（材料加工工程专业论文）Felt3gtAl合金的堆焊性能研究.pdf

f e ，a i 合金的堆焊性能研究 摘要 本文采用钨极氩弧焊方法，以1 8 - 8 奥氏体不锈钢为基体，进行f e 3 a l 合金 的堆焊性能研究，主要包括以下两方面内容： ( i ) 罐焊工艺性能：在不同堆律工艺参数条件下迸行交叉分组试验对所 获得堆焊层的宏观形貌、微观形貌、相构成、显微硬度等进行观察测试。结果 表明，f e 3 a i 合金堆焊时的主要问题有：( 1 ) 堆焊层中有a f e 固溶体生成；( 2 ) 焊缝熔合区和弧坑处有裂纹形成倾向。通过比较分析，得到组在特定条件下 堆焊f e 3 a i 合金的优化工艺参数。 ( ) 堆焊层的高温抗氧化性能：在8 5 0 c 、9 5 0 c 、1 0 5 0 、1 1 5 0 。c 温度下， 对在优化工艺参数下堆焊获得的堆焊层进行高温抗氧化性能的试验研究，堆焊 层的氧化一增重曲线表明。在整个氧化进程申。氧化机制发生了变化：s 5 0 r c _ 和 9 5 0 c 时，堆焊层的氧化动力学曲线近似地服从抛物线规律 l 0 5 0 c 和1 i5 0 c 时，氧化动力学则分阶段地服从抛物线规律，氧化膜中有破裂点形成；对氧化 膜的x 衍射、s e m 形貌分析得出，堆焊层中的c r 元素可能是造成两类不同氧 化动力学曲线的诱导因素在氧化膜中起扩散阻隔作用的主要是a a i ，o 】稽， 堆焊层在温度低于1 0 0 0 时才具有持久的、优良的抗氧化性能。 关键词：f e 3 a i 合金，不锈钢，堆焊性能，钨极氩弧焊，抗氧化性能 r e s e a r c ho ht h eo v e r l a y i n gp r o p e r t yo ff e 3 a ia l l o y a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h e o v e r l a y i n gp r o p e r t yo ff e 3 a 1 a l l o y w i t h18 - 8 s t a i n l e s ss t e e la sb a s em e t a lw a sc t ，n d u e t e db yt h eu s eo f g a st u n g s t e na r c w e l d i n gp r o c e s , c ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e st w oa s p e c t s , 2 8f o l l o w s ： ( i ) p r o c e ss i n gp r o p e r t y o n o v e r l a y i n g ：o v e r l a y i n ge x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fv a r i a n t w e l d i n gp a r a m e t e r s ， e x a m i n a t l d na n dt e g lo n o v e r l a y e ； c o n c e r n i n g i t s m a c r o m o r p h l d b y 、 m i c r o m o r p h l q g y 、p h a s e c o n s t i t u t i o na n dm i c r o h a r d n 宅j 3w e r e m s o c o n d u c t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i m a r yp r o b l e m si nf e 3 a io v e r l a y i n g a r e ：( 1 ) a - f es o l i ds o l u t i o nw e r ed e t e c t e di na l lo v e r l a y e r sw i t hd i f f e r e n c e i na m o u n l ；( 2 ) l i a b i ! i t yt oc r a c kf o r m a t i o ni nf u s i o nz o n ea n da ，c p i ! i s r e l a t i v e l yg r e a t i nt h ee n d ，o p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r 3i nf e 3 a | a l l o y o v e r l a y i n gu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n sw e r ea t t a i n e dt h