CN107470766A - 一种通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁镍基合金焊接领域，具体地说是一种通过晶界锯齿化处理改善铁镍基沉淀强化奥氏体合金(J75)焊接性的方法，解决现有铁镍基合金焊接性不佳、易形成接头热影响区晶界液化裂纹的问题。采用控冷热处理方法，促使高能晶界锯齿化，改变高能晶界处偏聚的硼、钛元素分布状态，增加晶界液化裂纹形成抗力，改善合金焊接性，具体为：高温短时保温处理→缓冷(控制冷却速度)处理→中温保温处理→缓冷(控制冷却速度)处理→时效处理→空冷→真空电子束焊接的工艺路线。本发明方法处理的铁镍基合金的焊接接头强度在980MPa以上，甚至达到1040MPa以上，与母材的强度系数可达0.9以上，接头冲击韧度αkU在1500KJ/m2以上，甚至达到1520KJ/m2以上。

Description

一种通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法
技术领域
本发明涉及铁镍基合金焊接领域，具体地说是一种通过晶界锯齿化处理改善铁镍基沉淀强化奥氏体合金(J75)焊接性的方法。
背景技术
随着航空、航天和核能利用等高科技领域的发展，对所用材料和器件提出了更高的要求。由于强度偏低，如：304、310、316以及316L等单相奥氏体不锈钢已不满足各个领域的使用要求。沉淀强化型奥氏体合金是在单相奥氏体合金基础上，通过Ti、Al等元素的合金化发展起来的，该类合金在时效态下使用，通过析出与基体具有共格关系的强化相γ′-Ni3(Al,Ti)获得高强度和良好塑性匹配。该类合金的高强度源于与基体具有共格关系的强化相γ′-Ni3(Al,Ti)，典型的合金如：国内的J75合金。
在航空、航天、化工及能源领域作为结构材料使用时，不可避免的遇到连接问题。应提到的是，铁镍基(J75)合金由于合金化程度高，其焊接性不佳，易于形成焊接接头热裂纹，特别是易于形成接头热影响区晶界液化裂纹。由于液化裂纹(如图1)具有沿奥氏体晶界开裂、裂纹尺寸微小(一般在0.5mm以下)、无损检测无能为力、显微观察才能发现的特点，严重危害铁镍基合金构件的使用安全。
研究发现，铁镍基合金接头液化裂纹形成原因主要与二个因素有关，首先，为保证铁镍基(J75)合金的室温力学性能(高强度)，需要析出足够数量的γ′-Ni3(Al,Ti)强化相，因此要添加1.60～2.30％(质量分数)的钛，而钛是易晶界偏析元素，在焊接热循环过程中会导致接头热影响区晶界液化裂纹形成；其次，更为重要的是，为保证合金的高温性能，合金中添加了微量元素硼，而硼是强晶界偏聚元素，具有强烈的致接头热影响区晶界液化裂纹形成能力。通过焊接方法和工艺的优化，如采用真空电子束焊接替代普通的熔化焊(钨极氩弧焊)，虽可在一定程度上降低接头热影响区晶界液化裂纹的倾向，但由于强晶界偏聚元素Ti、B的存在，合金形成接头热影响区晶界液化裂纹的风险依然很大。如何通过合金改性处理，提高铁镍基合金的焊接性，在本体上抑制铁镍基合金接头热影响区晶界液化裂纹的形成依然急迫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金(J75)焊接性的方法，解决现有铁镍基合金焊接性不佳、易形成接头热影响区晶界液化裂纹的问题。
本发明的技术方案是：
一种通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，铁镍基合金为沉淀强化奥氏体合金，采用控冷热处理方法，包括如下步骤：
(1)铁镍基合金板材在960～1030℃保温10～20min；
(2)将步骤(1)中保温处理后的板材随炉冷却至840～860℃，冷却速度控制为2～5℃/min；
(3)将步骤(2)控制冷却后的铁镍基合金在840～860℃保温1～3h；
(4)将步骤(3)保温处理后的铁镍基合金随炉冷却至730～750℃，冷却速度控制为7～10℃/min；
(5)将步骤(4)控制冷却后的铁镍基合金在730～750℃保温8～16h，随后采用气体冷却或置于空气中冷却至室温。
