Super304H奥氏体耐热钢摩擦焊焊接接头的显微组织和力学性能

鲁 元 柯 杨 旭 吕 恒 王若虹 丁 勇(西安特种设备检验检测院 西安 710065)

Super304H奥氏体耐热钢摩擦焊焊接接头的显微组织和力学性能

本文利用连续驱动摩擦焊技术焊接Super304H奥氏体耐热钢钢管，对钢管焊接接头的微观组织和力学性能进行了实验和分析。研究表明：因为摩擦焊焊接过程中产生的动态再结晶作用，焊接接头的焊合区宽度较窄，组织主要为细小的等轴状奥氏体晶粒；热影响区奥氏体晶粒发生明显长大，焊接接头析出相主要有Cr23C6和NbC。Super304H焊接接头焊合区的力学性能优于热影响区，拉伸试样的断裂位置位于热影响区。

Super304H 摩擦焊 显微组织 力学性能

随着全球环境污染和温室效应问题逐渐被各国重视，我国也相应的提出了节能减排的发展战略，强调经济发展和环境保护相协调的可持续发展战略。为了满足节能减排和保护环境的需要，发展高效能的超临界、超超临界蒸汽参数的蒸汽循环发电机组是重要的发展趋势。通过增加蒸汽参数，可以大大改善和提高发电机组的发电效率，为了保障蒸汽参数提高的工况下机组的长周期安全可靠的运行，必须研发与高蒸汽参数发电机组相适应的高温耐热钢材[1,2]。超超临界机组使用的钢材要有优良的抗氧化、耐腐蚀和较高的持久强度，奥氏体耐热钢是应用在超超临界机组过热器和再热器高温段的唯一用钢。日本为了满足超超临界机组的需要，以18-8奥氏体耐热钢为基础，开发了Super304H (10Cr18Ni9NbCu3BN)奥氏体耐热钢，因为添加Cu、Nb、N的固溶强化和细化晶粒作用，Super304H奥氏体耐热钢的抗氧化性能、持久强度性能以及经济性都大大超过了传统的TP347奥氏体耐热钢，因此Super304H奥氏体耐热钢在超临界机组和超超临界机组等大容量电站锅炉领域具有广泛的应用前景[3-5]。

连续驱动摩擦焊是在压力下，利用被焊工件接触面的相互摩擦产生的摩擦热，使被焊接面金属达到热塑化状态，通过金属间的扩散和再结晶实现连接的一种焊接方法。连续驱动摩擦焊技术是目前世界各国着力推广应用的先进固态连接技术，通过扭矩和热、压力的综合冶金作用，焊接接头焊合区组织致密、晶粒细化、夹杂物弥散分布，因此连续驱动摩擦焊焊接接头的微观组织和力学性能优良。与传统的熔焊工艺相比，有以下优点，焊接过程全部自动化，焊接成本低，焊接过程无污染，不需要焊材，焊接接头达到锻制质量。目前，连续驱动摩擦焊技术已广泛应用到石油化工、航空航天、汽车工业等方面[6,7]。

本文作者利用连续驱动摩擦焊技术焊接Super304H奥氏体耐热钢钢管，对钢管焊接接头的微观组织和力学性能进行了初步的分析，为Super304H摩擦焊焊接技术的进一步研究和应用提供了参考。

