低活化馬氏體鋼真空擴(kuò)散焊接工藝研究.pdf

1、低活化馬氏體鋼因具有較高的熱導(dǎo)率、較低的輻照腫脹和熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良的熱物理性能，被普遍認(rèn)為是未來(lái)聚變示范堆和聚變動(dòng)力堆的首選結(jié)構(gòu)材料。聚變堆包層模塊(TBM)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、服役環(huán)境較為惡劣，各部件之間需要采用焊接等方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固連接。
　　低活化馬氏體鋼中合金元素含量相對(duì)較高，對(duì)焊接技術(shù)要求較為苛刻，而傳統(tǒng)熔化焊過(guò)程中存在液-固相高溫?zé)嵫h(huán)及焊縫區(qū)域的非平衡凝固，通常會(huì)引起焊接接頭的組織及性能退化，成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而影

2、響聚變堆的安全可靠運(yùn)行。以擴(kuò)散連接為代表的固態(tài)連接技術(shù)因其具有焊接溫度低于母材熔點(diǎn)、尺寸裝配精度高等優(yōu)點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)熔焊工藝并于聚變實(shí)驗(yàn)堆包層模塊的制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
　　本文在不同焊接工藝條件（焊接溫度、焊接壓力及保溫時(shí)間）下對(duì)低活化馬氏體鋼進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)擴(kuò)散焊接試樣進(jìn)行光學(xué)顯微觀察(OM)、掃描電鏡觀察(SEM)、能譜測(cè)試(EDS)以及X射線衍射(XRD)觀測(cè)，分析焊縫區(qū)的相組成和組織形態(tài)、加熱及保溫過(guò)程中

3、金屬的組織演化規(guī)律等;通過(guò)對(duì)焊接件進(jìn)行拉伸及沖擊試驗(yàn)，比較熱處理前、后焊件力學(xué)性能差異，探究不同工藝參數(shù)對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，從而對(duì)低活化馬氏體鋼的擴(kuò)散焊接進(jìn)行工藝優(yōu)化。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，低活化馬氏體鋼的原始母材顯微組織主要為板條馬氏體，在真空擴(kuò)散焊接的加熱及保溫過(guò)程中，低活化馬氏體鋼會(huì)發(fā)生再結(jié)晶及奧氏體化現(xiàn)象。當(dāng)焊接溫度較高或保溫時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，均會(huì)促進(jìn)奧氏體生長(zhǎng)，而粗大的奧氏體晶粒會(huì)對(duì)擴(kuò)散焊接接頭的力學(xué)性能帶來(lái)?yè)p害;保

4、溫時(shí)間結(jié)束焊接試樣冷卻至室溫后，焊縫區(qū)顯微組織為馬氏體、殘余奧氏體及數(shù)量較多尺寸較小的析出碳化物;而經(jīng)過(guò)焊后熱處理后，殘余奧氏體組織基本消失不見。
　　在焊接溫度為950～1100℃范圍時(shí)，隨著焊接溫度的升高，焊件的拉伸強(qiáng)度隨之提高，在1050℃時(shí)達(dá)到最高值973MPa;當(dāng)焊接溫度繼續(xù)升高到1100℃時(shí)，焊件的拉伸強(qiáng)度則有所下降。在保溫時(shí)間為90～180min范圍時(shí)，焊件的拉伸強(qiáng)度一直隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)15

5、0min后，接頭的抗拉強(qiáng)度基本沒有增強(qiáng)，開始趨于平緩。在10～20MPa的焊接壓力下，焊接件的抗拉強(qiáng)度一直隨焊接壓力提升而穩(wěn)步提高。但限于低活化馬氏體鋼在高溫下的屈服強(qiáng)度，試驗(yàn)時(shí)沒有繼續(xù)選用更高的焊接壓力進(jìn)行擴(kuò)散焊接。
　　提高焊接溫度可以通過(guò)激活更多原子進(jìn)行無(wú)規(guī)則的擴(kuò)散遷移提升擴(kuò)散效果，從而一定程度上提高焊件的拉伸強(qiáng)度;但較高的焊接溫度同樣會(huì)促進(jìn)奧氏體晶粒的吞并、長(zhǎng)大，而粗大的奧氏體晶粒冷卻轉(zhuǎn)變后得到的粗晶粒組織會(huì)降低焊件的抗拉

6、強(qiáng)度。因此，當(dāng)達(dá)到1050℃時(shí)，焊件的抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著焊接溫度的升高而降低。同樣，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)為良好的擴(kuò)散效果提供了必要的條件，但當(dāng)保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，雖然活躍態(tài)原子擴(kuò)散越充分，但由于粗大的奧氏體晶粒，其抗拉強(qiáng)度反而無(wú)明顯提升。而當(dāng)焊接壓力越大時(shí)，焊接面的微觀凸起塑性變形程度越大，焊接面之間實(shí)際接觸面積便越大，從而使焊接面附近激活態(tài)原子獲得足夠的擴(kuò)散通道通過(guò)無(wú)規(guī)則遷移及跨越界面進(jìn)行固態(tài)自擴(kuò)散，使得焊接面結(jié)合狀況更為優(yōu)良。焊件的沖擊韌性主要取