Microstructure and low temperature toughness of HAZ of domestic 06Ni9DR Steel
-
摘要: 采用扫描电镜(SEM)、背散射电子衍射(EBSD)和焊接热模拟技术，研究了单次热循环不同峰值温度对国产06Ni9DR 钢焊接热影响区(HAZ)显微组织和低温冲击韧性的影响. 结果表明，06Ni9DR 钢HAZ的-196 ℃冲击吸收能量均低于母材，HAZ整体发生了脆化. 粗晶区脆化最为严重，原因是原始奥氏体晶粒粗大及其导致的有效大角度晶界较少，残余奥氏体量少且不稳定，以及较大的位错密度和粗大马氏体的存在. 晶界呈链状分布的大块逆转奥氏体和M-A组元的存在导致回火区脆化程度仅次于粗晶区. 细晶区和不完全脆化区的韧性低于母材，主要是因为淬火马氏体的存在和残余奥氏体的低温稳定性差.Abstract: Effects of peak temperatures in a single thermal cycle on the microstructure and low-temperature impact toughness of heat-affected zone (HAZ) of the domestic 06Ni9DR steel were investigated by using scanning electron microscopy (SEM) and electron backscattered diffraction (EBSD). The results show that the impact energy at −196 ℃ of the HAZ of the 06Ni9DR steel is lower than that of the base metal. The coarse-grained HAZ (CGHAZ) has the lowest impact energy. The reasons for CGHAZ embrittlement lie in the coarse original austenite grains, less resulting effective large-angle grain boundaries and unstable residual austenite, larger dislocation density, and coarse martensite. The impact energy of subcritical HAZ (SCHAZ) is only higher than that of CGHAZ due to the existence of large block reverses austenite and M-A components with chain-like distribution on the grain boundaries. The toughness of both fine-grained HAZ (FGHAZ) and inter critical HAZ (ICHAZ) is lower than that of the base metal because of the presence of retained austenite with poor low-temperature stability and quenched martensite.
-
Keywords:
- 06Ni9DR steel /
- thermal simulation /
- heat-affected zone /
- microstructure /
- low temperature toughness
-
0. 序言
C/C复合材料具有质量轻、抗疲劳性能好、热膨胀系数小以及耐高温等特点，在航空航天及汽车等领域有广泛的应用前景. Ti-6Al-4V(TC4钛合金)具有比强度高、抗腐蚀性能好、较好的工艺塑性和超塑性等性能，在航空航天领域备受关注[1-8]. 为了克服C/C复合材料在制备一些复合构件的过程中存在的加工性能差等缺点，常通过钎焊对C/C复合材料与TC4钛合金进行连接[9]，以便于充分发挥两种材料的优良性能，制造出形状复杂的零件. 但由于两种材料的热膨胀系数差异较大，造成钎焊接头中存在较大的残余应力，限制了接头强度的提高[10]. 碳纳米管(CNTs)具有弹性模量高、密度低、热膨胀系数低、韧性良好、耐高温等优点，将其适量添加到钎料中配制复合钎料，可以起到调节两种材料间的热膨胀系数差异、缓解内应力、提高接头强度的作用[10-12]. 研究采用AgCuTiC复合钎料，实现了TC4钛合金与C/C复合材料的真空钎焊连接，研究了接头典型界面组织及CNTs含量对接头组织和性能的影响.
1. 试验方法
试验使用的钎焊母材为C/C复合材料(含碳量大于99.98%)与TC4钛合金，钛合金化学成分如表1所示，两种材料的物理性能如表2所示. 其中C/C复合材料加工为尺寸5 mm × 5 mm × 5 mm的待焊试件；TC4钛合金加工为尺寸15 mm × 10 mm × 5 mm的待焊试件. 试件待焊面使用600 ~ 2000目SiC金相砂纸逐级打磨并抛光，在钎焊前置于丙酮中超声清洗10 min.
