固溶處理對316L擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能和組織的影響

楊博黃奕昶　袁奕雯　黃毓暉

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）（華東理工大學(xué))

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固溶處理對316L擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能和組織的影響

楊博*黃奕昶袁奕雯黃毓暉

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）（華東理工大學(xué))

對316L材料擴(kuò)散焊接頭進(jìn)行固溶處理。采用拉伸試驗和硬度測試方法，研究固溶處理對316L擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能和硬度的影響。采用金相、EDS和XRD等微觀方法，觀察擴(kuò)散焊接頭在固溶處理前后的金相組織、元素擴(kuò)散和相組成情況。

固溶處理擴(kuò)散焊接焊接接頭微觀組織拉伸試驗硬度

擴(kuò)散焊接是隨現(xiàn)代科技發(fā)展而產(chǎn)生的新的材料連接技術(shù)，在航天航空工業(yè)、電子傳感器工業(yè)、石油化工先進(jìn)的技術(shù)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。對金屬來說，擴(kuò)散連接是在溫度低于母材熔點下進(jìn)行的，不存在金屬的初次結(jié)晶過程。目前在微小型的化工機(jī)械制造領(lǐng)域，不銹鋼的擴(kuò)散連接工藝已用于系統(tǒng)封裝。

316L材料具有很高的抗腐蝕能力和優(yōu)良的焊接性能等優(yōu)點。但其在擴(kuò)散焊接時，冷卻過程中不可避免地要經(jīng)過敏化溫度區(qū)，故焊接熱影響區(qū)的組織和耐腐蝕性能較母材會發(fā)生變化。

本文通過采用拉伸試驗、硬度測試常規(guī)方法以及金相、EDS和XRD等微觀方法，研究固溶處理對316L不銹鋼擴(kuò)散焊接頭的力學(xué)性能、硬度、金相組織、元素擴(kuò)散和相組成的影響情況。

1　試驗材料和方法

試驗選用國產(chǎn)316L不銹鋼作為母材，其化學(xué)成分見表1。

表1　316L不銹鋼化學(xué)成分

1.1擴(kuò)散焊接工藝及固溶處理

316L材料真空擴(kuò)散連接的最優(yōu)工藝參數(shù)：溫度1100℃（80%Tm）；壓力10 MPa；保溫時間3 h；表面粗糙度0.6～1.2 μm。研究結(jié)果表明，采取該焊接工藝，接頭的接合率和強(qiáng)度最高，質(zhì)量最佳[4-5]。采用該工藝下的擴(kuò)散焊接頭進(jìn)行試驗，固溶處理工藝為加熱溫度1100℃，保溫時間90 min，水淬。

1.2力學(xué)性能和硬度測試

力學(xué)性能試驗在拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行。拉伸試樣按照GB/T 15970.4要求加工，從焊接件上切割下一段圓棒，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，并保證焊接界面位于試樣的中點位置。

顯微硬度測試按照GB 4340.1的規(guī)定，在金相試樣上進(jìn)行，測量316L擴(kuò)散焊焊接接頭及母材的硬度，載荷為25 g，加載時間為15 s。

1.3微觀金相

將316L母材以及固溶處理前后的擴(kuò)散焊接頭進(jìn)行線切割，然后經(jīng)打磨 （2000#）、拋光后制備成金相樣品。對金相樣品進(jìn)行腐蝕后，在顯微鏡下觀察其組織，如圖1所示。

圖1　接頭和316L母材的金相組織

1.4EDS掃描

采用EDS掃描，分別在焊縫處及距離焊縫20 μm、2.5 mm處進(jìn)行點掃描。為了得到各個元素在擴(kuò)散焊連接處的分布趨勢，對擴(kuò)散焊接頭和經(jīng)固溶處理的擴(kuò)散焊接頭進(jìn)行了元素線掃描，掃描范圍均在距焊接線左右兩邊15 μm處，總長30 μm。

