Mo 42Re合金焊接工藝研究

陳福鴿，張瑩瑩，董 帝，付立偉，李昕東

(1．安泰科技股份有限公司，北京100081)(2．安泰天龍鎢鉬科技有限公司，天津 301800)

0 引 言

鉬錸合金可以顯著降低純鉬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度、提高再結(jié)晶溫度、室溫延展性和高溫強(qiáng)度。在高溫條件下，與UO2、UN、堿金屬具有較好的相容性[1]。同時因其具有優(yōu)異的譜移吸收性能，可有效降低反應(yīng)堆臨界事故風(fēng)險[2]，因此鉬錸合金在空間堆等核能領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。鉬錸合金有多種制備方法，包括粉末冶金、電弧熔煉和電子束熔煉，其中粉末冶金產(chǎn)品的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)比電弧熔煉或電子束熔煉產(chǎn)品低，且已形成了較成熟的鉬錸合金工業(yè)生產(chǎn)體系，可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[3-4]。同時空間堆、快堆等先進(jìn)核反應(yīng)堆零部件對材料的焊接性能有較高的要求，因此需要深入開展粉冶態(tài)鉬錸合金的焊接工藝研究。

鉬錸合金屬于難熔金屬，其常用焊接方法包括鎢極氬弧焊、真空電子束焊接、激光焊、電阻焊、真空釬焊等方法[5-12]。鎢極氬弧焊是最為常規(guī)的焊接方法，具有焊接方式靈活、效率高、設(shè)備制約小等優(yōu)點(diǎn)，但焊接過程易氧化導(dǎo)致接頭脆化，性能較差；真空電子束焊接因其能量密度高、熱影響區(qū)小、真空保護(hù)條件下避免了C、N、O等對熔池的影響，廣泛應(yīng)用于鉬錸合金材料的焊接，但真空電子束焊接對場地和設(shè)備有較高的要求，在實(shí)際工程應(yīng)用中存在一定的局限性。

本文主要針對粉末冶金方法制備的Mo42Re合金，通過鎢極氬弧焊接和真空電子束焊接兩種焊接方法試驗(yàn)，對比兩種焊縫組織結(jié)構(gòu)的差異性，研究焊接接頭組織變化規(guī)律及接頭力學(xué)性能，揭示了兩種焊接方式的差異性，為鉬錸合金的工程化應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 鉬錸合金制備

采用粉末冶金法制備Mo42Re合金，原料選用鉬粉和高純錸酸銨。鉬粉平均粒徑16 μm，純度99.96%；高純錸酸銨平均粒徑75 μm，純度99.99%。

將鉬粉與高純錸酸銨機(jī)械混合后，氫氣還原成鉬錸合金粉末；粉末通過冷等靜壓壓制成型，壓力為200 MPa。壓坯置于中頻感應(yīng)爐燒結(jié)，燒坯密度為12.27 g/cm3，燒結(jié)后的坯料經(jīng)鍛造變形得到直徑30 mm的棒材。該方法制備的鉬錸合金純度較高，材料密度13.01 g/cm3，致密度達(dá)到了99.9%，其主要化學(xué)成分見表1。棒料經(jīng)機(jī)加工的方式加工成外徑26 mm、壁厚3 mm、長度50 mm的焊接試樣。

表1 Mo42Re合金的化學(xué)成份 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 焊接工藝及檢測

典型的鎢極氬弧焊焊接條件如下：脈沖電流，峰值電流210 A，基值電流70 A，焊接速度1.5 mm/s，焊接過程采用氬氣保護(hù)，焊接方向與鍛造變形方向垂直。典型的真空電子束焊接條件如下：加速電壓60 KV，真空度<2×10-3Pa，焊接束流24 mA，焊接速度20 mm/s，焊接方向與鍛造變形方向垂直。

焊后采用線切割機(jī)對焊縫進(jìn)行切割并制備試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后用于組織分析。借助光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS GX51)、掃描電鏡(Nova Nono Sem 450)等分析測試手段對焊縫組織進(jìn)行檢測，使用電子拉力試驗(yàn)機(jī)(SANS CMT5205)對接頭室溫/高溫拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊縫宏觀表面

圖1為兩種焊縫接頭的宏觀狀態(tài)，鎢極氬弧焊形成的焊縫寬度約5 mm，真空電子束焊接形成的焊縫寬度約2 mm，兩種焊接方式都可以對Mo42Re合金形成有效焊接，焊縫外觀成型較好。采用氦質(zhì)譜儀(ZQJ—3200)檢測焊縫漏率，兩道焊縫都達(dá)到了10-11Pa·m3/s級別(見表2)。

表2 氦質(zhì)譜真空漏率檢測結(jié)果

圖1 焊縫表面

鎢極氬弧焊焊縫寬度較大，呈現(xiàn)明顯的魚鱗紋狀焊縫，表面無氣孔、咬邊、裂紋、氧化等缺陷，表明焊接時當(dāng)氬氣保護(hù)得當(dāng)時，可以避免空氣對焊縫熔池的氧化。同時真空電子束焊接焊縫寬度遠(yuǎn)小于氬弧焊焊縫，說明電子束焊接對母材的影響更小、能量更集中。

