316L分層實(shí)體擴(kuò)散焊接頭微觀組織與力學(xué)性能分析

于改革，陳永東，彭小敏，姚志燕，劉孝根，霍中雪，韓冰川

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

擴(kuò)散焊熱交換設(shè)備(DCHE)在高溫高壓、深冷高壓等苛刻條件下表現(xiàn)出良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于海洋平臺(tái)油氣處理、浮式天然氣液化/氣化裝置等海洋工程領(lǐng)域，并且在四代核能、太陽能發(fā)電領(lǐng)域、微化工領(lǐng)域、氫能領(lǐng)域、艦船余熱利用中呈現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。近些年，阿法拉伐公司、日本神鋼、美國VPE等陸續(xù)推出擴(kuò)散焊熱交換設(shè)備產(chǎn)品，但英國Heatric公司對(duì)擴(kuò)散焊熱交換設(shè)備具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)是大量擴(kuò)散焊熱交換設(shè)備數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[6-14]，以及復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)耦合效應(yīng)，而涉及擴(kuò)散焊熱交換設(shè)備產(chǎn)品核心的真空擴(kuò)散焊研究報(bào)道[15-16]極少。

為擴(kuò)散焊熱交換設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)監(jiān)督管理，國外也陸續(xù)誕生了關(guān)于擴(kuò)散焊技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條款：ASME Code Case 2437-1,ASME Code Case 2621-1,ASME Ⅷ-1 的強(qiáng)制性附錄42以及ASME Ⅸ，但這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范僅制定了擴(kuò)散焊工藝規(guī)程、擴(kuò)散焊工藝評(píng)定框架性要求。國內(nèi)尚無關(guān)于擴(kuò)散焊的要求的標(biāo)準(zhǔn)。

按照ASME規(guī)范中擴(kuò)散焊相關(guān)規(guī)定，對(duì)316L薄板材及316L分層實(shí)體擴(kuò)散焊接頭，開展-196,20,600 ℃力學(xué)性能試驗(yàn)及微觀組織研究，分析不同溫度下其抗拉強(qiáng)度與微觀組織的關(guān)系，為擴(kuò)散焊換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 分層實(shí)體擴(kuò)散焊接頭制備

分層實(shí)體擴(kuò)散焊試件由150層雙面鏡面316L薄板材在真空擴(kuò)散焊爐中制成。316L不銹鋼薄板材的化學(xué)成分見表1。擴(kuò)散焊板材規(guī)格為200 mm(長)×200 mm(寬),單層厚度1.5 mm。采用的擴(kuò)散焊工藝參數(shù)為：溫度1 050 ℃，加載壓力10 MPa，保溫時(shí)間約120 min，真空度10-3Pa。按照ASME規(guī)范要求，對(duì)分層實(shí)體擴(kuò)散焊接頭拉伸試驗(yàn)垂直方向取樣3件，平行方向取樣3件。擴(kuò)散焊接頭試件及取樣如圖1所示。

圖1 316L分層實(shí)體擴(kuò)散焊接頭

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

分層實(shí)體擴(kuò)散焊的力學(xué)性能試驗(yàn)與傳統(tǒng)擴(kuò)散焊對(duì)接接頭性能試驗(yàn)不同[17-18]，其包含多個(gè)擴(kuò)散焊界面，更貼近擴(kuò)散焊熱交換設(shè)備產(chǎn)品特性。-196 ℃試樣擴(kuò)散焊接頭拉伸試驗(yàn)包含44層擴(kuò)散焊界面，20 ℃和600 ℃拉伸試驗(yàn)包含123層擴(kuò)散焊界面。

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 -196 ℃擴(kuò)散焊接頭拉伸試驗(yàn)

-196 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試樣如圖2所示，其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，擴(kuò)散焊接頭抗拉強(qiáng)度值均低于母材，擴(kuò)散焊接頭平行方向抗拉強(qiáng)度值略大于擴(kuò)散焊接頭垂直方向抗拉強(qiáng)度；擴(kuò)散焊接頭平行方向抗拉強(qiáng)度(平均值)為母材的99%，擴(kuò)散焊接頭垂直方向抗拉強(qiáng)度(平均值)為母材的95%。

圖2 -196 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試樣Fig.2 Thin plate and mechanical properties specimen of diffusion bonded joints at -196 ℃

圖3 -196 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of mechanical properties of thin plates and diffusion bonded joints at -196 ℃

2.1.2 20 ℃擴(kuò)散焊接頭拉伸試驗(yàn)

20 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試樣如圖4所示,其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖4 20 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試樣Fig.4 Thin plate and mechanical properties specimen of diffusion bonded joints at 20 ℃

