馬東良，劉杰，劉磊磊，劉佳佳，馬東輝，高遠(yuǎn)

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1 序言

鑄造K418高溫合金渦輪與調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo鋼軸是渦輪增壓器的重要組成部件，兩者通過焊接方式結(jié)合。K418是γ′[Ni3（Al，Ti）]沉淀硬化鎳基高溫合金[1]，合金中Al、Ti元素含量高，42CrMo鋼碳當(dāng)量達(dá)到0.83%。二者焊接性均較差，且合金元素、熱物理性能、高溫力學(xué)性能等差異明顯，屬于典型的異種金屬焊接。

連續(xù)驅(qū)動摩擦焊是K418高溫合金、42CrMo鋼異種金屬焊接的常用方法，焊接時焊接區(qū)除受到壓力、摩擦力外，還經(jīng)歷了快速升溫與快速冷卻過程。高溫塑性變形區(qū)金屬發(fā)生了擠壓流動、動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶、元素擴(kuò)散遷移等力學(xué)冶金過程。不同元素的擴(kuò)散機(jī)理并不相同，有的是由化學(xué)勢差引起的“上坡擴(kuò)散”[2]，如C元素；有的則是由濃度差引起的，如Fe元素。

國內(nèi)外關(guān)于K418高溫合金、42CrMo鋼異種金屬焊接的研究相對較少，本文采用連續(xù)驅(qū)動摩擦焊對K418高溫合金、42CrMo鋼異種金屬進(jìn)行焊接，對焊接接頭金相組織、元素含量等進(jìn)行分析，力求為渦輪增壓器K418高溫合金、42CrMo鋼異種金屬焊接提供技術(shù)參考。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用真空熔煉鑄造生產(chǎn)的鑄態(tài)K418鎳基高溫合金渦輪盤和調(diào)質(zhì)態(tài)鍛造42CrMo鋼軸，兩者化學(xué)成分分別見表1、表2。

表1 K418高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 42CrMo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

摩擦焊機(jī)選用長春數(shù)控機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的C-20A-2型摩擦焊機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，焊接參數(shù)分別選擇強(qiáng)規(guī)范（0.8 M P a×1 s ＋4.0 M P a×1 0 s）和弱規(guī)范（0.8 M P a×1 s ＋1.4MPa×14s）。為了避免焊接缺陷，提高焊接接頭的性能，焊前對焊接面進(jìn)行精車并用丙酮嚴(yán)格清理，去除油污、灰塵、銹跡等，保證焊接面的清潔。焊接面直接對接不留間隙，焊接過程中始終保證焊接面對中，保證同心度。

對焊接接頭分別切割取樣，使用磨拋機(jī)磨平并拋光，使用4%硝酸酒精腐蝕試樣，使用金相顯微鏡觀察金相組織，使用場發(fā)射掃描電鏡對不同區(qū)域進(jìn)行能譜分析以確定各區(qū)域元素組成。

3 金相組織

焊接面在摩擦焊過程中受到強(qiáng)烈的塑性變形和機(jī)械混合共同作用，頂鍛后仍保留著既含有鍛造組織又具有冶金接合的特殊界面結(jié)構(gòu)[3]。焊接接頭顯微組織如圖1所示，其中白亮區(qū)域?yàn)镵418高溫合金，深色區(qū)域?yàn)?2CrMo鋼。由于是異種金屬焊接，因此焊接面在化學(xué)成分和組織性能上有很大的不均勻性。從圖1可看出，弱規(guī)范參數(shù)所得試件焊縫熔合區(qū)是一條較為圓滑的曲線，而強(qiáng)規(guī)范參數(shù)所得試件焊縫熔合區(qū)呈不規(guī)則的鋸齒形，個別區(qū)域甚至有曲折現(xiàn)象，焊接面兩側(cè)異種金屬互相嵌入、滲合，界面呈交錯分布，冶金結(jié)合面積大。

