K418/42CrMo異種金屬連續驅動摩擦焊焊接面元素擴散研究

馬東良，劉杰，劉磊磊，劉佳佳，馬東輝，高遠

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1 序言

鑄造K418高溫合金渦輪與調質態42CrMo鋼軸是渦輪增壓器的重要組成部件，兩者通過焊接方式結合。K418是γ′[Ni3（Al，Ti）]沉淀硬化鎳基高溫合金[1]，合金中Al、Ti元素含量高，42CrMo鋼碳當量達到0.83%。二者焊接性均較差，且合金元素、熱物理性能、高溫力學性能等差異明顯，屬于典型的異種金屬焊接。

連續驅動摩擦焊是K418高溫合金、42CrMo鋼異種金屬焊接的常用方法，焊接時焊接區除受到壓力、摩擦力外，還經歷了快速升溫與快速冷卻過程。高溫塑性變形區金屬發生了擠壓流動、動態回復與動態再結晶、元素擴散遷移等力學冶金過程。不同元素的擴散機理并不相同，有的是由化學勢差引起的“上坡擴散”[2]，如C元素；有的則是由濃度差引起的，如Fe元素。

國內外關于K418高溫合金、42CrMo鋼異種金屬焊接的研究相對較少，本文采用連續驅動摩擦焊對K418高溫合金、42CrMo鋼異種金屬進行焊接，對焊接接頭金相組織、元素含量等進行分析，力求為渦輪增壓器K418高溫合金、42CrMo鋼異種金屬焊接提供技術參考。

2 試驗材料及方法

試驗選用真空熔煉鑄造生產的鑄態K418鎳基高溫合金渦輪盤和調質態鍛造42CrMo鋼軸，兩者化學成分分別見表1、表2。

表1 K418高溫合金化學成分（質量分數） （%）

表2 42CrMo鋼化學成分（質量分數） （%）

摩擦焊機選用長春數控機床股份有限公司生產的C-20A-2型摩擦焊機，主軸轉速為2000r/min，焊接參數分別選擇強規范（0.8 M P a×1 s ＋4.0 M P a×1 0 s）和弱規范（0.8 M P a×1 s ＋1.4MPa×14s）。為了避免焊接缺陷，提高焊接接頭的性能，焊前對焊接面進行精車并用丙酮嚴格清理，去除油污、灰塵、銹跡等，保證焊接面的清潔。焊接面直接對接不留間隙，焊接過程中始終保證焊接面對中，保證同心度。

對焊接接頭分別切割取樣，使用磨拋機磨平并拋光，使用4%硝酸酒精腐蝕試樣，使用金相顯微鏡觀察金相組織，使用場發射掃描電鏡對不同區域進行能譜分析以確定各區域元素組成。

3 金相組織

焊接面在摩擦焊過程中受到強烈的塑性變形和機械混合共同作用，頂鍛后仍保留著既含有鍛造組織又具有冶金接合的特殊界面結構[3]。焊接接頭顯微組織如圖1所示，其中白亮區域為K418高溫合金，深色區域為42CrMo鋼。由于是異種金屬焊接，因此焊接面在化學成分和組織性能上有很大的不均勻性。從圖1可看出，弱規范參數所得試件焊縫熔合區是一條較為圓滑的曲線，而強規范參數所得試件焊縫熔合區呈不規則的鋸齒形，個別區域甚至有曲折現象，焊接面兩側異種金屬互相嵌入、滲合，界面呈交錯分布，冶金結合面積大。

圖1 焊接面顯微組織

4 碳擴散

一般來說，影響碳擴散遷移的主要因素有以下幾個方面。

（1）溫度和時間 焊接面的最高加熱溫度和在高溫下的停留時間對碳擴散的影響很大，根據相關文獻[4]，碳擴散激活溫度為425℃、在600～800℃時擴散遷移最強烈。通常情況下，溫度越高則碳擴散越容易，高溫延續時間越長碳擴散越明顯。實際焊接過程中，焊接接頭區域溫度可以達到1050℃以上，渦輪增壓器在使用時轉子軸溫度一般也在600℃以上，碳擴散是不可避免的。但是整個焊接過程時間很短，工件直接暴露在空氣中冷卻速度很快，這就使得碳擴散距離受到很大限制。

（2）碳含量的影響 焊縫兩側母材的含碳量對碳遷移影響很大，42C r M o鋼的wC＝0.38%～0.45%，K418高溫合金的wC＝0.08%～0.16%，兩側母材碳含量差異明顯，焊接以及后續的熱處理中，因較高的溫度會提供給碳元素足夠的擴散能而發生遷移。

（3）碳化物形成元素的影響 由于K418高溫合金中Cr、Mo、Nb、Ti等強碳化物生成元素的種類較多，含量也遠高于42CrMo鋼，這些元素對碳的親和力都大于鐵，將導致碳從42CrMo鋼側向K418高溫合金側擴散遷移，從而在K418高溫合金側產生一個增碳層，在42CrMo鋼側產生一個脫碳層。

