王星星，田家豪，李帥，方乃文，何鵬，倪增磊，溫國(guó)棟

(1.華北水利水電大學(xué),河南高效特種綠色焊接國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,鄭州,450045；2.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱,150028；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001；4.西安科技大學(xué),西安,710054)

0 序言

高氮鋼因其良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性，在醫(yī)療器械和石油鉆鋌等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如心血管支架、人造骨架[1].焊接是高氮不銹鋼精密復(fù)雜構(gòu)件制造不可或缺的方法，相比粘接、鉚接等連接方法，可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)[2].

高氮鋼作為結(jié)構(gòu)功能材料，通過(guò)以N 元素替代Ni 元素，既提升鋼的抗腐蝕性[3]，且降低生產(chǎn)成本[4]，同時(shí)消除Ni 元素與人體產(chǎn)生的過(guò)敏反應(yīng)[5]，是國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域[6-9].高氮鋼定義主要與氮含量有關(guān)，對(duì)于鐵素體和馬氏體不銹鋼，氮含量高于0.08%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，歸為高氮鋼；對(duì)于奧氏體不銹鋼，當(dāng)奧氏體中氮含量高于0.40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，稱為高氮鋼，但目前沒(méi)有權(quán)威定義[10-12].

高氮鋼部件與裝備可靠性一定程度上取決于焊后接頭組織和性能[13-15].目前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)高氮鋼焊接研究可歸為以下4 方面：①傳統(tǒng)熔焊，如鎢極氣體保護(hù)焊[16-18]、熔化極氣體保護(hù)焊[19-22]和手工電弧焊[23-24]等，主要涉及保護(hù)氣氛、焊接材料、工藝參數(shù)等研究；②新型熔焊，如激光焊[25-26]、激光-電弧復(fù)合焊[27-29]等，主要以保護(hù)氣體、熱輸入機(jī)理研究為主；③固態(tài)焊接，如爆炸焊[30-31]和攪拌摩擦焊[32-34]等，以焊接熱輸入、攪拌參數(shù)調(diào)控研究為主；④釬焊，基于不同釬料、工藝參數(shù)接頭組織及性能研究[35-36]，但上述研究仍不夠理想.

文中主要概述熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氣體保護(hù)焊、激光焊、攪拌摩擦焊和釬焊等高氮鋼連接研究進(jìn)展，系統(tǒng)綜述母材、焊材、保護(hù)氣氛和N 元素等對(duì)接頭組織、力學(xué)性能和抗腐蝕性等影響，以及焊接熱輸入、冷卻速度對(duì)接頭組織和性能的調(diào)控，提出目前高氮鋼連接研究不足及發(fā)展方向，對(duì)高氮鋼焊接、工程材料連接等相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考信息.

1 高氮鋼連接研究概況

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的焊接界學(xué)者們對(duì)高氮鋼焊接技術(shù)進(jìn)行大量理論研究，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，開(kāi)展高氮鋼焊接研究科研單位至少20 多家，國(guó)內(nèi)外有關(guān)高氮鋼焊接技術(shù)的研究成果已超80 篇，部分代表性研究成果見(jiàn)參考文獻(xiàn)[37-53]，其中國(guó)內(nèi)成果最為豐碩的是中科院沈陽(yáng)金屬研究所馬宗義教授團(tuán)隊(duì)、南京理工大學(xué)王克鴻教授團(tuán)隊(duì)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)范成磊教授團(tuán)隊(duì).

2 高氮鋼連接研究進(jìn)展

2.1 高氮鋼熔焊研究

熔焊是高氮鋼應(yīng)用最廣泛、最方便、最經(jīng)濟(jì)的連接方法，如鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、激光焊、激光-電弧復(fù)合焊接等.根據(jù)以往對(duì)于高氮鋼的研究，高強(qiáng)、高韌、無(wú)磁、耐蝕、耐磨等優(yōu)點(diǎn)均歸功于母材中固溶氮的存在[54],因此高氮鋼接頭力學(xué)性能、耐腐蝕性能與N 元素?fù)p失關(guān)系密切[55].