1 实验

试验用Super304H钢管是由日本住友公司生产，供货状态为固溶处理，规格为φ48mm×9mm。钢管表面质量良好。化学成分见表1。

表1 Super304H奥氏体耐热钢的成分

使用连续驱动摩擦焊机C320进行摩擦焊焊接，焊接参数为：一级加压阶段，转速为1200r/min，摩擦压力为20MPa，摩擦时间为3s；二级加压阶段，转速为1200r/min，摩擦压力为50MPa，摩擦变形量为3mm；顶锻阶段，顶锻压力为100MPa, 顶锻时间为4s。为了消除焊接接头的焊接残余应力，进行焊后热处理，加热温度960 ℃，保温时间2h。焊接接头经外观检查和X射线无损检验，没有发现裂纹存在。利用RGM-4300电子万能材料试验机进行拉伸强度和弯曲实验，拉伸和弯曲试样加工尺寸参考 (NB/ T 47016—2011 承压设备产品焊接试件的力学性能检验)[8]，拉伸试样加工尺寸如图1所示，制备拉伸试样6个，取平均值，制备面弯和背弯试样各2个。利用GL-JBDW-300C冲击试验机进行冲击韧性实验，冲击试样加工尺寸参考图2 (GB/T 229—2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法)[9]，焊接接头焊合区、热影响区和母材区各取3个标准试样为一组，取平均值。利用数显显微硬度计MHVD-1000APS测量试样的显微硬度(试验力范围200gf，实验载荷200g，加载时间15s)，每个部位测量硬度6个点，取平均值。制备金相试样，试样抛光后，用王水进行腐蚀，利用光学显微镜XJP6A观察金相组织，利用D/max-34X射线衍射仪确定相组成，利用JSM-6390A型扫描电子显微镜观察试样的断口形貌。

图1 拉伸试样加工尺寸

图2 冲击试样加工尺寸

2 结果与讨论

2.1 Super304H焊接接头的成分和显微组织

●2.1.1 成分分析

图3是Super304H奥氏体耐热钢焊接接头试样XRD相成分分析图谱。从其衍射峰来看，特征峰为γ-Fe，Cr23C6和NbC。所以Super304H钢焊接接头的基体组织主要为单一的γ-Fe，析出相主要为Cr23C6和NbC。

图3 Super304H焊接接头X射线衍射图谱

● 2.1.2 显微组织

Super304H奥氏体耐热钢摩擦焊焊接接头的微观组织见图4，Super304H钢焊接过程中，焊合区产生粘合、体积塑形粘滞和剪切撕裂行为，导致奥氏体晶粒发生变形，动态再结晶驱动力和晶格畸变能增大。因为热塑性变形温度降低，再结晶晶粒单位体积自由能随之降低，产生大量均匀的再结晶形核，导致焊合区以动态再结晶的细晶组织为主，因此，动态再结晶的细化晶粒效果明显。利用氩弧焊焊接的Super304H钢的焊缝组织为典型的胞状树枝晶形态，晶粒粗大。与传统氩弧焊焊接接头的焊缝组织相比，摩擦焊焊接接头的焊合区组织以细小的奥氏体等轴晶为主，焊合区宽度较窄，因此摩擦焊焊接接头的焊合区具有优良的微观组织。因为Super304H奥氏体耐热钢摩擦焊焊接工艺属于固相焊接，焊合区未发生焊材和局部母材金属熔化，摩擦焊焊接过程中靠近焊合区的热影响区的热输入远远小于氩弧焊靠近熔合区的热影响区的热输入。所以，摩擦焊热影响区宽度远远小于氩弧焊热影响区宽度，此外，摩擦焊热影响区的晶粒长大趋势没有氩弧焊热影响区的晶粒长大趋势明显，晶粒尺寸相对较小，所以，摩擦焊热影响区的微观组织良好。

图4 Super304H摩擦焊焊接接头显微组织

2.2 Super304H焊接接头的力学性能

● 2.2.1弯曲和拉伸性能

Super304H钢摩擦焊焊接接头的拉伸性能见表2，拉伸试样的断口形貌见图5。Super304H奥氏体耐热钢摩擦焊焊接接头拉伸试样断裂位置为焊接接头热影响区，拉伸试样断口呈典型的韧性断口特征，断口呈现细密的韧窝结构，韧窝尺寸大小不一，韧窝内可观察到颗粒状的析出相，虽然焊接接头热影响区的拉伸强度略微低于母材区，但是焊接接头的抗拉强度高于Super304H钢规定的最小抗拉强度值，根据参考文献数据Super304H母材Rp0.2≥235MPa，Rm≥590MPa[10]。所以，Super304H钢摩擦焊焊接接头的力学性能满足工程使用要求。制备的面弯和背弯试样，进行弯曲试验后，弯曲试样的表面良好，没有发现裂纹，因此符合使用要求。