r o u g hc o m p a r a t i v e a n a l y s i s ( ) a n t i o x i d a t i o op r o p e r t yo fo v e r l a y e ri nh i g ht e m p e r a t u r e s t i i e a n t i - o x i d a t i o n p r o p e r t y o f o v e r l a y e r o b t a i n e di n o p t i m a lw e l d i n g p a r a m e t e r sw e r ec o n d u c t e di at h et e m p e r a t u r e so f8 5 0 、9 5 0 、1 0 5 0 、 i j5 0 ，撒a s s g a i nc u r v e 5s h o wt h a td u r i n gt h eo x i d a t i o r 、p t o e e s s 。t h e r ei s a c h a n g e i no x i d a t i o nm e c h a n i s m ，i nt e m p e r a t u r e so fb 5 0 、9 5 0 、 o x i d a t i o nd y n a m i cc u r v e sa p p r o x i m a t e l yf o l l o wp a r a b o l i cl a w ，w h e r e a si n t h e t e m p e r a t u r e s o f 10 5 0 、1 1 5 0 t h e y f o l l o w p a r a b o l i c l a w p e r i o d i c a l iya n dc r a c k i n gp o i n t sa p p e a ro nt h eo x i d i z e df i l m i t c a nb e d e d u c e df r o mx r dp a t t e r n sa n ds e m m o r p h o l o g yo fo x i d a t i o nf i l mt h a t c rc a nb et h ei n d u c t i v ee l e m e n tw h i c hb r i n g sa b o u tt w od i f f e r e n tk i n d so f o x i d a t i o nd y n a m i cc ur v c s ，t h en b s t r u e t i n g ) a y e ro fd i f f u s i o ni gm a i n l y c o m p o s e do fa l p h aa l u m i n a p r e f er a b l ea n de n d u r a b l eo x i d a t i o np r o p e r t y o fo v e r l a y e rc a nb ea c h i e v e du n d e rt h et e m p e r a t u r eo f10 0 0 k e yw o f u l ：f e ，a ia l l o y ，a u s t e n i t e s t a i n l e s ss t e r l ，o v e r l a y i n gp r o p e r l y ， g a st u n g s t e na r cw e l d i n gp r o c e s s ，a n t i - o x i d a t i o np r o p e r t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果也不包含为获得盒魍_ i 、业盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示i 9 f 意。 学位论文作者签字：冤明七签字日期：撕开年4 月l ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆工些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 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部分的有序金属问化合物为基体。与传统的金属材料相比，其性能介于金属和 陶瓷之间，所以也被誉为半陶瓷材料。正是金属间化合物具有这些突出特性， 所以这是类极具应用潜力的高温结构材料。 总之，作为新型材料的金属间化合物，其用途十分广泛。因其键合类型呈 多样化，从而使其具有特殊的晶体结构、电子结构和能带结构。