表 1 TC4钛合金的化学成分(质量分数，%)Table 1. Chemical compositions of TC4 titanium alloyAl V Ti 其它 6.54 3.83 余量 < 0.2 表 2 TC4和C/C复合材料的物理性能Table 2. Physical properties of TC4 and C/C composites材料 密度
ρ/(g·cm−3)弹性模量
E/GPa抗拉强度
Rm/MPaC/C复合材料 1.4 ~ 1.9 69 150 TC4合金 4.5 113 ≥895 钎料为AgCu4.5Ti + xCNTs复合钎料(x由0.1%，0.2%递增至0.5%)，由AgCu共晶粉末、Ti粉末与CNTs粉末混合并添加丙酮，进行超声震荡制成. 添加的CNTs为多壁碳纳米管(纯度大于 98%)，管径约20 nm，管长约10 ~ 30 μm. 钎焊使用设备为ZC-ZK/YL型真空扩散焊接炉，钎焊温度为880 ℃，保温时间为20 min. 焊后使用电子万能试验机进行力学性能测试；使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对界面微观组织结构进行分析.
2. 结果与讨论
2.1 钎焊接头微观组织结构
图1为使用CNTs含量为0.2%的AgCuTiC复合钎料在钎焊温度880 ℃和保温时间20 min下获得的TC4/C/C复合材料钎焊接头界面组织及元素分布. 根据图1a所示，将接头分为3个区域：TC4/钎料界面一侧深浅分明的两层相I区、中间较宽含较多化合物的钎缝II区和靠近C/C复合材料一侧的反应层III区. 为确定接头界面元素种类及其分布，对界面进行了面扫描，结果如图1b ~ 1f所示.
![]()
图 1 TC4/AgCuTiC /C/C复合材料钎焊接头界面组织及元素分布Figure 1. Interfacial microstructure and element distribution image of TC4/AgCuTiC/C/C composites brazed joint.(a) morphology of interface; (b) element distribution of Ag; (c) element distribution of Cu; (d) element distribution of Ti; (e) element distribution of Al; (f) element distribution of C从图1可以得出，I区域主要含Ti，Cu，Al元素，在靠近母材一侧深色区域中Ti，Al元素分布较多，深色区域右侧浅色区域主要含Ti，Cu元素. II区域含大量的Ag，Cu，Ti元素及较少量的C元素. III区域主要分布有Ti，C元素. 为确定各个区域中相成分，选取图1a中3个区域进行分析，微观形貌如图2所示，并对其中的A ~ J点进行能谱(EDS)分析，结果如表3所示.
![]()
位置 Ag Cu Ti C Al V 可能相 A — 8.3 76.5 — 10.8 4.4 Ti(s.s) B — 30.4 60.6 — 5.5 3.5 Ti2Cu C 2.9 47.3 49.8 — — — TiCu D 1 43.8 55.2 — — — Ti3Cu4 E 4.9 68.3 17.4 9.4 — — TiCu4 F 92.7 5.6 2.7 — — — Ag(s.s) G 1.9 55.6 40.4 2.1 — — Ti3Cu4 H 1.77 35.73 28.6 33.9 — — TiC+TiCu2 I 20.4 61.3 18.3 — — — TiCu4 J 3.8 3.7 45.3 47.2 — — TiC 从表3能谱分析结果可得出，图2a所示I区域靠近母材深色一侧主要含Ti(s.s)相，是母材中Ti，Al元素与钎料中的Cu元素通过扩散形成的扩散层；I区域右侧浅色区域主要含TiCu，Ti2Cu，Ti3Cu4化合物，该区域为在深色一侧形成的Ti-Cu反应层. 图2b所示II区域除AgCu共晶组织外还有大量的TiC和Ti3Cu4，TiCu4化合物，TiCu2化合物依附于TiC上长大，其它大块的化合物为Ti3Cu4与TiCu4，TiCu4依附于Ti3Cu4周围长大. 图2c所示III区域在C/C复合材料一侧形成了TiC反应层，TiC反应层的形成是连接C/C复合材料的关键[9].
综合以上结果分析可知，使用CNTs含量为0.2%的AgCuTiC复合钎料在钎焊温度880 ℃和保温时间20 min下获得的钎焊接头界面组织为TC4/扩散层/Ti2Cu/TiCu/Ti3Cu4/TiCu4/TiC + TiCu2 + Ag(s.s) + Cu(s.s)/Ti3Cu4/TiCu4/TiC/C/C复合材料.