2.1.1 保護(hù)氣氛

控制N2比例使焊縫中氮含量保持在合理水平，N2體積分?jǐn)?shù)增加助長(zhǎng)氣泡生成，熔池中過(guò)飽和氮原子易形成雙原子氮分子并以氣泡形式逸出，增加氣孔率[56].Cui 等人[46]使用激光-電弧復(fù)合焊對(duì)高氮鋼進(jìn)行焊接，當(dāng)保護(hù)氣氛中N2含量為20%時(shí)，接頭氮含量為0.52%，接頭抗拉伸強(qiáng)度928.9 MPa，焊縫N 元素可抑制鐵素體生長(zhǎng)，N2比例增加易導(dǎo)致氣孔增多，N2作用機(jī)理如圖1 所示[57].

圖1 N2 作用機(jī)理Fig.1 Schematic of the action mechanism of N2

N2含量對(duì)于熔焊穩(wěn)定性亦有極大影響，Zhao等人[16]發(fā)現(xiàn)N2含量不應(yīng)過(guò)高，當(dāng)N2含量高于8%時(shí)，焊接過(guò)程不穩(wěn)定，鎢極嚴(yán)重破壞；Qiang 等人[37]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N2自熔池中溢出，氣泡從熔融金屬中爆開(kāi)時(shí)，高表面張力被克服，導(dǎo)致劇烈飛濺；Ma 等人[58]研究表明，液滴的飛濺使工件兩側(cè)電弧變得不規(guī)則，影響焊接穩(wěn)定性，而保護(hù)氣氛中N2含量增加將進(jìn)一步加劇此現(xiàn)象，所以N2比例應(yīng)控制在20%以內(nèi).

在保護(hù)氣氛中添加氧化性氣體可以有助于N2的溶解，而添加還原性氣體降低N2吸收速率，Liu 等人[57]使用氧化性氣體-N2-Ar 三元保護(hù)氣氛焊接高氮鋼，發(fā)現(xiàn)O2和CO2均有助于提高N2溶解效果，通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)O2促進(jìn)氮溶解能力更好，其中CO2促氮作用是因?yàn)榘l(fā)生如下的反應(yīng)[59]

該方程描述了氧化層形成、隨后抑制氮釋放和增強(qiáng)氮吸收的可能性.Liu 等人[39]通過(guò)響應(yīng)面分析法得到最佳保護(hù)氣體成分6.5%N2，6.5%CO2和87%Ar，增加CO2占比減少保護(hù)氣氛中N2占比，可以增加熔液流動(dòng)性，得到高品質(zhì)的接頭.

綜上，保護(hù)氣氛中加入適量N2，增加其氮分壓可實(shí)現(xiàn)焊縫的增氮效應(yīng)，補(bǔ)償N 元素?fù)p失，避免大量鐵素體生成及富Cr 相析出，有利于N 元素固溶進(jìn)熔池，而適量氧化性氣體有助于提高接頭性能，但過(guò)量N2不僅使抗腐蝕性降低[43]，亦使接頭抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性下降[60]，對(duì)于焊縫氮含量提升效果不明顯，目前對(duì)于保護(hù)氣氛研究?jī)H局限在N2、氧化性氣體(如CO2、O2)，是否存在其它氣體對(duì)接頭組織性能起改善作用，還有待研究.