1.5XRD分析

通過X-射線衍射對焊縫試樣表面進(jìn)行轟擊，向樣品發(fā)出元素特征X射線波長和光子能量，進(jìn)而分析試樣微區(qū)的成分。采用Cu靶，管電壓為40 kV，管電流為450 mA，在RIGAKU D/MAX 2550 VB/PC型X-衍射儀上完成定性XRD試驗。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1力學(xué)性能及硬度

力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

表2　316L母材及固溶處理前后的擴(kuò)散焊接頭力學(xué)性能

材料的硬度與應(yīng)力腐蝕敏感性有著直接關(guān)系，硬度越高，材料的應(yīng)力腐蝕敏感性越大[6]。圖2所示為焊接接頭各個區(qū)域的硬度分布。316L母材的硬度為181 HV（見圖2中的水平虛線），經(jīng)固溶處理過的焊接接頭硬度與母材相當(dāng)，沒有大的變化，但與未經(jīng)固溶處理過的焊接接頭 (不同試樣固溶處理前后)相比，硬度明顯降低，這說明經(jīng)過1100℃固溶處理后材料的硬度會顯著下降。

圖2　擴(kuò)散焊接頭區(qū)域焊縫硬度

2.2金相分析

圖1中（a）、（b）、（c）依次是316L不銹鋼經(jīng)固溶處理過的擴(kuò)散焊接頭、未經(jīng)固溶處理過的擴(kuò)散焊接頭和316L母材的金相組織圖。從圖1（a）、（b）中可看到線形界面，并且能清晰地分辨出焊件之間的界面痕跡，焊接區(qū)未發(fā)現(xiàn)任何組織變化，焊接區(qū)的晶粒形態(tài)與母材無差別，均為較粗大的奧氏體晶粒，晶界明顯均勻。同時，還可明顯看出經(jīng)固溶處理過的接頭處其晶粒略大于未經(jīng)固溶處理的接頭處的晶粒,母材的晶粒最小。

研究表明，奧氏體在溫度超過950℃后，晶粒開始急劇長大，晶界明顯寬化。這個溫度稱為奧氏體晶粒粗化溫度Tg。在該溫度以下加熱時奧氏體晶粒為正常、連續(xù)、緩慢地長大；超過該溫度加熱時，奧氏體晶粒長大是不連續(xù)的、異常的，長大的速度很快，并會出現(xiàn)孿晶組織。晶粒大小對金屬的機(jī)械性能有很大影響，在常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時塑性和韌性也越好。

在擴(kuò)散焊接頭的金相圖中還可以看到很多孿晶的組織形態(tài)，如圖1（a）、（b）所示。金屬學(xué)指出，孿晶是指兩個晶體 （或一個晶體的兩個部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，該公共晶面稱為孿晶面。孿晶之間的界面成為孿晶界，孿晶界常常就是孿晶面。孿晶界由于界面上的原子沒有發(fā)生錯排現(xiàn)象，其界面能很低。孿晶可以在塑性變形時形成，也會在塑性變形后的退火過程中產(chǎn)生。前者是在承受外力作用下產(chǎn)生的，成為變形孿晶或是機(jī)械孿晶；后者未承受外力，是在加熱過程中由熱應(yīng)力引發(fā)的孿生變形現(xiàn)象，稱為退火孿晶。

在擴(kuò)散焊焊接過程中，焊接溫度往往超過Tg，且在高溫下加壓進(jìn)行擴(kuò)散焊接，并保溫一段時間，焊接結(jié)束后試樣在真空室中隨爐冷卻。所以在316L擴(kuò)散焊接頭中可以看到大量的孿晶組織。由圖1（b）還可以看到，在界面附近生成的孿晶，有的是細(xì)長的孿生帶，這些孿生帶互相平行，孿晶界多與界面成近90°交角。總之，316L擴(kuò)散焊接頭的孿晶組織是機(jī)械變形和退火處理共同作用形成的。

