銀過(guò)渡層對(duì)鋼/鈮激光焊接頭組織及性能的影響

(1.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司 工程技術(shù)研究院，成都 610017)

0 序 言

現(xiàn)代飛機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)性能，如飛行速度、升限、航程、裝載能力等，在很大程度上依賴于先進(jìn)的高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，因此，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比對(duì)改善飛機(jī)性能意義重大[1]。

不銹鋼具有強(qiáng)度高、塑形和耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的諸多部件[2-3]。鈮合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性和高溫耐蝕性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是非常有發(fā)展前途的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料[4]。用鈮合金局部代替不銹鋼，可以提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度、減輕其重量，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的推重比，滿足新一代飛機(jī)對(duì)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。

用鈮合金部分取代不銹鋼，必然要涉及到鈮合金與不銹鋼的連接問(wèn)題。已有研究結(jié)果表明，鐵-鈮金屬間化合物的生成是降低接頭強(qiáng)度的主要原因，其中Fe2Nb降低接頭強(qiáng)度的作用最顯著[5]。目前主要采用爆炸焊、熔釬焊、釬焊等方法焊接不銹鋼與鈮合金。但是采用釬焊和熔釬焊焊接不銹鋼與鈮合金，普遍存在接頭強(qiáng)度低的問(wèn)題[5-9]。而采用爆炸焊焊接不銹鋼與鈮合金，雖然可以得到高強(qiáng)度的焊接接頭，但是該方法只能夠焊接大面積層狀金屬?gòu)?fù)合材料，無(wú)法焊接對(duì)接等接頭形式的構(gòu)件，存在接頭形式單一的問(wèn)題[10-11]。激光焊具有熱輸入小、焊接能量和加熱位置精確可控等特點(diǎn)，非常適合鋼與鈮等活潑金屬的連接[12-15]。因此，大力發(fā)展不銹鋼/鈮合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的激光焊接技術(shù)，可以促進(jìn)其在飛機(jī)制造業(yè)中的推廣應(yīng)用，對(duì)于提升國(guó)內(nèi)先進(jìn)飛行器的整體制造水平具有重要意義。

文中擬以鋼/鈮激光焊為研究對(duì)象，探討銀過(guò)渡層對(duì)接頭組織及性能的影響規(guī)律，為鋼/鈮異種金屬的焊接提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用母材為純鈮和304不銹鋼。 過(guò)渡層材料選用純銀。 母材被線切割成50 mm×25 mm×2 mm的平板，過(guò)渡層材料被線切割為50 mm×2 mm×(1，0.8，0.6，0.4，0.2)mm的薄片。在焊接前，先用砂紙打磨試樣表面以去除表面氧化膜和油污，再用脫脂棉分別蘸取丙酮和酒精清洗試件表面，確保材料表面清潔沒(méi)有污染。 將過(guò)渡層預(yù)置于鋼/鈮對(duì)接面處進(jìn)行焊接，激光束作用于過(guò)渡層中心線上。焊接參數(shù)為：激光功率P=2 kW，焊接速度v=1.2 m/min，離焦量△f=0。焊接過(guò)程使用氬氣作為保護(hù)氣體，前保護(hù)氣流量Q1為15 L/min，背保護(hù)氣流量Q2為15 L/min。

焊后采用線切割截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后采用鈮合金腐蝕液(HNO3∶HF=1∶3)進(jìn)行腐蝕。 腐蝕好的試樣用掃描電鏡、能譜儀等分析測(cè)試手段對(duì)焊縫組織進(jìn)行分析。 采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，室溫抗拉強(qiáng)度測(cè)試的加載速度為2 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 銀過(guò)渡層對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

采用1 mm厚度的銀過(guò)渡層進(jìn)行了鋼與鈮的激光焊接試驗(yàn)，焊后接頭表面形貌如圖1所示。從圖中可以看出采用銀過(guò)渡層的焊縫成形良好，無(wú)表面成形缺陷產(chǎn)生。上述試驗(yàn)結(jié)果表明銀可以作為連接鋼與鈮的候選過(guò)渡層材料。