2.1.2 焊絲

使用含氮焊絲可有效增加焊縫氮含量[61]，減少氣孔、沉淀孔產(chǎn)生[62]，提升接頭性能，但是焊絲與母材之間氮含量差距過(guò)大易引起熔池N 元素逸出，造成氮損失、氣孔等缺陷.Liu 等人[63]采用改進(jìn)的舍弗勒?qǐng)D和平衡相圖方法制備了氮含量0.15%、0.6%、0.9% 3 種焊絲焊接氮含量0.75%高氮鋼，如圖2 所示，隨著焊絲氮含量增加，焊接過(guò)程中氮損失增多，氮大量損失造成大片骨架狀鐵素體生成(圖2c)，力學(xué)性能變差，氮含量0.6 %的接頭性能最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度達(dá)912.5 MPa.明珠等人[41]和荊皓等人[64]發(fā)現(xiàn)高氮焊絲接頭氣孔傾向增加，且焊絲氮含量繼續(xù)增加對(duì)接頭性能影響微弱.

圖2 焊縫的SEM 圖像Fig.2 SEM images of the weld.(a) 0.15 N;(b) 0.6 N;(c) 0.9 N;(d) nitrogen content in the weld and the ratio of actual content to theoretical content

焊絲中氮含量增加也導(dǎo)致熔融時(shí)液滴膨脹炸開(kāi)，液滴飛濺，影響焊接電弧穩(wěn)定性，而在使用傳統(tǒng)焊絲時(shí)未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，這種液滴飛濺行為與焊絲氮含量有關(guān)[63]，且主要是由熔滴中氮的脫氣引起，致使少量氮從焊絲輸送到熔池，而多數(shù)氮逸出形成N2，誘發(fā)電弧穩(wěn)定性惡化[65].Cr、Mo 和Mn 等元素促進(jìn)N 元素溶解[66]，液滴飛濺將導(dǎo)致這些元素?fù)p失，降低氮的溶解度，不利于固溶強(qiáng)化.向熔池中添加MnN 和CrN 對(duì)焊縫氮含量有較大提升[67]，加入MnN 效果更好且對(duì)鐵素體抑制更明顯.明珠等人[65]發(fā)現(xiàn)氮含量較高的含Mn 焊絲焊接時(shí)有穩(wěn)定的液滴，推斷Mn 元素在焊接過(guò)程中能生成增加表面張力的物質(zhì)，從而使熔滴過(guò)渡和焊接過(guò)程電弧更加穩(wěn)定.

含氮焊絲有助于焊縫區(qū)增氮，但熔焊過(guò)程高熱輸入量，高氮焊絲易發(fā)生N2脫氣，不僅氣孔增多，焊縫中鐵素體大量生成亦會(huì)降低接頭性能，焊絲中加入Cr 和Mn 等元素對(duì)于N 元素有促溶作用[66]，Mo 和Cr 元素可提高接頭耐蝕性[27]，Ni、Nb 和V等元素改善接頭韌性，N 元素在熔焊過(guò)程中界面存在特征及界面行為尚未進(jìn)一步闡述，各金屬元素與N 元素在熔池中的交互機(jī)理也需大量試驗(yàn)揭示.

2.1.3 熱輸入與冷卻速率

熱輸入和冷卻速度是決定高氮鋼接頭質(zhì)量的重要因素，一方面高熱輸入導(dǎo)致奧氏體晶粒尺寸增大、析出相增多、N2損失增多、接頭強(qiáng)度降低[68]；另一方面，冷卻速率增加，可以降低焊縫中高溫鐵素體含量，提高接頭力學(xué)性能[69].Li 等人[70]研究高熱輸入、低冷卻速度和低熱輸入、高冷卻速度條件下接頭抗腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)低熱輸入和高冷卻速率可促進(jìn)接頭奧氏體的形成并細(xì)化晶粒，提高接頭耐晶間腐蝕性能；明珠等人[71]發(fā)現(xiàn)冷卻速率提升使低氮焊絲焊縫氮含量增加，顯著提高接頭力學(xué)性能；馮志鵬[44]、徐娟娟[72]和Liu 等人[73]均就熱輸入因素對(duì)焊接接頭的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入量增加，焊接過(guò)程中熔池N 元素易逸出，促使鐵素體生成，接頭力學(xué)性能下降，且低冷卻速率提升脆性沉淀析出物(Cr2N 等)析出傾向，進(jìn)一步降低接頭性能，適當(dāng)?shù)暮附訙囟惹€可以減少焊縫中氮化物偏析，但目前熔焊中熱輸入量工藝研究仍停留在熔池N 元素?fù)p失及析出物生成階段，尚未確定優(yōu)化N 元素?fù)p失及氮化物生成的最佳溫度曲線.

