馬東良,劉杰,劉磊磊,劉佳佳,馬東輝,高遠(yuǎn)
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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。
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。
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
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。
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。
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。