2205/1Cr18Ni9Ti釬焊接頭組織結構及擴散過程分析

吳文杰，張萬欣，胡亞真

（西安航天發動機廠，陜西西安710100）

2205/1Cr18Ni9Ti釬焊接頭組織結構及擴散過程分析

吳文杰，張萬欣，胡亞真

（西安航天發動機廠，陜西西安710100）

對新型雙相不銹鋼2205與奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti進行釬焊性試驗。通過設計波紋板結構模盒，模盒爆破強度試驗，開展釬焊接頭微觀組織結構分析，釬焊接頭元素擴散行為及其影響分析，釬焊接頭元素擴散能力計算分析，結果認為2205與1Cr18Ni9Ti釬焊可形成結合強度優良的釬焊接頭。

2205不銹鋼;模盒試驗;組織結構分析;釬焊接頭

0 引言

新 型 不 銹 鋼 2205名 義 牌 號 022Cr22 Ni5Mo3N，目前在我國船舶、化工等領域已是應用比較普遍的雙相不銹鋼品種[1-2]。2205屬超低碳雙相不銹鋼，在保證優良力學性能及抗腐蝕性能的同時，不加入Ti元素，從而避免了Ti（C，N）類夾雜物在鋼中聚集分布的可能性。1Cr18Ni9Ti屬奧氏體不銹鋼，是目前應用較為普遍的不銹鋼之一[3-4]。本試驗設計波紋板結構模盒[5-6]，使用2205作為蓋板材料，與1Cr18Ni9Ti制作的波紋板、底板進行模盒釬焊試驗。通過模盒爆破強度試驗并開展釬焊接頭微觀組織結構分析，釬焊接頭各元素擴散行為及其對接頭組織性能的影響分析，接頭主要元素相互擴散能力計算分析等，研究2205與1Cr18Ni9Ti波紋板結構的釬焊性。

1 試驗方案設計

蓋板選用壁厚2 mm的2205板材，波紋板與1 mm厚底板選用1Cr18Ni9Ti板材，裝配結構如圖1所示，釬焊接頭選用δ0.12 mm的1#合金帶材作為釬焊料。采用真空釬焊方法，釬焊溫度1 100℃，保溫25 min。X光無損檢查焊后釬料漫流填充情況，釬焊后模盒通過液壓爆破試驗考核釬焊接頭的連接強度。試驗件共計10件。模盒所用原材料化學成分見表1。

爆破試驗使用M700-41型試驗機，焊接接頭微觀結構觀察使用德國徠卡LEICA MEF4M型金相顯微鏡，接頭元素濃度分布分析使用牛津OXFORD6647型能譜儀。

表1 模盒試驗件所用原材料化學成分Tab.1 Chemical composition of raw material used by box specimen

2 試驗結果及分析

2.1 釬焊模盒液壓爆破試驗結果及分析

10件釬焊模盒X光檢查均未發現未焊上現象，液壓爆破試驗爆破壓強范圍50～56 MPa，平均爆破壓強53.1 MPa，大于工藝規定的50 MPa爆破值要求。爆破后模盒形貌如圖2所示。從模盒爆破斷口觀察，爆破鼓起均為1Cr18Ni9Ti底板側，且大部分斷口位于波紋板基體，2205側釬焊接頭則連接牢固。底板鼓起是由于1Cr18Ni9Ti壁厚較薄，但大部分從波紋板基體撕裂現象證明，釬縫連接強度高于波紋板基體強度。由此可見2205蓋板與1Cr18Ni9Ti波紋板通過1#合金釬焊可形成結合強度優良的釬焊接頭。

2.2 釬焊接頭微觀組織結構分析

10件爆破模盒2205蓋板與1Cr18Ni9Ti波紋板側釬焊接頭均未發生鼓起開裂現象，本試驗僅對2205與1Cr18Ni9Ti釬焊接頭微觀組織結構進行分析。金相觀察，釬焊縫釬料填充飽滿，釬角釬料堆積較為充足，釬焊縫寬度 40 μm至50 μm，釬焊縫整體形貌如圖3（a）所示。