2.2 钎焊接头微观组织结构
分别使用CNTs含量为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%的AgCuTiC复合钎料在钎焊温度 880 ℃和保温时间 20 min 下对TC4钛合金与C/C复合材料进行钎焊连接，获得的接头界面如图3所示. 从图3可以看出，随CNTs含量的增加，钎缝宽度逐渐降低，当CNTs含量为0.5%时最明显；对于靠近TC4钛合金一侧的扩散层、反应层及界面中物相的种类都没有明显的影响，整体界面都可以分为如图1a所示的3个区域；主要受影响的是钎缝中心区及C/C复合材料一侧的组织形貌.
![]()
图 3 CNTs含量对钎焊接头界面组织形貌的影响Figure 3. Effect of CNTs content on interfacial morphology of brazed joints. (a) CNTs content 0.1%; (b) CNTs content 0.2%; (c) CNTs content 0.3%; (d) CNTs content 0.4%; (e) CNTs content 0.5%如图3a所示，当CNTs含量0.1%时，界面中存在少量TiC与TiCu2化合物及大量的Ti3Cu4化合物，由于CNTs含量较少，其对于Ti元素的吸附作用较弱，故Ti元素可以与钎料中的Cu元素反应并在钎缝区域形成大量的Ti3Cu4化合物，此时CNTs抑制Ti-Cu化合物形成的效果并不明显. 如图1a所示，CNTs含量增加至0.2%时，TiC增多，并使Cu在其周围富集而造成钎缝区域中的Ti3Cu4与TiCu4化合物减少，在靠近C/C复合材料一侧较明显. 如图3b所示，CNTs含量增加至0.3%时，界面中的Ti3Cu4与TiCu4化合物进一步减少，TiC与TiCu2化合物增多. 如图3c所示，CNTs含量增加至0.4%时，界面中的Ti3Cu4化合物较少，AgCu共晶组织增多且得到明显细化，TiC与TiCu2化合物均匀分布在界面中. 如图3d所示，CNTs增加至0.5%时，钎缝中心区域的Ti3Cu4与TiCu4化合物虽然减少，但出现大量的TiC与TiCu2化合物. 这是由于CNTs对Ti元素的吸附作用，使大量Ti元素与CNTs反应而被消耗，降低了Ti3Cu4与TiCu4化合物的含量.
对钎焊接头抗剪强度进行测试，结果如图4所示. 随CNTs含量增加，接头抗剪强度呈先上升后下降的趋势变化. CNTs质量分数为0.4%时，接头的抗剪强度最高，达到44 MPa. 结合界面相成分分析，当CNTs含量较少时，界面中存在较多的Ti3Cu4脆性化合物，不利于缓解接头残余应力，此时接头的抗剪强度较低. 当CNTs含量增加时，界面组织细化，并且Ti元素因与CNTs反应形成TiC而被部分消耗，造成界面中Ti3Cu4与TiCu4脆性化合物减少，AgCu共晶组织增多进而使接头的抗剪强度提高. 当CNTs含量较高时，钎缝与C/C复合材料间的膨胀系数差异虽已得到有效降低，但由于Ti元素与CNTs反应而被大量消耗，在界面中形成了较多的TiC与TiCu2化合物，并且使C/C复合材料一侧的反应层被削弱，导致了接头抗剪强度的降低[13].
![]()
图 4 CNTs含量对钎焊接头抗剪强度的影响Figure 4. Effect of CNTs content on shear strength of brazed joints3. 结论
(1)使用CNTs含量为0.2%的AgCuTiC复合钎料在钎焊温度880 ℃和保温时间20 min下时获得的钎焊接头界面结构为TC4/扩散层/Ti2Cu/TiCu/Ti3Cu4/TiCu4/TiC + TiCu2 + Ag(s.s) + Cu(s.s)/Ti3Cu4/TiCu4/TiC/C/C复合材料.
