劉鑫泉，方超，劉勁，宋奎晶，季雨凱，韋勇，羅俊睿

(1.中國科學院等離子體物理研究所裝置總體研究室,合肥,230031；2.合肥工業(yè)大學,合肥,230009；3.安徽大學,合肥,230601)

0 序言

中國聚變工程試驗堆計劃(China fusion engineering test reactor，CFETR)是應對碳能源問題提出的重要戰(zhàn)略計劃.CFETR 關鍵部件的研制對焊接技術提出了迫切需求.低活化鐵素體/馬氏體(reduced activation ferritic/martensitic，RAFM)鋼因其優(yōu)秀的綜合性能而被普遍認為是聚變堆第一壁包層的首選結構材料.世界各國均在發(fā)展研制各自的RAFM 鋼，如日本的F82H 和JLF-1[1]，歐洲的EUROFER97，美國的9Cr-2WVTa 以及中國的CLAM 鋼、CLF-1 鋼等[2-3].聚變堆包層由許多尺寸較小的結構件組成.相較于傳統(tǒng)的制造方法，增材制造具有無模具、高效、加工靈活多變、材料利用率高等技術優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)高性能復雜結構件的柔性化生產[4-5].但是受增材制造設備加工幅面與工藝技術的限制，可打印的工件大小較為有限.對于聚變堆包層的尺寸大小來說無法整體一次成型，局部工件采用增材制造技術直接成型再通過連接技術完成裝配是未來聚變堆包層制造較為經濟可行的方案之一.因此，對增材制造技術制備的RAFM 鋼的焊接性能研究尤為必要.

用于常規(guī)RAFM 鋼的焊接方法有多種[6]，包括鎢極氬弧焊[7]、熱等靜壓擴散連接[8-10]、電子束焊[11]、激光焊[12]、攪拌摩擦焊[13]等.Cardella 等人[14]采用熱等靜壓擴散連接、鎢極氬弧焊和激光焊多種方法對EUROFER-97 鋼進行了大量焊接試驗，結果表明，該鋼種的焊接性較好，裂紋敏感性較低.熱等靜壓擴散連接接頭在經過750 ℃保溫2 h 的焊后熱處理后，抗拉強度(室溫)與母材相近.Hisashi 等人[15-16]采用4 kW 光纖激光焊研究了不同焊接速度和離焦量對F82H/SUS316L 異種鋼焊接接頭組織性能的影響.結果表明，焊接速度和離焦量對熱影響區(qū)寬度有影響，M23C6碳化物在熱影響區(qū)析出與母材/熱影響區(qū)界面的距離密切相關.M23C6碳化物的析出導致熱影響區(qū)合金元素貧化，進而導致熱影響區(qū)軟化；而焊縫區(qū)粗大的板條狀馬氏體則導致接頭硬化，并伴隨著沖擊韌性的降低.綜上所述，RAFM 鋼焊接性能較好，熔化焊裂紋敏感性較低，但是存在熱影響區(qū)軟化、接頭硬化以及沖擊韌性下降等現(xiàn)象.激光焊在鋼板厚度適應性、焊接位置靈活性、焊接高效和經濟性、接頭成形和力學性能優(yōu)異等方面具有綜合優(yōu)勢，成為保證RAFM 鋼在聚變堆安全可靠應用的優(yōu)選焊接工藝[17-18].基于此背景，對激光增材制造得到的RAFM 鋼進行激光對接焊試驗，探究粉末增材RAFM 鋼再焊接接頭的顯微組織特點，為激光增材制造RAFM 鋼的應用提供基礎數(shù)據(jù)和技術支撐.

1 試驗方法

采用激光同軸送粉增材制造工藝制備RAFM鋼板，選取了同種成分不同粒徑(≤25，15～ 53，45～105，≥100 μm)的RAFM 鋼粉末進行制備.為了使增材RAFM 鋼具有與常規(guī)RAFM 鋼具有相當?shù)牧W性能，對增材RAFM 鋼進行了熱處理.由于RAFM 鋼的回火溫度為760 ℃，回火后ε 碳化物消失轉變?yōu)槲龀鲚^為穩(wěn)定的θ 碳化物即滲碳體，研究采用的熱處理工藝為740 ℃保溫2 h 隨爐冷卻，得到母材組織為完全馬氏體.增材用RAFM 鋼粉末以及粒徑不高于25 μm 粉末增材制造RAFM 鋼板能譜分析結果如表1 所示.

