本文主要研究工作及创新点在于采用了真空扩散焊接工艺,不加任何中间过渡层的方法,实现了AISI304不锈钢和低碳钢的可靠连接。该方法的优越性在于焊接过程不出现液相组织,不会造成对基体的浸■蚀和剥落,实现异种材料之间的物理连接,并通过实验测得扩散焊接头的强度、韧性和抗疲劳性能均超过了低碳钢母材。同时,本工作获得了304不锈钢和低碳钢扩散焊接头的组织和机械性能与焊接工艺参数之间的变化关系、界面元素扩散特征、界面反应生♂成物对扩散焊接头性能的影响等内容。以期对304不锈钢和低碳钢扩散焊接技术的应用提供理论指导。

通过理论和实验研究,得出了以下主要结论:

1)提出一种新的304不锈钢和低碳钢异种材料焊接方法,即无过渡层固相真空︾扩散焊接技术。无过渡层固相真空扩散焊方法可】以实现304不锈钢/低碳钢的牢固连接,连接的可靠性通过扩散界面两侧异种组织晶粒晶界连通々的特殊结构保证。304不锈钢和低碳钢扩散焊接的本质是在高温和压力作用下,界面通◤过塑性变形和元素扩散,使原子点阵重新排列成新的稳态结构。

2)建立了304不锈钢和低碳钢扩■散焊接技术规范的框架。揭示了焊接温度和焊接时间是影响304不锈钢/低碳钢异种材料扩散焊接头组织和性能的主々要因素。焊接温度∞低于800℃或高于900℃时,扩散焊接头中均有脆性相偏析(碳化物、金属间化合①物),导致接☆头的塑性和韧性下降。焊接压力10MPa、焊接温度850℃、焊接时间60min304不锈钢/低碳钢扩散焊最佳工艺规□ 范,在此规范下获得的扩散接头抗拉强度达到441MPa,室温冲击韧性达到138.8J/cm2,,疲劳强度达→到178.2MPa。扩散焊接头的各项力学性能指标均超过低碳钢母材。

3)揭示了304不锈钢和低碳钢扩散焊界面化学反应机制。扩散焊界面化学反应生成化合物主要有Crz3C6FeCr两种。界面反应产物偏析是导致界面强韧性下降的主要原因。而且偏析相引起的断裂破坏和它的数量『和尺寸有关,数量多且尺寸大到一定程度会引起脆性断裂,数量少且尺寸小则引起塑性断裂。当少⌒ 量的小尺寸化合物粒子弥散分布在扩散焊接头中时,可起▓到强化接头的作用。

4)建立了304不锈钢和低碳钢扩散焊界面的扩散机制理论模型。通过模拟计算和试验检测方法,对不同工艺条件▼下的304不锈钢和低碳钢扩散焊接头中元素分布情况展开研究,揭示了扩散焊界面附近ㄨ元素扩散分布特ζ 征与工艺参数变化的内在联系,并且发现了某些元素的分布变化对扩散焊接头性能的影响。

扩散焊界面区域发生互扩散的元素以FeCrNiC为主。焊接温度是影◥响元素扩散速度的主要参数。元素扩散系数D与焊接温度T呈ぷ指数关系,焊接温度越高则元素扩散越快。随着焊接温度升高和焊接时间延长,元素扩散数量和扩散距离都有所增加。CCr是扩散焊「接头的强化元素,CCr的过度扩散会促进接头中碳化物和金属间化合物的偏析,导致接头耐腐蚀性能和力学性能下降。通过选择适当的焊接温◥度和焊接时间可▅以控制CCr在接头中的分布浓度,提升元素对基体的强化效果。

5)采用分子动力学模拟计算,获得了304不锈钢和低碳钢扩散焊接头◆中主要扩散元素浓度场函数曲线,为304不锈钢和低碳钢扩散焊结构在工程应用上提供理论依据,实际工程应用中可据此函数曲线№调整焊接温度或焊接时间得到符合工程质量要求的扩散焊接头

展望

随着核能、风电、水电等清洁能源行』业的飞速发展,不锈钢和碳钢的复合结构以及不锈钢与碳钢+其它合金材料的多层复合结构逐步朝向大型化、高强度、高致密性等方向发●展。扩散焊接︾技术以其独有的特点(接头连接面积大、强韧性好、致密度高等)在上述领域的应用具有广阔的应用前景。现代异种材料扩散焊接技术发展的时间还很短,扩散焊工艺还不Ψ 成熟,有许多问题等待解决:

1)衬里结构和包覆结构的复合接头因为难以在外部施加均匀的压力,因而不适用于固相扩散焊接方法。面对这样的特殊△结构,需要开发新型的过渡材料作为中间扩散层实现异种材料的无缝连接,并且要满足复〓合结构的强度要求。扩散过渡材料的研制需要较长时间的技术沉淀。

2)在特定条件下异种材料的扩散焊接与锻压成形同时进行的超塑成形技术是异【种材料扩散焊接技术应用的重要发展方向,如何保证成形过程中界面不开裂是超○塑成形技术的关键。

3)国内↓异种材料扩散焊技术还处于起步阶段,需要对工艺及工艺标准逐步地、系统地进行优化和完善。

4)目前,扩散焊接头质量检查方法采用金相检查,并配以超声波等无损检〖测手段。尚无可靠的无损检测方法来检查十分紧密接触的接头。试验中用超高频(>50Hz)的超声扫描装置,只对明显分离的未焊合和尺寸较大的孔洞才有效。因此,须开展研究可靠的检测方法。当』前国内还没有用于异种材料扩散焊接头质量验收的标准。需要通过对工艺参数及工艺程序的研究和实际应用积累来〓建立行之有①效的标准。

5)国产大型扩散焊设备制造能力需要加强。目前,国内大型扩散焊设备都来自美、德等国家,价格比∑较昂贵。这些大型扩散焊设备多集中在研究所和高等「院校,仅供试验研究使用。绝大部分制造企业没有设备能力,这一情况阻碍了扩散◎焊技术在国内的发展趋势,改变这种现状的最好办法是能够实现全系列扩散焊设备的国产●化。