(2)随CNTs含量的增加，接头的抗剪强度呈先升高后降低的趋势变化. 当CNTs含量为0.4%时，在钎焊温度880 ℃和保温时间20 min下获得的接头抗剪强度最高，达到44 MPa.
(3)适量的CNTs可减少界面中脆性化合物的形成，并细化界面组织，缓解母材间的热膨胀系数不匹配，降低残余应力；高含量的CNTs大量消耗钎料中的Ti元素，削弱了C/C复合材料一侧的结合，使接头的抗剪强度降低.
-
![]()
图 2 扫描电镜组织形貌
Figure 2. SEM micrographs of base metal and simulated HAZ. (a) base metal; (b) 1350 ℃; (c) 950 ℃ ; (d) 680 ℃; (e) 600 ℃ (low power); (f) 600 ℃(high power)
![]()
图 3 EBSD欧拉图和晶界角度分布
Figure 3. EBSD Euler graphs and local misorientation distribution.(a) base metal; (b) 1350 ℃; (c) 950 ℃; (d) 680 ℃; (e) 600 ℃; (f) grain boundary angle distribution
![]()
图 5 断口形貌
Figure 5. Fracture morphology. (a) base metal; (b)1350 ℃; (c) 950 ℃; (d) 680 ℃; (e) 600 ℃
表 1 06Ni9DR钢化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of 06Ni9 steel
C Si Mn P S Ni 0.05 0.180 0.64 0.004 0.001 9.12 Al V Cu Cr Mo Fe 0.025 0.004 0.038 0.031 0.005 余量 
下载: 导出CSV
表 2 母材及HAZ性能
Table 2 Properties of base metal and HAZ
峰值温度Tp/℃ 冲击吸收能量AKV(−196℃)/J 硬度H(HV10) 母材 134.0 247.3 1350 21.0 340.0 950 108.3 350.06 680 105.0 342.56 600 68.3 245.42
下载: 导出CSV
表 3 母材及HAZ奥氏体含量
Table 3 Austenite content of base metal and HAZ
峰值温度Tp/℃ 奥氏体体积分数V(%) 奥氏体质量分数w(%) 母材 1.97 0.90 1350 1.95 0.88 950 1.88 0.63 680 3.10 1.28 600 2.60 1.20
下载: 导出CSV
-
[1] 杨莉娜, 韩景宽, 王念榕, 等. 中国LNG接收站的发展形势[J]. 油气储运, 2016, 35(11): 1148 − 1153. Yang Lina, Han Jingkuan, Wang Nianrong, et al. Development situations of LNG terminals in China[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2016, 35(11): 1148 − 1153.
[2] 王钟炜. 节镍型镍系低温钢工艺, 组织和性能的初步研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2015. Wang Zhongwei. Preliminary study of process, microstructure and properties of low temperature nickel steel with reduced nickel content[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2015.
[3] 严春妍, 李午申, 薛振奎, 等. 焊接工艺参数对9%Ni钢热影响区低温韧性的影响[J]. 焊接学报, 2008, 29(10): 101 − 104. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2008.10.026 Yan Chunyan, Li Wushen, Xue Zhenkui, et al. Effects of welding parameters on cryogenic toughness in heat-affected zones for 9% Ni steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2008, 29(10): 101 − 104. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2008.10.026
[4] Shin H S, Lee H M, Kim M S. Impact tensile behaviors of 9% nickel steel at low temperature[J]. International Journal of Impact Engineering, 2000, 24(6-7): 571 − 581. doi: 10.1016/S0734-743X(99)00181-5
[5] 杨跃辉, 蔡庆伍, 武会宾, 等. 两相区热处理过程中回转奥氏体的形成规律及其对9Ni钢低温韧性的影响[J]. 金属学报, 2009, 45(3): 270 − 274. doi: 10.3321/j.issn:0412-1961.2009.03.002 Yang Yuehui, Cai Qingwu, Wu Huibin, et al. Formation of reversed austenite and its effect on cryogenic toughness of 9Ni steel during two-phase region heat treatment[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2009, 45(3): 270 − 274. doi: 10.3321/j.issn:0412-1961.2009.03.002
[6] 孟杨, 任群, 鞠新华. 利用局域取向差衡量变形金属中的位错密度[J]. 材料热处理学报, 2014, 35(11): 122 − 128. Meng Yang, Ren Qun, Ju Xinhua. Evaluation of dislocation density by local grain misorientation in deformed metals[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2014, 35(11): 122 − 128.
