摘要

采用BNi-2薄帶釬料對(duì)1Cr18Ni9Ti進(jìn)行了釬焊，分析了接頭的顯微組織、電化學(xué)特性、硬度和拉伸性能。通過鹽霧腐蝕試驗(yàn)，研究了腐蝕過程中接頭組織和力學(xué)性能的演變。結(jié)果表明，1Cr18Ni9Ti釬焊接頭成形良好，焊縫兩側(cè)的顯微硬度明顯高于母材。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到500 MPa。接頭焊縫的腐蝕電位高于1Cr18Ni9Ti母材，接頭在鹽霧環(huán)境中發(fā)生電偶腐蝕。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，未腐蝕的釬焊接頭拉伸試驗(yàn)后斷裂發(fā)生在帶有釬料的母材處，斷口分析表明，拉伸過程中接頭涂有釬料的母材首先形成多道裂紋，然后擴(kuò)展到母材發(fā)生斷裂，具有明顯的塑性變形。1Cr18Ni9Ti釬焊接頭經(jīng)過鹽霧腐蝕后，接頭力學(xué)性能下降，拉伸試驗(yàn)后斷裂發(fā)生在釬焊焊縫處，無塑性變形特征。

關(guān)鍵詞： 焊接接頭 ; 釬焊 ; 電偶腐蝕 ; 微觀組織 ; 力學(xué)性能

隨著國內(nèi)航空航天運(yùn)載裝備在近岸和海洋大氣條件下的活動(dòng)頻率不斷增加，越來越多的裝備和材料由于長期暴露在高濕、高鹽霧的海洋大氣環(huán)境下發(fā)生失效，釬焊結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于這些裝備中，要求其在長期服役過程中穩(wěn)定可靠。不銹鋼具有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性及優(yōu)良的強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車船舶等多個(gè)不同的領(lǐng)域。奧氏體不銹鋼中以18-8型不銹鋼最具代表性，有著優(yōu)良的力學(xué)和加工性能[1]，其中1Cr18Ni9Ti不銹鋼屬于典型的18-8型不銹鋼，它除了有著很強(qiáng)的耐蝕性能外，還有著良好的塑性，易于加工變形，韌性非常好，具有良好的焊接性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能和能源等領(lǐng)域。

對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行焊接時(shí)，真空釬焊是一種非常有效的連接手段[2]，相比起熔焊和壓焊等方法具有加熱溫度低，對(duì)母材的組織和性能影響小，加熱均勻，變形和應(yīng)力小，裝配精度高等特點(diǎn)。不銹鋼主要的釬焊方式是硬釬焊，鎳基釬料在高溫下具有良好的潤濕性，且力學(xué)和耐蝕性能都很好。其中，BNi-2釬料 (BNi82CrSiBFe) 是應(yīng)用最為廣泛的一種鎳基釬料，它具有熔化溫度較低、流動(dòng)性好、潤濕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，釬焊接頭有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化及耐蝕性能[3]。對(duì)于不銹鋼釬焊接頭來說，一般包括有3個(gè)區(qū)域，分別是擴(kuò)散區(qū)、界面區(qū)及釬縫中心區(qū)，母材擴(kuò)散區(qū)是由釬料中的B和少量Si向母材擴(kuò)散而形成，釬縫界面反應(yīng)區(qū)由母材向釬料中溶解，主要組成是固溶體和金屬間化合物，釬縫中心區(qū)則主要由Ni、Si、Cr等互溶形成Ni基固溶體組成，不同的焊接工藝參數(shù)如保溫時(shí)間、釬焊溫度等會(huì)對(duì)接頭的形成相及性能有很大影響[4~6]。

釬焊后接頭各區(qū)域組織成分及性能都會(huì)有差別，使得各區(qū)域之間的性質(zhì)，如電化學(xué)特性等出現(xiàn)差異，在與電解質(zhì)介質(zhì)接觸后導(dǎo)致產(chǎn)生腐蝕電偶，致使發(fā)生局部腐蝕，常見的局部腐蝕類型包括有電偶腐蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕等[7]，高溫環(huán)境下還會(huì)出現(xiàn)熱腐蝕，這些都會(huì)對(duì)接頭產(chǎn)生不利影響[8~14]。

