低合金钢表面耐蚀层堆焊工艺及堆焊层组织性能研究

摘要

奥氏体不锈钢因其良好的耐腐蚀和抗高温性能，广泛应用于高温锅炉零件和耐热管道的制造。由于使用奥氏体不锈钢制造机械零部件成本较高，常采用在低合金钢上堆焊一层奥氏体不锈钢的方法，来替代整体使用奥氏体不锈钢材料，该技术广泛应用于能源、化工、石油等领域。但由于两种材料的性能差异较大，易在材料结合处产生裂纹甚至气孔等缺陷，严重影响工件性能及其寿命。
　　结合企业的科研攻关项目和生产效率的实际需求，本文采用不同过渡层厚度的实验方案，通过熔化极活性气体保护焊(MAG)，在低合金钢Q345上堆焊奥氏体不锈钢，其过渡层和耐蚀层材料分别为ER309L和ER347L不锈钢焊丝。通过对堆焊层试样进行弯曲、剪切、显微硬度、金相组织、断口扫描、熔盐腐蚀和腐蚀产物的试验分析，综合评价两种材料堆焊层的力学性能及耐蚀性能。结果表明：无过渡层试样，有裂纹或微小裂纹产生，有过渡层试样没有裂纹及开裂现象，可见过渡层设计提高了堆焊层的性能；剪切试验显示过渡层与母材的剪切强度低于耐蚀层与母材的剪切强度；剪切断口均显示以韧窝状为主的韧性断裂形貌，并且有过渡层试样韧窝形状大而深，表明该试样塑韧性较好；试样的显微硬度值变化趋势相同，堆焊层硬度值最小(约为125HV)，母材硬度值最大，熔合区硬度值也较大(约为190HV)，这主要是熔合区存在碳迁移所致；金相实验发现堆焊层组织主要以铁素体和奥氏体为主，还存在微量Cr的碳化物脆性相，其中铁素体大多呈条状和块状分布，能够显著提高堆焊层的塑韧性；熔盐腐蚀后的扫描电镜图片显示无过渡层试样的热腐蚀现象比较严重，熔合线附近裂纹明显，腐蚀层较为疏松，组织很不均匀，有过渡层试样热腐蚀程度较小；腐蚀产物的X射线结果表明有过渡层试样的抗腐蚀Cr2O3氧化膜完整，能有效防止腐蚀的进一步加深；所以，有过渡层的试样堆焊层与母材的连接性及耐蚀性较好，但过渡层的厚度影响较小。
　　采用有限元软件MSC.Marc进行数值模拟，通过利用Marc单元和热-结构耦合功能分析进行焊接过程仿真，给出沿焊缝不同方向的三维残余应力分布曲线，对比不同过渡层厚度残余应力及应变的不同，确定不同厚度过渡层试样的焊接残余应力分布规律。结果表明，堆焊厚度相同时，过渡层厚的试样残余应力值较大，其最大值分别为409MPa、429MPa、432MPa、446MPa，即随着过渡层厚度的增加，残余应力值变大。

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变量注释表

1 绪论

1.1前言(Introduction)

1.2奥氏体不锈钢研究发展现状(Research and development status of austenitic stainless steel)

1.3奥氏体不锈钢堆焊技术(Austenitic stainless steelwelding technology)

1.4焊接数值模拟技术(The Numericalsimulation of technology)

1.5本课题研究目的及意义(The purpose andsignificance of the research)

1.6本课题主要研究内容(The main contents of the research)

2 试验材料及方法

2.1技术路线(Technology roadmap of research)

2.2实验材料(Experimentalmaterials)

2.3实验方法(Experimental scheme)

2.4性能测试及表征(Performance testing and characterization)

2.5本章小结(Chapter summary)

3 力学性能及微观组织测试与结果分析

3.1概述(Introduction)

3.2弯曲试验(Bending test)

3.3剪切试验(Shear test)

3.4 显微硬度(Microhardness)

3.5金相组织分析(Metallographic structure)

3.5本章小结(Chapter summary)

4堆焊层抗热腐蚀性能

4.1概述(Introduction)

4.2 奥氏体不锈钢堆焊层抗混合盐的热腐蚀性能试验(Austenitic stainless steel welding layer of mixed heat corrosion test)

4.3本章小结(Chapter summary)

5堆焊层残余应力模拟

5.1概述(Introduction)

5.2有限元模型的建立(The establishment of the finite element model)

5.3模拟结果与分析(The simulation results and analysis)

5.4本章小结(Chapter summary)

6结论

参考文献

作者简历

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