Super304H奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭的顯微組織和力學性能

魯 元 柯 楊 旭 呂 恒 王若虹 丁 勇(西安特種設備檢驗檢測院 西安 710065)

Super304H奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭的顯微組織和力學性能

本文利用連續驅動摩擦焊技術焊接Super304H奧氏體耐熱鋼鋼管，對鋼管焊接接頭的微觀組織和力學性能進行了實驗和分析。研究表明：因為摩擦焊焊接過程中產生的動態再結晶作用，焊接接頭的焊合區寬度較窄，組織主要為細小的等軸狀奧氏體晶粒；熱影響區奧氏體晶粒發生明顯長大，焊接接頭析出相主要有Cr23C6和NbC。Super304H焊接接頭焊合區的力學性能優于熱影響區，拉伸試樣的斷裂位置位于熱影響區。

Super304H 摩擦焊 顯微組織 力學性能

隨著全球環境污染和溫室效應問題逐漸被各國重視，我國也相應的提出了節能減排的發展戰略，強調經濟發展和環境保護相協調的可持續發展戰略。為了滿足節能減排和保護環境的需要，發展高效能的超臨界、超超臨界蒸汽參數的蒸汽循環發電機組是重要的發展趨勢。通過增加蒸汽參數，可以大大改善和提高發電機組的發電效率，為了保障蒸汽參數提高的工況下機組的長周期安全可靠的運行，必須研發與高蒸汽參數發電機組相適應的高溫耐熱鋼材[1,2]。超超臨界機組使用的鋼材要有優良的抗氧化、耐腐蝕和較高的持久強度，奧氏體耐熱鋼是應用在超超臨界機組過熱器和再熱器高溫段的唯一用鋼。日本為了滿足超超臨界機組的需要，以18-8奧氏體耐熱鋼為基礎，開發了Super304H (10Cr18Ni9NbCu3BN)奧氏體耐熱鋼，因為添加Cu、Nb、N的固溶強化和細化晶粒作用，Super304H奧氏體耐熱鋼的抗氧化性能、持久強度性能以及經濟性都大大超過了傳統的TP347奧氏體耐熱鋼，因此Super304H奧氏體耐熱鋼在超臨界機組和超超臨界機組等大容量電站鍋爐領域具有廣泛的應用前景[3-5]。

連續驅動摩擦焊是在壓力下，利用被焊工件接觸面的相互摩擦產生的摩擦熱，使被焊接面金屬達到熱塑化狀態，通過金屬間的擴散和再結晶實現連接的一種焊接方法。連續驅動摩擦焊技術是目前世界各國著力推廣應用的先進固態連接技術，通過扭矩和熱、壓力的綜合冶金作用，焊接接頭焊合區組織致密、晶粒細化、夾雜物彌散分布，因此連續驅動摩擦焊焊接接頭的微觀組織和力學性能優良。與傳統的熔焊工藝相比，有以下優點，焊接過程全部自動化，焊接成本低，焊接過程無污染，不需要焊材，焊接接頭達到鍛制質量。目前，連續驅動摩擦焊技術已廣泛應用到石油化工、航空航天、汽車工業等方面[6,7]。

本文作者利用連續驅動摩擦焊技術焊接Super304H奧氏體耐熱鋼鋼管，對鋼管焊接接頭的微觀組織和力學性能進行了初步的分析，為Super304H摩擦焊焊接技術的進一步研究和應用提供了參考。

1 實驗

試驗用Super304H鋼管是由日本住友公司生產，供貨狀態為固溶處理，規格為φ48mm×9mm。鋼管表面質量良好。化學成分見表1。

表1 Super304H奧氏體耐熱鋼的成分

使用連續驅動摩擦焊機C320進行摩擦焊焊接，焊接參數為：一級加壓階段，轉速為1200r/min，摩擦壓力為20MPa，摩擦時間為3s；二級加壓階段，轉速為1200r/min，摩擦壓力為50MPa，摩擦變形量為3mm；頂鍛階段，頂鍛壓力為100MPa, 頂鍛時間為4s。為了消除焊接接頭的焊接殘余應力，進行焊后熱處理，加熱溫度960 ℃，保溫時間2h。焊接接頭經外觀檢查和X射線無損檢驗，沒有發現裂紋存在。利用RGM-4300電子萬能材料試驗機進行拉伸強度和彎曲實驗，拉伸和彎曲試樣加工尺寸參考 (NB/ T 47016—2011 承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗)[8]，拉伸試樣加工尺寸如圖1所示，制備拉伸試樣6個，取平均值，制備面彎和背彎試樣各2個。利用GL-JBDW-300C沖擊試驗機進行沖擊韌性實驗，沖擊試樣加工尺寸參考圖2 (GB/T 229—2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法)[9]，焊接接頭焊合區、熱影響區和母材區各取3個標準試樣為一組，取平均值。利用數顯顯微硬度計MHVD-1000APS測量試樣的顯微硬度(試驗力范圍200gf，實驗載荷200g，加載時間15s)，每個部位測量硬度6個點，取平均值。制備金相試樣，試樣拋光后，用王水進行腐蝕，利用光學顯微鏡XJP6A觀察金相組織，利用D/max-34X射線衍射儀確定相組成，利用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷口形貌。

圖1 拉伸試樣加工尺寸

圖2 沖擊試樣加工尺寸

2 結果與討論

2.1 Super304H焊接接頭的成分和顯微組織

●2.1.1 成分分析

圖3是Super304H奧氏體耐熱鋼焊接接頭試樣XRD相成分分析圖譜。從其衍射峰來看，特征峰為γ-Fe，Cr23C6和NbC。所以Super304H鋼焊接接頭的基體組織主要為單一的γ-Fe，析出相主要為Cr23C6和NbC。