本文針對(duì)1Cr18Ni9Ti真空釬焊接頭開展鹽霧環(huán)境對(duì)其組織與性能的影響研究，結(jié)合電化學(xué)、組織表征及力學(xué)測(cè)試觀察結(jié)構(gòu)等手段，分析1Cr18Ni9Ti釬焊接頭微觀組織和力學(xué)性能在鹽霧環(huán)境中的演變規(guī)律，為釬焊構(gòu)件在海洋環(huán)境中的推廣與應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選用的母材為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分如表1所示。真空釬焊選用的釬料為BNi-2鎳基非晶薄帶釬料，其化學(xué)成分如表2所示。1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) 為：Cr 18.2，Ni 0.7，Ti 0.6，C 0.08，Si 0.7，Mn 1.9，S 0.021，P 0.033，F(xiàn)e余量。Bni-22鎳基釬料化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) 為：C 0.05，Si 4.6，B 3.05，Cr 7.2，F(xiàn)e 2.8，Ni余量。

表1   1Cr18Ni9Ti合金釬焊接頭顯微硬度 (HV)

在釬焊前對(duì)兩塊1Cr18Ni9Ti不銹鋼母材接觸面進(jìn)行打磨處理，并通過丙酮超聲清洗除掉表面油污，烘干后將兩塊母材對(duì)接，通過BNi-2箔帶控制釬縫寬度為50 μm，并將BNi-2粉末釬料置于接頭兩端階梯處，避免焊接時(shí)因間隙填充不滿而造成未焊合。試樣裝配好后將其置于真空爐中進(jìn)行加熱，真空度設(shè)為10-3 Pa，在升溫速度為10 ℃/min下加熱至850 ℃，保溫10 min，然后在升溫速度為15 ℃/min下加熱至1050 ℃，再保溫60 min。保溫結(jié)束后停止加熱，在爐內(nèi)冷卻至室溫后取出，用于研究腐蝕后力學(xué)性能的試樣示意圖如圖1所示，接頭設(shè)計(jì)根據(jù)某型的航天產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1   力學(xué)性能試樣

金相樣品采用SiC砂紙逐級(jí)打磨至2000#，再將其表面拋光，最后采用去離子水+乙醇清洗并用冷風(fēng)吹吹干。將拋光好的金相樣品采用FeCl3溶液侵蝕拋光面10 s。采用萊卡金相顯微鏡觀察樣品的金相組織形貌。

依據(jù)GB/T228-2002，在Zwick/Roell-Z100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。屈服前的拉伸速率為0.15 mm/min，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為0.00025 s-1；屈服后的拉伸速率為1.5 mm/min，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為0.0025 s-1。

采用HV-1000STA顯微硬度計(jì)測(cè)試試樣母材和焊縫處的顯微硬度，施加載荷為300 g，加載時(shí)間為10 s，分別在母材和焊縫處測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，取平均值。

采用5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))) NaCl水溶液為腐蝕溶液，其pH值在6.5~7.2間，實(shí)驗(yàn)箱體溫度為40 ℃，鹽霧沉降率為(1.5

0.5) mL/80 (cm2·h)，實(shí)驗(yàn)周期為1/3/6/10/15/20 d。鹽霧試驗(yàn)使用CW1202型號(hào)鹽霧箱，試驗(yàn)箱容積為200 L，可用于連續(xù)鹽霧或間歇噴霧/干燥循環(huán)試驗(yàn)。

采用CS350M型號(hào)電化學(xué)工作站測(cè)試樣品的動(dòng)電位極化曲線，電解質(zhì)溶液為5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) NaCl溶液。采用三電極體系進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，其中，飽和甘汞電極作為參比電極 (相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位0.241 V)，石墨棒為對(duì)電極。將三電極體系在溶液中穩(wěn)定1 h后，進(jìn)行動(dòng)電位極化測(cè)試。動(dòng)電位極化測(cè)試的電位掃描范圍為相對(duì)于開路電位的-0.5~+0.5 V，掃描速率為1 mV/s。動(dòng)電位極化測(cè)試均在室溫℃進(jìn)行，每組測(cè)試重復(fù)3次以確保結(jié)果準(zhǔn)確。