正是由于这些 结构特点，使其具有了很多新的性能和用途。其中耐高温、抗腐蚀、抗氧化、 耐磨损等特点使其可以成为航空、航天、交通运输、化工、机械等许多工业部 门的重要结构材料；同样由于其具有声、光、电、磁等特殊物理性能，而成为 极具潜力的功能材料，如半导体材料、超导材料、软磁材料等【2 1 。金属间化合 物种类非常多，在结构材料领域人们研究较多的是t j a 】系、n i a l 系和f e - a l 系金属间化合物。f e a l 系金属间化合物与前两类相比，除具有高强度、耐腐 蚀等优点外，还具有低成本和低密度等优点，因此具有广泛的应用前景p 4 1 。但 是，金属间化合物的共同缺点一室温塑性低和高温强度差( 指超过或) p 1 一直 没有得到很好的解决，也制约了它们在生产实践中的应用。 1 2f e h l 金属间化合物的特点性能及应用 1 2 1f e a l 合金相图及其点阵结构 在f e a l 金属间化合物中最受关注的主要是f e 3 a ! 与f e a i 合金坤“，f e 3 a 1 合金一般是指铝的质量分数在2 5 3 5 之间的f e a l 合金，其相组成包括：无 序固溶体( a 2 或d ) 相，不完全b 2 结构的有序相，d 0 3 结构的f e 3 a 1 有序相， f e a 1 合金相图及f e 3 a l 与f e a i 合金的结构图l - 1 ，图1 - 2 所示，d 0 3 结构是由 t 个体心立方点阵堆积而成，b 2 娜为体心立方结构。 1 2 2f e - a 1 金属间化合物合金的研究现状 f e a l 金属间化合物合金的研究始于2 0 世纪3 0 年代，中间经历了几次研 究热潮，在上世纪7 0 年代末取得突破，到8 0 年代，f e a j 合金作为一类结构 材料开始面向应用，并得到广泛研究，到9 0 年代研究人员进一步发现水汽是导 致f e a l 合金室温脆性的根本原因 8 1 。然后人们对f e 。a l 合金的反常屈服行为1 9 、 室温脆性【1 0 、合金成分的理论设计 4 ，i 1 】、微合金化对f e 3 a 1 性能的影响 1 2 a 3 1 、 f e a i 合金的制备工艺f ”，”1 等方面都进行了较全面的研究。比如由美国橡树蛉 国家实验室研究人员开发出的f e 3 a l 合金不仅有良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性 能，室温伸长率可达1 2 8 1 1 6 】。因此材料学家认为，该材料预计将在航空、化 工、核反应堆元件、熔炉高温装置、电磁元件等众多领域获得广泛应用i l ”。， 图1 1f e a 1 合金相图 磨$ 图1 2f e ，a i 合金的两种点阵结构 a l of ：o 1 ，2 3f e 3 a 1 基合金的性能特点 通过近些年对f e 3 a 1 基合金所进行的研究，曾被认为是f e 3 a l 基合金两个 2 致命弱点的室温脆性和6 0 0 c 以上急威下降的高温强度的本质己被逐步揭示， 并且得到了很大改进。从机械性能来看，f e 3 a 1 基台金的室温强度、延伸率和 6 0 0 以下高温强度已与某些碳钢、不锈钢、低合金钢相当甚至更优，如下表 l 一1 。 表1 if e 3 a i 基合金的机械性能 f 。3 a 1 基合金相对比钢种 f e 一2 8 一a 1 f e 一2 8 一a 1 f e 一2 8 一a 1 机械性能3 0 44 0 c r 4 2 23 10 2 c 卜b5 c 卜z t b 5 c r n b c 室温( m p a l 3 9 74 5 04 2 33 0 07 5 09 4 02 7 5 室温6 ( ) 1 41 91 46 0l o55 0 6 0 0 0 ( m p a ) 2 7 03 4 03 4 08 45 2 0】5 0 同时，f e 3 a l 基合金也表现出优异高温抗氧化和硫化性能( 表卜2 ，卜3 ) ， 但其高温强度距实用的高温合金和耐热钢还有一定差距，并且表现出突出抗氧 化硫蚀性能的温度范围也远高于其强度所能承受的范围，再加上它存在室温加 工性能和焊接等工艺问题，使其实用化受到一定限制，难以作为高温结构材料 在工程中应用，但其可作为一种高温腐蚀性气体环境下的功能性结构材料。 表】2 几种合金的抗氧化性能的对比 l比较合金f e 3 a i 1 c r l 3l c r l 3 s i a l1c r 2 3 n i 8 l9 5 0 下的氧化增重率( m g c m 2 畸i ) 0 0 0 2 51 3 40 0 0 4 0 0 0 2 表1 3 几种商用合金与f e 弭l 基合金的腐蚀增重对比 f e 2 5 c 卜 3 1 0f e t a i 8 x xg e l5 4 lr v 8 4 1 3 6 a l不锈钢基合金 重量变化灾难性 0 ，20 】5 0 2 2 灾难性 o 0 1 ( r a g r a m ) 腐蚀腐蚀 1 3f e ，a 1 合金的焊接问题研究 文献指出【8 1 ，f e a l 金属间化合物的应用研究远落后于基础理论研究，使 这种性能优异的材料没能得到预期的开发利用。