低活化马氏体钢真空扩散焊接工艺研究

摘要

低活化马氏体钢因具有较高的热导率、较低的辐照肿胀和热膨胀系数等优良的热物理性能，被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。聚变堆包层模块(TBM)的结构复杂、体积庞大、服役环境较为恶劣，各部件之间需要采用焊接等方法实现稳固连接。
　　低活化马氏体钢中合金元素含量相对较高，对焊接技术要求较为苛刻，而传统熔化焊过程中存在液-固相高温热循环及焊缝区域的非平衡凝固，通常会引起焊接接头的组织及性能退化，成为结构的薄弱环节，从而影响聚变堆的安全可靠运行。以扩散连接为代表的固态连接技术因其具有焊接温度低于母材熔点、尺寸装配精度高等优点，有望取代传统熔焊工艺并于聚变实验堆包层模块的制造领域发挥重要作用。
　　本文在不同焊接工艺条件（焊接温度、焊接压力及保温时间）下对低活化马氏体钢进行真空扩散焊接试验，通过对扩散焊接试样进行光学显微观察(OM)、扫描电镜观察(SEM)、能谱测试(EDS)以及X射线衍射(XRD)观测，分析焊缝区的相组成和组织形态、加热及保温过程中金属的组织演化规律等;通过对焊接件进行拉伸及冲击试验，比较热处理前、后焊件力学性能差异，探究不同工艺参数对微观组织和力学性能的影响规律，从而对低活化马氏体钢的扩散焊接进行工艺优化。
　　试验结果表明，低活化马氏体钢的原始母材显微组织主要为板条马氏体，在真空扩散焊接的加热及保温过程中，低活化马氏体钢会发生再结晶及奥氏体化现象。当焊接温度较高或保温时间较长时，均会促进奥氏体生长，而粗大的奥氏体晶粒会对扩散焊接接头的力学性能带来损害;保温时间结束焊接试样冷却至室温后，焊缝区显微组织为马氏体、残余奥氏体及数量较多尺寸较小的析出碳化物;而经过焊后热处理后，残余奥氏体组织基本消失不见。
　　在焊接温度为950～1100℃范围时，随着焊接温度的升高，焊件的拉伸强度随之提高，在1050℃时达到最高值973MPa;当焊接温度继续升高到1100℃时，焊件的拉伸强度则有所下降。在保温时间为90～180min范围时，焊件的拉伸强度一直随着保温时间的延长而增加，但当保温时间超过150min后，接头的抗拉强度基本没有增强，开始趋于平缓。在10～20MPa的焊接压力下，焊接件的抗拉强度一直随焊接压力提升而稳步提高。但限于低活化马氏体钢在高温下的屈服强度，试验时没有继续选用更高的焊接压力进行扩散焊接。
　　提高焊接温度可以通过激活更多原子进行无规则的扩散迁移提升扩散效果，从而一定程度上提高焊件的拉伸强度;但较高的焊接温度同样会促进奥氏体晶粒的吞并、长大，而粗大的奥氏体晶粒冷却转变后得到的粗晶粒组织会降低焊件的抗拉强度。因此，当达到1050℃时，焊件的抗拉强度会随着焊接温度的升高而降低。同样，保温时间的延长为良好的扩散效果提供了必要的条件，但当保温时间过长时，虽然活跃态原子扩散越充分，但由于粗大的奥氏体晶粒，其抗拉强度反而无明显提升。而当焊接压力越大时，焊接面的微观凸起塑性变形程度越大，焊接面之间实际接触面积便越大，从而使焊接面附近激活态原子获得足够的扩散通道通过无规则迁移及跨越界面进行固态自扩散，使得焊接面结合状况更为优良。焊件的冲击韧性主要取决于扩散焊接结束时焊缝区的晶粒尺寸，当奥氏体晶粒随着焊接温度的升高及保温时间的延长而越来越大时，焊缝区的金属的冲击韧性则越来越差。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 核聚变

1．1．2 聚变反应堆

1．2 低活化铁素体／马氏体钢发展现状

1．3 低活化铁素体／马氏体钢焊接性能

1．3．1 低活化铁素体／马氏体钢的熔化焊

1．3．2 低活化铁素体／马氏体钢的扩散焊

1．4 扩散焊接工艺简介及特点

1．5．1 课题来源

1．5．2 本文研究内容

第二章 实验材料及方法

2．1 实验材料

2．2．1 待焊试样表面处理

2．2．2 待焊试样装配要求

2．2．3 焊接实验装置

2．3 焊后热处理

2．4 焊缝区显微组织分析

2．4．1 金相试样的制备及显微组织观察

2．4．2 X射线衍射(XRD)分析

2．5．1 拉伸性能测试

2．5．2 冲击性能测试

2．6 本章小节

第三章 低活化马氏体钢真空扩散组织演化规律及机理分析

3．1 扩散焊接试样界面结合率

3．2 扩散焊接时焊缝的显微组织分析

3．2．1 焊接工艺参数对焊缝处显微组织的影响

3．2．2 焊缝区原子扩散及金属变形机制

3．2．3 焊缝区碳化物析出相

3．2．4 焊缝组织及相组成与焊件力学性能间的关系

3．3 扩散焊接过程中金属的组织演化

3．3．1 马氏体分解

3．3．2 金属再结晶现象

3．3．3 奥氏体转变

3．3．4 焊后及热处理后金属组织

3．3．5 扩散焊接过程金属的组织演化规律

3．4 本章小节

第四章 低活化马氏体钢焊件力学性能

4．1 工艺参数对焊件相对变形量的影响

4．1．1 焊接温度对焊件相对变形量的影响

4．1．2 焊接压力对焊件相对形变量的影响

4．1．3 保温时间对焊件相对形变量的影响

4．2 扩散焊接工艺参数对焊件拉伸性能的影响

4．2．1 焊接温度对焊件抗拉强度的影响

4．2．2 保温时间对焊件抗拉强度的影响

4．2．3 焊接压力对焊件抗拉强度的影响

4．2．4 拉伸断口形貌

4．3 扩散焊接工艺参数对焊件冲击性能的影响

4．3．1 焊接温度对焊件冲击韧性的影响

4．3．2 保温时间对焊件冲击韧性的影响

4．4 焊后热处理对焊件力学性能的影响

4．5 本章小节

第五章 结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文