所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，控冷热处理采用气氛热处理炉或真空热处理炉，热处理炉能控制冷却速度。
所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，铁镍基合金板材的厚度范围为1.5～15mm。
所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，铁镍基合金的牌号为J75。
所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，采用控冷热处理方法，促使高能晶界锯齿化，使合金在冷却过程中析出的晶界碳化物钉扎晶界、改变平直晶界为锯齿状晶界，改变高能晶界处偏聚的硼、钛元素分布状态，增加晶界液化裂纹形成抗力，改善合金焊接性。
所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，采用控冷热处理后的铁镍基合金，其焊接方法采用真空电子束焊接，工艺参数为：加速电压30～60KV，焊接电流10～40mA，聚焦电流1.5～3.0A，电子束偏转振幅0.3～0.6mm，频率200～300Hz，焊接速度0.3～1.0m/min。
本发明的设计思想是：
本发明的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，采用控冷热处理方法，促使高能晶界锯齿化，改变高能晶界处偏聚硼、钛元素的分布状态，增加晶界液化裂纹形成抗力，改善铁镍基合金的焊接性，具体为：高温短时保温处理→控冷处理(控制冷却速度)→中温保温处理→控冷处理(控制冷却速度)→时效处理→空冷→真空电子束焊接。高温短时保温处理：960～1030℃保温10～20min，一方面可消除加工硬化，促使碳化物回溶；另一方面促使再结晶发生，且保持适宜的晶粒尺寸。控冷处理，通过控制冷却速度，使合金在冷却过程中析出的晶界碳化物钉扎晶界、改变平直晶界为锯齿状晶界。锯齿状晶界一方面会改变晶界偏聚元素的分布状态(由连续分布改变为断续分布)，降低焊接热循环过程中晶界低熔点液相出现几率，抑制液化裂纹形成；另一方面会增加液化裂纹形成后的扩展阻力，从而抑制接头液化裂纹的形成，改善铁镍基合金的焊接性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明将铁镍基合金进行改性处理，将硼、钛元素易于偏聚的高能晶界锯齿化，显著改善合金的焊接性，避免单纯通过焊接方法和工艺调整无法避免接头形成液化裂纹的风险，从根本上有效控制焊接接头热影响区晶界液化裂纹的形成，提高焊接接头质量。
2、采用本发明处理的铁镍基合金，具有较佳的焊接性，其接头热影响区无晶界液化裂纹形成。本发明方法处理的铁镍基合金的真空电子束焊接接头强度在980MPa以上，甚至达到1040MPa以上，与母材的强度系数可达0.9以上，接头冲击韧度αkU在1500KJ/m2以上，甚至达到1520KJ/m2以上。
附图说明
图1为铁镍基J75合金中的接头热影响区晶界液化裂纹示意图。
图2为J75合金板材中的锯齿晶界形貌图。
图3为J75合金板材焊接接头微观组织图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，采用控冷热处理方法促使高能晶界锯齿化，改变高能晶界处偏聚的硼、钛元素分布状态，增加晶界液化裂纹形成抗力，改善铁镍基合金的焊接性，其工艺流程为：高温短时保温处理→控冷处理(控制冷却速度)→中温保温处理→控冷处理(控制冷却速度)→时效处理→空冷→真空电子束焊接。其中：铁镍基合金板材的厚度范围为1.5～15mm，铁镍基合金牌号为J75，其化学成分如下：按重量百分计，Ni：29.0～32.0，Cr：14.0～16.0，Mo：1.30～1.50，钛：1.60～2.30，铝：0.2～0.5，硅：0.1～0.3，硼：0.001～0.006，铁：余量。
下面通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。
实施例1:
本实施例对厚度为12.0mm的J75合金板材的晶界锯齿化处理及其真空电子束焊接，具体实施过程为：