f e 3 a i 台金要想在工程上得到 广泛应用，焊接问题是其实用化过程中所面临的首要问题之一，而这其中又包 括：f e 3 a l 合金自身的焊接以及它和异种材料之间的焊接( 如：碳钢、不锈钢、 陶瓷等) 。下面就f e 3 a 1 合金的焊接问题及相关的技术研究现状作概括性的综 述。 1 3 1 焊接冷裂纹问题 冷裂纹是某些低合金高强钢以及些特殊材料焊接中存在的主要问题，它 3 在焊后冷至较低温度下形成( ( m s 马氏体生成的开始温度) ，并且还具有延迟 开裂的特征。现在人们已经弄清了产生冷裂纹的三大要素【 1 ，即母材本身及焊 接熔池的淬硬倾向( 组织因素) ，焊接过程中溶入接头区的扩散氢含量及其分布 ( 扩散氢的影响) ，接头所承受的拘柬应力或残余应力状态( 应力因素) 。 研究人员在f e 3 a i 合金的一系列电弧熔焊试验中发现了比较严重的冷裂纹 倾向，试验研究主要集中在钨极氩弧焊( g t a wg a st u n g s t e na r c hw e l d i n g ) 和电子束焊( e b we l e c t r i cb e a mw e l d i n g ) 这二种熔焊方法上。在f e 3 a i 合金 的电子束焊焊接试验中几乎没有发现过冷裂纹1 2 0 21 】。这主要是由于屯子束焊是 种在真空中进行的高能密度焊接方法，完全避免了空气的侵入，杜绝了焊缝 中扩散氢的一个来源：此外，电子束能量集中，焊缝和热影响区十分窄小，焊 后变形及残余应力小，因此，在电子束焊中，只要在焊前将焊件仔细清理干净， 就不会有产生焊接冷裂纹的倾向。相比之下，在采用药皮焊条手弧焊( s m a w s h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n g ) 或钨极氩弧焊焊接f e 3 a i 合金时比较容易出现冷裂 纹【2 2 ，2 3 1 ，这其中致裂因素很大一部分是由于这二种焊接方法均可能使接头区及 热影响区( h a zh e a t a f f e c t e dz o n e ) 滞留较多的扩散氢，当扩散氢含量高于临 界氢含量时，就可能会生成冷裂纹。另外，对于药皮焊条手弧焊来说，焊条药 皮中的有机物在高温电弧下所分解的原子氢是接头扩散氢的一个重要来源。对 于钨极氩弧焊而言，尽管在焊接过程中用氩气对焊接熔池区域进行保护，但难 以完全杜绝电弧周围的空气侵入熔池，空气中的永汽除了在高温下分解出原子 氢外，还能直接与熔池中a l 反应生成原子氢，从而成为扩散氢的来源。 如果说扩散氢是f e 3 a l 合金电弧焊中产生冷裂纹的一个重要外因，则其材 质本身对冷裂纹( 氢致裂纹) 敏感则是生成冷裂纹的内在因素。相关的理论及 研究结果表明【2 0 ，2 1 , 2 4 1 ，f e 3 a i 合金对焊接冷裂纹敏感源于以下几个方面：是 f e ，a l 金属间化合物熔体的流动性差1 2 ”，因此在焊接熔池的冷却过程中，溶解 氢的溢出速度会迅速降低，而在通常情况下，氢在f e 基金属液相中的溶解度大 大地高于其在相应固相中溶解度。在焊接过程中，高温时溶解在液相熔池中的 原子氢由于在熔池冷凝过程中未能充分扩散溢出而大量滞留在固相接头中，在 多数情况下则处于过饱和状态，而这些氢在固相中仍具有很强的扩散能力，随 着时间的延长，会逐渐向缺陷处( 位错、空位、反相畴界、夹杂物) 扩散聚集 并结合成氢分子，从而使缺陷处的微区应力增大，为裂纹的产生提供了力学条 件：二是f e 3 a l 金属间化台物的熔焊接头在凝固过程中会产生大量的微观晶体 缺陷，其中超点阵位错( s l ds u p e r l a t t i c ed i s l o c a t i o n ) 与反相畴界( a p ba n t i p h a s e b o u n d a r y ) 是这种有序合金中典型的线缺陷和面缺陷】。并且从f e - a l 合金的有 序转变动力学可知1 2 6 1 ，f e 3 a 1 金属间化台物的有序化转变速度很快( 指从b 2 型向d 0 3 型结构转变) ，所以，焊后正常冷却条件下，在温度低于临界转变温 度t c ( 当成分在化学当量附近是t c 约为5 5 0 ) 的接头( 包括焊缝和热影响区) 4 区域会迅速地由1 3 2 型转变为d 0 3 型超点阵结构，d 0 3 型结构形成虽然有利于 接头的耐蚀性、耐磨性，但与b 2 型超点阵结构相比，它的塑性降低、硬度和 脆性提高，故具有较大的冷裂纹敏感性：三是与普通低合金钢相比，f e 3 a i 合 金导热率较小，而热膨胀系数较大，在熔焊过程中，由于母材被焊区局部受热 会使焊后接头区域产生较大的残余应力，这在微观上有利于氢的扩散、聚集及 裂纹的启裂与扩展。 