圖1 添加銀過(guò)渡層的接頭表面形貌

使用1 mm厚度的銀作為中間層的焊縫顯微組織如圖2所示。 表1為圖2中A,B相的能譜分析結(jié)果。從圖2可以看出，采用銀作為中間層的焊縫顯微組織是由基體相A和彌散分布在其上的相B組成。由能譜分析結(jié)果可知相A和相B都是銀晶體。表明焊縫主要是由銀組成，銀層有效阻隔了鐵、鈮原子之間發(fā)生互擴(kuò)散，因而阻止了鐵-鈮金屬間化合物的生成，實(shí)現(xiàn)了鋼和鈮的連接。此外，銀的塑性和韌性很好，可以通過(guò)塑性變形使接頭的應(yīng)力得到松弛，也有利于接頭強(qiáng)度的提高。

圖2 使用銀作為中間層的焊縫顯微組織

打點(diǎn)位置FeAgCrNiCu可能相A0100000AgB0100000Ag

2.2 銀過(guò)渡層厚度對(duì)接頭組織和力學(xué)性能的影響

圖3為銀過(guò)渡層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律?？梢钥闯?，接頭強(qiáng)度隨著銀過(guò)渡層厚度的增大而增大，當(dāng)銀過(guò)渡層厚度為1 mm時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到198 MPa，表明銀過(guò)渡層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度有重要影響。

圖3 銀層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

使用不同厚度銀過(guò)渡層的焊縫顯微組織如圖4所示。圖4中各個(gè)相的能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2。使用0.2 mm厚度銀過(guò)渡層的焊縫顯微組織是由基體相A和分布在其上的相B組成(圖4a)。結(jié)合能譜分析結(jié)果(表2)可知相A是奧氏體γ相，相B是Fe2Nb。因?yàn)殂y過(guò)渡層厚度僅有0.2 mm，所以對(duì)鐵、鈮原子互擴(kuò)散的阻礙作用十分微弱，鐵、鈮原子可以通過(guò)互擴(kuò)散充分混合。隨著溫度降低，將首先從液相中析出奧氏體，當(dāng)奧氏體中的鈮含量超過(guò)其固溶度極限時(shí)，就會(huì)自?shī)W氏體中脫溶析出Fe2Nb。因?yàn)镕e2Nb是硬脆相，所以當(dāng)焊縫組織中出現(xiàn)Fe2Nb時(shí)，接頭強(qiáng)度很低。

當(dāng)銀過(guò)渡層厚度由0.2 mm增加到0.4 mm時(shí)，焊縫顯微組織是由基體相C組成(圖4b)。結(jié)合能譜分析結(jié)果(表2)可知相C是銀基固溶體.當(dāng)銀過(guò)渡層厚度為0.4 mm時(shí)，焊縫金屬主要是由銀組成，因?yàn)殍F的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于鈮，所以焊縫中也含有少量的鐵，而鈮由于熔點(diǎn)很高，因而在焊縫中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鈮。由鐵-銀相圖可知[15]，盡管鐵和銅之間不形成金屬間化合物，但是二者之間互溶度極低，因此在快速冷卻條件下鐵來(lái)不及析出，就會(huì)形成銀基過(guò)飽和固溶體。因?yàn)榛w相是軟韌的銀基固溶體，所以接頭強(qiáng)度較高。

表2 特征區(qū)元素含量(原子分?jǐn)?shù),%)

隨著銀過(guò)渡層厚度進(jìn)一步增加，可以獲得和圖4b相似的顯微組織(圖4c,4d,4e)。它們之間的主要差異是隨著銀層厚度的增加，顯微組織中鐵含量減少。這主要是因?yàn)殡S著銀層厚度增加，對(duì)鐵、鈮原子互擴(kuò)散的阻礙作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致焊縫中的鐵含量減少。

圖4 使用不同厚度銀過(guò)渡層焊縫的顯微組織

3 結(jié) 論

(1)采用純銀作為過(guò)渡層材料焊接鋼與鈮，可以實(shí)現(xiàn)鋼與鈮的連接，焊后接頭表面成形良好，無(wú)成形缺陷產(chǎn)生。

(2)隨著銀過(guò)渡層厚度增加，銀過(guò)渡層對(duì)于Fe2Nb形成的阻礙作用增強(qiáng)，接頭強(qiáng)度也隨之提高，當(dāng)銀過(guò)渡層厚度為1 mm時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到198 MPa。Fe2Nb的生成是降低接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

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