圖1 焊接面顯微組織

4 碳擴(kuò)散

一般來說，影響碳擴(kuò)散遷移的主要因素有以下幾個方面。

（1）溫度和時間 焊接面的最高加熱溫度和在高溫下的停留時間對碳擴(kuò)散的影響很大，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4]，碳擴(kuò)散激活溫度為425℃、在600～800℃時擴(kuò)散遷移最強(qiáng)烈。通常情況下，溫度越高則碳擴(kuò)散越容易，高溫延續(xù)時間越長碳擴(kuò)散越明顯。實(shí)際焊接過程中，焊接接頭區(qū)域溫度可以達(dá)到1050℃以上，渦輪增壓器在使用時轉(zhuǎn)子軸溫度一般也在600℃以上，碳擴(kuò)散是不可避免的。但是整個焊接過程時間很短，工件直接暴露在空氣中冷卻速度很快，這就使得碳擴(kuò)散距離受到很大限制。

（2）碳含量的影響 焊縫兩側(cè)母材的含碳量對碳遷移影響很大，42C r M o鋼的wC＝0.38%～0.45%，K418高溫合金的wC＝0.08%～0.16%，兩側(cè)母材碳含量差異明顯，焊接以及后續(xù)的熱處理中，因較高的溫度會提供給碳元素足夠的擴(kuò)散能而發(fā)生遷移。

（3）碳化物形成元素的影響 由于K418高溫合金中Cr、Mo、Nb、Ti等強(qiáng)碳化物生成元素的種類較多，含量也遠(yuǎn)高于42CrMo鋼，這些元素對碳的親和力都大于鐵，將導(dǎo)致碳從42CrMo鋼側(cè)向K418高溫合金側(cè)擴(kuò)散遷移，從而在K418高溫合金側(cè)產(chǎn)生一個增碳層，在42CrMo鋼側(cè)產(chǎn)生一個脫碳層。

（4）Ni的影響 雖然Ni可以降低碳化物的穩(wěn)定性，但是Ni本身對碳有較大的溶解度，因此Ni基材料雖然能減少碳擴(kuò)散，但并不能完全避免碳擴(kuò)散現(xiàn)象。

（5）組織結(jié)構(gòu)的影響 K418高溫合金組織主要為γ和γ′相，對碳原子溶解度大，而42CrMo鋼側(cè)基體為回火索氏體，對碳溶解度相對較小。碳原子濃度梯度使K418高溫合金、42CrMo鋼焊接面兩側(cè)碳的化學(xué)位不同，碳在摩擦焊過程中易于從化學(xué)位較高的42CrMo鋼側(cè)向較低的K418高溫合金側(cè)擴(kuò)散。相關(guān)研究表明[5]，碳在α-Fe中的擴(kuò)散能力比在γ-Fe中大得多，因此碳很難跨過K418高溫合金與42CrMo鋼焊接面向K418高溫合金側(cè)作長程擴(kuò)散，在高溫運(yùn)行過程中碳的遷移主要局限在熔合區(qū)的塑性變形層中。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊過程中，摩擦面上塑性變形區(qū)位錯密度很高，晶粒比較細(xì)小，晶界表面積增大，沿晶界和位錯容易發(fā)生碳元素的“短路擴(kuò)散”[6]。

基于以上原因，碳擴(kuò)散主要集中在熔合區(qū)，很難向K418側(cè)作長程擴(kuò)散，擴(kuò)散量也受到較大限制。此外，在穩(wěn)定摩擦后期，摩擦面轉(zhuǎn)移至K418側(cè)近縫區(qū)形成次生摩擦面[7]，該區(qū)域距離原始摩擦面很近，是焊接過程中的溫度最高的區(qū)域。次生摩擦面處碳溶解度最大，因此碳能在高溫下擴(kuò)散至該區(qū)域并發(fā)生富集。摩擦停止后，隨著溫度的降低，碳元素溶解度隨之降低，過飽和的碳就會在K418側(cè)次生摩擦面上析出，形成非連續(xù)網(wǎng)狀碳化物。

5 合金元素擴(kuò)散

在異種金屬摩擦焊接過程中，摩擦界面兩側(cè)金屬元素的相互擴(kuò)散是形成穩(wěn)定接頭的物理基礎(chǔ)[8]。K418高溫合金和42CrMo鋼含量最多的元素分別是Ni和Fe，兩者在化學(xué)元素周期表中處于同一周期和同一族內(nèi)，其晶格類型、原子半徑、外層電子數(shù)等十分相近，兩者可以無限固溶，這些有利于他們之間的擴(kuò)散。此外，Ni、Cr、Mo、Fe等元素在焊縫兩側(cè)含量差異很大，在高溫下也會發(fā)生遷移擴(kuò)散現(xiàn)象。