采用XMU-BY-LG微區(qū)電化學(xué)工作站在室溫下對(duì)不銹鋼釬焊試樣進(jìn)行了表面微區(qū)電位分布的測(cè)量，測(cè)試溶液為10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) FeCl3溶液，掃描范圍為2000 μm×2000 μm，掃描頻率為0.5 Hz，探針針尖與待測(cè)樣品表面之間的距離控制在50 μm上下，避免直接接觸。

2 結(jié)果與分析

2.1 釬焊接頭的電化學(xué)腐蝕

由圖2a可知，1Cr18Ni9Ti、BNi-2釬料以及接頭材料的極化曲線變化相似，可以明顯看出試樣在5%NaCl溶液中均可發(fā)生鈍化。圖2b-d中分別給出了3種材料的點(diǎn)蝕電位、維鈍電流密度和腐蝕電位。由圖2b可知，1Cr18Ni9Ti和BNi-2釬料的點(diǎn)蝕電位高于接頭材料，說明釬焊后材料的抗點(diǎn)蝕性能降低。BNi-2釬料的點(diǎn)蝕電位高于1Cr18Ni9Ti釬焊接頭，意味著BNi-2釬料的抗點(diǎn)蝕能力高于接頭材料。此外，BNi-2釬料的腐蝕電位高于1Cr18Ni9Ti，說明BNi-2釬料的耐蝕性能高于基體。

圖2   3種試樣在5%NaCl 溶液中測(cè)量的 Tafel 極化曲線結(jié)果

圖3為1Cr18Ni9Ti合金釬焊焊接接頭在3.5%NaCl中的微區(qū)電化學(xué)結(jié)果。由圖可知，焊縫的電位高于兩側(cè)基體的電位，說明焊縫的耐蝕性明顯好于基體，這與1Cr18Ni9Ti、BNi-2釬料的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果保持一致。

圖3   1Cr18Ni9Ti合金釬焊焊接接頭在5%NaCl溶液中的微區(qū)電化學(xué)結(jié)果

2.2 1Cr18Ni9Ti合金釬焊試樣微觀組織

1Cr18Ni9Ti合金釬焊試樣金相顯微組織如圖4所示。由圖4可知，母材組織主要由奧氏體、少量鐵素體和部分孿晶組成，晶粒尺寸在15-20 μm，焊縫寬度約為100 μm。

圖4   1Cr18Ni9Ti合金釬焊試樣焊后顯微組織

接頭成形良好，無明顯微觀空洞，焊縫主要由鎳基固溶體組成，未有金屬間化合物相形成，釬料與母材發(fā)生明顯的擴(kuò)散，1Cr18Ni9Ti與釬料的界面發(fā)生顯著的反應(yīng)，釬料中的Si富集在焊縫中，少量向母材中擴(kuò)散焊。少量的Fe向焊縫中擴(kuò)散，Cr在焊縫附近的晶界中析出，在擴(kuò)散區(qū)域的晶粒較母材有所長大，如圖5a和b所示。