2205側基體經過釬焊高溫后，在靠近釬縫0.3 mm寬度范圍內鐵素體晶粒迅速粗化，而奧氏體相（γ）相應減少。根據雙相不銹鋼相變特點，γ相在高溫是不穩定的，隨著加熱溫度的升高，鐵素體相逐漸增多，甚至有γ相消失的現象。但本試驗鐵素體長大僅在靠近釬縫附近0.3 mm范圍內，該區域γ相含量僅在25%水平，而遠離焊縫的基體則維持著基本的相比例平衡，奧氏體及鐵素體含量各占50%，這種現象顯然與釬焊縫1#合金釬料的擴散作用密切相關。1#合金作為Mn基釬料，雖然Mn和Ni元素是奧氏體穩定元素，但其在2205基體的擴散作用并不足以阻止鐵素體晶粒長大，相反元素強烈的互擴散作用所引起的濃度起伏，促進了兩類穩定元素的再分布，提供了鐵素體晶界擴長的相變驅動力，因此會出現在釬縫附近鐵素體的長大增多現象。在鐵素體晶界，可看到奧氏體呈不規則形態向鐵素體晶粒內生長，這主要是高溫冷卻過程中形成的二次奧氏體γ2。大量研究表明[7-10]，過大比例的鐵素體，尤其是γ相比例低于20%時，會降低雙相鋼基體的韌塑性能以及抗腐蝕能力，本試驗奧氏體含量在25%，基本滿足相比例控制要求。

1Cr18Ni9Ti波紋板側在距釬縫0.1 mm范圍內形成細晶區，這主要是因為釬焊升溫過程中，伴隨釬料Mn和Ni元素向1Cr18Ni9Ti基體的擴散，大量γ相重新形核并長大，但在擴散成分的阻礙作用下，同時釬焊過程提供晶粒長大所需熱能不足，重新奧氏體化的晶粒形成一層相對于基體的細晶區，如圖3（b）所示。根據奧氏體不銹鋼特點，細晶奧氏體對材料基體韌性有利，因此1Cr18Ni9Ti側的組織相對較為理想。

2.3 釬焊接頭元素分布及影響分析

由釬焊接頭基體及釬料主要元素能譜線掃描結果可知，釬縫中Mn和Ni元素均已向兩側基體擴散，但主要仍分布于釬縫中。2205側Mo元素向釬焊縫有一定程度的擴散。Cr和Fe元素由于在兩側基體濃度均高于在釬料中的濃度，所以發生由兩側基體向釬縫中擴散現象，但擴散濃度仍低于兩側基體。

為定量分析釬焊縫及兩側近距離元素濃度分布規律及其影響，用能譜點掃描分析10個點的元素濃度，點間隔為8.4 μm，10點分布情況如圖4所示，其中1至3點位于2205側，4至7點位于釬縫，8至10點位于1Cr18Ni9Ti側。由定量分析結果可知，經歷高溫擴散過程后，2205側基體各元素分布濃度仍遵循兩相分布規律，Cr、Ni元素在2205側基體濃度存在起伏，引起了α與γ相重新分布的變化，圖4中1點Cr和Ni含量分別為20.16%和7.10%，與γ相成分一致；而2點Cr和Ni含量分別為23.62%和5.54%，與α相成分一致，3點與2點相同。同時因為Mn和Mo元素在兩相中的溶解度不同，也存在相同的濃度分布規律，即1點濃度Mn高Mo低，2點和3點濃度Mn低Mo高。釬縫內元素擴散后，主成分 Mn被 Fe元素取代，Fe濃度最高達到53.62%，同時Cr向釬縫中也有大量擴散，最高濃度達到14.90%，Mn濃度大幅下降，Ni濃度下降幅度不大，隨著Ni、Cr元素在釬縫中總體比重增大，同時微量Mo元素的進入，可顯著提高釬焊縫的抗腐蝕性能。在釬縫中心因為Mn元素的擴散作用，在原位形成細微空穴，將成為應力條件下裂紋擴展的源區。在波紋板1Cr18Ni9Ti側，Mn、Ni元素與γ-Fe無限互溶，在以奧氏體為基體的1Cr18Ni9Ti中擴散則比較容易，濃度相對較高，同時在擴散過程中為γ相重新形核長大提供條件，促使靠近釬縫區域基體形成奧氏體細晶區，有利于提高材料基體的韌性性能。

2.4 釬焊過程元素擴散能力的計算

2.4.1 擴散系數求解模型建立

為反映在本試驗釬焊高溫條件下，釬焊接頭主要元素的相互擴散能力，根據金屬學原理定量計算主要元素擴散系數，以便于今后對釬焊參數下主要元素擴散程度進行預測。擴散系數求解數學模型是根據經典A·Fick擴散第二定律：，為求解方便，認為與擴散物質濃度無關，通常作為常數處理。詳細推導過程不再敖述，利用邊界條件和初始條件可得（1）式：

