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Nb-1Zr合金与不锈钢焊接结合层的研究

马雁  
【摘要】: 铌合金与不锈钢工件的焊接问题是核工业中所遇到的异种金属焊接的热点问题之一。因为二者的性能差别较大,所以通常采用一些特殊的方法进行焊接,如爆炸焊、真空钎焊、电阻焊和真空电子束自钎焊等。在焊接过程中以及经过较高使用温度的长时间使用后,铌合金同不锈钢界面会产生材料组分元素的互扩散,形成互扩散层,互扩散层的性能与原始界面的性能有较大差别,影响焊接强度。因此,研究铌合金与不锈钢的焊接结合层,分析形成的互扩散层的组织、成分和性能变化,对了解不锈钢和Nb合金的互扩散反应行为,焊接件的焊接工艺改进和长期使用性能的评估是很有意义的。 本研究是采用爆炸焊和真空电子束自钎焊两种工艺制成Nb-1Zr合金和不锈钢的焊接结合层,并对爆炸焊工艺的焊接结合层进行了1000℃~1300℃不同时间的高温真空退火处理。采用金相、扫描电镜、透射电镜、能谱等多种实验手段对焊接结合层的微观组织结构、高温下Nb-1Zr与不锈钢合金元素的互扩散行为,形成的互扩散层的成分、金相组织和扩散层中的析出相的相组成和相结构等,都进行了较为详细的分析,并且对在不同工艺、不同焊接参数下焊接的Nb-1Zr合金和不锈钢的焊缝做了强度实验研究。 研究结果表明: 对于Nb-1Zr合金和不锈钢爆炸焊接形成的结合区呈现规律的和连续的波浪形状,无明显扩散层;经高温退火后的结合层形成一定厚度的由Nb-1Zr和不锈钢合金元素互扩散形成的扩散层。1100℃和1200℃真空退火条件下形成的互扩散层呈现出两个金相组织不同的互扩散带,在靠近Nb合金一侧的第一互扩散带内主要由Nb和Ni组成,Fe、Cr等元素的含量很低;而靠近不锈钢一侧的第二互扩散带由Nb和不锈钢元素组成,成分呈平坦分布。1300℃真空退火条件下形成的互扩散层由三个互扩散带组成,第一和第二互扩散带同1100℃和1200℃真空退火条件下形成的互扩散层的金相组织相近,而在第三互扩散带内则出现了Nb的析出物。 通过对真空退火形成的互扩散层的金相和成分分布分析可以发现,不锈钢元素中Ni元素在Nb合金中的扩散速度最快,Fe、Cr元素次之;而Nb元素向不锈钢中的扩散距离要比不锈钢元素向Nb合金中的扩散要深得多。TEM分析发现,1300℃退火形 中国原子能科学研究院硕士学位论文 成的扩散层中有大量的针状析出相产生,经SADP测定为乙一(Nb,Ni)相,而基体相 为(Ni,Cr,Nb,C)Fe一。合金。 在Nb一IZr合金和不锈钢真空电子束自钎焊过程中,在二者界面处形成了一定厚 度的互扩散层。SEM观察发现,互扩散层的厚度同焊接参数密切相关。TEM观察发现 互扩散层的微观形貌呈河流状,由大量的条状析出相和基体相组成。对析出相的进一 步的观察发现,析出相呈交替排列的厚度不同的两种组织的全片层状结构,排列周期 约为17nm,其中一种组织的宽度为另一种组织宽度的3倍左右。通过对析出相的SADP 测定,确定该结构由p一Fe(Ni)7 Nb6和。一FeCr两种金属间化合物组成,其中宽度 较大的组织为p一Fe(Ni)7 Nb6,宽度较小的组织为。一FeCr,而基体相为(Ni,Cr, Nb,C)Fe一Q合金,同高温真空退火形成的基体相一致。 通过对扩散层的金相组织和成分分布的分析,并结合有关的扩散理论,可以确定 在Nb一IZr合金和不锈钢真空电子束自钎焊过程中,互扩散是以Nb向不锈钢一侧扩散 为主的,并且发现不锈钢元素在Nb一IZr合金的晶界出现优先扩散。 本文结合两种互扩散层的微观组织的SEM、TEM和EDS成分分布观察分析结果, 应用材料扩散反应的理论,对两种不同焊接条件下形成的互扩散层的微观组织的形成 机理进行了较为详细的分析。通过强度实验的研究,两种工艺形成的焊缝强度都是可 以满足目前的应用要求的,但是,对电子束自钎焊可根据显微研究的结果做进一步的 工艺参数的改进。


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