2.1.4 其它方法

機(jī)械振動(dòng)可以降低熔池溫度梯度，延長(zhǎng)熔池凝固時(shí)間，完全消除氣孔[47].王力鋒等人[74]在焊接過(guò)程中施加機(jī)械振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)可顯著降低焊縫孔隙率，隨著振動(dòng)頻率增加，孔隙率先減后增，且無(wú)論何種頻率均低于無(wú)機(jī)械振動(dòng)時(shí)氣孔率，而抗拉強(qiáng)度先升高后降低，振動(dòng)有助于晶粒細(xì)化，但過(guò)高振動(dòng)頻率將造成N 元素?fù)p失加??；Vashishtha 和Kumar 等人[75-76]對(duì)焊后高氮鋼接頭進(jìn)行固溶退火，發(fā)現(xiàn)較高溫度下碳化物析出更均勻，退火后接頭平均硬度低于母材，但沖擊強(qiáng)度高于母材，因此退火可用于均衡焊后接頭韌性與硬度.

熔焊過(guò)程中常見(jiàn)缺陷為固溶氮損失，通過(guò)調(diào)整保護(hù)氣氛、焊絲、工藝參數(shù)和物理振動(dòng)等多種方法均可以提高焊縫固溶氮含量，但總會(huì)存在氮的臨界溶解度，這是由保護(hù)氣體[77]、焊絲成分[48]、母材成分[45]和工藝參數(shù)[42]共同構(gòu)成的體系決定，而目前研究對(duì)于高氮鋼焊接過(guò)程僅局限于單因素，未進(jìn)行多因素耦合作用研究.

2.2 高氮鋼固態(tài)焊接研究

2.2.1 攪拌摩擦焊

熔焊接頭中易出現(xiàn)多種焊接缺陷，如氮損失、孔洞、裂紋，嚴(yán)重惡化接頭性能和耐腐蝕性，而攪拌摩擦焊具有熱循環(huán)短、峰值溫度低的特點(diǎn)，對(duì)抑制元素偏析和缺陷形成有積極作用[78]，同時(shí)低熱輸入對(duì)于氮含量高于常壓溶解度的高氮鋼連接具有優(yōu)勢(shì)，接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材水準(zhǔn)甚至超過(guò)母材[79].攪拌摩擦焊接頭優(yōu)異性能是因熔合區(qū)獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu).Wang 等人[80]對(duì)奧氏體不銹鋼攪拌摩擦焊接頭的組織演變和力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)接頭熔合區(qū)的典型特征是，奧氏體細(xì)晶組成的弧形帶狀組織及沿帶狀排列的少量不連續(xù)鐵素體.

這種獨(dú)特組織結(jié)構(gòu)與攪拌摩擦焊熱輸入有關(guān)，其焊接熱輸入與焊接速度、刀具轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，Hajian 等人[81]研究認(rèn)為，刀具轉(zhuǎn)速對(duì)于焊接熱輸入影響較大，在恒定焊接速度下，刀具轉(zhuǎn)速越高，熱輸入越多，晶粒尺寸越大；但Li 等人[49]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min 增加到400 r/min，平均晶粒尺寸反而減小，是由于高應(yīng)變速率下成核率會(huì)急劇提升，且因?yàn)槿鄙僮銐虻臅r(shí)間進(jìn)行位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界遷移，阻礙晶粒長(zhǎng)大.不同熱輸入下接頭焊核區(qū)硬度分布和拉伸性能趨勢(shì)非常相似，但點(diǎn)蝕行為存在較大差異，在高熱輸入條件下，Cr 元素發(fā)生擴(kuò)散，貧鉻區(qū)形成大量鐵素體，鐵素體帶周圍出現(xiàn)較大凹坑[33]；在低熱輸入環(huán)境，刀具磨損嚴(yán)重，磨屑附近未形成新相而是出現(xiàn)較深凹坑[50].因此，在攪拌摩擦焊中熱輸入量是接頭質(zhì)量決定性因素，而熱輸入量與焊接速度及刀具轉(zhuǎn)速相關(guān)，目前攪拌摩擦焊中最佳焊接速度與轉(zhuǎn)速匹配比，尚未深入研究.