弱規(guī)范參數(shù)焊接接頭線掃描結(jié)果如圖2所示。掃描方向?yàn)镵418高溫合金側(cè)向42CrMo鋼側(cè)。從圖2可看出，在K418高溫合金側(cè)距離焊縫約56mm處Fe含量開始增加，Ni、Cr、Mo等元素開始減少；在距離焊縫約26mm處兩側(cè)各元素有明顯的濃度梯度，F(xiàn)e元素顯著增加，Ni、Cr、Mo等元素急劇減少；在距離焊縫約19mm處開始各合金元素含量基本保持穩(wěn)定，與42CrMo鋼側(cè)含量基本一致；碳元素在整個線掃描區(qū)域中含量基本無變化。這說明在焊接過程中產(chǎn)生的熱量使焊縫處K418高溫合金側(cè)各主要合金元素發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象，Ni、Cr、Mo等元素擴(kuò)散至42CrMo鋼側(cè)，F(xiàn)e元素擴(kuò)散至K418高溫合金側(cè)，各元素擴(kuò)散距離基本一致。C元素在整個區(qū)域中含量基本一致，在焊縫兩側(cè)擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)含量較均勻。

圖2 焊縫處線掃描結(jié)果（弱規(guī)范）

強(qiáng)規(guī)范參數(shù)焊接接頭線掃描結(jié)果如圖3所示。掃描方向?yàn)镵418高溫合金側(cè)向42CrMo鋼側(cè)。從圖3中可以看出，在K418高溫合金側(cè)距離焊縫約117μm處Fe含量開始增加，Ni、Cr、Mo、W等元素開始減少；在距離焊縫約32μm處Fe元素顯著增加，Ni元素急劇較少；在距焊縫117μm至焊縫這一區(qū)域內(nèi)，Cr、Mo、W等元素緩慢減少；在42CrMo鋼側(cè)各元素含量基本保持穩(wěn)定。這說明強(qiáng)規(guī)范參數(shù)下焊縫處K418高溫合金側(cè)各主要元素發(fā)生的擴(kuò)散現(xiàn)象更為明顯，各元素擴(kuò)散距離基本一致；強(qiáng)規(guī)范擴(kuò)散距離約為弱規(guī)范的兩倍，這是因?yàn)閺?qiáng)規(guī)范產(chǎn)生的熱量大于弱規(guī)范，更利于各元素的擴(kuò)散，繼而產(chǎn)生更長的擴(kuò)散距離。

圖3 焊縫處線掃描結(jié)果（強(qiáng)規(guī)范）

由于Fe、Ni可以無限互溶[7]，焊接面附近鐵、鎳及其他元素在高溫下易形成金屬間化合物，這些化合物有一定脆性，會大大降低焊接接頭抗拉強(qiáng)度，對焊接接頭的塑性和韌性也有不利影響。焊接完畢后，隨著溫度的降低，金屬間化合物大都分解，其對焊接接頭力學(xué)性能的影響也顯著降低。

6 結(jié)束語

1）焊接面兩側(cè)K418高溫合金、42CrMo鋼互相嵌入、滲合，界面呈交錯分布，冶金結(jié)合面積大。

2）碳元素自42CrMo鋼側(cè)向K418高溫合金側(cè)作短程擴(kuò)散，擴(kuò)散量較小并集中于次生摩擦面附近。摩擦焊停止后，隨著溫度的降低，碳元素溶解度隨之降低，過飽和的碳在K418高溫合金側(cè)次生摩擦面上析出，形成碳化物。

3）Fe、Ni、Cr、Mo及W等元素在摩擦面兩側(cè)發(fā)生不同程度的擴(kuò)散。強(qiáng)規(guī)范產(chǎn)生的熱量大于弱規(guī)范，更利于各元素的擴(kuò)散，擴(kuò)散效果更明顯。