從圖5可以看出，20 ℃擴(kuò)散焊接頭抗拉強(qiáng)度值均低于母材，高于標(biāo)準(zhǔn)(常溫下抗拉強(qiáng)度490 MPa)要求；擴(kuò)散焊接頭平行方向抗拉強(qiáng)度值略大于擴(kuò)散焊接頭垂直方向抗拉強(qiáng)度；擴(kuò)散焊接頭平行方向抗拉強(qiáng)度(平均值)為母材的94%，擴(kuò)散焊接頭垂直方向抗拉強(qiáng)度(平均值)為母材的90%。

圖5 20 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of mechanical properties of thin plates and diffusion bonded joints at 20 ℃

2.1.3 600 ℃擴(kuò)散焊接頭拉伸試驗(yàn)

600 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試樣如圖6所示,其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖6 600 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試樣Fig.6 Thin plate and mechanical properties specimen of diffusion bonded joints at 600 ℃

圖7 600 ℃薄板材及擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of mechanical properties of thin plates and diffusion bonded joints at 600 ℃

從圖7可看出，擴(kuò)散焊接頭平行方向抗拉強(qiáng)度值大于母材，擴(kuò)散焊接頭垂直方向抗拉強(qiáng)度值略小于母材；擴(kuò)散焊接頭平行方向抗拉強(qiáng)度值大于擴(kuò)散焊接頭垂直方向抗拉強(qiáng)度；擴(kuò)散焊接頭平行方向抗拉強(qiáng)度(平均值)為母材的104%，擴(kuò)散焊接頭垂直方向抗拉強(qiáng)度(平均值)為母材的96%。

2.2 彎曲試驗(yàn)

分層實(shí)體擴(kuò)散焊接頭是有多層薄板構(gòu)成的多層擴(kuò)散焊界面，與傳統(tǒng)焊接接頭不同，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中暫無取樣和試驗(yàn)方法。參照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，試件厚度6 mm，彎心直徑24 mm,分別對(duì)垂直于擴(kuò)散焊界面和平行于擴(kuò)散焊界面方向進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，均無肉眼可見裂紋。

(a)垂直于擴(kuò)散焊界面

(b)平行于擴(kuò)散焊界面圖8 擴(kuò)散焊接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Bending test results of diffusion bonded joints

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與國外對(duì)比

國內(nèi)(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，簡稱HGMRI公司)與Heatric公司試驗(yàn)數(shù)據(jù)[19]進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。

圖9 擴(kuò)散焊接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果Fig.9 Comparative analysis results of the tensile strength of diffusion bonded joints

從圖9可以看出，國內(nèi)(HGMRI公司)無論是母材還是擴(kuò)散焊(DB)接頭，其力學(xué)性能數(shù)據(jù)均低于國外公司，這主要源于試驗(yàn)所采用的原材料不同，但均高于ASME規(guī)定(490 MPa)要求。從擴(kuò)散焊接頭抗拉強(qiáng)度相對(duì)于母材強(qiáng)度分析可以看出，國內(nèi)(HGMRI公司)垂直于擴(kuò)散焊界面接頭抗拉強(qiáng)度約為母材強(qiáng)度的90.3%，平行于擴(kuò)散焊界面接頭強(qiáng)度約為母材強(qiáng)度的94.0%，高于Heatric公司垂直于擴(kuò)散焊界面接頭和平行于擴(kuò)散焊界面接頭相對(duì)于母材強(qiáng)度的數(shù)值(88.7%和93.4%)。

3 微觀組織分析

3.1 光學(xué)金相

擴(kuò)散焊接頭為典型的奧氏體金相組織，經(jīng)過擴(kuò)散焊后，其組織與母材的原始組織相比未見明顯的增大，如圖10所示。從擴(kuò)散焊熔合界面可清晰看到跨界生成的新晶粒，形成有連續(xù)平滑且封閉的晶界。從擴(kuò)散熔合區(qū)域可以看到晶界已經(jīng)發(fā)生明顯的遷移，幾乎看不到原始晶界在熔合線上分布。

(a)316L薄板材原始組織 (b)擴(kuò)散焊接頭組織

3.2 斷口微觀組織

3.2.1 -196 ℃擴(kuò)散焊接頭斷口分析

-196 ℃擴(kuò)散焊接頭拉伸斷口形貌見圖11。整體上斷口還是以韌性斷裂為主，由剪切唇、放射區(qū)和纖維區(qū)組成；平行方向放射區(qū)比例較垂直方向大，且斷口較為平整，韌性斷裂的占比較垂直方向低。進(jìn)一步放大分析，兩者放射區(qū)形貌均為等軸韌窩形貌，韌窩底部有少許第二相粒子，平行方向的韌窩尺寸更小、更淺，斷口表面更加凹凸不平，犬牙交錯(cuò)，韌窩底部存在大量的第二相粒子。

