时效处理对0Cr15Ni5Cu4Nb钢焊接接头力学性能的影响

李 能， 郭绍庆， 周 标， 孙兵兵， 张学军， 张文扬， 唐思熠

(北京航空材料研究院，北京100095)

沉淀硬化不锈钢是第二次世界大战期间发展起来的钢种。它是在含Cr，Ni元素的不锈钢中加入Al，Cu，Ti，Mo，Nb等沉淀硬化元素，通过时效处理析出金属间化合物等弥散沉淀相，来达到沉淀硬化［1，2］。因时效处理温度及时效时间决定了沉淀强化相的析出行为，所以沉淀硬化不锈钢的力学性能受时效热处理制度的影响很大。低温时效(300℃以下)，钢的强度、硬度较低，随时效温度的升高，强度、硬度增加，达到最大值后，逐渐下降，即为过时效［3～6］。

0Cr15Ni5Cu4Nb钢为新型马氏体型沉淀硬化不锈钢，它以强度高、韧性好、耐腐蚀性能好、综合性能优良等特点而被广泛应用于宇宙航天、飞机制造、武器装备、核动力装置、石油化工等领域［7～9］。由于这些零件工作条件苛刻、结构复杂，采用焊接加工制造时，对焊接接头的质量提出了更高要求。0Cr15Ni5Cu4Nb钢具有良好的焊接性，一般焊前无需预热，焊后也无需缓冷，比具有相同强度水平的低合金高强度钢热影响区的氢脆敏感性小。但是，由于该不锈钢的合金元素含量高达20% ～30%，属于高合金钢，焊接时容易产生偏析并形成奥氏体组织，从而导致焊接热影响区的软化，焊接接头的强度和韧性低于母材等问题［10～13］。鉴于0Cr15Ni5Cu4Nb钢母材的应用有多种时效温度和强度水平［14］，本工作对其焊接接头经480℃/1h，550℃/h，620℃/2h和620℃/4h四种时效处理的力学性能进行研究，力图揭示时效温度和时间对接头力学性能的影响规律，确定适用于0Cr15Ni5Cu4Nb钢的焊后热处理制度。

1 实验材料及方法

1.1 母材化学成分

母材的化学成分见表1。

表10 Cr15Ni5Cu4Nb钢的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 0Cr15Ni5Cu4Nb steel(mass fraction/%)

1.2 焊接材料及工艺参数

本实验选择自动钨极氩弧焊方法，并选用与母材成分相近的焊丝进行焊接。母材厚度为15mm。坡口选用40°的V型坡口，钝边高度为1mm。采用多层多道焊，焊接工艺参数:焊接电流为130～200A;焊接速率为11～15cm/min;送丝速率为25～66cm/min;保护气体选用纯度为99.9%的氩气，正面保护气流量为15L/min;背面保护气流量5L/min。焊后热处理制度为1040℃/45min，空冷固溶处理，固溶处理后分别于480℃/1h，空冷(E1);550℃/4h，空冷(E2);620℃/ 2h，空冷(E3)和620℃/4h，空冷(E4)工艺下进行时效处理。将焊态未经过热处理的接头作为E0状态。表2为焊丝中部分杂质元素的控制要求。对比表1和表2数据，可以看到焊丝的杂质元素含量控制得比母材严格。

表20 Cr15Ni5Cu4Nb焊丝部分元素的成分(质量分数/%)Table 2 Composition of micro elements in 0Cr15Ni5Cu4Nb welding wire(mass fraction/%)

1.3 实验方法

焊接试板经外观检查以及X射线检查合格后进行取样。拉伸试样的工作区和冲击试样的缺口均取自焊缝处，每组取3个试样，测试结果为平均值。拉伸试样形状、尺寸、加工及测试方法均按HB5143中圆形拉伸试样的规定。冲击试样形状、尺寸、加工及测试方法均按HB5144中U型缺口的规定。室温拉伸在INSTRON4507试验机上进行，室温冲击在JB6试验机上进行。