圖5   1Cr18Ni9Ti合金釬焊接頭元素分布

1Cr18Ni9Ti釬焊試樣母材的維氏硬度為 (167.3±2.8) HV，焊縫維氏硬度為 (283.0±11.5) HV，焊縫的顯微硬度均高于母材，詳見表1。

2.3 1Cr18Ni9Ti釬焊接頭鹽霧實(shí)驗(yàn)后的形貌

在1、3、6、10、15、20 d鹽霧實(shí)驗(yàn)后采用激光共聚焦顯微鏡觀察去除表面腐蝕產(chǎn)物的1Cr18Ni9Ti焊接接頭形貌，如圖6所示。在任何腐蝕時(shí)間內(nèi)，焊接接頭的高度均高于母材，說明焊接接頭的耐蝕性高于母材，這與電化學(xué)測(cè)量結(jié)果相吻合。圖7給出了鹽霧腐蝕后釬焊接頭與1Cr18Ni9Ti母材的高度差。隨著時(shí)間的增加，焊縫和母材的高度差值逐漸增加，由腐蝕1 d的1.5 μm逐漸增加至3 μm。此外，在焊縫與母材的交界部位，靠近母材的部位存在許多點(diǎn)蝕坑，且點(diǎn)蝕坑的數(shù)量隨腐蝕時(shí)間的延長而逐漸增加。

圖6   1Cr18Ni9Ti釬焊接頭鹽霧腐蝕后的3D形貌

圖7   1Cr18Ni9Ti釬焊接頭鹽霧腐蝕后的高度差

2.4 1Cr18Ni9Ti釬焊試樣腐蝕前后的拉伸性能

1Cr18Ni9Ti釬焊試樣腐蝕前的拉伸曲線如圖8a所示。試樣1和試樣2的抗拉強(qiáng)度達(dá)到500 MPa以上，屈服強(qiáng)度均約為300 MPa。鹽霧腐蝕后可見接頭的拉伸性能隨著腐蝕時(shí)間的增加而降低，如圖8b和c所示。在鹽霧腐蝕10 d右，說明鹽霧腐蝕對(duì)1Cr18Ni9Ti釬焊接頭性能影響較為明顯，會(huì)出現(xiàn)腐蝕導(dǎo)致力學(xué)性能降低。經(jīng)過拉伸實(shí)驗(yàn)后的1Cr18Ni9Ti合金釬焊試樣如圖9a所示。試樣1和試樣2的斷裂發(fā)生在筋條與釬料接觸處，試樣斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，試樣最終斷裂可能是在拉伸過程中釬料先發(fā)生開裂形成裂紋源，然后擴(kuò)展到母材，使焊后試樣在發(fā)生一定塑性變形后突然斷裂。腐蝕后的拉伸試樣，試樣出現(xiàn)明顯腐蝕痕跡且發(fā)生在焊縫處與母材之間，經(jīng)過拉伸實(shí)驗(yàn)后，試樣斷裂均發(fā)生在焊縫處與母材之間的截面處，釬焊焊縫處未發(fā)生明顯的塑性變形，釬料與母材呈現(xiàn)整體脫離，釬角未像未腐蝕的試樣呈現(xiàn)多段斷裂的方式，如圖9b和c所示。

圖8   1Cr18Ni9Ti釬焊接頭拉伸試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9   1Cr18Ni9Ti釬焊在腐蝕前、腐蝕10 d和腐蝕20 d時(shí)的拉伸樣品的宏觀形貌

3 結(jié)論

(1) 采用釬料和匹配的焊接工藝焊接1Cr18Ni9Ti，能夠獲得較高拉伸強(qiáng)度的釬焊接頭，接頭強(qiáng)度與母材等強(qiáng)。

(2) 1Cr18Ni9Ti和BNi-2釬料的點(diǎn)蝕電位高于接頭材料，說明釬焊后材料的抗點(diǎn)蝕性能降低。BNi-2釬料的腐蝕電位高于1Cr18Ni9Ti，說明BNi-2釬料的耐蝕性能高于基體。微區(qū)電化學(xué)測(cè)試結(jié)果同樣證明，釬焊焊縫的腐蝕電位高于兩側(cè)基體。

(3) 1Cr18Ni9Ti在鹽霧實(shí)驗(yàn)后，由于電偶腐蝕效應(yīng)，釬焊焊縫與母材間產(chǎn)生腐蝕，且焊縫的耐蝕性高于母材的耐蝕性。鹽霧實(shí)驗(yàn)后焊接接頭的拉伸性能下降為300 MPa，斷裂發(fā)生在釬焊焊縫區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

