Nb521鈮合金電子束焊工藝研究

朱冬妹 梁濱 王斌 胡曉勇 王瑞 沈華 馬建強

摘要：對Nb521鈮合金進行了電子束焊工藝試驗研究，優化了工藝參數，分析了焊縫表面成形及焊接接頭組織、常溫和高溫力學性能。結果表明：Nb521具有良好的電子束焊接性能，焊縫常溫拉伸強度、屈服強度均能達到母材的95%以上，延伸率達到母材的86.7%，在1 600 ℃以下焊縫性能良好。

關鍵詞：Nb521鈮合金;電子束焊接;拉伸強度

中圖分類號：TG456.3 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0090-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.18

0 ? ?前言

5BMV 合金在蘇聯應用于雙元液體火箭發動機推力室身部的制造，在硅化鉬高溫抗氧化涂層的保護下推力室的工作溫度可達到1 550 ℃左右，大幅減少了用于冷卻燃燒室的推進劑流量，有利于提高發動機的性能[1-5]。我國研制的Nb521鈮鎢合金（Nb-5W-2Mo-1Zr）與5BMV 合金相似。

文中針對Nb521材料電子束焊接工藝參數以及不同溫度下焊縫的力學性能進行工藝試驗摸索，獲得材料的焊接工藝性評價，為材料的工程化應用積累數據。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

Nb521 鈮鎢合金板材、棒材為再結晶狀態，化學成分如表1所示。

1.2 焊前工藝準備

為保證焊縫質量，更有效地消除待焊處的油污及其殘余金屬屑，通常采用酸洗和機械打磨的方法對零件進行焊前處理，并用無水乙醇或丙酮擦拭干凈。

2 試驗方法及結果

2.1 電子束焊接試驗方案及結果

為了避免Nb521合金電子束焊接中產生裂紋、氣孔，采取以下措施：加強焊前清理，通過對電子束束流、加速電壓、焊接速度、聚焦電流及工作距離等參數的優化匹配來減小焊接過程中的熱輸入，控制焊縫形狀，減少應力集中，從而實現細化焊縫組織、減小焊接應力的目的，最終消除氣孔、裂紋傾向。通過焊縫成形初步判斷參數的合理性，主要焊接工藝參數如表2所示。

2.2 電子束焊接試片表面質量分析

采用表2中的參數焊接一對試片，表面形貌如圖1所示。可以看出，焊縫正面寬度在4.5～5.0 mm，焊縫背面寬度為2.0 mm，余高為1.0 mm。表面質量能達到GJB1718A-2005 《電子束焊接》中Ⅰ級焊縫要求。

2.3 X射線檢測

為檢驗焊接接頭是否存在裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，對其進行X射線檢測，在焊前清理干凈、工藝參數匹配的情況下，電子束焊接接頭符合GJB1718A-2005中Ⅰ級焊縫要求。

2.4 常溫力學性能分析

為檢測焊縫常溫下的力學性能，將電子束焊接試片制成拉伸試樣，利用WDW-100微機控制電子萬能試驗機進行試驗。測得的數據如表3所示，拉伸試樣斷后形貌如圖2所示。

從試驗結果來看，Nb521鈮合金電子束焊縫拉伸強度、屈服強度均能達到母材的95%以上，延伸率達到母材的86.7%，焊接質量較好。

2.5 高溫力學性能分析

為檢測焊縫在600 ℃、800 ℃、1 000 ℃、1 200 ℃、1 400 ℃、1 600 ℃、1 800 ℃等不同高溫下的拉伸性能數據，在WDW-100微機控制電子萬能試驗機上對電子束焊接試片拉伸試樣進行試驗，測得的數據如表4所示，高溫拉伸斷后試樣如圖3所示。

根據表3、表4試驗結果得到不同溫度下電子束焊縫的拉伸強度、屈服強度、延伸率關系示意如圖4所示。可以看出，隨著溫度的升高，電子束焊縫拉伸強度、屈服強度均呈下降趨勢。與常溫相比，焊縫600 ℃時拉伸強度、屈服強度下降速度較快，而600～1 000 ℃時變化較為平緩，1 000～1 800 ℃同梯度降低。隨著溫度升高至1 600 ℃，電子束焊縫延伸率呈增加趨勢，但在1 800 ℃時延伸率降至最小，這主要是因為在1 600 ℃以前試樣均斷在母材或者熱影響區，而在1 800 ℃時拉伸試樣斷在焊縫處。