1、J75合金板材为热轧板材，热轧板材的化学成分满足GJB 5724-2006《抗氢钢棒规范》的要求。J75合金板材置于真空热处理炉中，在960～1030℃(本实施例为1000℃)保温10～20min(本实施例为18min)；
2、将步骤1中保温处理后的J75合金板材随炉冷却至840～860℃(本实施例为850℃)，冷却速度控制为2～5℃/min(本实施例为3℃/min)；
3、将步骤2控制冷却后的J75合金板材在840～860℃(本实施例为850℃)保温1～3h(本实施例为1.5h)；
4、将步骤3保温处理后的J75合金板材随炉冷却至730～750℃(本实施例为740℃)，冷却速度控制为7～10℃/min(本实施例为8℃/min)；
5、将步骤4控制冷却后的铁镍基合金在730～750℃(本实施例为740℃)保温8～16h(本实施例为12h)，随后采用气体冷却至室温；
6、将经步骤5处理后的J75合金板材进行真空电子束焊接，焊接采用单循环焊接方式，焊接工艺参数为：加速电压30～60KV(本实施例为50KV)，焊接电流10～40mA(本实施例为35mA)，聚焦电流1.5～3.0A(本实施例为2.325A)，电子束偏转振幅0.3～0.6mm(本实施例为0.6mm)，频率200～300Hz(本实施例为300Hz)，焊接速度0.5～1.5m/min(本实施例为0.6m/min)；
7、步骤6完成后，按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷生成。
8、分别截取按步骤5和6处理的J75合金板材和焊接接头横截面试样进行微观组织分析，结果显示合金中出现了部分锯齿状晶界，而接头无热影响区晶间液化裂纹等缺陷生成，具体见图2和图3。将按步骤6处理的J75合金接头按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表1。
表1.J75合金焊接接头力学性能
本实施例板厚为12.0mm的J75合金板材，经锯齿化处理后合金中出现部分锯齿状晶界，经真空电子束焊接后接头无热影响区晶界液化裂纹形成，且抗拉强度不低于1060MPa，与母材的强度系数可达0.95以上，冲击韧度αkU不低于1500KJ/m2。从而，可以看出采用本发明方法处理的J75合金接头无热影响区晶界液化裂纹，具有较高强度和冲击韧度。
实施例2：
本实施例对厚度为3.0mm的J75合金板材的晶界锯齿化处理及其真空电子束焊接。与实施例1不同之处在于，所焊接的J75合金板材厚度为3.0mm，相应调整了锯齿化处理和焊接工艺参数。
采用与实施例1化学成分相同的3.0mm厚的J75合金热轧板材，置于真空热处理炉中，在980℃保温12min，随后以3℃/min的冷却速度冷却至850℃并保温1h；保温结束后以8℃/min冷却速度将J75合金板材冷却至740℃，并在该温度下进行8h的时效处理，随后置于空气中冷却至室温。将经锯齿化处理后的J75合金板材进行真空电子束焊接，焊接采用单循环焊接方式，焊接工艺参数为：加速电压50KV，焊接电流14mA，聚焦电流2.325A，电子束偏转振幅0.6mm，频率300Hz，焊接速度1.0m/min。按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷生成。并且，分别截取J75合金板材和焊接接头横截面试样进行微观组织分析，结果显示合金中出现了部分锯齿状晶界，而接头无热影响区晶间液化裂纹等缺陷生成。J75合金接头按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表2。
表2.J75合金焊接接头力学性能
本实施例板厚为3.0mm的J75合金板材，经锯齿化处理后合金中出现部分锯齿状晶界，经真空电子束焊接后接头无热影响区晶界液化裂纹形成，且抗拉强度不低于1050MPa，与母材的强度系数可达0.94以上，冲击韧度αkU不低于1500KJ/m2。从而，可以看出采用本发明方法处理的J75合金接头无热影响区晶界液化裂纹，具有较高强度和冲击韧度。
实施例3：