2.2 微觀組織

圖2為Mo42Re合金的氬弧焊內(nèi)部金相組織，可以明顯地區(qū)別母材、焊接熱影響區(qū)、熔池區(qū)，焊接深度1.2 mm。母材具有典型鍛造變形特征，由纖維狀流線組織構(gòu)成；熱影響區(qū)晶粒受焊接過程熱量作用，已基本消除了原有的線狀組織形成的織構(gòu)，經(jīng)回復(fù)和再結(jié)晶過程形成較為細(xì)小的等軸晶。在熔池與熱影響區(qū)相交處出現(xiàn)較大的圓形氣孔，最大氣孔尺寸達(dá)到了200 μm左右，主要是因?yàn)樵诤附舆^程中熔池會卷入焊接保護(hù)氣，同時冷態(tài)保護(hù)氣會使得熔池外表面快速冷卻，致使氣孔殘留在熔池內(nèi)部。焊縫區(qū)晶粒呈現(xiàn)粗大柱狀晶，其生長方向垂直熔合線方向，但焊縫區(qū)組織致密、無裂紋。

圖2 Mo42Re合金氬弧焊接頭橫截面金相組織

Mo42Re合金的真空電子束焊接金相組織呈現(xiàn)典型的上寬下窄的釘尖形焊縫，如圖3所示。與氬弧焊相比，真空電子束焊接已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鉬錸管材的全焊透，同時焊縫的熱影響區(qū)小，這主要是因?yàn)殡娮邮附邮吣芰扛?，穿透性更?qiáng)；同時真空條件下的焊接也避免了熔池內(nèi)部較大氣孔的產(chǎn)生。從圖4顯示的焊縫熔池與熱影響區(qū)交界處微觀組織可以看出：晶粒在熔化邊界處有非常明顯的外延生長；兩種焊接方式的晶粒生長方向不相同，氬弧焊晶粒呈現(xiàn)匯流式向焊縫表面生長，而電子束焊晶粒則呈對向式從兩側(cè)母材向焊縫中心線生長。

圖3 Mo42Re真空電子束焊接頭橫截面金相組織

圖4 焊縫熔池與熱影響區(qū)交界處微觀組織

2.3 力學(xué)性能

鎢極氬弧焊焊接方式無法焊透3 mm鉬錸合金管材，有效熔深只有1.2 mm，因此無法完全準(zhǔn)確地對比兩種焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，但為了驗(yàn)證鉬錸合金兩種焊接方式在實(shí)際工程應(yīng)用的可行性，對焊接接頭都進(jìn)行了室溫以及1 200 ℃高溫拉伸強(qiáng)度檢測，測試中所用的橫截面積均為母材試樣尺寸面積，檢測數(shù)據(jù)取平均值，結(jié)果見表3。兩種焊接接頭都斷在焊縫處(見圖5)，氬弧焊接頭的斷后伸長率較低，而真空電子束焊接接頭仍保持一定的斷后伸長率，說明該接頭仍具有一定的塑性，從圖5也可以看出真空電子束焊接接頭斷口有明顯的拉伸頸縮。真空電子束焊接接頭室溫強(qiáng)度只有母材的65.4%，而高溫強(qiáng)度達(dá)到了母材的77.7%。

圖5 接頭拉伸試樣

表3 母材和兩種焊接接頭室溫及高溫力學(xué)性能

為更進(jìn)一步了解接頭拉伸斷裂機(jī)制，使用掃描電鏡觀察兩種焊接方式室溫?cái)嗔呀宇^的組織形貌，如圖6所示。從室溫拉伸斷后試樣斷口中可以看出，兩種焊接方式的斷口形貌差異較大。鎢極氬弧焊接頭斷口分離面平滑、干凈、無微觀塑性變形特征，為明顯的沿晶脆性斷裂，這主要是因?yàn)楹缚p內(nèi)部存在粗大晶導(dǎo)致；真空電子束焊接斷口存在明顯的韌窩花樣，屬于微孔聚集型斷裂，表明該接頭具有較好的塑性。

圖6 室溫拉伸斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)氬弧焊焊接可以實(shí)現(xiàn)Mo42Re合金的有效焊接，但熔池區(qū)域晶粒粗大，韌性較差，無法焊透3 mm厚壁材料，有效熔深只有1.2 mm，同時焊縫內(nèi)部存在較大的球形氣孔。氬弧焊焊接Mo42Re合金獲得的接頭室溫和1 200 ℃高溫抗拉強(qiáng)度分別為440 MPa、150 MPa，分別達(dá)到了母材強(qiáng)度的40%、41.7%，接頭室溫?cái)嗔研问綖檠鼐Т嘈詳嗔选?/p>

(2)真空電子束焊接可以焊透3 mm厚鉬錸合金管材，熔池區(qū)域晶粒較細(xì)、焊縫內(nèi)部無氣孔缺陷并具有較好的強(qiáng)韌性。真空電子束焊接Mo42Re合金獲得的接頭室溫和1 200 ℃高溫抗拉強(qiáng)度分別為720 MPa、280 MPa，分別達(dá)到了母材強(qiáng)度的65.4%、77.7%，接頭室溫?cái)嗔研问綖槲⒖拙奂蛿嗔选?/p>

(3)從焊縫接頭顯微組織結(jié)構(gòu)、熔池深度、力學(xué)性能等多個方面進(jìn)行對比，真空電子束焊接相比于氬弧焊焊接更有利于Mo42Re合金的焊接。