针对f e j a l 合金电弧熔焊中的冷裂纹问题，在目前的相关研究中所采取的 解决方法主要集孛在以下几个方面：是尽量减少焊接熔浊中氢的来源。如焊 前对工件和焊丝仔细清理，除去水份和油污。在t i g ( t u n g s t e ni n e r tg a sa r c h w e l d i n g 惰性气体保护钨极电弧焊) 焊中，使用高纯氩气并保证电弧不受外界 干扰而发生漂移，可使熔池得到良好保护；二是焊前预热、焊后缓冷以及优化 焊接热输入。预热和缓冷不仅可以减少焊接残余应力，而且有利于减少接头中 的扩散氢。研究结果表明【2 2 2 3 l ：在3 0 4 型不锈钢基体上用药皮焊条手弧焊或惰 性气体保护钨极电弧焊方法堆焊f e 3 a l 合金时，当焊前将母材预热达6 0 0 并 且焊后缓冷肘，可以完全避免焊层及其熔合区的冷裂纹。关于焊接热输入对冷 裂纹的影响。相关的研究结果表明，提高热输入比较有利，在文献【2 0 2 l j 中采用 不同焊接速度进行了试验，发现随着焊接速度的增加( 热输入降低) ，接头区的 裂纹率也增加，其开裂断口具有明显的氢致裂纹特征( 冰糖状断口) 。分析认为 这是由于随着热输入的降低，焊后冷却速度增大。扶而导致接头区滞留较多约 扩散氢并增大残余应力的缘故；三是选用工艺性能和冶金性能优良的焊材。国 内有人对此进行过系统的研究【24 1 ，通过所研制的不同合金成分的焊丝，用于 f e l a l 合金的t i g 焊，结果表明，采用f e 基低c 并加少量c r 、m o 、m n 、c o 合金元素组成的焊丝，在适当工艺条件下可以得到与母材充分熔合，熔合区化 学成分均匀平缓过渡( e d x a 检测结果) ，焊缝组织依附母材以联生方式结晶， 最终得到无裂纹的焊接接头，具体试验结果如下表1 4 ，1 - 5 所示。 分析认为采用这种焊丝焊接可碍到塑性较好的焊缝金属，而且大大减少了 焊缝组织中的微观缺陷数量，缓解接头区的残余应力。同时焊丝中的c r 元素可 通过固溶软化降低熔合区附近f e 3 a l 的室温脆性，减少微观缺陷，这些因素对 于防止冷裂纹( 氢致裂纹) 的形成均是有益的。采用这种焊丝不仅有利于防止 冷裂纹，而且还解决了制作f e 3 a i 合金焊丝中存在的拉拔成形等问题。 表1 4 合金的化学成分( 质量百分数) a 1 1 0 y a 1 c rm on bcy f e f ea a l ( c r )1 5 7 5 7 2 b a l f e 3 a 1 ( c r n b c )1 6 4 5 4 50 ，9 40 0 3 b a l f e 一1 6 a 1 ( c r m o n b y c ) 8 9 0 5 1 11 9 20 2 30 0 6 b a l 5 表1 5 填充材料对f e a i 基合金钨极氩弧焊焊接开裂行为的影响 f e s a l 焊材 f c m1 c r l 8 n i 9 t in i 2n i 8 2i n c o n e l 6 2 5c - 4 ( c r ) f e 3 1 ( c r ) 1 3 11 2 ，3 f e 。a l ( c r n b c )1 ，3 1 2 ，32 ，31 ，2 1 f e 一1 6 a 1l ( c r m o n b y c ) 注：i 纵向裂纹2 横向裂纹3 冷裂纹空白表示无任何裂纹产生 1 1 3 2 焊接热裂纹问题 研究表明，热裂纹是f e ，a l 合金在熔焊焊接过程中遇到的又一严重的焊接 缺陷。基于对某些低合金高强钢和高合金钢焊接熟裂纹形成杌理的认识可知， 这类裂纹是在焊接熔池结晶后期的高温区间内产生的( 故又称之为结晶裂纹) ， 成因可归结为以下二个因素【旧】，一是冶晶因素，即结晶后期在晶粒或枝晶之间 存在连续的低熔点液态薄膜，导致晶间结合强度降低；二是力学因素，即在结 晶凝固过程中，由于拘束而在局部产生了大于晶问结合强度的拉应力，导致晶 间丌裂。f e 3 a l 合金焊接热裂纹的形成机理及过程在本质上与此是相同的，其 产生与否也与上述两方面因素密切相关。 研究人员采用g t a w 和e b w 这两种方法进行f e 3 a l 合金的焊接试验中发 现了热裂纹并考察了相关因素的影响。在文献【2 1 1 中，作者用这二种熔焊方法在 不同的焊接规范下( 主要变换焊接速度) 对五种成分不同的f e s a l 合金的焊接 热裂纹倾向进行了比较研究，发现：对于含有t i b 2 但未经过变质处理的f e 3 a 1 合金( 其中b 元素可以改善合金的低温塑性和高温强度f 2 7 】) ，g t a w 在试验焊 速时( 4 2 m m s , 8 5 m m s ) 均产生热裂纹，而电子束：嚏呜只有在低的焊速 ( 4 2 m m s ) 下才能得到无裂纹的焊接接头。而对于分别采用c r 、n b 、m n 及 c r n b b 变质处理后的f e 3 a 1 合金，电予束焊在所有的试验焊速 ( 4 2 m m s 8 5 m m s ，1 6 9 m m s ) 时无热裂纹产生。