图5 Super304H摩擦焊焊接接头拉伸试样的断口形貌

● 2.2.2 冲击性能

Super304H奥氏体耐热钢摩擦焊焊接接头各区域的冲击性能见表2，冲击试样的断口形貌见图6。Super304H奥氏体耐热钢摩擦焊焊接接头各区域冲击试样的宏观断口都呈现延性纤维撕裂状，具有明显的撕裂形态。焊合区和母材区细小的奥氏体晶粒组织有利于提高焊合区和母材区的冲击韧性，焊合区和母材区冲击试样的断口形貌是以小韧窝为主的形态，断裂方式以韧窝断裂为主，韧窝的边界为胞状晶界撕裂棱，韧窝的底部有颗粒状的析出相，奥氏体晶界上有明显的撕裂棱，奥氏体晶粒之间的裂纹扩展路线复杂，因此裂纹扩展遇到的阻力较大，因此焊合区和母材区具有优良的冲击韧性，热影响区断口形貌的韧窝尺寸较大，断口较平整，所以冲击韧性低于焊合区和母材区。热影响区冲击试样的断口形貌主要是韧窝断裂为主，局部为解离断裂，韧窝大而浅，韧窝底部密集地分布着大量的析出物，撕裂棱凸起明显不如母材区和焊合区的明显。因为热影响区奥氏体晶粒的长大作用，热影响区的冲击韧性低于焊合区和母材区。

表2 Super304H奥氏体耐热钢焊接接头的力学性能

图6 Super304H摩擦焊焊接接头冲击试样的断口形貌

●2.2.3 显微硬度

Super304H奥氏体耐热钢摩擦焊焊接接头各区域的显微硬度见表2，因为热影响区的奥氏体晶粒尺寸和过饱和度较大，所以焊接接头热影响区的显微硬度最高。因为焊合区位错密度和晶格畸变能较大，所以焊接接头焊合区也有较高的显微硬度。

Super304H手工钨极氩弧焊焊接接头的力学性能见表2[11]，Super304H摩擦焊焊接接头的拉伸强度和冲击韧性比Super304H手工钨极氩弧焊略高，因为原材料Super304H钢不一样，所以会对焊接接头的力学性能有一定的影响，但是由于Super304H摩擦焊焊接接头和Super304H手工钨极氩弧焊焊接接头的焊接原理和微观组织有很大区别，所以判断Super304H摩擦焊焊接接头和Super304H手工钨极氩弧焊焊接接头的性能优劣还需要大量的实验工作去验证。

3 结论

本文利用连续驱动摩擦焊工艺制备性能优良的Super304H奥氏体耐热钢焊接接头。焊接接头焊合区宽度较窄，奥氏体晶粒尺寸细小，有利于改善焊合区的力学性能。焊接接头拉伸试样的断裂位置位于热影响区，拉伸强度近似母材强度，焊接接头的各项力学性能满足使用要求。

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Microstructure and Mechanical Properties of Friction Welded Super304H Austenitic Stainless Joints

Lu Yuan Yun Ke Yang Xu Lv Heng Wang Ruohong Ding Yong
（Xi'an Special Equipment Inspection Institute Xi'an 710065）

In this paper, Super304H austenitic stainless were welded by friction welding process. Mechanical properties and microstructural features of Super304H joints were investigated. The friction welded joint of Super304H austenitic stainless exhibited good mechanical and metallurgical properties. Because of dynamic recrystallization at the interface of the joint, the width of weld zone which is composed of fine austenitic grains was narrow. In the heat affected zone, the austenitic grains grow up with precipitates of Cr23C6 and NbC. The weld zone exhibited better mechanical properties than the heat affected zone’s. In the tensile specimen, the failure occurred at the heat affected zone.

Super304H Friction welding Microstructure Mechanical properties

X959

B

1673-257X(2015)12-0026-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.12.005

鲁元（1980～),男, 博士,高级工程师，副主任,从事特种设备科研工作。

2015-06-18）