(a)垂直于擴(kuò)散焊界面接頭

(b)平行于擴(kuò)散焊界面接頭圖11 -196 ℃擴(kuò)散焊接頭斷口形貌Fig.11 Fracture morphology of diffusion bonded joint at -196 ℃

3.2.2 20 ℃擴(kuò)散焊接頭斷口分析

20 ℃擴(kuò)散焊接頭拉伸斷口形貌見圖12?？梢钥闯?，擴(kuò)散焊接頭垂直方向與平行方向的斷口形貌，整體上斷口還是以韌性斷裂為主，由剪切唇、放射區(qū)和纖維區(qū)組成，但放射區(qū)不明顯；以等軸韌窩形貌為主，平行方向除了頸縮大外，放射區(qū)和纖維區(qū)的組織差異不大；兩者放射區(qū)等軸韌窩較為均勻，底部幾無第二相粒子，纖維區(qū)的大韌窩附近聚集著小韌窩，并且小韌窩底部幾乎均存在第二相粒子。

(a)垂直于擴(kuò)散焊界面接頭

(b)平行于擴(kuò)散焊界面接頭圖12 20 ℃擴(kuò)散焊接頭斷口形貌Fig.12 Fracture morphology of diffusion bonded joint at 20 ℃

3.2.3 600 ℃擴(kuò)散焊接頭斷口分析

600 ℃擴(kuò)散焊接頭拉伸斷口形貌見圖13。可以看出，兩擴(kuò)散焊接頭斷口形貌以杯錐形的韌性斷裂為主；頸縮小，無明顯的放射區(qū)，纖維區(qū)表面凹凸不平，犬牙交錯(cuò)，有明顯的溝壑和山丘。放大觀察，指形拋物線韌窩形貌，存在剪切型韌性斷裂；纖維區(qū)韌窩的水線可以看到韌窩大且深，底部幾乎無第二相粒子。

(a)垂直于擴(kuò)散焊接頭

(b)平行于擴(kuò)散焊接頭圖13 600 ℃擴(kuò)散焊接頭斷口形貌Fig.13 Fracture morphology of diffusion bonded joint at 600 ℃

對(duì)196,20,600 ℃三種溫度下的擴(kuò)散焊接頭拉伸斷口形貌進(jìn)行比較分析可得出：3種溫度下均以韌性斷裂為主，隨著溫度的升高，纖維區(qū)比例變高，韌窩的尺寸與深度變大；低溫(-196 ℃)與常溫(20 ℃)的拉伸斷口形貌以正拉應(yīng)力的等軸韌窩為主，高溫(600 ℃)為指形拋物線韌窩形貌；平行于擴(kuò)散焊界面的縮頸比垂直于擴(kuò)散焊界面方向大，因而韌性較好；隨著溫度的升高，第二相粒子的數(shù)量明顯減少，因而低溫下的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)高于常溫和高溫。

4 結(jié)論

(1)隨著溫度升高，母材及擴(kuò)散焊接頭抗拉強(qiáng)度逐漸下降；不同溫度下擴(kuò)散焊接頭抗拉強(qiáng)度數(shù)值均高于母材強(qiáng)度的90%；不同溫度下，垂直于擴(kuò)散焊界面焊接接頭強(qiáng)度低于平行于擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度。

(2)擴(kuò)散焊接頭界面處為典型的奧氏體金相顯微結(jié)構(gòu)，其成分與母材的化學(xué)成分、組織與母材的原始組織相比未見明顯的增大。

(3)擴(kuò)散焊熔合界面跨界生成新晶粒，形成有連續(xù)平滑且封閉的晶界。熔合區(qū)域晶界已經(jīng)發(fā)生明顯的遷移，熔合線上無原始晶界分布。

(4)隨著溫度的升高，斷口形貌中纖維區(qū)比例變高，韌窩的尺寸與深度變大，第二相粒子的數(shù)量明顯減少。

隨著國內(nèi)核能、氫能、光熱/煤基發(fā)電、艦船余熱利用領(lǐng)域?qū)U(kuò)散焊換熱器需求日益增長，擴(kuò)散焊材料應(yīng)進(jìn)一步拓展至雙相不銹鋼(S31803)、鈦材(TA2,TA1)、鎳基合金等，而不能局限于奧氏體不銹鋼(304/304L,316/316L)；并且要逐步形成分層實(shí)體擴(kuò)散焊接頭無損檢測(cè)方法及合格評(píng)定準(zhǔn)則；積累擴(kuò)散焊接頭高溫蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，建立擴(kuò)散焊工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫及輔助專家系統(tǒng)。