本实施例对厚度为15.0mm的J75合金板材的晶界锯齿化处理及其真空电子束焊接。与实施例1不同之处在于，所焊接的J75合金板材厚度为15.0mm，相应调整了锯齿化处理和焊接工艺参数。
采用与实施例1化学成分相同的15.0mm厚的J75合金热轧板材，置于真空热处理炉中，在1020℃保温20min，随后以3℃/min的冷却速度冷却至850℃并保温2h；保温结束后以8℃/min冷却速度将J75合金板材冷却至740℃，并在该温度下进行12h的时效处理，随后置于空气中冷却至室温。将经锯齿化处理后的J75合金板材进行真空电子束焊接，焊接采用单循环焊接方式，焊接工艺参数为：加速电压60KV，焊接电流29mA，聚焦电流2.325A，电子束偏转振幅0.6mm，频率300Hz，焊接速度0.8m/min。按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷生成。并且，分别截取J75合金板材和焊接接头横截面试样进行微观组织分析，结果显示合金中出现了部分锯齿状晶界，而接头无热影响区晶间液化裂纹等缺陷生成。J75合金接头按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表3。
表3.J75合金焊接接头力学性能
本实施例板厚为15.0mm的J75合金板材，经锯齿化处理后合金中出现部分锯齿状晶界，经真空电子束焊接后接头无热影响区晶界液化裂纹形成，且抗拉强度不低于1050MPa，与母材的强度系数可达0.94以上，冲击韧度αkU不低于1500KJ/m2。从而，可以看出采用本发明方法处理的J75合金接头无热影响区晶界液化裂纹，具有较高强度和冲击韧度。
实施例结果表明，采用本发明技术方案的工艺参数范围内，均可实现本发明目的，有效改善合金焊接性，所焊接的J75合金接头无热影响区无晶界液化裂纹形成。

Claims (6)

1.一种通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，其特征在于，铁镍基合金为沉淀强化奥氏体合金，采用控冷热处理方法，包括如下步骤：
(1)铁镍基合金板材在960～1030℃保温10～20min；
(2)将步骤(1)中保温处理后的板材随炉冷却至840～860℃，冷却速度控制为2～5℃/min；
(3)将步骤(2)控制冷却后的铁镍基合金在840～860℃保温1～3h；
(4)将步骤(3)保温处理后的铁镍基合金随炉冷却至730～750℃，冷却速度控制为7～10℃/min；
(5)将步骤(4)控制冷却后的铁镍基合金在730～750℃保温8～16h，随后采用气体冷却或置于空气中冷却至室温。
2.按照权利要求1所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，其特征在于，控冷热处理采用气氛热处理炉或真空热处理炉，热处理炉能控制冷却速度。
3.按照权利要求1所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，其特征在于，铁镍基合金板材的厚度范围为1.5～15mm。
4.按照权利要求1所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，其特征在于，铁镍基合金的牌号为J75。
5.按照权利要求1所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，其特征在于，采用控冷热处理方法，促使高能晶界锯齿化，使合金在冷却过程中析出的晶界碳化物钉扎晶界、改变平直晶界为锯齿状晶界，改变高能晶界处偏聚的硼、钛元素分布状态，增加晶界液化裂纹形成抗力，改善合金焊接性。
6.按照权利要求1～5之一所述的通过晶界锯齿化处理改善铁镍基合金焊接性的方法，其特征在于，采用控冷热处理后的铁镍基合金，其焊接方法采用真空电子束焊接，工艺参数为：加速电压30～60KV，焊接电流10～40mA，聚焦电流1.5～3.0A，电子束偏转振幅0.3～0.6mm，频率200～300Hz，焊接速度0.3～1.0m/min。
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