以上的试验结果表明， 对于含t i b 2 的f e 3 a l 合金在冶金因素上决定了它的热裂纹倾向比较严重，同时 对熔池形状及加热冷却速度较敏感，只有在熔池形状合适且加热冷却速度较低 时( 低焊速的电子束焊) ，才不至于在熔池冷凝过程中产生局部大于晶闯结合强 度的应力，从而避免热裂纹的产生。在文献们中d a v i d 等人对二种不同热处理 状态( 热扎态与热扎加淬火态) 的f e 3 a i 合金进行电子束焊的焊接试验，以考 察f e ，a i 台金原始组织对焊接性的影响，结果表明，尽管母材的显微组织不同， 但二者的热裂纹倾向没有差异。由上可知，f e s a l 合金的焊接热裂纹倾向对母 材及焊材的合金成分、焊接方法及焊接热输入比较敏感，尤其是合金成分影响 极大。 因此，在f e 3 a 1 合金的熔焊焊接性试验中，从合金元素对热裂纹的影响角 6 度出发，将合金元素分为二类，一类是增大合金在熔焊时热裂倾向的元素，印 有害元素，如b 、z r 、m o 等，这是因为它们存在增大焊接熔池冷凝过程中在晶 粒间形成低熔点共晶的可能性；另一类是降低热裂纹倾向的元素，即有利元素， 如c r 、n b 、c 等，原因是由于c r 、n b 与c 能形成碳化物，可以降低产生低熔 点共晶的可能性。上述研究结果将为f e 3 a 1 合金焊丝的开发研制以及f 。3 a i 合 金本身的合金优化提供有益的参考。 1 ，3 _ 3 其它焊接问题 对于f e a a i 合金的焊接，除了上述在熔化焊中出现的冷裂和热裂问题外， 在不同焊接方法或工艺条件下，还会存在其它焊接性问题。如在进行闪光对焊 的试验研究中【2 9 1 ，虽然能形成接头，但接头的拉伸断裂强度很低，通过扫描分 析发现，接头处残留氧化物夹杂，且断口具有解理断裂形貌特征，这是由于闪 光对焊在顶煅时顶煅力不足而未能将端面上燃烧产生的氧化物完全挤出所导致 的。如果增大顶煅力又会由于母材本身的脆性大而造成母材受到损伤，因而不 宜采用。所以对于f e 3 a 1 合金而言，目前用闪光对焊方法进行焊接的效果并不 理想。基于充分发挥f e 3 a l 合金优异的高温抗氧化、抗硫蚀及耐磨性能的优势， 有研究者在3 0 4 型奥氏体不锈钢基体上用堆焊方法( 药皮焊条手工焊或添丝的 钨极氩弧焊) 制作f e 3 a l 合金层，这种堆焊实际上属于异种材料的焊接，试验 中发现除了堆焊层和熔合区的开裂问题外，还有基体对熔敷层的稀释问题，因 此难以得到性能理想的堆焊层，并且堆焊层及其熔合区的开裂兼有冷裂和热裂 特征，这些焊接缺陷可以通过基体的预热、提高热输入及加强焊区保护等来减 轻，甚至完全避免。而基体对熔敷层的稀释问题，通过降低热输入( 小电流快 速堆焊) ，以减小熔池及其流动性，削弱基体对熔敷金属的稀释作用，而这与防 止开裂的措施又是矛盾的。因此在堆焊中只有选择适当的热输入和熔敷层厚度 来协调这两方面的利害关系，才有可能获得理想的堆焊层，这在实际构件的堆 焊中已得到成功的运用。 在采用真空扩散焊方法进行f e 3 a i 合金与碳素钢q 2 3 5 的焊接的试验研究 中【3 0 ，3 ，出现的主要问题是难以得到微观组织结构均匀过渡的扩散结合区，在 界面区往往容易出现高硬度脆性相，导致接头区的力学性能恶化。分析认为， 该问题的出现与f e 3 a l 金属间化合物的晶体结构有关，因为这类化合物的组成 元素是长程有序排列，在金属键外还形成一部分共价键，原子间金属键与共价 键共存，结合力很强，从而约束了原子的扩散迁移能力，大大降低扩散速度。 所以要获得良好结合性能的接头，睢有采用高的工艺参数，即高温高压长时间。 倒如试验中，当选择加热温度i 0 5 0 l 1 0 0 、压力9 0 m p a 、保温时阅不少于6 0 m i n 时，可以得到较为理想的接头，但如此苛刻的焊接条件不仅成本高、效率低， 而且在结构稍加复杂的构件上就难以实现，因此不宜在工程上推广使用。 1 3 4 小结 7 目前的试验研究结果表明，f e 3 a i 合金的可焊性很差。在熔焊中出现的主 要问题是冷裂纹、热裂纹，而在采用其它焊接方法时的主要问题是接头区难以 得到满意的力学性能。 针对熔焊时的冷裂纹、热裂纹缺陷，目前采取的主要措施是减少焊接熔池 中扩散氢的来源，强化熔池保护；削弱接头区在焊接过程中的拘束应力( 热应 力) 和焊后残余应力；优化焊缝金属成分和组织性能等。针对其它焊接问题的 主要措施是提高焊接参数。所有这些措施虽然具有很好的效果，但大多增加了 工艺难度，使焊接条件苛刻或成本高、效率低。在实际应用上很大限制甚至难 以实现。 f e 3 a 1 合金是应用前景很好的材料，目前关于其焊接问题的研究还很有限， 虽然已经取得了一些成果，但对有关问题的认识还不够充分和深入，离实际应 用的要求还有相当大的差距。因此深入开展这方面研究很有必要。， 在未来深入开展f e 3 a l 合金的焊接性研究中，针对目前所揭示的问题，除 了深化理论上认识外，应积极寻求简便的应对措施，以降低工艺难度，使其容 易实现和实用化。