表1 RAFM 鋼化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of RAFM steel

焊接前，將板材銑削加工為150 mm × 50 mm ×7 mm 的平板試樣，待焊處銑削加工厚度為5 mm，如圖1 所示.采用丙酮清洗鋼板表面后，采用IPG Photonics 公司的YLS-20 000 型光纖激光器進行不開坡口的激光自熔焊.設備最大輸出功率為20 kW，聚焦距離為300 mm，準直距離為200 mm，光纖芯徑為300 μm，最小光斑直徑0.45 mm，激光焊接頭安裝在德國KUKA 公司的KR60HA 機器手臂上.為保證焊縫良好成形，采用厚度為5 mm 的常規(guī)RAFM 鋼板的最佳激光焊工藝對增材RAFM鋼進行焊接.焊接工藝參數(shù)如表2 所示.焊接位置為平焊，保護氣體選擇質量分數(shù)為99.999%的氬氣.按RAFM 鋼粉末粒徑(≤25，15～ 53，45～ 105，≥100 μm)從小到大增材制造得到的板材，經過熱處理后編號分別為b1，b2，b3和b4，對應的焊接接頭為c1，c2，c3和c4.

圖1 焊件示意圖Fig.1 Schematic drawing of welding plate

表2 激光焊工藝參數(shù)Table 2 Parameters of laser welding

焊后沿試樣橫截面切開，研磨拋光后用10%的HNO3水溶液進行電解腐蝕，腐蝕時間為20 s.采用Yueshi 520MR 型光學顯微鏡和日立SU5000型高新熱場式場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察接頭的顯微組織.焊接接頭顯微硬度測試采用Wilson VH3100 型顯微硬度計，加載載荷為9.8 N，加載時間為10 s.

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀和微觀形貌

圖2 為4 種焊接接頭的宏觀形貌，焊縫上、下表面成形良好，飛濺較小，未見明顯下塌、咬邊、駝峰、表面裂紋等缺陷.

圖2 不同粒徑粉末增材制造RAFM 鋼激光焊后表面形貌Fig.2 Surface morphology of RAFM steel with different particle size powder by additive manufacturing after laser welding.(a) c1weld upper surface;(b)c1weld bottom surface;(c) c2weld upper surface;(d) c2weld bottom surface;(e) c3weld upper surface;(f) c3weld bottom surface;(g) c4weld upper surface;(h) c4weld bottom surface

圖3 為不同粉末粒徑增材RAFM 鋼熱處理后的宏觀形貌.從圖3a 可以看出，不高于25 μm 的粉末粒徑過小，容易發(fā)生粘結、團簇，嚴重降低粉末的流動性，增材制造時存在層間未熔合，熱處理后無法消除未熔合缺陷.從圖3b 與圖3c 可以看出，粉末粒徑增大，流動性增強，層間未出現(xiàn)未熔合缺陷，但由于粉末粒徑增大，粉末之間的孔隙增大，吸附在粉末表面的空氣來不及逃逸，在已經凝固的位置形成很多微氣孔.圖3d 中的粉末粒徑進一步增大，其直徑大于100 μm，增材制造后得到的板材孔隙尺寸增大且數(shù)量增多.