金相试样经砂纸打磨和抛光后进行腐蚀，腐蚀液配比为40mL HCl+5g CuCl2+30mL H2O+ 25mL乙醇，在光学显微镜下进行金相组织观察。在QUANTA 600扫描电镜下对显微组织和冲击断口进行形貌分析。在Z323维氏硬度计上对接头的硬度分布进行测试。

2 结果分析及讨论

2.1 室温冲击性能

四种焊后热处理制度下的焊接接头和母材室温冲击性能，结果如图1所示。对比图1中数据可以看出，E2，E3，E4三种制度热处理后的焊接接头的室温韧度比E1状态有较大幅度提高，并以E4的冲击值最高，达350 J/cm2，随着时效处理温度的升高以及时效时间的延长，焊接接头的室温冲击值呈明显的上升趋势，这与母材经过热处理后冲击值的变化规律相同。E1状态接头的韧性最差，仅为73 J/cm2，低于相同热处理条件下的母材;E2接头(283 J/cm2)、E3接头(297 J/cm2)、E4接头(350 J/cm2)的室温冲击值均超过了同炉热处理的母材。分析认为，主要原因是与母材相比，制备焊丝时，对于S，P等有害杂质元素的成分控制更加严格。焊接接头经过焊后热处理，冲击韧度反而高于同样热处理状态下的母材。

图1 焊接接头和母材的冲击韧度Fig.1 Impact toughness of welded joints and parent metal

2.2 室温拉伸性能

图2是四种焊后热处理制度下焊接接头和母材室温抗拉强度的变化曲线。从图2的数据看出，四种热处理制度对于焊接接头和母材的抗拉强度(σb)和屈服强度(σ0.2)的影响规律是一致的，即随着时效温度的升高以及时效时间的延长，σb和σ0.2都随之下降。这与室温冲击值的变化规律正好相反。四种时效制度下焊接接头的抗拉强度分别为1349MPa，1071MPa，972MPa和932MPa。对应时效制度下母材的抗拉强度分别为1371MPa，1125MPa，1024MPa和940MPa，不同制度时效后，焊接接头的强度系数均达到了相应热处理制度下母材性能的95%以上。

图3是四种焊后热处理状态下的焊接接头和母材的伸长率δ5和断面收缩率ψ的变化曲线。从图中可以看出，随着时效处理温度的升高以及时效时间的延长，焊接接头的伸长率随之上升，从E1状态接头的11.7%达到了E4状态的18.8%;而对于断面收缩率而言，焊接接头经E2，E3和E4三种热处理制度后，断面收缩率 ψ基本保持不变，均大于70%，明显高于E1接头的52.7%。

2.3 冲击断口裂纹扩展区形貌分析

图4分别是四种不同热处理制度下焊接接头冲击断口的微观形貌(SEM)。对于E1接头，断口呈准解理特征，主要特点为宏观断口比较平坦，基本上无宏观变形或有极少的宏观塑形变形，断口大多呈结晶状。断口的微观形貌特征为撕裂棱。随着热处理温度的升高，接头的断裂由穿晶断裂向沿晶断裂过渡，E2接头的断面呈准解理+韧窝的混合断裂特征，出现穿晶断裂与沿晶断裂相结合的断裂方式。对于温度更高的E3和E4接头，断面则呈现明显的韧窝特征，多为沿晶断裂。

2.4 分析与讨论

对焊态和四种焊后热处理状态下的焊接接头进行了维氏硬度测试，结果见图5。经E3和E4处理后的接头硬度与焊态(E0)的硬度相似，而经E1和E2两种制度处理后的接头硬度高于焊态的硬度。由图中数据可以发现，焊接接头熔合线靠近热影响区(HAZ)位置的硬度比焊缝中心和母材明显降低。