此外，探索新的焊接方法及异种材质的焊接、研制新的焊接 材料以解决目前遇到的问题也是很有理论和实用价值的。 1 4 本课题研究的主要内容及意义 f e 3 a 1 合金是一种金属间化合物，其主要元素是铁和铝，价格低廉，高温 强度高、高温抗氧化性能( 远优于奥氏体不锈钢) 和耐磨耐蚀性能优异，是应 用前景非常广阔的类金属材料，同时合金的密度低、比强度高，合金中不象 高温台金或不锈钢那样含有大量昂贵的且具有战略意义的元素( 如c o 、n i ) ， 因而在价格上具有优势。但由于其塑性低，尤其在室温，所以难以加工成特殊 形状的工程构件，而焊接又是实现这种材料在工程应用的必经途径，因此，开 展焊接性的研究具有重大的实践意义。 金属的焊接性【3 2 】就是金属能否适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用 性能的焊接接头的特性。也就是说，金属焊接性的研究主要包括以下两方面的 内容：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊接接头在一定的条件 下可靠运行的能力。这也说明，焊接性不仅包括结合性能，而且包括结合后的 使用性能。 本文的第二章将采用钨极氩弧焊方法，用东南大学开发研制的f e 3 a i 合金 棒材为焊丝原料，以奥氏体不锈钢( 1 8 。8 ) 为基体进行一系列堆焊性试验，以 考察f e 3 a 1 合金堆焊工艺性，第三章将对堆焊层的高温抗氧化性能进行试验研 究。总之，f e ，a 1 合金的堆焊性研究主要包括两个方面，一是合金在经受焊接 加工时对开裂( 热裂、冷裂) 及气孔、夹渣( 多道堆焊时) 等缺陷的敏感性， 并如何通过焊接工艺的改进来降低缺陷形成倾向，有文献知道，f e 3 a i 合金在 水汽环境中的氢脆敏感性易导致焊接冷裂纹，这是因为( 1 ) 水汽与合金中的 8 a l 发生如下反应： a t 七h 2 0 a 1 2 0 3 + 6 h 水汽与裂纹尖端发生作用，使原予态的h 渗入金属内而导致裂纹，因此， 应尽量避免水气对堆焊过程的影响：( 2 ，与不锈钢基体相比f e 3 a i 合金较高 的线胀系数和相对较低的导热系数在焊接时以及焊后都会产生较大的残余应 力，而且，这样大的残余应力也会增大堆焊层在凝固过程中的热裂倾向。所以， 针对上述问题，将进行如下试验，选择适当的焊接工艺参数，对堆焊后焊道及 其熔合区迸行了外观、金相、硬度以及射线等检测分析。二是焊接件的实用性 能，即应使堆焊层保持优良的力学性能和抗腐蚀性能，鉴于此，本文主要对堆 焊层的高温抗氧化性能进行试验研究，主要包括t ( i ) 堆焊层合金的离涅氧化动力学； ( 2 ) 用x 射线衍射仪、数码相机、扫描电子显微镜对堆焊层合金高温氧 化膜的相构成、宏观形貌、微观形貌进行测定观察分析，并建立堆焊层氧化膜 生成模型： ( 3 ) 对堆焊层合金氧化膜内的内应力种类及其分布进行探讨，运用应力模 型对氧化膜的破裂机理进行说明。 9 第二章f e 3 a l 合金的堆焊工艺性能 2 1 概述 2 1 ，1 堆焊 堆焊是焊接的一个分支，是金属晶内结合的一种熔化焊接方法。与一般焊 接不同之处在于，它不是为了连接零件，而是用焊接的方法，在零件表面堆敷 层或数层具有一定性能材料的工艺过程。其目的在于修复零件或增加其耐磨、 耐热、耐腐蚀等方面的性能。由此可见，堆挥具有一般焊接方法豹特点，但又 有其特殊性。 ( 1 ) 堆焊就其物理本质、冶金过程和热过程的基本规律而言，与一般焊接是 相同的，但由于其目的在于发挥堆焊层的特殊效果，所以它自身的一些特点， 影响堆焊层效果的主要因素是堆焊层的合金成分及组织性能。因此，根据零件 的使用条件，选择最优的焊接材料与工艺方法进行堆焊至为重要。 ( 2 ) 由于堆焊主要在于发挥堆焊层的特殊效果。所以除修补零件可用相同或 摆近于基体金属的焊接材辩钋，一般都使用具有特殊成分和性能的焊接材料， 这就使堆焊在多数情况下，具有异种金属焊接的特点。 ( 3 ) 为了保证堆焊层的特殊性能，堆焊时要尽量降低稀释率，即堆焊层要尽 量减少被基体金属所稀释，因此，稀释率是堆焊中一项重要的指标。 “) 堆焊金属与基体金属的相交温度和膨胀系数要相近，以免在堆焊及其后 热处理过程中产生较大组织应力和热应力，而导致堆焊件的报废。 2 1 2 堆焊方法 一般地说，凡是姥实现熔化焊接的方法，原则上都可以用来进行堆焊。目 前，常见的堆焊方法有：氧乙炔焰堆焊、手工电弧堆焊、自动埋弧堆焊、振动 电弧堆焊、等离子堆焊、气体保护堆焊、电渣堆焊。本文将采用钨极氩弧焊方 法进行堆焊试验。 2 2 堆焊试验 2 2 1 堆焊试验材料及方法 堆焊试验用的基体材料为奥氏体不锈钢，牌号为0 c r l 8 nj 9 ，其成分如表2 - 1 所示，尺寸援格为8 0 8 0 x 3 ( m m 。