高能?chē)娡鑼?duì)純鎳焊接接頭組織性能的影響

高鵬

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安710055）

高能?chē)娡鑼?duì)純鎳焊接接頭組織性能的影響

高鵬

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安710055）

利用高能?chē)娡杓夹g(shù)對(duì)純鎳焊接接頭進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，并采用X射線衍射儀、金相顯微鏡、顯微硬度計(jì)和激光共聚掃描電鏡對(duì)處理試樣的晶粒尺寸、殘余應(yīng)力、微觀組織、微觀硬度、表面粗糙度進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)用箱式電阻爐進(jìn)行了高溫退火實(shí)驗(yàn)，分析了退火對(duì)噴丸試樣與原始試樣的微觀組織和殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：噴丸試樣的晶粒尺寸明顯變小，處理30min試樣焊縫區(qū)表層的平均晶粒尺寸可以達(dá)到30nm；噴丸強(qiáng)化處理使得焊接接頭表層組織硬度增加；噴丸強(qiáng)化后，焊接接頭產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，噴丸30min試樣焊縫區(qū)表層殘余壓應(yīng)力為160MPa，60min則為303MPa；在高溫退火條件下，30min處理試樣焊縫區(qū)表層有20MPa的拉應(yīng)力，60min處理試樣有23MPa拉應(yīng)力，原始樣退火后則為50MPa,表面強(qiáng)化對(duì)退火后表面拉應(yīng)力有釋放的作用。

純鎳；焊接接頭；高能?chē)娡瑁唤M織；性能

在焊接的過(guò)程中，焊接技術(shù)本身的加熱和迅速冷卻還有焊接材料的不同，這些都會(huì)使焊接接頭組織及性能受影響，這也使焊接接頭變成易損傷區(qū)。近年，很多學(xué)者對(duì)焊接接頭進(jìn)行研究，考慮如何實(shí)現(xiàn)焊接接頭組織的均勻化，以及焊接接頭強(qiáng)度、硬度等性能的提高。對(duì)金屬進(jìn)行表面強(qiáng)化，如表面自納米化技術(shù)，可以提高材料組織性能。焊接接頭表面自納米化技術(shù)主要方法有：表面機(jī)械研磨處理（SMAT）、超音速微粒轟擊（SFPB）、高能?chē)娡瑁℉ESP）超聲沖擊、激光沖擊改性等。

高能?chē)娡枋抢弥睆叫∮?5mm的剛性丸粒，在高頻作用下從各個(gè)方向撞擊材料表面，使得材料表面產(chǎn)生劇烈的塑性變形，發(fā)生位錯(cuò)增殖、湮滅等過(guò)程，得到細(xì)小晶粒，但是表面層與基體的成分一樣，結(jié)合性很好，從而提高了材料的整體服役性能。與SMAT等方法相比，高能?chē)娡璧某杀靖停瑫r(shí)可以產(chǎn)生顯著的效果，是一種良好的加工工藝。

純鎳是在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的用途，特別是在很多高溫、高壓、強(qiáng)酸的環(huán)境下，例如堿蒸發(fā)器。通過(guò)對(duì)純鎳N6焊接接頭進(jìn)行高能?chē)娡杼幚恚ㄟ^(guò)高能?chē)娡杼幚恚瑥娘@微組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力等方面，研究表面強(qiáng)化對(duì)純鎳焊接接頭組織性能的影響，同時(shí)模擬高溫環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行高溫退火實(shí)驗(yàn)。這些對(duì)在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中提高純鎳焊接接頭壽命有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取尺寸為100.0mm×100.0mm×6.0mm的純鎳N6焊接接頭，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%） Ni+Co≥ 99.50，0.1Fe，0.1Mg，0.15Si，0.03S。在處理前對(duì)試樣進(jìn)行除銹、去油、磨邊等處理。彈丸為鑄鋼丸，直徑為3.0mm，噴丸壓力為0.4MPa。本實(shí)驗(yàn)采用單面噴丸，分別進(jìn)行15、30、60分鐘高能?chē)娡杼幚怼?/p>

對(duì)處理后的試樣，沿橫截面選取金相試樣，腐蝕劑為金相腐蝕液由硝酸、冰醋酸、蒸餾水配制而成,其體積比為38：100：10,進(jìn)行金相觀察。

采用Bruker-D8X射線衍射儀分別對(duì)30min試樣焊縫表面和未處理試樣焊縫表面的晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)試。所用的靶材為CuKα，掃描的角度為20o～90°，掃描角度為6o/min。

最后對(duì)噴丸30min，60min試樣在箱式爐分別進(jìn)行800℃高溫退火實(shí)驗(yàn)，模擬高溫環(huán)境，觀察退火后組織和殘余應(yīng)力的變化。

2 結(jié)果和分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1.1表面納米化純鎳焊接接頭的顯微組織

通過(guò)對(duì)表面納米化純鎳焊接接頭的橫截面積微觀組織的觀察，可以看到鎳的顯微組織、晶粒大小等。對(duì)純鎳焊接接頭，焊縫是最薄弱的地方，由于受熱影響最嚴(yán)重，焊縫處的晶粒也是最大的。高能?chē)娡?0min試樣焊縫區(qū)熱影響區(qū)的顯微組織，表層有劇烈的變形層，且與基體的晶粒比較，要細(xì)小很多。