[7] 王爱华, 彭云, 肖红军, 等. 690 MPa级HSLA钢焊缝金属的显微组织与冲击韧性[J]. 焊接学报, 2013, 34(4): 7 − 10+42. Wang Aihua, Peng Yun, Xiao Hongjun, et al. Microstructure and impact property of 690 MPa level HSLA steel weld[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2013, 34(4): 7 − 10+42.
[8] Wang C, Wang M, Shi J, et al. Effect of microstructural refinement on the toughness of low carbon martensitic steel[J]. Scripta Materialia, 2008, 58(6): 492 − 495. doi: 10.1016/j.scriptamat.2007.10.053
[9] Li Liying, Wang Yong, Han Tao, et al. Embrittlement and toughening in CGHAZ of ASTM4130 steel[J]. Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2011, 54(8): 1447 − 1454.
[10] 苏小虎, 栗卓新, 李红, 等. 高强钢金属芯焊丝E120C-K4熔敷金属粗晶区显微组织对冲击韧性的影响[J]. 焊接学报, 2019, 40(10): 48 − 53. Su Xiaohu, Li Zhuoxin, Li Hong, et al. Microstructure to properties of coarse grained heat affected zone in deposited weld metal of metal cored wire E120C-K4[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2019, 40(10): 48 − 53.
[11] 付魁军, 高铭泽, 冷雪松, 等. TiNb钢焊接热影响区微观组织与冲击性能演变规律[J]. 焊接学报, 2019, 40(5): 36 − 41. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400124 Fu Kuijun, Gao Mingze, Leng Xuesong, et al. Evolution of microstructure and impact property in welding HAZ of TiNb steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2019, 40(5): 36 − 41. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400124
[12] 秦华, 苏允海, 连景宝. BWELDY960Q钢焊接热模拟热影响区组织与性能[J]. 焊接学报, 2018, 39(11): 94 − 98. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390280 Qin Hua, Su Yunhai, Lian Jingbao. Microstructure and properties in heat affected zone of BWELDY960Q steel by welding thermal simulation test[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(11): 94 − 98. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390280
[13] 徐效谦. 残余奥氏体和逆转奥氏体[C]//全国金属制品信息网第23届年会暨2013金属制品行业技术信息交流会. 无锡, 2013: 91−102. Xu Xiaoqian. Retained austenite and reversed austenite[C]// The 23rd Annual Conference of National Metal Products Information Network and 2013 Metal Products Industry Technical Information Exchange Conference. Wuxi, 2013: 91−102.
[14] Li Liying, Han Tao, Han Bin. Embrittlement of intercritically reheated coarse grain heat-affected zone of ASTM4130 steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2018, 49(4): 1254 − 1263. doi: 10.1007/s11661-018-4480-z
-
期刊类型引用(3)
1. 赵可汗，刘多，朱海涛，陈斌，胡胜鹏，宋晓国. 钎焊温度对C/C/AgCuTi+C_f/TC4接头组织及力学性能的影响. 航空学报. 2022(04): 471-481 . 
百度学术
2. 朱强，周佳顶，赵天眸，叶茂成，王泽宇，雷玉成. 垂直取向石墨烯包覆泡沫镍复合中间层钎焊C/C复合材料与Nb的工艺及性能. 焊接学报. 2022(12): 79-83+117-118 . 本站查看
3. 许爱平，侯继军，董俊慧，刘军，王枝梅. 基于响应面法设计的TC4钛合金激光焊复合活性剂优化. 焊接. 2021(10): 15-24+61-62 . 百度学术
其他类型引用(5)
计量
- 文章访问数: 563
- HTML全文浏览量: 30
- PDF下载量: 44
- 被引次数: 8