用有效直径约为r a m 的f e 3 a 2 合金丝为堆 焊焊丝，具体的化学成分为( 原子百分数) ：c r ：5 ，m o ：0 5 ，a 1 ：2 8 ，其余为f e ， 其x 衍射图如图2 - 1 所示，该合金组织由f e 3 a l 相构成。钨极氩弧焊方法进行 堆焊。 1 0 表2 1 基体的化学成分 基体 cs im nspc rn i f e 【1 cr 18 n i 91 0 1 2s 1 0 0 2 0 01 0 0 3 01 0 0 3 01 7 0 1 9 08 o 1 1 0 b f l l 山 u 图2 - 1 堆焊焊丝的x 衍射结果 2 2 2 试验准备及方案的制定 以奥氏体不锈钢为基体，堆焊f e 3 a l 合金，属于异种材料之间的焊接，由 于这两种材料在物理性能、化学性能方面存在较大差异，给焊接过程带来诸多 困难。在物理性能中，材料间的热膨胀系数和热导率的差别对堆焊层的最终成 形有着决定性的影响33 1 ，所以，焊接工艺的制定必须充分考虑热物理性能在这 方面的差异性。这两种材料的热导率与线膨胀系数图2 2 ，2 3 所示。 图2 2f e 3 a i 合金与不锈钢随温度变化 的热导率( ) 图2 - 3f e 3 a i 合金与不锈钢随温度变化 的线膨胀系数( a ) 从2 2 可以看出，两者的热导率都随着温度的提高而提高，但从高温( 高 1 1 于f e 3 a l 合金和不锈钢的熔点) 到室温这样大的温度区间内，不锈钢与f e 3 a i 合金之间的热导率差值较大，前者几乎为后者的两倍，由于差距较大，因此堆 焊f e 3 a 1 合金时，焊缝在冷却过程中可能会出现以下问题：( 1 ) 熔合区裂纹( 焊 接应力造成) ，由于基体的热导率大，冷却速度快，而堆焊层的冷却则相对较慢， 这时由于冷却进程的不同步从而会在堆焊焊道上形成一定的温度梯度以及收缩 变形的不协调，最终导致应力的产生，这时的应力性质为拉应力，当形成的拉 应力大于熔合区的结合强度时，裂纹便在此处形成；( 2 ) 焊缝晶粒粗化( 焊接 时的热输入大和焊缝散热慢引起) ，在焊接热输入一定时，由于液态f e 3 a 1 合金 的粘度大，加上热导率相对较小，这样会使得堆焊层合金在高温区存在的时伺 较长，有利于晶粒的长大，最终可能会导致晶粒的粗化。 由2 3 可知，f e 3 a l 合金与不锈钢的线膨胀系数与温度之间的关系相似，即 都随着温度的升高而增大，所以，焊缝与基体合金在冷却过程中同时产生的收 缩变形，不存在相互补偿效应，这将会进一步增大界面处的应力集中，当应力 高于界面处结合强度，裂纹便会形成，严重时甚至会导致焊缝与母材的剥离。 所以，从f e 3 a l 合金与不锈钢之间的热膨胀系数和热导率间的关系可初步 得出如下结论，在堆焊过程中可能出现的问题有：裂纹和焊缝晶粒粗大，而尤 以裂纹问题更为突出。从上面的这些缺陷形成的原因可知，这些潜在的焊接缺 陷只有通过焊接工艺及参数的优化加以减轻，直至完全消除。 2 2 3 堆焊工艺参数及优化 堆焊前应去除母材堆焊面和堆焊焊丝表面的铁锈、油脂等污染物，在炉中 加热到预定的温度，取出后用钨极氩弧焊方法堆焊。 堆焊工艺参数的确定，除了上述讨论的影响因素外，还应考虑到以下各因 素的影响：( 1 ) f e 3 a i 合金的有序化动力学特点，由于有序化转变是一个依赖 于原子迁移而重新排列的过程【3 4 1 ，而且有序畴的形核需要一定孕育期，以满足 形核所需的结构起伏和能量起伏。所以熔池的有序化进行程度与其冷却速度密 切相关，因此，在熔池冷却过程中，如果在高于t c ( f e 3 a i 合金的有序化临界温 度) 温度时快速冷却，有序化过程会受到抑制，甚至保留高温时的部分有序甚至 是无序状态，导致得不到完全有序的f e 3 a l 合金堆焊层：( 2 ) 液态f e 3 a ! 合金 的粘度系数，f e 3 a i 合金溶液的粘度系数很大1 2 6 1 ，这一特点有利于减轻堆焊时 母材元素向熔池的过渡；( 3 ) 母材的熔敷系数，越小越好，这样有利于获得越 少量的异类相构成的高有序度的f e 3 a i 合金堆焊层；( 4 ) 堆焊效率及堆焊的工 艺难度，为了能在实际工程中得以广泛应用和推广，堆焊时的效率要高，工艺 难度要尽可能小。结合前节的讨论，焊接工艺参数如下：焊接电压1 3 5 v ，焊 接电流分别为8 0 a 、1 2 5 a ，焊接速度l ，5 m m s ，预热温度取1 5 0 c 和3 0 0 c 两组 值，进行交叉分组试验，每条焊道长度约为5 c m ，单道或双道施焊，焊后试件 空冷至室温。堆焊结果如表2 2 所示，为一统计结果。在预热温度为3 0 0 c ， 1 2 焊接屯流为1 2 5 a 这一组，堆焊焊缝无裂纹生成：焊接电流为8 0 a ，预热温度 为3 0 0 时，焊道上有时会出现宏观裂纹，但通过将堆焊试件随炉冷则基本上 可避免裂纹的产生；在焊接电流为1 2 5 a ，预热温度为1 5 0 c 获得的焊缝，尽管 热输入较大，但仍