高能喷丸对纯镍焊接接头组织性能的影响

2016-11-22高鹏

中国设备工程 2016年15期

关键词：喷丸高能表层

高鹏

（西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安710055）

高能喷丸对纯镍焊接接头组织性能的影响

高鹏

（西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安710055）

利用高能喷丸技术对纯镍焊接接头进行表面强化处理，并采用X射线衍射仪、金相显微镜、显微硬度计和激光共聚扫描电镜对处理试样的晶粒尺寸、残余应力、微观组织、微观硬度、表面粗糙度进行了对比分析，同时用箱式电阻炉进行了高温退火实验，分析了退火对喷丸试样与原始试样的微观组织和残余应力的影响。结果表明：喷丸试样的晶粒尺寸明显变小，处理30min试样焊缝区表层的平均晶粒尺寸可以达到30nm；喷丸强化处理使得焊接接头表层组织硬度增加；喷丸强化后，焊接接头产生了残余压应力，喷丸30min试样焊缝区表层残余压应力为160MPa，60min则为303MPa；在高温退火条件下，30min处理试样焊缝区表层有20MPa的拉应力，60min处理试样有23MPa拉应力，原始样退火后则为50MPa,表面强化对退火后表面拉应力有释放的作用。

纯镍；焊接接头；高能喷丸；组织；性能

在焊接的过程中，焊接技术本身的加热和迅速冷却还有焊接材料的不同，这些都会使焊接接头组织及性能受影响，这也使焊接接头变成易损伤区。近年，很多学者对焊接接头进行研究，考虑如何实现焊接接头组织的均匀化，以及焊接接头强度、硬度等性能的提高。对金属进行表面强化，如表面自纳米化技术，可以提高材料组织性能。焊接接头表面自纳米化技术主要方法有：表面机械研磨处理（SMAT）、超音速微粒轰击（SFPB）、高能喷丸（HESP）超声冲击、激光冲击改性等。

高能喷丸是利用直径小于15mm的刚性丸粒，在高频作用下从各个方向撞击材料表面，使得材料表面产生剧烈的塑性变形，发生位错增殖、湮灭等过程，得到细小晶粒，但是表面层与基体的成分一样，结合性很好，从而提高了材料的整体服役性能。与SMAT等方法相比，高能喷丸的成本更低，同时可以产生显著的效果，是一种良好的加工工艺。

纯镍是在工业生产中具有广泛的用途，特别是在很多高温、高压、强酸的环境下，例如碱蒸发器。通过对纯镍N6焊接接头进行高能喷丸处理，通过高能喷丸处理，从显微组织、显微硬度、残余应力等方面，研究表面强化对纯镍焊接接头组织性能的影响，同时模拟高温环境，对其进行高温退火实验。这些对在工业实际应用中提高纯镍焊接接头寿命有现实意义。

1 实验

实验选取尺寸为100.0mm×100.0mm×6.0mm的纯镍N6焊接接头，其化学成分（质量分数/%） Ni+Co≥ 99.50，0.1Fe，0.1Mg，0.15Si，0.03S。在处理前对试样进行除锈、去油、磨边等处理。弹丸为铸钢丸，直径为3.0mm，喷丸压力为0.4MPa。本实验采用单面喷丸，分别进行15、30、60分钟高能喷丸处理。

对处理后的试样，沿横截面选取金相试样，腐蚀剂为金相腐蚀液由硝酸、冰醋酸、蒸馏水配制而成,其体积比为38：100：10,进行金相观察。

采用Bruker-D8X射线衍射仪分别对30min试样焊缝表面和未处理试样焊缝表面的晶粒尺寸进行测试。所用的靶材为CuKα，扫描的角度为20º～90°，扫描角度为6º/min。

最后对喷丸30min，60min试样在箱式炉分别进行800℃高温退火实验，模拟高温环境，观察退火后组织和残余应力的变化。

2 结果和分析

2.1 微观结构分析

2.1.1表面纳米化纯镍焊接接头的显微组织

通过对表面纳米化纯镍焊接接头的横截面积微观组织的观察，可以看到镍的显微组织、晶粒大小等。对纯镍焊接接头，焊缝是最薄弱的地方，由于受热影响最严重，焊缝处的晶粒也是最大的。高能喷丸30min试样焊缝区热影响区的显微组织，表层有剧烈的变形层，且与基体的晶粒比较，要细小很多。