2.6 金相試驗分析

觀察Nb521鈮合金電子束焊縫整體形貌如圖5所示。由圖5可知，焊縫形成層狀組織，其邊緣為聯生組織，其后是方向性較強的柱狀晶。這主要是Nb521鈮合金電子束焊接時，焊接熱輸入大、熔池冷卻速度較快，焊縫形成方向性很強的柱狀晶，經修飾焊后，柱狀晶減少。焊縫中心組織如圖6所示。可以看出，焊縫中心為等軸柱狀晶結構，且等軸晶上有大量碳化物強化相析出。這主要是因為鈮鎢合金中存在MC、M2C 及M3C2等多種碳化物，微細而穩定的碳化物、氮化物和氧化物彌散相對鈮合金是一種最有效的高溫強化法[2]。隨著電子束焊接過程中的高溫熔化，強化相開始析出并聚集長大。碳化物作為鈮鎢合金的高溫強化相，只有在其彌散分布時才能起到較好的高溫強化作用，但其聚集和長大將導致鈮鎢合金的高溫強度降低。焊縫熱影響區組織如圖7所示，可以看出，接頭熱影響區產生沿晶界的局部熔化和晶粒長大，在焊縫兩側形成粗晶帶，直接影響接頭的拉伸性能。圖8為材料基體組織，均勻而細膩，為等軸晶組織。

2.7 斷口掃描電鏡分析

采用掃描電鏡分別對1 200 ℃、1 800 ℃拉伸試驗中的試樣進行拉伸斷口觀察及分析，結果如圖9、圖10所示。

由圖9可知，1 200 ℃下試樣斷口形貌為韌性斷口，其表面存在大量韌窩，因此，材料所承受的抗拉強度較強。而圖10中的斷口中有大量清晰可見的晶粒，為沿晶斷裂形貌，在斷口表面存在無結合力的光滑表面，為脆性斷口形貌，所承受的抗拉強度較弱，焊縫在1 800 ℃時產生脆性斷裂。因此，材料應在小于1 600 ℃情況下使用。

3 結論

（1）Nb521鈮合金電子束焊縫常溫拉伸強度、屈服強度均能達到母材的95%以上，延伸率達到母材的86.7%，焊接質量較好。

（2）隨著溫度的升高，Nb521鈮合金電子束焊縫拉伸強度、屈服強度均呈下降趨勢。電子束焊縫在600～1 000 ℃拉伸強度、屈服強度變化較為平緩，1 000～1 800 ℃同梯度降低;電子束焊縫延伸率先呈增加趨勢，在1 800 ℃時延伸率降至最小。

（3）Nb521鈮合金電子束焊縫在1 600 ℃之前為韌性斷裂，在1 800 ℃時產生脆性斷裂。因此，建議材料應在低于1 600 ℃情況下使用。

參考文獻：

張春基，胡國林. Nb521鈮鎢合金組織性能及其應用研究[J].宇航材料工藝，2012（1）：105-107.

王峰，鄭欣，白潤，等.低密度鈮合金與Nb521合金電子束焊接性能的研究[J]. 稀有金屬材料與工程，2013（S2）：479-482.

何俊，張秉剛，鄭坤，等.鈮合金電子束表面熔覆層裂紋控制[J].焊接學報，2012（6）：109-112.

張志偉，王厚勤，王永鋼. Ti3Al基合金與Nb521鈮合金的電子束焊接[C]. 第14屆全國特種加工學術會議，2011.

鄭坤.鈮合金電子束熔覆成形及熱作用仿真研究[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2012.

收稿日期：2020-07-29

基金項目：國家自然科學基金青年項目（51505321）

作者簡介：朱冬妹（1978—），女，學士，高級工程師，主要從事焊接工藝及設備方面的研究。E-mail：zhusanmei1979@126.com。