圖3 不同粒徑粉末增材+熱處理RAFM 鋼母材Fig.3 Base metal of RAFM steel with different particle size powder by additive manufacturing+heat treatment.(a) b1base metal;(b) b2base metal;(c) b3base metal: (d) b4base metal

圖4 為不同粒徑粉末增材+熱處理RAFM 鋼的激光焊接頭.從圖4a 可以看出，c1焊縫區(qū)為粗大的板條狀馬氏體，層間結合良好，無明顯缺陷；熱影響區(qū)的未熔合缺陷延伸至熔合線附近，這是由于焊縫區(qū)經過重熔再凝固消除了該區(qū)域的未熔合缺陷，而熱影響區(qū)及母材未熔合缺陷依舊存在無法消除.在圖4b、圖4c 和圖4d 中，焊縫區(qū)主要存在氣孔缺陷，且圖4d 中氣孔數(shù)量、大小遠超于圖4b 和圖4c.隨著粉末粒徑增大，間隙增大，材料致密度下降，焊縫區(qū)氣孔數(shù)量體積隨之變大.致密度較低的增材RAFM 鋼熔化后形成更少的液相，由于匙孔波動以及熔池上、下表面張力的影響，液相未能完全填滿焊縫區(qū)，誘發(fā)氣孔.對比幾種粒徑粉末增材制造得到的RAFM 鋼，粉末粒徑在15～ 53，45～ 105 μm的增材制造RAFM 鋼焊縫成形性能較好，氣孔缺陷較少.

圖4 不同粒徑粉末增材+熱處理RAFM 鋼的激光焊接頭Fig.4 Laser welding joints of RAFM steel with different particle size powder by additive manufacturing +heat treatment.(a) c1joint;(b) c2joint;(c) c3joint;(d) c4joint

圖5 為c3焊接接頭熱影響區(qū).熱影響區(qū)中峰值溫度超過相變線的區(qū)域為淬火區(qū)，未超過相變線的區(qū)域為回火區(qū)，如圖5 中b 和c 區(qū)所示，d 區(qū)為母材區(qū).由圖5可見，熱影響區(qū)和母材區(qū)遺留增材制造過程中形成的偏析帶和少量氣孔.增材制造得到的母材晶粒與焊縫區(qū)晶粒組織較為相似，為粗大的板條狀馬氏體，受散熱方向影響，板條間位置多為平行關系，板條間存在一些多元低熔點共晶組織析出形成偏析帶.經過740 ℃保溫2 h 后隨爐緩冷熱處理，不足以使母材元素均勻化，因此無法消除偏析帶.增材制造RAFM 鋼再焊接后，在圖4 各接頭中并未發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)偏析帶，說明偏析帶已消除；熱影響區(qū)溫度較低，偏析帶無法消除且進一步析出；母材偏析帶受熱影響很小，幾乎不發(fā)生變化.

圖5 c3接頭的熱影響區(qū)Fig.5 Heat affected zone of c3joint

圖6 為c3接頭各區(qū)域微觀組織，圖6a 為焊縫中心區(qū)，焊縫金屬凝固時，液態(tài)金屬沿垂直于側壁方向散熱最快，故由側壁處開始形核、長大，從兩側生長的柱狀晶交匯于中心線.激光焊熔池小，冷卻速度快，在極不平衡的冷卻狀態(tài)下，焊縫區(qū)存在未轉變的δ 鐵素體.由于冷卻速度過快，焊縫中心區(qū)沒有足夠的時間降溫，故中心區(qū)沒有出現(xiàn)等軸晶.結晶后，隨著溫度快速降低，焊縫金屬轉變?yōu)閵W氏體組織，溫度繼續(xù)降低，奧氏體組織轉變?yōu)榇执蟮陌鍡l狀馬氏體組織，板條間主要析出物分為兩類分別為M23C6(其中M 主要為Fe，Cr)和MX 型(TaC，VC).圖6b、圖6c 和圖6d 分別為圖5 中b，c，d 區(qū)的放大圖.靠近焊縫端的區(qū)域峰值溫度超出相變線，在焊接熱循環(huán)過程中發(fā)生奧氏體轉變，降溫后快速冷卻轉變?yōu)轳R氏體，晶粒較細且內部存在大量碳化物，如圖6b 所示.圖6c 中焊接熱循環(huán)溫度未達到相變線，該區(qū)域為回火區(qū)，晶粒粗化明顯.母材區(qū)則未受到熱影響.