2.1.2 表面納米化純鎳焊接接頭焊縫的晶粒尺寸

經(jīng)過(guò)高能?chē)娡杼幚砜梢詫?shí)現(xiàn)純鎳焊接接頭的表面納米化，可以通過(guò)XRD的半峰寬化效應(yīng)分析。實(shí)驗(yàn)后成像可以看出未處理試樣和經(jīng)過(guò)30min處理試樣焊縫的XRD圖譜，通過(guò)對(duì)比，30min處理后的試樣半峰寬有明顯的變大，由布拉格方程可知，晶粒的尺寸變小了，可得30min試樣焊縫表層平均晶粒為30nm,說(shuō)明高能?chē)娡鑿?qiáng)化使材料表面發(fā)生劇烈塑性變形，產(chǎn)生大量位錯(cuò)，表層晶粒發(fā)生細(xì)化,同時(shí)也說(shuō)明純鎳是一種比較軟的材料，晶粒容易被加工細(xì)化。

2.2 力學(xué)性能特征參數(shù)

2.2.1 表面納米化純鎳焊接接頭焊縫的宏觀殘余應(yīng)力

對(duì)于工件而言，表面強(qiáng)化產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展有阻礙作用，同時(shí)可以改變裂紋的位置以及個(gè)數(shù)，可以提高工件的力學(xué)性能（表1）。

由表2可知，在退火之后，高能?chē)娡枵T導(dǎo)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力逐漸全部釋放，但與與原始試樣相比，在高溫退火條件下，原始試樣退火后測(cè)得為50MPa的拉應(yīng)力，30min處理的試樣變成20MPa的拉應(yīng)力，60min處理試樣變成23MPa的拉應(yīng)力，可得到在高溫條件下，高能?chē)娡杼幚砜梢云鸬结尫疟韺永瓚?yīng)力的作用。

表1 不同時(shí)間HESP處理后焊縫表層殘余應(yīng)力變化

表2 30、60分鐘退火后殘余應(yīng)力變化

2.2.2 表面納米化對(duì)純鎳焊接接頭的硬度

經(jīng)過(guò)高能?chē)娡杼幚砗螅嚇颖砻娈a(chǎn)生了劇烈的塑性變形，在試樣的表面層形成了劇烈變形層，過(guò)渡區(qū)以及基體組織。噴丸后試樣表層的顯微硬度也會(huì)大大增加，用401MVD維氏顯微硬度測(cè)量?jī)x對(duì)純鎳焊接接頭表面加工處理后樣品沿厚度方向硬度進(jìn)行了測(cè)量。

如表3、4和5所示，隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫、熱影響區(qū)以及與其相連的母材金屬的硬度均有了明顯的提高。噴丸處理后接頭顯微硬度的增高也是晶粒細(xì)化的結(jié)果。通過(guò)計(jì)算，與母材相比，焊縫、熱影響區(qū)部位硬度提高更為明顯，經(jīng)過(guò)高能?chē)娡杼幚?0分鐘，焊縫區(qū)域的顯微硬度提高了37.7%，熱影響區(qū)提高了10.8%，母材提高了6.3%；處理60分鐘的試樣，焊縫區(qū)域的顯微硬度提高了13.13%，熱影響區(qū)提高了22.12%，母材提高了16%；隨著高能?chē)娡杼幚頃r(shí)間的增加，焊接接頭表面硬度也隨之增加。這對(duì)于改善焊接接頭的力學(xué)性能有積極的作用。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用高能?chē)娡璧谋砻鎻?qiáng)化方法，對(duì)純鎳焊接接頭進(jìn)行表面加工處理。經(jīng)過(guò)上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出如下的結(jié)論：（1）高能?chē)娡杼幚砗蟮牟牧媳韺影l(fā)生劇烈塑性變形，隨著沖擊時(shí)間的增加，試樣的塑性變形量逐漸增大。由于晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，純鎳中位錯(cuò)組織的演變占主導(dǎo)作用，位錯(cuò)大量產(chǎn)生，晶粒明顯細(xì)化，高能?chē)娡杼幚?0分鐘的試樣焊縫區(qū)表面變形層的平均晶粒尺寸達(dá)到30nm。隨著沖擊時(shí)間的增加，試樣的塑性變形量逐漸增大。（2）高能?chē)娡韬蠛附咏宇^表面形成塑性變形層，與原始材料相比處理后表面組織硬度提高，HESP處理后焊接組織焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度比母材提高的更明顯。（3）高能?chē)娡韬蠛附咏宇^表面具有一定厚度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，處理30分鐘的試樣焊縫表面殘余壓應(yīng)力為160MPa，處理60分鐘的試樣則為303MPa；在高溫環(huán)境下高能?chē)娡杼幚懋a(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力會(huì)不斷釋放，但是對(duì)退火后表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力有釋放作用，由原始樣的50MPa拉應(yīng)力變成處理30分鐘的20MPa和處理60分鐘的23MPa；高能?chē)娡杼幚砗蟮脑嚇颖韺釉诟邷叵驴梢员３纸M織的穩(wěn)定，晶粒沒(méi)有明顯變大。

表3 未經(jīng)HESP處理表面硬度沿厚度方向變化

表4 HESP處理30分鐘后表面硬度沿厚度方向變化

表5 HESP處理60分鐘后表面硬度沿厚度方向變化

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TG407；TG668

A

1671-0711（2016）11（上）-0124-02