圖3 Super304H焊接接頭X射線衍射圖譜

● 2.1.2 顯微組織

Super304H奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭的微觀組織見圖4，Super304H鋼焊接過程中，焊合區產生粘合、體積塑形粘滯和剪切撕裂行為，導致奧氏體晶粒發生變形，動態再結晶驅動力和晶格畸變能增大。因為熱塑性變形溫度降低，再結晶晶粒單位體積自由能隨之降低，產生大量均勻的再結晶形核，導致焊合區以動態再結晶的細晶組織為主，因此，動態再結晶的細化晶粒效果明顯。利用氬弧焊焊接的Super304H鋼的焊縫組織為典型的胞狀樹枝晶形態，晶粒粗大。與傳統氬弧焊焊接接頭的焊縫組織相比，摩擦焊焊接接頭的焊合區組織以細小的奧氏體等軸晶為主，焊合區寬度較窄，因此摩擦焊焊接接頭的焊合區具有優良的微觀組織。因為Super304H奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接工藝屬于固相焊接，焊合區未發生焊材和局部母材金屬熔化，摩擦焊焊接過程中靠近焊合區的熱影響區的熱輸入遠遠小于氬弧焊靠近熔合區的熱影響區的熱輸入。所以，摩擦焊熱影響區寬度遠遠小于氬弧焊熱影響區寬度，此外，摩擦焊熱影響區的晶粒長大趨勢沒有氬弧焊熱影響區的晶粒長大趨勢明顯，晶粒尺寸相對較小，所以，摩擦焊熱影響區的微觀組織良好。

圖4 Super304H摩擦焊焊接接頭顯微組織

2.2 Super304H焊接接頭的力學性能

● 2.2.1彎曲和拉伸性能

Super304H鋼摩擦焊焊接接頭的拉伸性能見表2，拉伸試樣的斷口形貌見圖5。Super304H奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭拉伸試樣斷裂位置為焊接接頭熱影響區，拉伸試樣斷口呈典型的韌性斷口特征，斷口呈現細密的韌窩結構，韌窩尺寸大小不一，韌窩內可觀察到顆粒狀的析出相，雖然焊接接頭熱影響區的拉伸強度略微低于母材區，但是焊接接頭的抗拉強度高于Super304H鋼規定的最小抗拉強度值，根據參考文獻數據Super304H母材Rp0.2≥235MPa，Rm≥590MPa[10]。所以，Super304H鋼摩擦焊焊接接頭的力學性能滿足工程使用要求。制備的面彎和背彎試樣，進行彎曲試驗后，彎曲試樣的表面良好，沒有發現裂紋，因此符合使用要求。

圖5 Super304H摩擦焊焊接接頭拉伸試樣的斷口形貌

● 2.2.2 沖擊性能

Super304H奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭各區域的沖擊性能見表2，沖擊試樣的斷口形貌見圖6。Super304H奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭各區域沖擊試樣的宏觀斷口都呈現延性纖維撕裂狀，具有明顯的撕裂形態。焊合區和母材區細小的奧氏體晶粒組織有利于提高焊合區和母材區的沖擊韌性，焊合區和母材區沖擊試樣的斷口形貌是以小韌窩為主的形態，斷裂方式以韌窩斷裂為主，韌窩的邊界為胞狀晶界撕裂棱，韌窩的底部有顆粒狀的析出相，奧氏體晶界上有明顯的撕裂棱，奧氏體晶粒之間的裂紋擴展路線復雜，因此裂紋擴展遇到的阻力較大，因此焊合區和母材區具有優良的沖擊韌性，熱影響區斷口形貌的韌窩尺寸較大，斷口較平整，所以沖擊韌性低于焊合區和母材區。熱影響區沖擊試樣的斷口形貌主要是韌窩斷裂為主，局部為解離斷裂，韌窩大而淺，韌窩底部密集地分布著大量的析出物，撕裂棱凸起明顯不如母材區和焊合區的明顯。因為熱影響區奧氏體晶粒的長大作用，熱影響區的沖擊韌性低于焊合區和母材區。

表2 Super304H奧氏體耐熱鋼焊接接頭的力學性能

圖6 Super304H摩擦焊焊接接頭沖擊試樣的斷口形貌

●2.2.3 顯微硬度

Super304H奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭各區域的顯微硬度見表2，因為熱影響區的奧氏體晶粒尺寸和過飽和度較大，所以焊接接頭熱影響區的顯微硬度最高。因為焊合區位錯密度和晶格畸變能較大，所以焊接接頭焊合區也有較高的顯微硬度。

Super304H手工鎢極氬弧焊焊接接頭的力學性能見表2[11]，Super304H摩擦焊焊接接頭的拉伸強度和沖擊韌性比Super304H手工鎢極氬弧焊略高，因為原材料Super304H鋼不一樣，所以會對焊接接頭的力學性能有一定的影響，但是由于Super304H摩擦焊焊接接頭和Super304H手工鎢極氬弧焊焊接接頭的焊接原理和微觀組織有很大區別，所以判斷Super304H摩擦焊焊接接頭和Super304H手工鎢極氬弧焊焊接接頭的性能優劣還需要大量的實驗工作去驗證。

3 結論

本文利用連續驅動摩擦焊工藝制備性能優良的Super304H奧氏體耐熱鋼焊接接頭。焊接接頭焊合區寬度較窄，奧氏體晶粒尺寸細小，有利于改善焊合區的力學性能。焊接接頭拉伸試樣的斷裂位置位于熱影響區，拉伸強度近似母材強度，焊接接頭的各項力學性能滿足使用要求。

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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

魯元（1980～),男, 博士,高級工程師，副主任,從事特種設備科研工作。

2015-06-18）