焊后熱處理對SIMP鋼瞬時液相擴散連接接頭組織與力學性能的影響

劉毅輝，李 報，陳思杰，丁光柱，李世會

(1.中國電建集團河南工程公司，鄭州 450000；2.河南理工大學材料科學與工程學院，焦作 454000)

0 引 言

加速器驅動次臨界系統(tǒng)(ADS)具有固有安全性，在嬗變核廢料、增殖核燃料等領域具有良好的應用前景。目前，研發(fā)ADS裝置面臨的主要瓶頸問題之一是材料[1]。不同于現(xiàn)有的核能系統(tǒng)，ADS裝置中材料的服役工況非常苛刻，現(xiàn)有的成熟材料不能滿足要求，必須尋找或者研發(fā)新材料以適應其需求[2]。由中科院沈陽金屬所與蘭州近代物理所聯(lián)合研制的SIMP馬氏體耐熱鋼具有良好的導熱性能與抗輻照性能、較低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的耐液態(tài)金屬腐蝕性能，被認為是ADS裝置首選結構材料[2-3]。該鋼由于合金元素含量高，淬硬性較大，因此焊接難度大，易產(chǎn)生焊接冷裂紋[4]；當采用傳統(tǒng)的非熔化極惰性氣體保護(TIG)和熔化極惰性氣體保護(MIG)焊接時，由于熱輸入較大，在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫及熱影響區(qū)晶粒長大，因此焊接接頭的硬度升高，沖擊韌度下降，殘余應力較大[5]。瞬時液相(TLP)擴散連接技術采用感應加熱方式，具有加熱溫度低、溫度場均勻、殘余熱應力較小等優(yōu)點，并且所得焊縫的成分和組織與母材相近，接頭力學性能較好，因此在先進材料焊接領域具有良好的應用前景[6-8]。SIMP鋼在開放環(huán)境下TLP擴散連接時通常冷卻速率較大，會形成馬氏體組織，因此需要進行焊后熱處理以改善接頭的組織和性能。焊后熱處理保溫時間對新型高鉻鐵素體耐熱鋼焊接接頭的焊縫組織形態(tài)、拉伸性能以及沉淀相的分布和尺寸等的影響較大。隨著保溫時間的延長，馬氏體板條尺寸逐漸增大，位錯密度降低，組織發(fā)生再結晶；同時強度逐漸增大，但受組織回復與再結晶的影響，增長速率逐漸降低[9-11]。目前，有關SIMP鋼管TLP擴散連接的研究大多集中在連接溫度、壓力、保溫時間等主要工藝參數(shù)方面，有關焊后熱處理對接頭組織和力學性能的影響報道尚少。為此，作者采用TLP擴散連接技術對SIMP鋼管進行焊接，并對焊接接頭進行了熱處理，研究了焊后熱處理對接頭組織和力學性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為規(guī)格φ60 mm×10 mm的SIMP鋼管，化學成分見表1，其組織主要為回火馬氏體，如圖1所示。焊接時的中間層材料為Fe78Si9B13和BNi2非晶合金箔帶，熔點在1 090～1 120 ℃，厚度在30～40 μm。在SIMP鋼管上取管狀試樣，管口端面精車，將中間層材料剪成管壁厚度大小，用丙酮、無水乙醇清洗試樣端面和中間層材料并吹干。將中間層材料放在待焊試樣端面，在開放式TLP-A型擴散焊機上于氬氣保護下進行TLP擴散連接，采用中頻感應加熱，三溫工藝(包括加熱、等溫凝固和均勻化)。加熱溫度為1 265 ℃，保溫時間為40 s，壓力為4 MPa；均勻化溫度為1 100 ℃，時間為4 min，壓力為3 MPa；等溫凝固工藝參數(shù)見表2。TLP擴散連接結束，接頭冷卻后，在擴散焊機上進行1 060 ℃原位正火處理，時間為4 min，然后在SX2-12-11G型箱式電阻加熱爐中進行(780±3) ℃回火處理，保溫時間為120 min，爐冷至300 ℃取出空冷[12]。

表1 SIMP鋼管的化學成分(質量分數(shù))

圖1 SIMP鋼管的顯微組織Fig.1 Microstructure of SIMP steel tube

表2 TLP擴散連接等溫凝固工藝參數(shù)

沿鋼管軸向、垂直于焊縫截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)磨制、拋光，用由5 g FeCl3、50 mL HCl和100 mL H2O組成的混合溶液腐蝕約5 s后，使用GX51型光學顯微鏡觀察顯微組織。使用MH-5型顯微硬度計測試顯微硬度，載荷為4.9 N，加載時間為5 s，測試點位于焊縫中心線上，每個試樣各測5個點取平均值。在熱處理前后的鋼管上截取尺寸為10 mm×10 mm×100 mm的拉伸試樣和V型缺口小尺寸沖擊試樣，按照GB/T 2651-2008，在IIC-MST-200型萬能力學試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min-1；按照GB/T 229-2007，采用JBN-300型夏比擺錘沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗。采用JSM-7500F型掃描電鏡觀察拉伸斷口微觀形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由于TLP擴散連接等溫凝固溫度高達1 2301 240 ℃，焊接過程中SIMP鋼中的奧氏體晶粒發(fā)生明顯長大，并且鉻、釩等元素的存在提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性和淬透性，因此冷卻后焊縫兩側熱影響區(qū)得到了粗大板條狀馬氏體+殘余奧氏體組織，如圖2(a)所示，焊縫界面呈直線狀。焊態(tài)(熱處理前)接頭熱影響區(qū)中析出較多碳化物，尺寸較大且在晶界偏聚。焊態(tài)接頭的連接界面較明顯，當承受高溫、高壓作用時容易成為裂紋源，因此有必要對接頭進行熱處理。由圖2(b)可以看出：熱處理后的焊縫界面由焊態(tài)時的直線狀變成曲線狀，界面結合面積增加；焊縫兩側熱影響區(qū)組織仍為馬氏體組織，但相對焊態(tài)組織發(fā)生細化，這是因為在高溫回火過程中，馬氏體析出細小碳化物，形成了均勻的回火馬氏體組織。