1 Zhang Q S. Stainless Steel Welding Technology [M]. Beijing: China Machine Press, 2015: 1

1 張其樞. 不銹鋼焊接技術(shù) [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015: 1

2 Gu H M, Tang X H. Process characteristics of vacuum brazing for stainless steel and its application [J]. Hot Work. Technol., 2011, 40(23): 164

2 谷海明, 唐新華. 不銹鋼真空釬焊工藝特點(diǎn)及其應(yīng)用 [J]. 熱加工工藝, 2011, 40(23): 164

3 Zhang Q Y, Zhuang H S. Handbook of Brazing and Soldering [M]. Beijing: China Machine Press, 2017: 233

3 張啟運(yùn), 莊鴻壽. 釬焊手冊(cè) [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2017: 233

4 Yang M X, Jia Z D, Lin X C, et al. Vacuum brazing 0Cr18Ni9 stainless steel pipe to itself with BNi-2 filler alloy [J]. J. Harbin Inst. Technol., 2016, 48 (5) : 184

4 楊敏旋, 賈振東, 藺曉超 等. 采用BNi-2釬料真空釬焊0Cr18Ni9不銹鋼管材 [J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 48 (5) : 184

5 Jiang W C, Gong J M, Tu S T. Effect of holding time on vacuum brazing for a stainless steel plate-fin structure [J]. Mater. Des., 2010, 31: 2157

doi: 10.1016/j.matdes.2009.11.001

6 Jiang W C, Gong J M, Tu S T. Effect of brazing temperature on tensile strength and microstructure for a stainless steel plate-fin structure [J]. Mater. Des., 2011, 32: 736

doi: 10.1016/j.matdes.2010.07.032

7 Iversen A, Leffler B. Aqueous corrosion of stainless steels [J]. Shreir's Corros., 2010, 3: 1802

8 Yuan Y, Zhou X, Li S. Experimental study on intergranular corrosion resistance of 304L stainless steel vacuum brazed joints [J]. Hot Work. Technol., 2021, 50 (11) : 63

8 袁 野, 周 希, 李 莎. 304L不銹鋼真空釬焊接頭晶間腐蝕性能試驗(yàn)研究 [J]. 熱加工工藝, 2021, 50 (11) : 63

9 Zhao G X, Chen J S, Wang Q Z, et al. Microstructure and Electrochemical Corrosion Properties of 316L stainless steel joints brazed with BNi5 [A]. ChenSB, ZhangYM, FengZL. Transactions on Intelligent Welding Manufacturing [M]. Singapore: Sprin-ger, 2019: 137

10 Penyaz M, Otto J L, Popov N, et al. Microstructure influence on corrosion resistance of brazed AISI 304L/NiCrSiB joints [J]. Met. Mater. Int., 2021, 27: 4142

doi: 10.1007/s12540-021-00974-z

11 Wang X Y, Huang F, Liu H X, et al. Corrosion resistance of welded joints of Q690 bainite bridge steel in simulated rural atmosphere [J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2022, 42: 826

11 王昕煜, 黃 峰, 劉海霞 等. Q690貝氏體橋梁鋼焊接接頭在模擬鄉(xiāng)村大氣中耐蝕性能研究 [J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2022, 42: 826

doi: 10.11902/1005.4537.2021.258

12 Cheng P, Liu J, Mu W G, et al. Corrosion behavior of weld joint of 690 MPa weathering bridge steel in simulated industrial atmosphere [J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2023, 43: 95

12 程 鵬, 劉 靜, 牟文廣 等. 690 MPa級(jí)耐候橋梁鋼焊接接頭在模擬工業(yè)大氣環(huán)境下的耐蝕性研究 [J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2023, 43: 95

13 Mirzaei S, Binesh B. Microstructure evolution mechanism and corrosion behavior of transient liquid phase bonded 304L stainless steel [J]. Metals Mater. Int., 2021, 27: 3417

doi: 10.1007/s12540-020-00671-3

14 Kazazi A, Ekrami A. Corrosion behavior of TLP bonded stainless steel 304 with Ni-based interlayer [J]. J. Manuf. Processes, 2019, 42: 131

doi: 10.1016/j.jmapro.2019.04.029