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        Mo 42Re合金焊接工藝研究

        2022-01-20 02:09:50陳福鴿張瑩瑩付立偉李昕東
        中國(guó)鉬業(yè) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:氬弧焊電子束熔池

        陳福鴿,張瑩瑩,董 帝,付立偉,李昕東

        (1.安泰科技股份有限公司,北京100081)(2.安泰天龍鎢鉬科技有限公司,天津 301800)

        0 引 言

        鉬錸合金可以顯著降低純鉬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度、提高再結(jié)晶溫度、室溫延展性和高溫強(qiáng)度。在高溫條件下,與UO2、UN、堿金屬具有較好的相容性[1]。同時(shí)因其具有優(yōu)異的譜移吸收性能,可有效降低反應(yīng)堆臨界事故風(fēng)險(xiǎn)[2],因此鉬錸合金在空間堆等核能領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。鉬錸合金有多種制備方法,包括粉末冶金、電弧熔煉和電子束熔煉,其中粉末冶金產(chǎn)品的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)比電弧熔煉或電子束熔煉產(chǎn)品低,且已形成了較成熟的鉬錸合金工業(yè)生產(chǎn)體系,可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[3-4]。同時(shí)空間堆、快堆等先進(jìn)核反應(yīng)堆零部件對(duì)材料的焊接性能有較高的要求,因此需要深入開展粉冶態(tài)鉬錸合金的焊接工藝研究。

        鉬錸合金屬于難熔金屬,其常用焊接方法包括鎢極氬弧焊、真空電子束焊接、激光焊、電阻焊、真空釬焊等方法[5-12]。鎢極氬弧焊是最為常規(guī)的焊接方法,具有焊接方式靈活、效率高、設(shè)備制約小等優(yōu)點(diǎn),但焊接過(guò)程易氧化導(dǎo)致接頭脆化,性能較差;真空電子束焊接因其能量密度高、熱影響區(qū)小、真空保護(hù)條件下避免了C、N、O等對(duì)熔池的影響,廣泛應(yīng)用于鉬錸合金材料的焊接,但真空電子束焊接對(duì)場(chǎng)地和設(shè)備有較高的要求,在實(shí)際工程應(yīng)用中存在一定的局限性。

        本文主要針對(duì)粉末冶金方法制備的Mo42Re合金,通過(guò)鎢極氬弧焊接和真空電子束焊接兩種焊接方法試驗(yàn),對(duì)比兩種焊縫組織結(jié)構(gòu)的差異性,研究焊接接頭組織變化規(guī)律及接頭力學(xué)性能,揭示了兩種焊接方式的差異性,為鉬錸合金的工程化應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 鉬錸合金制備

        采用粉末冶金法制備Mo42Re合金,原料選用鉬粉和高純錸酸銨。鉬粉平均粒徑16 μm,純度99.96%;高純錸酸銨平均粒徑75 μm,純度99.99%。

        將鉬粉與高純錸酸銨機(jī)械混合后,氫氣還原成鉬錸合金粉末;粉末通過(guò)冷等靜壓壓制成型,壓力為200 MPa。壓坯置于中頻感應(yīng)爐燒結(jié),燒坯密度為12.27 g/cm3,燒結(jié)后的坯料經(jīng)鍛造變形得到直徑30 mm的棒材。該方法制備的鉬錸合金純度較高,材料密度13.01 g/cm3,致密度達(dá)到了99.9%,其主要化學(xué)成分見表1。棒料經(jīng)機(jī)加工的方式加工成外徑26 mm、壁厚3 mm、長(zhǎng)度50 mm的焊接試樣。

        表1 Mo42Re合金的化學(xué)成份 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        1.2 焊接工藝及檢測(cè)

        典型的鎢極氬弧焊焊接條件如下:脈沖電流,峰值電流210 A,基值電流70 A,焊接速度1.5 mm/s,焊接過(guò)程采用氬氣保護(hù),焊接方向與鍛造變形方向垂直。典型的真空電子束焊接條件如下:加速電壓60 KV,真空度<2×10-3Pa,焊接束流24 mA,焊接速度20 mm/s,焊接方向與鍛造變形方向垂直。

        焊后采用線切割機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行切割并制備試樣,經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后用于組織分析。借助光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS GX51)、掃描電鏡(Nova Nono Sem 450)等分析測(cè)試手段對(duì)焊縫組織進(jìn)行檢測(cè),使用電子拉力試驗(yàn)機(jī)(SANS CMT5205)對(duì)接頭室溫/高溫拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

        2.1 焊縫宏觀表面

        圖1為兩種焊縫接頭的宏觀狀態(tài),鎢極氬弧焊形成的焊縫寬度約5 mm,真空電子束焊接形成的焊縫寬度約2 mm,兩種焊接方式都可以對(duì)Mo42Re合金形成有效焊接,焊縫外觀成型較好。采用氦質(zhì)譜儀(ZQJ—3200)檢測(cè)焊縫漏率,兩道焊縫都達(dá)到了10-11Pa·m3/s級(jí)別(見表2)。

        表2 氦質(zhì)譜真空漏率檢測(cè)結(jié)果

        圖1 焊縫表面

        鎢極氬弧焊焊縫寬度較大,呈現(xiàn)明顯的魚鱗紋狀焊縫,表面無(wú)氣孔、咬邊、裂紋、氧化等缺陷,表明焊接時(shí)當(dāng)氬氣保護(hù)得當(dāng)時(shí),可以避免空氣對(duì)焊縫熔池的氧化。同時(shí)真空電子束焊接焊縫寬度遠(yuǎn)小于氬弧焊焊縫,說(shuō)明電子束焊接對(duì)母材的影響更小、能量更集中。