通過(guò)對(duì)比水冷、風(fēng)冷攪拌摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能[34]，發(fā)現(xiàn)水冷促使熔焊區(qū)晶粒較細(xì)、位錯(cuò)密度較高，接頭力學(xué)性能提高.Du 等人[51,82]通過(guò)焊后熱處理，消除晶粒尺寸和亞結(jié)構(gòu)不均勻分布導(dǎo)致的接頭梯度分布，接頭處平均氮含量達(dá)0.8%，N 元素幾乎無(wú)損失；接頭屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均高于母材，斷后伸長(zhǎng)率為母材的78%；經(jīng)焊后熱處理，斷后伸長(zhǎng)率恢復(fù)到母材90%，但抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度均降低[83].接頭焊后處理雖然解決部分焊縫中N 元素溢出誘發(fā)的問(wèn)題，減少焊縫表面缺陷，但焊核區(qū)出現(xiàn)裂紋、裂紋+孔洞缺陷等新缺陷，接頭強(qiáng)度降低易發(fā)生脆性斷裂，限制高氮鋼攪拌摩擦焊的廣泛應(yīng)用[83].

2.2.2 爆炸焊

爆炸焊是一種利用炸藥爆轟產(chǎn)生的高溫高壓，對(duì)不同金屬或非金屬實(shí)現(xiàn)連接的方法[30]，但將爆炸焊用于高氮鋼連接的研究極少.王健等人[30]利用有限元軟件對(duì)高氮奧氏體鋼與鋁板的爆炸焊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了中間線起爆效果優(yōu)于端點(diǎn)線，證實(shí)了高氮奧氏體鋼爆炸焊連接的可行性.對(duì)T2 紫銅和高氮奧氏體不銹鋼進(jìn)行爆炸焊接[31]，界面區(qū)未發(fā)現(xiàn)金屬間化合物，同時(shí)觀察到細(xì)化晶粒數(shù)量和晶粒細(xì)化程度均隨爆炸壓力增加而增加，發(fā)現(xiàn)炸藥比例對(duì)焊接有影響，當(dāng)炸藥比較少時(shí)產(chǎn)生的能量不足以引起塑性變形，導(dǎo)致連接失效；炸藥配比過(guò)大，炸藥產(chǎn)生的能量雖使飛片與母板之間形成良好的結(jié)合，但亦使接頭界面附近的金屬熔化，產(chǎn)生金屬間化合物.

對(duì)于高氮鋼爆炸焊接的報(bào)道過(guò)少，現(xiàn)有研究基本是高氮鋼和異質(zhì)金屬相結(jié)合，通過(guò)對(duì)高氮鋼爆炸焊接技術(shù)的研究與應(yīng)用，可以拓寬高氮奧氏體鋼應(yīng)用領(lǐng)域，探求高氮鋼新材料.

2.3 高氮鋼釬焊研究

與傳統(tǒng)熔焊、激光焊、攪拌摩擦焊相比，釬焊連接適用性更強(qiáng)，然而釬縫界面處易產(chǎn)生脆性相，致使接頭連接強(qiáng)度減弱，不利于高氮鋼釬焊連接技術(shù)的推廣應(yīng)用.