圖2 熱處理前后2#接頭的顯微組織Fig.2 Microstructure of 2# joint before (a) and after (b)heat treatment

2.2 力學性能

由圖3可以看出，熱處理后TLP擴散連接接頭焊縫的顯微硬度比熱處理前的降低了約35%。熱影響區(qū)的硬度變化同焊縫。SIMP鋼含有較多強碳化物合金元素，馬氏體開始轉變溫度Ms在350～400 ℃，淬硬傾向較大。焊態(tài)接頭焊縫中的板條狀馬氏體比母材中的粗大，粗大馬氏體組織硬且脆，因此顯微硬度較高。焊后回火熱處理消除了接頭原粗大奧氏體晶界，組織轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體，這有助于消除組織應力[6]；而且基體中起到固溶強化作用的硅、鎳、硼等元素析出，M23C6碳化物長大，彌散程度降低，根據(jù)Orowan機制，顯微硬度降低。

圖3 不同TLP擴散連接接頭焊縫熱處理前后的顯微硬度Fig.3 Microhardness of weld in different TLP diffusion bondedjoints before and after heat treatment

由圖4可以看出，熱處理后1#接頭、2#接頭和3#接頭的抗拉強度相比于焊態(tài)均有所降低。SIMP鋼淬硬傾向大，焊態(tài)下馬氏體中合金元素過飽和，內部產(chǎn)生密度較高的位錯；在應力作用下位錯纏結，阻礙了位錯運動，導致抗拉強度較大。經(jīng)熱處理后，馬氏體分解為回火馬氏體，內部應力消除，組織較均勻，因此抗拉強度有所降低，但仍保持在700 MPa以上。不同等溫凝固工藝參數(shù)下的TLP擴散連接接頭經(jīng)熱處理后的抗拉強度差別不大，可見焊后熱處理可擴大等溫凝固工藝參數(shù)范圍，降低工藝參數(shù)對接頭性能的影響。

圖4 不同TLP擴散連接接頭熱處理前后的抗拉強度Fig.4 Tensile strength of different TLP diffusion bonded jointsbefore and after heat treatment

材料的韌性指標反映了材料在進行塑性變形時抵抗脆性破壞的能力。SIMP鋼應用時長期受到高溫、高壓和輻照等作用，因此其焊接接頭應具有一定的韌性儲備。根據(jù)GB 5310-2008，高壓鍋爐用無縫鋼管的缺口沖擊吸收能量AKV應不小于40 J。由圖5可以看出：焊態(tài)接頭的沖擊吸收能量極低，最大僅為9.4 J，低于標準要求；熱處理后接頭的沖擊吸收能量大大增加，且均大于40 J，滿足標準要求。

圖5 不同TLP擴散連接接頭熱處理前后的沖擊吸收能量Fig.5 Impact absorption energy of different TLP diffusion bondedjoints before and after heat treatment

2.3 拉伸斷口形貌

如圖6所示：焊態(tài)接頭試樣拉伸時在焊縫處發(fā)生斷裂，宏觀斷口較平齊，為典型的脆性斷裂；熱處理后接頭試樣拉伸時在距離焊縫30 mm的母材處發(fā)生斷裂，斷裂時有明顯的頸縮現(xiàn)象。

圖6 熱處理前后2#接頭試樣的拉伸斷裂宏觀形貌Fig.6 Tensile fracture macromorphology of 2# joint specimensbefore and after heat treatment

由圖7可以看出：熱處理后接頭拉伸斷口以細小等軸韌窩為主，同時還存在若干直徑較大、深度較深的等軸韌窩，細小韌窩的直徑約為1.5 μm，大韌窩的直徑約為3 μm；韌窩內壁有明顯蛇形塑性滑移線，這表明在外力作用下，韌窩在形成過程中發(fā)生了塑性變形。

圖7 熱處理后2#接頭試樣的拉伸斷口微觀形貌Fig.7 Micromorphology of tensile fracture of 2# joint specimen after heat treatment: (a) fracture morphology and (b) partial enlarged morphology

3 結 論

(1) 焊后熱處理后，不同等溫凝固工藝參數(shù)下TLP擴散連接SIMP鋼接頭熱影響區(qū)顯微組織均由焊態(tài)時的粗大馬氏體轉變?yōu)榧毿【鶆虻幕鼗瘃R氏體；焊縫界面由焊態(tài)時的直線狀變成曲線狀，界面結合面積增加。

(2) 焊后熱處理后，接頭的抗拉強度和顯微硬度均略有降低，但韌性得到提高；熱處理后接頭沖擊吸收能量由焊態(tài)時的不高于9.4 J提高到40 J以上，抗拉強度仍在700 MPa以上，拉伸斷裂形式由脆性斷裂向韌性斷裂轉變，綜合力學性能較好。