分析认为，马氏体沉淀硬化不锈钢的合金元素含量高达20%～30%，属高合金钢，在焊接过程中会产生严重的区域偏析现象。钢在凝固过程中，液固两相的合金成分是在变化的。一般来讲，先结晶的固相含溶质的浓度较低，也就是先结晶的固相比较纯，而后结晶的固相含溶质的浓度较高并富集了较多的杂质。在焊接过程中，由于冷却速率快，固相内的成分来不及扩散，而在相当大的程度上保持着由于结晶有先后所产生的化学成分不均匀性，同时由于熔池中存在激烈的搅拌作用，焊接熔池又不断向前推移，不断加入新的液体金属，因此结晶后的焊缝，虽然从宏观上不会像铸锭那样有大体积的区域偏析，但是，在焊缝结晶时，由于柱状晶体继续长大和推移，此时会把溶质或杂质“赶向”熔池的中心。这时熔池中心的杂质浓度逐渐升高，致使在最后凝固的部位产生较严重的区域偏析。相对于母材铸锭的均匀化热处理，焊后固溶处理的温度较低，时间较短，无法完全消除成分的偏析。因而导致焊缝中心因为C，S等元素的富集而硬度增加，而熔合线靠近热影响区处则由于C，S等元素的减少而软化，硬度低于母材。

图6为 0Cr15Ni5Cu4Nb钢接头经 550℃/4h (E2)热处理后的金相照片。从图中可以看到，经过固溶和E2时效热处理后，接头的焊缝、熔合线和母材仍然可以清楚辨识出来。对图中的A，B，C三处 进行元素分析，结果如表3所示。

表3 0Cr15Ni5Cu4Nb焊接接头部分元素的成分(质量分数/%)Table 3 Composition of micro elements in 0Cr15Ni5Cu4Nb welded joint(mass fraction/%)

图7为0Cr15Ni5Cu4Nb钢接头经550℃/4h (E2)热处理后的微观组织。从图7a中可以看出，经过固溶热处理，在时效处理之前的组织主要为板条马氏体组织，从图7b中可以看到，随着时效热处理的进行，在板条间析出了白色颗粒相，对板条间出现的白色小颗粒进行能谱分析，其质量分数为87%的Nb元素和10%的C元素，从元素配比来看，应该为NbC。这与之前Harbibi等关于0Cr15Ni5Cu4Nb钢热处理后的研究结果相同［3，4］。

图70 Cr15Ni5Cu4Nb钢接头微观组织 (a)固溶热处理后，E2热处理前;(b)E2热处理后Fig.7 Microstructure of 0Cr15Ni5Cu4Nb welded joints (a)after solution treatment，before E2;(b)after E2

此前有研究［3，4］表明该钢的强化相主要是富铜相，富铜相有钉扎位错的作用，均匀分布的富铜相起到稳定位错亚结构的作用。文献认为［3，4］，马氏体沉淀硬化不锈钢时效中的沉淀与Fe-Cu和Fe-Cu-X合金的沉淀过程一样，Cu在γ-Fe中的溶解度大于在α-Fe中的溶解度，固溶处理后，得到过饱和的α-Fe固溶体，随后在适当温度时效时，析出ε-Cu，即富铜相，刚开始形成的相与基体共格，长到一定尺寸时，共格破坏，成为独立的ε-Cu相。在480℃时效时，冲击值最低，冲击断口微观形貌表现为准解理。其他温度时效时，冲击断口形貌为韧窝的断裂特征。

分析结果发现，0Cr15Ni5Cu4Nb钢焊接接头选用550℃/4h时效热处理，可以获得良好的强度与韧性的配合，此时合金处于过时效状态，组织表现为具有较高位错密度的板条马氏体，在板条马氏体上析出细小弥散分布的强化富铜相和尺寸较大的NbC颗粒。

3 结论

(1)随着固溶热处理之后，时效热处理温度的升高以及时间的延长，0Cr15Ni5Cu4Nb钢焊接接头的冲击韧度、伸长率和断面收缩率增加，拉伸强度和屈服强度下降，冲击断口由准解理向韧窝特征过渡。

(2)接头性能的变化与组织中细小弥散与基体共格的富铜相析出有关，550℃/4h处理后的焊接接头具有比较合理的综合性能。抗拉强度为1071 MPa，冲击韧性为283 J/cm2，均达到了母材的95%以上。

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