2.3.1 鎳基釬料

采用Ni-Cr-B-Si 釬料釬焊高氮奧氏體不銹鋼，基體中N 元素與釬料中B 元素在界面形成六方結(jié)構(gòu)BN 化合物，BN 含量對(duì)接頭強(qiáng)度起決定性作用.隨著釬焊溫度升高，B 元素與N 元素反應(yīng)加劇，BN 生成數(shù)量增多.同時(shí)，如圖3 所示釬縫顯微組織圖，隨著溫度升高，大量δ-Fe 從母材析出，亦削弱接頭強(qiáng)度，因此當(dāng)焊接溫度為1 020 ℃時(shí)，釬縫處BN 與δ-Fe 含量較少，接頭抗剪切強(qiáng)度最佳達(dá)176.7 MPa[52].使用Ni-Cr-P 釬料對(duì)高氮鋼進(jìn)行釬焊，去除釬料中B 元素，加入P 元素以降低釬料熔點(diǎn)，降低釬焊溫度并避免BN 生成[84].當(dāng)釬焊溫度低于1 000 ℃時(shí)，界面區(qū)形成Cr2N 化合物，釬焊層由Ni-Fe 固溶體和(Ni，Cr)3P 化合物組成，化合物含量與釬焊溫度負(fù)相關(guān)，Cr2N 和(Ni，Cr)3P 呈脆性，對(duì)接頭強(qiáng)度不利.

圖3 不同溫度高氧鋼釬焊接頭的顯微組織Fig.3 Microstructure of high-nitrogen steel joints at different brazing temperatures.(a) 1 020 ℃;(b) partial enlargement of area bin Fig.3a;(c) 1 050 ℃;(d) 1 100 ℃

2.3.2 銀基釬料

采用銀銅共晶釬料釬焊高氮鋼后發(fā)現(xiàn)，Ag-Cu/高氮鋼界面生成了Ag、FeCr 和γ-Fe 組成的擴(kuò)散層，使高氮鋼接頭最佳剪切強(qiáng)度(290 MPa)明顯高于不銹鋼釬焊接頭(175 MPa)[36].Wang 等人[53]采用AgCuNi 釬料真空釬焊鉆鋌用無(wú)磁高氮鋼，釬焊接頭界面元素掃描如圖4 所示，釬縫組織以Ag 基固溶體和Ag-Cu 共晶相為主，擴(kuò)散層存在Ni 和N 元素富集區(qū)，在釬焊溫度950 ℃、保溫時(shí)間10 min、真空度5 × 10-3Pa 時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)212 MPa.

圖4 銀銅鎳釬料釬焊高氮鋼接頭界面元素掃描圖Fig.4 Surface scanning of the main elements on the brazed joint interface with AgCuNi filler.(a) Ag;(b) Cu;(c) Ni;(d) Fe;(e) Cr;(f) Mn

合適的釬焊材料可以減少高氮鋼釬焊接頭脆性相的產(chǎn)生，且脆性相常與釬焊過(guò)程中溫度曲線有關(guān).因此，優(yōu)化釬焊工藝可以減少高溫和冷卻對(duì)釬焊接頭組織和性能的影響，從而抑制釬焊接頭脆性相產(chǎn)生，還需注意釬焊材料化學(xué)成分和釬焊參變量的選擇，以最大程度地減少脆性相產(chǎn)生.

高氮鋼釬焊研究還處于起步階段，高性能釬料選用仍在摸索，接頭組織和性能沒(méi)有體現(xiàn)高氮鋼高強(qiáng)度的優(yōu)越性，如何探索出潤(rùn)濕性佳、高性能釬料及設(shè)計(jì)一套完備工藝流程以有效避免脆性相產(chǎn)生，滿足高氮鋼釬焊產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?，需進(jìn)一步研究.

3 高氮鋼連接應(yīng)用研究

隨著國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)與新材料業(yè)的不斷發(fā)展，高氮鋼作為一種高性能功能材料，已受到高度關(guān)注，在醫(yī)療器械、石油鉆鋌和車輛裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4].