2.3EDS掃描

點掃描結(jié)果顯示，經(jīng)固溶處理的擴(kuò)散焊焊接接頭中其C、Si、S、Cr、Mn、Fe、Ni元素的含量基本沒有變化。也就是說，在擴(kuò)散連接的表面附近其元素含量與遠(yuǎn)離擴(kuò)散連接界面處的元素含量是一致的。

線掃描結(jié)果顯示，除了在焊接連接線上的某些點元素含量稍低之外，在整條掃描線處均未有異常變化。這說明在焊接過程中元素擴(kuò)散得很充分。將未經(jīng)固溶處理的焊接頭和經(jīng)固溶處理的焊接頭數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，也未顯示元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有差異。

2.4XRD分析

由圖3可見，焊接頭固溶處理前后均為奧氏體，但（111）、（200）、（220）三個晶面的衍射峰值都有變化。X-射線衍射結(jié)果顯示，由于擇優(yōu)取向的原因，固溶處理引起了晶面取向的變化。

圖3　X射線衍射峰值

3　結(jié)論

（1）從力學(xué)性能測試結(jié)果可以看出，經(jīng)固溶處理過的焊接頭其抗拉強(qiáng)度比一般擴(kuò)散焊接頭及母材下降較多，但延伸率則好于母材和一般擴(kuò)散焊接頭，即固溶處理可以明顯改善接頭的塑性。

（2）顯微硬度測試結(jié)果顯示，經(jīng)固溶處理過的焊接頭其硬度與母材相當(dāng)，沒有大的變化，但與未經(jīng)固溶處理的焊接頭相比，硬度明顯降低，這說明經(jīng)過1100℃固溶處理后材料的硬度會顯著下降。

（3）對擴(kuò)散焊接頭和經(jīng)固溶處理過的擴(kuò)散焊接頭在連接界面處進(jìn)行了線掃描，在連接界面處、距離焊縫40 μm和2.5 mm處分別進(jìn)行了點掃描，結(jié)果顯示3處對應(yīng)點的元素含量均在正常的范圍內(nèi)，無異常變化。這說明固溶處理并沒有使元素有較明顯的擴(kuò)散，即擴(kuò)散焊連接界面處及其他位置元素含量均無明顯差異。

（4）利用掃描電鏡的X-射線衍射 （XRD）對連接界面處進(jìn)行了轟擊，未發(fā)現(xiàn)有其他相生成，均為奧氏體組織。

[1]邱惠中.擴(kuò)散焊接及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 [J].宇航材料工藝，1997（4）:27-32.

[2]周鶴法，徐小兵，張曉東.擴(kuò)散焊接及其在石油工業(yè)中的應(yīng)用前景 [J].石油機(jī)械,1996，24:52-55.

[3]高橋康夫.擴(kuò)散連接接頭質(zhì)量評價現(xiàn)狀 [J].無損檢測, 2003,25:410-414.

[4]李淑欣.316LSS擴(kuò)散連接接頭疲勞性能研究 [D].上海:華東理工大學(xué),2006.

[5]安子良.316L不銹鋼擴(kuò)散連接工藝優(yōu)化及接頭高溫機(jī)械性能研究 [D].上海:華東理工大學(xué)，2008.

[6]肖紀(jì)美.應(yīng)力作用下的金屬腐蝕 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1990:131-137,99-101.

Effect of Solution Treatment on Mechanical Property and Microstructure of 316L Diffusion Bonding Joints

Yang BoHuang YichangYuan YiwenHuang Yuhui

The solution treatment is carried out on the 316L diffusion bonding joint.The effect of the solution treatment on the mechanical property and hardness of the 316L diffusion bonding joints is studied through the tensile test and hardness test.By applying the metallography,EDS and XRD micro-observation methods,the metallographic structure,element diffusion and phase composition of the diffusion bonding joints before and after the solution treatment are observed.

Solution treatment；Diffusion bonding；Bonding joint；Microstructure；Tensile test；Hardness

TG 441DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.015

2015-11-10）

*楊博，女，1983年生，碩士，工程師。上海市，200333。