（4）Ni的影響 雖然Ni可以降低碳化物的穩定性，但是Ni本身對碳有較大的溶解度，因此Ni基材料雖然能減少碳擴散，但并不能完全避免碳擴散現象。

（5）組織結構的影響 K418高溫合金組織主要為γ和γ′相，對碳原子溶解度大，而42CrMo鋼側基體為回火索氏體，對碳溶解度相對較小。碳原子濃度梯度使K418高溫合金、42CrMo鋼焊接面兩側碳的化學位不同，碳在摩擦焊過程中易于從化學位較高的42CrMo鋼側向較低的K418高溫合金側擴散。相關研究表明[5]，碳在α-Fe中的擴散能力比在γ-Fe中大得多，因此碳很難跨過K418高溫合金與42CrMo鋼焊接面向K418高溫合金側作長程擴散，在高溫運行過程中碳的遷移主要局限在熔合區的塑性變形層中。連續驅動摩擦焊過程中，摩擦面上塑性變形區位錯密度很高，晶粒比較細小，晶界表面積增大，沿晶界和位錯容易發生碳元素的“短路擴散”[6]。

基于以上原因，碳擴散主要集中在熔合區，很難向K418側作長程擴散，擴散量也受到較大限制。此外，在穩定摩擦后期，摩擦面轉移至K418側近縫區形成次生摩擦面[7]，該區域距離原始摩擦面很近，是焊接過程中的溫度最高的區域。次生摩擦面處碳溶解度最大，因此碳能在高溫下擴散至該區域并發生富集。摩擦停止后，隨著溫度的降低，碳元素溶解度隨之降低，過飽和的碳就會在K418側次生摩擦面上析出，形成非連續網狀碳化物。

5 合金元素擴散

在異種金屬摩擦焊接過程中，摩擦界面兩側金屬元素的相互擴散是形成穩定接頭的物理基礎[8]。K418高溫合金和42CrMo鋼含量最多的元素分別是Ni和Fe，兩者在化學元素周期表中處于同一周期和同一族內，其晶格類型、原子半徑、外層電子數等十分相近，兩者可以無限固溶，這些有利于他們之間的擴散。此外，Ni、Cr、Mo、Fe等元素在焊縫兩側含量差異很大，在高溫下也會發生遷移擴散現象。

弱規范參數焊接接頭線掃描結果如圖2所示。掃描方向為K418高溫合金側向42CrMo鋼側。從圖2可看出，在K418高溫合金側距離焊縫約56mm處Fe含量開始增加，Ni、Cr、Mo等元素開始減少；在距離焊縫約26mm處兩側各元素有明顯的濃度梯度，Fe元素顯著增加，Ni、Cr、Mo等元素急劇減少；在距離焊縫約19mm處開始各合金元素含量基本保持穩定，與42CrMo鋼側含量基本一致；碳元素在整個線掃描區域中含量基本無變化。這說明在焊接過程中產生的熱量使焊縫處K418高溫合金側各主要合金元素發生了擴散現象，Ni、Cr、Mo等元素擴散至42CrMo鋼側，Fe元素擴散至K418高溫合金側，各元素擴散距離基本一致。C元素在整個區域中含量基本一致，在焊縫兩側擴散區域內含量較均勻。

圖2 焊縫處線掃描結果（弱規范）

強規范參數焊接接頭線掃描結果如圖3所示。掃描方向為K418高溫合金側向42CrMo鋼側。從圖3中可以看出，在K418高溫合金側距離焊縫約117μm處Fe含量開始增加，Ni、Cr、Mo、W等元素開始減少；在距離焊縫約32μm處Fe元素顯著增加，Ni元素急劇較少；在距焊縫117μm至焊縫這一區域內，Cr、Mo、W等元素緩慢減少；在42CrMo鋼側各元素含量基本保持穩定。這說明強規范參數下焊縫處K418高溫合金側各主要元素發生的擴散現象更為明顯，各元素擴散距離基本一致；強規范擴散距離約為弱規范的兩倍，這是因為強規范產生的熱量大于弱規范，更利于各元素的擴散，繼而產生更長的擴散距離。

圖3 焊縫處線掃描結果（強規范）

由于Fe、Ni可以無限互溶[7]，焊接面附近鐵、鎳及其他元素在高溫下易形成金屬間化合物，這些化合物有一定脆性，會大大降低焊接接頭抗拉強度，對焊接接頭的塑性和韌性也有不利影響。焊接完畢后，隨著溫度的降低，金屬間化合物大都分解，其對焊接接頭力學性能的影響也顯著降低。

6 結束語

1）焊接面兩側K418高溫合金、42CrMo鋼互相嵌入、滲合，界面呈交錯分布，冶金結合面積大。

2）碳元素自42CrMo鋼側向K418高溫合金側作短程擴散，擴散量較小并集中于次生摩擦面附近。摩擦焊停止后，隨著溫度的降低，碳元素溶解度隨之降低，過飽和的碳在K418高溫合金側次生摩擦面上析出，形成碳化物。

3）Fe、Ni、Cr、Mo及W等元素在摩擦面兩側發生不同程度的擴散。強規范產生的熱量大于弱規范，更利于各元素的擴散，擴散效果更明顯。