3.1 醫(yī)療器械

在醫(yī)療器械方面，高氮鋼以N 元素取代Ni 元素，避免鎳離子生物過(guò)敏反應(yīng)，同時(shí)提高材料抗點(diǎn)蝕能力，具有廣泛應(yīng)用前景.安瑞金等人[1]利用激光焊接技術(shù)得到醫(yī)用薄板高氮鋼接頭，焊縫組織為奧氏體和少量δ-鐵素體，接頭無(wú)軟化區(qū)，拉伸試驗(yàn)均斷在母材處，焊縫具有較高沖擊韌性，焊接接頭滿足實(shí)際需求且無(wú)化學(xué)殘留.

任伊賓等人[85]發(fā)明一種血管支架用高氮奧氏體不銹鋼，通過(guò)加入鎢合金提高不銹鋼密度，借助Cu 和N 元素及稀土元素協(xié)同提高不銹鋼的血液相容性，解決了Cr 元素致敏、致癌和誘發(fā)血栓問(wèn)題，為血管支架器件研究提供有力依據(jù)；李文等人[86]通過(guò)對(duì)血管支架進(jìn)行逐級(jí)滲氮方式，結(jié)合多次冷變形、熱處理，在管材成型和控制尺寸精度的基礎(chǔ)上，解決Mn 元素?fù)]發(fā)問(wèn)題，將支架氮含量提升至1%左右，具有高疲勞壽命、高生物安全性和藥物涂層與基體高結(jié)合力的特性.

3.2 石油鉆鋌

隨著國(guó)內(nèi)石油鉆探技術(shù)不斷提高，高含硫探井大量開(kāi)發(fā)及鉆采深度的增加，AISI-300 系不銹鋼性能無(wú)法滿足行業(yè)需求，采用鈹銅合金及Monel 合金制造的無(wú)磁鉆鋌由于價(jià)格昂貴，現(xiàn)已被高氮鋼所替代[87].屈華鵬等人[88]發(fā)明制造了一種新型無(wú)磁鉆鋌用高氮奧氏體不銹鋼，對(duì)C 和N 元素的含量范圍進(jìn)行充分優(yōu)化，室溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度更優(yōu)，通過(guò)加入Cr 元素，使其在鍛后具備優(yōu)良耐晶間腐蝕性能，兼具極低的相對(duì)磁導(dǎo)率.秦國(guó)梁等人[89]采用攪拌摩擦焊工藝實(shí)現(xiàn)高氮奧氏體不銹鋼鉆鋌焊接和修復(fù)，改善現(xiàn)有工藝方法，解決失效鉆鋌修復(fù)難題，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、力學(xué)性能優(yōu)異，滿足美國(guó)石油協(xié)會(huì)對(duì)無(wú)磁鉆鋌力學(xué)性能要求.

3.3 裝甲防護(hù)

作為防護(hù)材料，高氮鋼裝甲需抵抗彈丸、射流和破片等侵徹?fù)p傷，王宇等人[90]對(duì)高氮鋼的動(dòng)態(tài)性能和抗彈性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)異的抗彈性能是因含氮奧氏體鋼具有良好動(dòng)態(tài)沖擊硬化性能同時(shí)高氮鋼有較大的塑性變形區(qū)，可有效提升材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度.

目前市場(chǎng)上還未出現(xiàn)完全滿足高氮鋼焊接性能的焊絲.王紅鴻等人[91]成功制備一種用于高氮裝甲鋼焊接的高氮金屬粉芯藥芯焊絲，該焊絲焊接時(shí)，電弧穩(wěn)定、脫渣性好、可實(shí)現(xiàn)全位置焊接，操作工藝性優(yōu)良，焊絲與高氮裝甲鋼匹配良好，可滿足新一代裝甲裝備強(qiáng)度和塑韌性要求；高金良等人提供一種特種車輛高氮鋼車體焊接工藝，利用多股絞合焊絲特有的結(jié)構(gòu)，改善熔池固氮量、減少晶界脆性化合物析出，保證焊縫力學(xué)性能及耐蝕性，解決高氮鋼材料車體焊接制造難題.