2.1.2 表面纳米化纯镍焊接接头焊缝的晶粒尺寸

经过高能喷丸处理可以实现纯镍焊接接头的表面纳米化，可以通过XRD的半峰宽化效应分析。实验后成像可以看出未处理试样和经过30min处理试样焊缝的XRD图谱，通过对比，30min处理后的试样半峰宽有明显的变大，由布拉格方程可知，晶粒的尺寸变小了，可得30min试样焊缝表层平均晶粒为30nm,说明高能喷丸强化使材料表面发生剧烈塑性变形，产生大量位错，表层晶粒发生细化,同时也说明纯镍是一种比较软的材料，晶粒容易被加工细化。

2.2 力学性能特征参数

2.2.1 表面纳米化纯镍焊接接头焊缝的宏观残余应力

对于工件而言，表面强化产生残余压应力对裂纹的萌生和扩展有阻碍作用，同时可以改变裂纹的位置以及个数，可以提高工件的力学性能（表1）。

由表2可知，在退火之后，高能喷丸诱导产生的残余压应力逐渐全部释放，但与与原始试样相比，在高温退火条件下，原始试样退火后测得为50MPa的拉应力，30min处理的试样变成20MPa的拉应力，60min处理试样变成23MPa的拉应力，可得到在高温条件下，高能喷丸处理可以起到释放表层拉应力的作用。

表1 不同时间HESP处理后焊缝表层残余应力变化

表2 30、60分钟退火后残余应力变化

2.2.2 表面纳米化对纯镍焊接接头的硬度

经过高能喷丸处理后，试样表面产生了剧烈的塑性变形，在试样的表面层形成了剧烈变形层，过渡区以及基体组织。喷丸后试样表层的显微硬度也会大大增加，用401MVD维氏显微硬度测量仪对纯镍焊接接头表面加工处理后样品沿厚度方向硬度进行了测量。

如表3、4和5所示，随着喷丸时间的延长，焊缝、热影响区以及与其相连的母材金属的硬度均有了明显的提高。喷丸处理后接头显微硬度的增高也是晶粒细化的结果。通过计算，与母材相比，焊缝、热影响区部位硬度提高更为明显，经过高能喷丸处理30分钟，焊缝区域的显微硬度提高了37.7%，热影响区提高了10.8%，母材提高了6.3%；处理60分钟的试样，焊缝区域的显微硬度提高了13.13%，热影响区提高了22.12%，母材提高了16%；随着高能喷丸处理时间的增加，焊接接头表面硬度也随之增加。这对于改善焊接接头的力学性能有积极的作用。

3 结论

本实验采用高能喷丸的表面强化方法，对纯镍焊接接头进行表面加工处理。经过上面实验结果的分析，得出如下的结论：（1）高能喷丸处理后的材料表层发生剧烈塑性变形，随着冲击时间的增加，试样的塑性变形量逐渐增大。由于晶体结构的特点，纯镍中位错组织的演变占主导作用，位错大量产生，晶粒明显细化，高能喷丸处理30分钟的试样焊缝区表面变形层的平均晶粒尺寸达到30nm。随着冲击时间的增加，试样的塑性变形量逐渐增大。（2）高能喷丸后焊接接头表面形成塑性变形层，与原始材料相比处理后表面组织硬度提高，HESP处理后焊接组织焊缝区和热影响区的硬度比母材提高的更明显。（3）高能喷丸后焊接接头表面具有一定厚度的残余压应力场，处理30分钟的试样焊缝表面残余压应力为160MPa，处理60分钟的试样则为303MPa；在高温环境下高能喷丸处理产生的残余压应力会不断释放，但是对退火后表面产生的拉应力有释放作用，由原始样的50MPa拉应力变成处理30分钟的20MPa和处理60分钟的23MPa；高能喷丸处理后的试样表层在高温下可以保持组织的稳定，晶粒没有明显变大。