        2.2 微觀組織

        圖2為Mo42Re合金的氬弧焊內(nèi)部金相組織,可以明顯地區(qū)別母材、焊接熱影響區(qū)、熔池區(qū),焊接深度1.2 mm。母材具有典型鍛造變形特征,由纖維狀流線組織構(gòu)成;熱影響區(qū)晶粒受焊接過(guò)程熱量作用,已基本消除了原有的線狀組織形成的織構(gòu),經(jīng)回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程形成較為細(xì)小的等軸晶。在熔池與熱影響區(qū)相交處出現(xiàn)較大的圓形氣孔,最大氣孔尺寸達(dá)到了200 μm左右,主要是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中熔池會(huì)卷入焊接保護(hù)氣,同時(shí)冷態(tài)保護(hù)氣會(huì)使得熔池外表面快速冷卻,致使氣孔殘留在熔池內(nèi)部。焊縫區(qū)晶粒呈現(xiàn)粗大柱狀晶,其生長(zhǎng)方向垂直熔合線方向,但焊縫區(qū)組織致密、無(wú)裂紋。

        圖2 Mo42Re合金氬弧焊接頭橫截面金相組織

        Mo42Re合金的真空電子束焊接金相組織呈現(xiàn)典型的上寬下窄的釘尖形焊縫,如圖3所示。與氬弧焊相比,真空電子束焊接已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鉬錸管材的全焊透,同時(shí)焊縫的熱影響區(qū)小,這主要是因?yàn)殡娮邮附邮吣芰扛?,穿透性更?qiáng);同時(shí)真空條件下的焊接也避免了熔池內(nèi)部較大氣孔的產(chǎn)生。從圖4顯示的焊縫熔池與熱影響區(qū)交界處微觀組織可以看出:晶粒在熔化邊界處有非常明顯的外延生長(zhǎng);兩種焊接方式的晶粒生長(zhǎng)方向不相同,氬弧焊晶粒呈現(xiàn)匯流式向焊縫表面生長(zhǎng),而電子束焊晶粒則呈對(duì)向式從兩側(cè)母材向焊縫中心線生長(zhǎng)。

        圖3 Mo42Re真空電子束焊接頭橫截面金相組織

        圖4 焊縫熔池與熱影響區(qū)交界處微觀組織

        2.3 力學(xué)性能

        鎢極氬弧焊焊接方式無(wú)法焊透3 mm鉬錸合金管材,有效熔深只有1.2 mm,因此無(wú)法完全準(zhǔn)確地對(duì)比兩種焊接接頭的抗拉強(qiáng)度,但為了驗(yàn)證鉬錸合金兩種焊接方式在實(shí)際工程應(yīng)用的可行性,對(duì)焊接接頭都進(jìn)行了室溫以及1 200 ℃高溫拉伸強(qiáng)度檢測(cè),測(cè)試中所用的橫截面積均為母材試樣尺寸面積,檢測(cè)數(shù)據(jù)取平均值,結(jié)果見表3。兩種焊接接頭都斷在焊縫處(見圖5),氬弧焊接頭的斷后伸長(zhǎng)率較低,而真空電子束焊接接頭仍保持一定的斷后伸長(zhǎng)率,說(shuō)明該接頭仍具有一定的塑性,從圖5也可以看出真空電子束焊接接頭斷口有明顯的拉伸頸縮。真空電子束焊接接頭室溫強(qiáng)度只有母材的65.4%,而高溫強(qiáng)度達(dá)到了母材的77.7%。

        圖5 接頭拉伸試樣

        表3 母材和兩種焊接接頭室溫及高溫力學(xué)性能

        為更進(jìn)一步了解接頭拉伸斷裂機(jī)制,使用掃描電鏡觀察兩種焊接方式室溫?cái)嗔呀宇^的組織形貌,如圖6所示。從室溫拉伸斷后試樣斷口中可以看出,兩種焊接方式的斷口形貌差異較大。鎢極氬弧焊接頭斷口分離面平滑、干凈、無(wú)微觀塑性變形特征,為明顯的沿晶脆性斷裂,這主要是因?yàn)楹缚p內(nèi)部存在粗大晶導(dǎo)致;真空電子束焊接斷口存在明顯的韌窩花樣,屬于微孔聚集型斷裂,表明該接頭具有較好的塑性。

        圖6 室溫拉伸斷口形貌

        3 結(jié) 論

        (1)氬弧焊焊接可以實(shí)現(xiàn)Mo42Re合金的有效焊接,但熔池區(qū)域晶粒粗大,韌性較差,無(wú)法焊透3 mm厚壁材料,有效熔深只有1.2 mm,同時(shí)焊縫內(nèi)部存在較大的球形氣孔。氬弧焊焊接Mo42Re合金獲得的接頭室溫和1 200 ℃高溫抗拉強(qiáng)度分別為440 MPa、150 MPa,分別達(dá)到了母材強(qiáng)度的40%、41.7%,接頭室溫?cái)嗔研问綖檠鼐Т嘈詳嗔选?/p>

        (2)真空電子束焊接可以焊透3 mm厚鉬錸合金管材,熔池區(qū)域晶粒較細(xì)、焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔缺陷并具有較好的強(qiáng)韌性。真空電子束焊接Mo42Re合金獲得的接頭室溫和1 200 ℃高溫抗拉強(qiáng)度分別為720 MPa、280 MPa,分別達(dá)到了母材強(qiáng)度的65.4%、77.7%,接頭室溫?cái)嗔研问綖槲⒖拙奂蛿嗔选?/p>

        (3)從焊縫接頭顯微組織結(jié)構(gòu)、熔池深度、力學(xué)性能等多個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比,真空電子束焊接相比于氬弧焊焊接更有利于Mo42Re合金的焊接。

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