圖6 c3接頭的微觀組織Fig.6 Microstructure of c3joint.(a) weld center zone;(b) quenching zone;(c) tempering zone;(d) base metal

圖7 為c3接頭不同區(qū)域的掃描電鏡分析結果.圖7a 為焊縫區(qū)，焊縫區(qū)板條狀馬氏體晶粒間隙為偏析區(qū)，存在低熔點元素富集.如圖7b 所示，熱影響區(qū)接近焊縫處為淬火區(qū)，該區(qū)域經歷過馬氏體轉變后晶粒細化，碳化物彌散分布.圖7c 為回火區(qū)，因距離焊縫較遠，熱循環(huán)峰值溫度較低，未達到相變線.母材經過二次回火后，晶粒發(fā)生粗化，且碳化物沿晶界網狀析出，為珠光體組織.母材區(qū)未受到熱影響，仍為完全馬氏體組織，且對比于回火區(qū)晶粒更加細小，析出物團聚呈蠕蟲狀，如圖7d 所示.

圖7 c3接頭不同區(qū)域的SEM 圖Fig.7 SEM images of different regions in c3joint.(a)weld zone;(b) quenching zone;(c) tempering zone;(d) base metal

2.2 顯微硬度

圖8 為不同粒徑粉末增材制造+熱處理RAFM鋼與常規(guī)RAFM 鋼激光焊焊接接頭顯微硬度分布.橫坐標0 點為焊縫中心線，相鄰點距離為0.4 mm.c1接頭因增材焊道之間未熔合缺陷的遺傳效應，因此硬度值波動非常大.c2，c3接頭質量較好，缺陷較少，硬度值波動很小.c4接頭中氣孔缺陷較為明顯，因此硬度值波動也比較劇烈.c1接頭中焊縫區(qū)硬度均值在300 HV 左右，而c2，c3，c4以及常規(guī)RAFM 鋼接頭焊縫區(qū)硬度值相差不大，均在350 HV 左右.5 種接頭的母材區(qū)硬度較為相似，均值約為225 HV，沒有明顯的熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，這是因為激光焊能量集中，冷卻速度快，碳化物析出相對于晶粒長大起到釘扎作用，因此熱影響區(qū)晶粒粗化但不明顯.近焊縫區(qū)為細小馬氏體組織，硬度較大.

圖8 焊接接頭的顯微硬度分布Fig.8 Microhardness distributions of welded joints

3 結論

(1)對4 種不同粒徑粉末增材制造+熱處理RAFM 鋼進行激光焊試驗，得到的焊接接頭上、下表面成形良好,外觀無明顯缺陷.粉末粒徑不高于25 μm 的接頭焊縫區(qū)無缺陷，熔合線附近以及母材區(qū)域存在未熔合缺陷；粉末粒徑15～ 105 μm 的接頭缺陷主要為氣孔，數(shù)量較少，焊縫區(qū)與母材均有分布；粉末粒徑大于100 μm 的接頭氣孔數(shù)量明顯增多，且尺寸較大.

(2)不同粒徑增材后再焊接得到的焊縫微觀組織較為相近，焊縫區(qū)為粗大的板條狀馬氏體，柱狀晶生長至中心線；受增材制造工藝的影響，熱影響區(qū)與母材區(qū)存在偏析帶.近焊縫區(qū)峰值溫度高于相變線，為細小的馬氏體組織；遠焊縫回火區(qū)溫度較低，為二次回火的珠光體組織，部分晶粒粗化.

(3) 4 種粒徑粉末增材+熱處理RAFM 鋼激光焊焊縫區(qū)硬度較大，均大幅度高于母材，熱影響區(qū)晶粒粗化不明顯，未出現(xiàn)明顯軟化.粉末粒徑不高于25 μm 和粉末粒徑大于100 μm 的增材RAFM 鋼接頭因缺陷較多，硬度波動較明顯.粉末粒徑15～105 μm 的增材RAFM 鋼接頭硬度分布更均勻，焊縫區(qū)硬度均值在350 HV 左右，母材區(qū)硬度均值約為225 HV.