焊后热处理对SIMP钢瞬时液相扩散连接接头组织与力学性能的影响

刘毅辉，李 报，陈思杰，丁光柱，李世会

(1.中国电建集团河南工程公司，郑州 450000；2.河南理工大学材料科学与工程学院，焦作 454000)

0 引 言

加速器驱动次临界系统(ADS)具有固有安全性，在嬗变核废料、增殖核燃料等领域具有良好的应用前景。目前，研发ADS装置面临的主要瓶颈问题之一是材料[1]。不同于现有的核能系统，ADS装置中材料的服役工况非常苛刻，现有的成熟材料不能满足要求，必须寻找或者研发新材料以适应其需求[2]。由中科院沈阳金属所与兰州近代物理所联合研制的SIMP马氏体耐热钢具有良好的导热性能与抗辐照性能、较低的热膨胀系数和优异的耐液态金属腐蚀性能，被认为是ADS装置首选结构材料[2-3]。该钢由于合金元素含量高，淬硬性较大，因此焊接难度大，易产生焊接冷裂纹[4]；当采用传统的非熔化极惰性气体保护(TIG)和熔化极惰性气体保护(MIG)焊接时，由于热输入较大，在焊接热循环的作用下，焊缝及热影响区晶粒长大，因此焊接接头的硬度升高，冲击韧度下降，残余应力较大[5]。瞬时液相(TLP)扩散连接技术采用感应加热方式，具有加热温度低、温度场均匀、残余热应力较小等优点，并且所得焊缝的成分和组织与母材相近，接头力学性能较好，因此在先进材料焊接领域具有良好的应用前景[6-8]。SIMP钢在开放环境下TLP扩散连接时通常冷却速率较大，会形成马氏体组织，因此需要进行焊后热处理以改善接头的组织和性能。焊后热处理保温时间对新型高铬铁素体耐热钢焊接接头的焊缝组织形态、拉伸性能以及沉淀相的分布和尺寸等的影响较大。随着保温时间的延长，马氏体板条尺寸逐渐增大，位错密度降低，组织发生再结晶；同时强度逐渐增大，但受组织回复与再结晶的影响，增长速率逐渐降低[9-11]。目前，有关SIMP钢管TLP扩散连接的研究大多集中在连接温度、压力、保温时间等主要工艺参数方面，有关焊后热处理对接头组织和力学性能的影响报道尚少。为此，作者采用TLP扩散连接技术对SIMP钢管进行焊接，并对焊接接头进行了热处理，研究了焊后热处理对接头组织和力学性能的影响。

1 试样制备与试验方法

试验材料为规格φ60 mm×10 mm的SIMP钢管，化学成分见表1，其组织主要为回火马氏体，如图1所示。焊接时的中间层材料为Fe78Si9B13和BNi2非晶合金箔带，熔点在1 090～1 120 ℃，厚度在30～40 μm。在SIMP钢管上取管状试样，管口端面精车，将中间层材料剪成管壁厚度大小，用丙酮、无水乙醇清洗试样端面和中间层材料并吹干。将中间层材料放在待焊试样端面，在开放式TLP-A型扩散焊机上于氩气保护下进行TLP扩散连接，采用中频感应加热，三温工艺(包括加热、等温凝固和均匀化)。加热温度为1 265 ℃，保温时间为40 s，压力为4 MPa；均匀化温度为1 100 ℃，时间为4 min，压力为3 MPa；等温凝固工艺参数见表2。TLP扩散连接结束，接头冷却后，在扩散焊机上进行1 060 ℃原位正火处理，时间为4 min，然后在SX2-12-11G型箱式电阻加热炉中进行(780±3) ℃回火处理，保温时间为120 min，炉冷至300 ℃取出空冷[12]。

表1 SIMP钢管的化学成分(质量分数)

图1 SIMP钢管的显微组织Fig.1 Microstructure of SIMP steel tube

表2 TLP扩散连接等温凝固工艺参数

沿钢管轴向、垂直于焊缝截取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的金相试样，经磨制、抛光，用由5 g FeCl3、50 mL HCl和100 mL H2O组成的混合溶液腐蚀约5 s后，使用GX51型光学显微镜观察显微组织。使用MH-5型显微硬度计测试显微硬度，载荷为4.9 N，加载时间为5 s，测试点位于焊缝中心线上，每个试样各测5个点取平均值。在热处理前后的钢管上截取尺寸为10 mm×10 mm×100 mm的拉伸试样和V型缺口小尺寸冲击试样，按照GB/T 2651-2008，在IIC-MST-200型万能力学试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为1 mm·min-1；按照GB/T 229-2007，采用JBN-300型夏比摆锤冲击试验机进行室温冲击试验。采用JSM-7500F型扫描电镜观察拉伸断口微观形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由于TLP扩散连接等温凝固温度高达1 2301 240 ℃，焊接过程中SIMP钢中的奥氏体晶粒发生明显长大，并且铬、钒等元素的存在提高了过冷奥氏体的稳定性和淬透性，因此冷却后焊缝两侧热影响区得到了粗大板条状马氏体+残余奥氏体组织，如图2(a)所示，焊缝界面呈直线状。焊态(热处理前)接头热影响区中析出较多碳化物，尺寸较大且在晶界偏聚。焊态接头的连接界面较明显，当承受高温、高压作用时容易成为裂纹源，因此有必要对接头进行热处理。由图2(b)可以看出：热处理后的焊缝界面由焊态时的直线状变成曲线状，界面结合面积增加；焊缝两侧热影响区组织仍为马氏体组织，但相对焊态组织发生细化，这是因为在高温回火过程中，马氏体析出细小碳化物，形成了均匀的回火马氏体组织。

