接頭的金相試樣和力學(xué)性能試樣均為對(duì)接試樣，采用高溫合金箔帶對(duì)試樣進(jìn)行點(diǎn)焊定位。試樣連接穩(wěn)定之后，將釬料粉末放置在試樣上方預(yù)先開(kāi)好的V形槽中，滴加粘結(jié)劑固定。連接時(shí)，釬料粉末熔化并流入縫隙之中形成接頭。

在L1215Ⅱ-1/ZM型真空釬焊爐中進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，釬焊時(shí)的熱態(tài)真空度不低于1.0×10-2 Pa。試樣分為兩組，釬焊制度皆為1 070 ℃/15 min，第一組試樣釬焊后爐冷，第二組試樣釬焊結(jié)束后冷卻到940 ℃，保溫1 h，進(jìn)行擴(kuò)散處理。

2 結(jié)果及討論

2.1 釬焊接頭的組織

兩組試樣采用BNi-2釬料在1 070 ℃/15 min釬焊后接頭焊縫組織在掃描電鏡下的照片如圖1所示，兩組試樣近縫區(qū)處的電鏡照片如圖2所示，對(duì)兩組典型試樣的焊縫及近縫區(qū)各相的能譜分析列于表3。

由圖1可知，兩組試樣都形成了完整接頭，接頭組織致密。焊縫處的主要元素為Ni、Cr、Si，不同區(qū)域的這幾種元素的質(zhì)量比和釬料本身的相關(guān)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近，兩組試樣的釬縫元素及配比沒(méi)有明顯的變化，焊縫處部分元素的分布如圖3、圖4所示。從表3中各相的結(jié)果來(lái)看，B元素含量明顯降低，應(yīng)向母材方向進(jìn)行了擴(kuò)散轉(zhuǎn)移。由圖3中Si元素的分布可知，圖1a中A類(lèi)型區(qū)域中Si元素分布較少，Ni和B元素較多，推測(cè)為Ni-B相。Si元素主要分布在圖1a中B類(lèi)型區(qū)域，且A的邊界處存在Si元素的聚集，在A和圖1b中C區(qū)域形成低Si的相。硅化物較脆，在A邊界形成聚集可能會(huì)造成強(qiáng)度降低。

近縫區(qū)的主要元素為Cr、Fe、Ni、B。圖2中的深灰區(qū)域（E區(qū)、G區(qū)）的B元素含量明顯高于母材中B的含量，此部分應(yīng)為母材和釬料元素相互擴(kuò)散之后形成的B元素的聚集區(qū)域。B的原子半徑小，擴(kuò)散速度快，且作為降熔元素，其在BNi82CrSiB釬料中的含量較高，母材中應(yīng)有適合作為B元素快速擴(kuò)散通道的晶界，因此在圖2a中E區(qū)和圖2b中G區(qū)的含量較高[8-9]。同時(shí)，該部分的Cr元素含量也有提升，應(yīng)為與焊縫釬料相互擴(kuò)散所致。圖2中的淺灰區(qū)域（F區(qū)、H區(qū)），Ni元素的含量稍高于母材中的含量，應(yīng)為釬料中充足的Ni元素?cái)U(kuò)散造成的。

從圖1可知，1 070 ℃/15 min工藝釬焊的接頭釬焊縫較1 070 ℃/15 min+940 ℃/1h的釬焊縫更寬一些，前者寬度約為190μm，后者寬度約為145μm。經(jīng)過(guò)擴(kuò)散處理，釬料和母材間元素?cái)U(kuò)散程度更大，焊縫處組織更加均勻，圖2中經(jīng)過(guò)擴(kuò)散處理的接頭近縫區(qū)位置釬縫和母材的擴(kuò)散反應(yīng)區(qū)較未經(jīng)擴(kuò)散處理的接頭更寬。釬焊后增加了擴(kuò)散處理步驟，釬縫中主要元素分布產(chǎn)生了變化，形態(tài)也有所改變，擴(kuò)散前圖1a中A區(qū)域的相呈不規(guī)則的長(zhǎng)條狀分布，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散處理聚集形成了圖1b中C區(qū)域所示的大塊狀分布，該區(qū)域邊界的Si元素聚集現(xiàn)象有所緩解，Si在其他區(qū)域分布更加均勻。近縫區(qū)處的各相經(jīng)過(guò)擴(kuò)散處理，元素含量及形態(tài)無(wú)明顯變化[10]。

2.2 力學(xué)性能

釬焊后的試樣根據(jù)金屬力學(xué)性能試樣圖冊(cè)（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：Q/6S 977-2004）[11]機(jī)械加工成M2504-S020標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，如圖5所示。根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際使用情況，測(cè)試了接頭室溫條件下的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，采用1 070 ℃/15 min工藝釬焊的試樣經(jīng)過(guò)940 ℃/1 h擴(kuò)散處理之后，接頭的力學(xué)性能明顯提升，平均值提升127.3 MPa，較未做擴(kuò)散處理的接頭提升約為50%，這與上文中釬焊接頭組織分析結(jié)果一致。

2.3 斷口分析

1 070 ℃/15 min+940 ℃/1 h工藝試樣的拉伸斷口形貌如圖6所示。拉伸試樣的斷口處平直，與軸線(xiàn)幾乎成90°，為脆性斷裂特征。觀(guān)察斷口截面可知，接頭斷裂位置為焊縫中央附近，如圖7所示。對(duì)圖8所示的斷口位置，局部進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表5所示。通過(guò)比對(duì)斷口處幾個(gè)區(qū)域的主要元素，推斷接頭的斷裂路徑應(yīng)是穿過(guò)了焊縫的圖1b所示的C類(lèi)型區(qū)域。

3 結(jié)論

（1）BNi82CrSiB（BNi-2）釬料適用于真空釬焊1Cr12Ni3MoVN不銹鋼，能夠形成完整接頭。

（2）在1 070 ℃/15 min釬焊工藝之后增加940 ℃/

1 h擴(kuò)散處理，釬縫寬度減小，內(nèi)部組織更加致密均勻，近縫區(qū)的組織無(wú)明顯變化。

（3）在1 070℃/15 min釬焊工藝后增加940 ℃/

1 h擴(kuò)散處理，使接頭的平均室溫抗拉強(qiáng)度提高至382.0 MPa，較無(wú)擴(kuò)散處理提升約50%，但是這種條件下，拉伸后試樣斷口仍然呈脆性斷裂特征，斷裂位置為焊縫處。

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Microstructures and mechanical properties of

brazing 1Cr12Ni3MoVN stainless steel joints with BNi82CrSiB filler metal

PEI Chong， WU Xin， CHENG Yaoyong， LI Wenwen， LI Sisi， XIONG Huaping

（Welding and Plastic Forming Research Institute， Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095，China）

Abstract： In this study， the brazing experiments of 1Cr12Ni3MoVN stainless steel were carried out using BNi82CrSiB （i.e. BNi-2） filler metal. Microstructure and mechanical property of the brazed joints were analyzed. The results revealed that sound joints could be obtained by using BNi-2 filler metal brazed at brazing temperature of 1 070 ℃ for 15 min. The diffusion treatment at temperature of 940 ℃ for 1h after brazing at 1 070 ℃ could decrease the width of seam and refine the microstructure. After diffusion treatment， the average tensile strength of the joint was obviously increased up to 382.0MPa， but the tensile specimen still exhibited brittle fracture mode and the fracture occurred in the brazing seam.

Keywords： BNi82CrSiB（BNi-2） filler metal; 1Cr12Ni3MoVN stainless steel; brazing; diffusion treatment