式中：C1為基體某一元素含量；C2為擴散元素初始時刻初始位置含量。

假設各元素擴散互不影響，引入中間變量后，利用誤差函數 表查出β值，進一步計算出某點擴散系數D值，其中t=1 500 s。

2.4.2 Mn元素擴散系數的計算與分析

Mn作為釬料主要元素，釬焊后在釬縫中濃度大幅下降，雖然兩側基體中Mn濃度并不高，但其仍作為主要擴散元素對兩側基體產生影響，因此有必要對其擴散系數進行計算。用能譜點掃描分析2205側和1Cr18Ni9Ti側各20個點元素濃度，能譜點間距分別為 2205側 26.6 μm，1Cr18Ni9Ti側24.9 μm，以焊縫中心為原點建立一維坐標系。根據能譜定量分析結果得出各點Mn元素實測C值，由（1）式計算出在每個點的擴散系數，然后求出擴散系數平均值DMn，其中2205側基體C1=1.06%，C2=69.88%；1Cr18Ni9Ti側基體C1=1.77%，C2=69.88%。利用得到的DMn值再根據（1）式求解出Mn元素在各點濃度的計算值，并與實測值進行比較，分析求解的擴散系數DMn的擬合性。

通過計算的得出Mn在兩側基體的平均擴散系數為DMn-2205=4.30×10-8cm2/s，DMn-1Cr18Ni9Ti=4.65× 10-8cm2/s。利用擴散系數DMn計算得出的Mn元素在2205基體和1Cr18Ni9Ti基體分布濃度與實測值比較圖如圖5～6所示。

由圖5和圖6 Mn元素濃度計算值與實測值比較可知，在靠近釬縫中心約100 μm范圍內，Mn元素濃度的吻合性較差，尤其距離釬縫越近差異性越大，造成這種差異的原因一是由于實際D值往往是隨濃度變化的，求解過程中發現距離釬縫越遠處D值越大。二是測試點的隨機性，會導致越靠近焊縫位置，所用數據偏離實際越多。但從元素擴散深度比較，兩者吻合性較好，從焊接工藝預測方面考慮，雖然成分濃度有一定誤差，但也可在一定程度上反映出釬料元素擴散情況，擴散系數與釬焊溫度、時間均有密切關系，對擴散不充分、求解的擴散系數低于本試驗所得數值情況下，則需確認擴散溫度與時間是否在要求范圍之內、或者真空度等其他引起的擴散系數降低的因素，擴散系數的求解對工藝改進仍具有指導作用。

3 結論

1）試驗模盒釬縫釬料填充飽滿，液壓爆破平均壓強53.1 MPa，2205蓋板與1Cr18Ni9Ti波紋板通過1#合金釬焊可形成結合強度優良的釬焊接頭。

2）釬焊接頭2205側基體靠近釬縫0.3 mm范圍內鐵素體長大，相含量占比75%；1Cr18Ni9Ti側基體靠近釬縫0.1 mm范圍形成一層奧氏體細晶區，有利于提高波紋板韌性。

3）釬焊擴散規律為Mn和Ni向兩側基體擴散，Fe，Cr和Mo向釬縫擴散；釬縫內元素擴散后，主成分Mn被Fe取代，Ni，Cr和Mo在釬縫中總體比重增大，可提高抗腐蝕性能。Mn和Ni向1Cr18Ni9Ti中擴散促進了奧氏體細晶的形核。

4）本試驗條件下Mn元素擴散系數求解為DMn-2205=4.30×10-8cm2/s，DMn-1Cr18Ni9Ti=4.65×10-8cm2/s，可一定程度上反映出釬料擴散情況，對工藝改進具有指導作用。

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（編輯：陳紅霞）

Analysis on microstructure and diffusion process of 2205/1Cr18Ni9Ti brazed joint

WU Wenjie,ZHANG Wanxin,HU Yazhen
（Xi’an Space Engine Factory,Xi’an 710100,China）

The brazability of new duplex stainless steel 2205 and Austenitic stainless steel 1Cr18Ni9Ti was tested.The microstructure,element diffusion behavior and its effect of the brazed joint were analyzed by the bursting strength tests of designed mould box specimens with corrugated plate structure.And the element diffusibility of the brazed joint was analyzed as well.It's found that the reliable brazed joint with excellent bonding strength can be formed by the brazing of 2205 stainless steel and Austenitic stainless steel 1Cr18Ni9Ti.

2205 stainless steel;mould box specimen test;microstructure analysis;brazed joint

V434-34

A

1672-9374(2017)01-0060-05

2016-08-09；

2016-09-13

吳文杰（1982—），男，工程師，研究領域為材料金相分析