图2 热处理前后2#接头的显微组织Fig.2 Microstructure of 2# joint before (a) and after (b)heat treatment

2.2 力学性能

由图3可以看出，热处理后TLP扩散连接接头焊缝的显微硬度比热处理前的降低了约35%。热影响区的硬度变化同焊缝。SIMP钢含有较多强碳化物合金元素，马氏体开始转变温度Ms在350～400 ℃，淬硬倾向较大。焊态接头焊缝中的板条状马氏体比母材中的粗大，粗大马氏体组织硬且脆，因此显微硬度较高。焊后回火热处理消除了接头原粗大奥氏体晶界，组织转变为回火马氏体，这有助于消除组织应力[6]；而且基体中起到固溶强化作用的硅、镍、硼等元素析出，M23C6碳化物长大，弥散程度降低，根据Orowan机制，显微硬度降低。

图3 不同TLP扩散连接接头焊缝热处理前后的显微硬度Fig.3 Microhardness of weld in different TLP diffusion bondedjoints before and after heat treatment

由图4可以看出，热处理后1#接头、2#接头和3#接头的抗拉强度相比于焊态均有所降低。SIMP钢淬硬倾向大，焊态下马氏体中合金元素过饱和，内部产生密度较高的位错；在应力作用下位错缠结，阻碍了位错运动，导致抗拉强度较大。经热处理后，马氏体分解为回火马氏体，内部应力消除，组织较均匀，因此抗拉强度有所降低，但仍保持在700 MPa以上。不同等温凝固工艺参数下的TLP扩散连接接头经热处理后的抗拉强度差别不大，可见焊后热处理可扩大等温凝固工艺参数范围，降低工艺参数对接头性能的影响。

图4 不同TLP扩散连接接头热处理前后的抗拉强度Fig.4 Tensile strength of different TLP diffusion bonded jointsbefore and after heat treatment

材料的韧性指标反映了材料在进行塑性变形时抵抗脆性破坏的能力。SIMP钢应用时长期受到高温、高压和辐照等作用，因此其焊接接头应具有一定的韧性储备。根据GB 5310-2008，高压锅炉用无缝钢管的缺口冲击吸收能量AKV应不小于40 J。由图5可以看出：焊态接头的冲击吸收能量极低，最大仅为9.4 J，低于标准要求；热处理后接头的冲击吸收能量大大增加，且均大于40 J，满足标准要求。

图5 不同TLP扩散连接接头热处理前后的冲击吸收能量Fig.5 Impact absorption energy of different TLP diffusion bondedjoints before and after heat treatment

2.3 拉伸断口形貌

如图6所示：焊态接头试样拉伸时在焊缝处发生断裂，宏观断口较平齐，为典型的脆性断裂；热处理后接头试样拉伸时在距离焊缝30 mm的母材处发生断裂，断裂时有明显的颈缩现象。

图6 热处理前后2#接头试样的拉伸断裂宏观形貌Fig.6 Tensile fracture macromorphology of 2# joint specimensbefore and after heat treatment

由图7可以看出：热处理后接头拉伸断口以细小等轴韧窝为主，同时还存在若干直径较大、深度较深的等轴韧窝，细小韧窝的直径约为1.5 μm，大韧窝的直径约为3 μm；韧窝内壁有明显蛇形塑性滑移线，这表明在外力作用下，韧窝在形成过程中发生了塑性变形。

图7 热处理后2#接头试样的拉伸断口微观形貌Fig.7 Micromorphology of tensile fracture of 2# joint specimen after heat treatment: (a) fracture morphology and (b) partial enlarged morphology

3 结 论

(1) 焊后热处理后，不同等温凝固工艺参数下TLP扩散连接SIMP钢接头热影响区显微组织均由焊态时的粗大马氏体转变为细小均匀的回火马氏体；焊缝界面由焊态时的直线状变成曲线状，界面结合面积增加。

(2) 焊后热处理后，接头的抗拉强度和显微硬度均略有降低，但韧性得到提高；热处理后接头冲击吸收能量由焊态时的不高于9.4 J提高到40 J以上，抗拉强度仍在700 MPa以上，拉伸断裂形式由脆性断裂向韧性断裂转变，综合力学性能较好。