4 研究不足及展望

4.1 目前研究不足

(1)在高氮鋼熔焊過(guò)程中，接頭容易產(chǎn)生氣孔，氮化物析出造成母材和接頭中N 元素?fù)p失，導(dǎo)致接頭韌、塑性嚴(yán)重下降，N 元素溶解受母材、焊絲、保護(hù)氣體和工藝參數(shù)等系列因素綜合影響.

(2)忽略了高氮鋼專用新型焊絲研究，高氮鋼產(chǎn)品雖已走向成熟，但配套焊絲還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未跟上，所用焊絲化學(xué)成分單一，目前高氮鋼常用焊絲主要為T(mén)P-N1670 和E2507N，缺乏更多高品質(zhì)高性能新型焊絲.

(3)攪拌摩擦焊具有熱輸入低、峰值溫度低、熱循環(huán)快的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但其應(yīng)用受限，且有時(shí)易形成裂紋及“裂紋+孔洞”的復(fù)合缺陷，因此需拓展攪拌摩擦焊應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)化攪拌摩擦焊工藝，減少接頭缺陷產(chǎn)生.

(4)與高氮鋼熔焊工藝相比，釬焊適用于精密和復(fù)雜場(chǎng)景，鎳基、銀基釬料在鋼體表面展現(xiàn)優(yōu)異潤(rùn)濕性，但釬縫界面易生成脆性相，接頭強(qiáng)度受到局限，現(xiàn)有高氮鋼釬焊方面理論處于起步階段，高氮鋼釬焊工藝開(kāi)發(fā)和釬料研制尚處于探索期.

4.2 未來(lái)發(fā)展方向

(1)應(yīng)優(yōu)化高氮鋼焊接體系，針對(duì)不同高氮鋼系，選擇最佳焊接方法及工藝，開(kāi)展金屬元素與N 元素耦合作用機(jī)理與演變行為研究，盡量避免接頭N 元素逸出、氮/碳化物析出，進(jìn)一步完善高氮鋼連接相關(guān)理論研究.

(2)開(kāi)發(fā)高氮鋼新型專用焊絲，針對(duì)不同型號(hào)高氮鋼材料研制匹配焊絲，并建立相關(guān)優(yōu)選機(jī)制，高氮鋼作為新型結(jié)構(gòu)材料，在醫(yī)療器械、石油鉆鋌和裝甲防護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣闊，有關(guān)高性能新型專用焊絲制備技術(shù)方面的研究將是未來(lái)高氮鋼焊接技術(shù)研究熱點(diǎn)之一.

(3)高氮鋼復(fù)合焊接技術(shù)研發(fā)，面對(duì)傳統(tǒng)焊接方法無(wú)法滿足行業(yè)需求的問(wèn)題，應(yīng)另辟蹊徑，尋求更優(yōu)焊接方法，如多場(chǎng)復(fù)合釬焊、超聲攪拌摩擦釬焊、激光真空復(fù)合焊等極具潛力的連接方法優(yōu)化接頭組織性能，進(jìn)一步拓寬高氮鋼連接應(yīng)用范圍.

(4)高氮鋼自主焊接平臺(tái)與裝備開(kāi)發(fā).國(guó)內(nèi)外有關(guān)高氮鋼連接研究重點(diǎn)集中于焊接工藝、連接界面、焊接材料及傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)型方面，忽略高端裝備特別是高氮鋼智能焊接裝備的研發(fā)，“十四五”期間應(yīng)充分利用信息技術(shù)與大數(shù)據(jù)及數(shù)字孿生理論，高度關(guān)注高氮鋼、高強(qiáng)鋼智能裝備與智慧平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，為國(guó)內(nèi)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐.