316L分层实体扩散焊接头微观组织与力学性能分析

于改革，陈永东，彭小敏，姚志燕，刘孝根，霍中雪，韩冰川

(合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

扩散焊热交换设备(DCHE)在高温高压、深冷高压等苛刻条件下表现出良好的综合性能，广泛应用于海洋平台油气处理、浮式天然气液化/气化装置等海洋工程领域，并且在四代核能、太阳能发电领域、微化工领域、氢能领域、舰船余热利用中呈现出广泛的应用前景[1-5]。近些年，阿法拉伐公司、日本神钢、美国VPE等陆续推出扩散焊热交换设备产品，但英国Heatric公司对扩散焊热交换设备具有绝对优势。国内外学者研究的重点是大量扩散焊热交换设备数值模拟和试验研究[6-14]，以及复杂几何结构内的温度场与流场耦合效应，而涉及扩散焊热交换设备产品核心的真空扩散焊研究报道[15-16]极少。

为扩散焊热交换设备产品设计、制造检验监督管理，国外也陆续诞生了关于扩散焊技术的标准条款：ASME Code Case 2437-1,ASME Code Case 2621-1,ASME Ⅷ-1 的强制性附录42以及ASME Ⅸ，但这些标准规范仅制定了扩散焊工艺规程、扩散焊工艺评定框架性要求。国内尚无关于扩散焊的要求的标准。

按照ASME规范中扩散焊相关规定，对316L薄板材及316L分层实体扩散焊接头，开展-196,20,600 ℃力学性能试验及微观组织研究，分析不同温度下其抗拉强度与微观组织的关系，为扩散焊换热设备的设计开发提供试验基础。

1 分层实体扩散焊接头制备

分层实体扩散焊试件由150层双面镜面316L薄板材在真空扩散焊炉中制成。316L不锈钢薄板材的化学成分见表1。扩散焊板材规格为200 mm(长)×200 mm(宽),单层厚度1.5 mm。采用的扩散焊工艺参数为：温度1 050 ℃，加载压力10 MPa，保温时间约120 min，真空度10-3Pa。按照ASME规范要求，对分层实体扩散焊接头拉伸试验垂直方向取样3件，平行方向取样3件。扩散焊接头试件及取样如图1所示。

图1 316L分层实体扩散焊接头

2 力学性能试验

分层实体扩散焊的力学性能试验与传统扩散焊对接接头性能试验不同[17-18]，其包含多个扩散焊界面，更贴近扩散焊热交换设备产品特性。-196 ℃试样扩散焊接头拉伸试验包含44层扩散焊界面，20 ℃和600 ℃拉伸试验包含123层扩散焊界面。

2.1 拉伸试验结果

2.1.1 -196 ℃扩散焊接头拉伸试验

-196 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试样如图2所示，其力学性能试验结果见图3。从图3可以看出，扩散焊接头抗拉强度值均低于母材，扩散焊接头平行方向抗拉强度值略大于扩散焊接头垂直方向抗拉强度；扩散焊接头平行方向抗拉强度(平均值)为母材的99%，扩散焊接头垂直方向抗拉强度(平均值)为母材的95%。

图2 -196 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试样Fig.2 Thin plate and mechanical properties specimen of diffusion bonded joints at -196 ℃

图3 -196 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试验结果Fig.3 Test results of mechanical properties of thin plates and diffusion bonded joints at -196 ℃

2.1.2 20 ℃扩散焊接头拉伸试验

20 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试样如图4所示,其力学性能试验结果见图5。

图4 20 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试样Fig.4 Thin plate and mechanical properties specimen of diffusion bonded joints at 20 ℃

从图5可以看出，20 ℃扩散焊接头抗拉强度值均低于母材，高于标准(常温下抗拉强度490 MPa)要求；扩散焊接头平行方向抗拉强度值略大于扩散焊接头垂直方向抗拉强度；扩散焊接头平行方向抗拉强度(平均值)为母材的94%，扩散焊接头垂直方向抗拉强度(平均值)为母材的90%。

图5 20 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试验结果Fig.5 Test results of mechanical properties of thin plates and diffusion bonded joints at 20 ℃

2.1.3 600 ℃扩散焊接头拉伸试验

600 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试样如图6所示,其力学性能试验结果见图7。

图6 600 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试样Fig.6 Thin plate and mechanical properties specimen of diffusion bonded joints at 600 ℃

图7 600 ℃薄板材及扩散焊接头力学性能试验结果Fig.7 Test results of mechanical properties of thin plates and diffusion bonded joints at 600 ℃

从图7可看出，扩散焊接头平行方向抗拉强度值大于母材，扩散焊接头垂直方向抗拉强度值略小于母材；扩散焊接头平行方向抗拉强度值大于扩散焊接头垂直方向抗拉强度；扩散焊接头平行方向抗拉强度(平均值)为母材的104%，扩散焊接头垂直方向抗拉强度(平均值)为母材的96%。

2.2 弯曲试验

分层实体扩散焊接头是有多层薄板构成的多层扩散焊界面，与传统焊接接头不同，在现有标准中暂无取样和试验方法。参照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》，试件厚度6 mm，弯心直径24 mm,分别对垂直于扩散焊界面和平行于扩散焊界面方向进行弯曲试验，试验结果如图8所示，均无肉眼可见裂纹。

(a)垂直于扩散焊界面

(b)平行于扩散焊界面图8 扩散焊接头弯曲试验结果Fig.8 Bending test results of diffusion bonded joints

2.3 力学性能试验结果与国外对比

国内(合肥通用机械研究院有限公司，简称HGMRI公司)与Heatric公司试验数据[19]进行对比分析，如图9所示。

图9 扩散焊接头抗拉强度对比结果Fig.9 Comparative analysis results of the tensile strength of diffusion bonded joints

从图9可以看出，国内(HGMRI公司)无论是母材还是扩散焊(DB)接头，其力学性能数据均低于国外公司，这主要源于试验所采用的原材料不同，但均高于ASME规定(490 MPa)要求。从扩散焊接头抗拉强度相对于母材强度分析可以看出，国内(HGMRI公司)垂直于扩散焊界面接头抗拉强度约为母材强度的90.3%，平行于扩散焊界面接头强度约为母材强度的94.0%，高于Heatric公司垂直于扩散焊界面接头和平行于扩散焊界面接头相对于母材强度的数值(88.7%和93.4%)。

3 微观组织分析

3.1 光学金相

扩散焊接头为典型的奥氏体金相组织，经过扩散焊后，其组织与母材的原始组织相比未见明显的增大，如图10所示。从扩散焊熔合界面可清晰看到跨界生成的新晶粒，形成有连续平滑且封闭的晶界。从扩散熔合区域可以看到晶界已经发生明显的迁移，几乎看不到原始晶界在熔合线上分布。

(a)316L薄板材原始组织 (b)扩散焊接头组织

3.2 断口微观组织

3.2.1 -196 ℃扩散焊接头断口分析

-196 ℃扩散焊接头拉伸断口形貌见图11。整体上断口还是以韧性断裂为主，由剪切唇、放射区和纤维区组成；平行方向放射区比例较垂直方向大，且断口较为平整，韧性断裂的占比较垂直方向低。进一步放大分析，两者放射区形貌均为等轴韧窝形貌，韧窝底部有少许第二相粒子，平行方向的韧窝尺寸更小、更浅，断口表面更加凹凸不平，犬牙交错，韧窝底部存在大量的第二相粒子。

(a)垂直于扩散焊界面接头

(b)平行于扩散焊界面接头图11 -196 ℃扩散焊接头断口形貌Fig.11 Fracture morphology of diffusion bonded joint at -196 ℃

3.2.2 20 ℃扩散焊接头断口分析

20 ℃扩散焊接头拉伸断口形貌见图12。可以看出，扩散焊接头垂直方向与平行方向的断口形貌，整体上断口还是以韧性断裂为主，由剪切唇、放射区和纤维区组成，但放射区不明显；以等轴韧窝形貌为主，平行方向除了颈缩大外，放射区和纤维区的组织差异不大；两者放射区等轴韧窝较为均匀，底部几无第二相粒子，纤维区的大韧窝附近聚集着小韧窝，并且小韧窝底部几乎均存在第二相粒子。

(a)垂直于扩散焊界面接头

(b)平行于扩散焊界面接头图12 20 ℃扩散焊接头断口形貌Fig.12 Fracture morphology of diffusion bonded joint at 20 ℃

3.2.3 600 ℃扩散焊接头断口分析

600 ℃扩散焊接头拉伸断口形貌见图13。可以看出，两扩散焊接头断口形貌以杯锥形的韧性断裂为主；颈缩小，无明显的放射区，纤维区表面凹凸不平，犬牙交错，有明显的沟壑和山丘。放大观察，指形抛物线韧窝形貌，存在剪切型韧性断裂；纤维区韧窝的水线可以看到韧窝大且深，底部几乎无第二相粒子。

(a)垂直于扩散焊接头

(b)平行于扩散焊接头图13 600 ℃扩散焊接头断口形貌Fig.13 Fracture morphology of diffusion bonded joint at 600 ℃

对196,20,600 ℃三种温度下的扩散焊接头拉伸断口形貌进行比较分析可得出：3种温度下均以韧性断裂为主，随着温度的升高，纤维区比例变高，韧窝的尺寸与深度变大；低温(-196 ℃)与常温(20 ℃)的拉伸断口形貌以正拉应力的等轴韧窝为主，高温(600 ℃)为指形抛物线韧窝形貌；平行于扩散焊界面的缩颈比垂直于扩散焊界面方向大，因而韧性较好；随着温度的升高，第二相粒子的数量明显减少，因而低温下的拉伸强度远高于常温和高温。

4 结论

(1)随着温度升高，母材及扩散焊接头抗拉强度逐渐下降；不同温度下扩散焊接头抗拉强度数值均高于母材强度的90%；不同温度下，垂直于扩散焊界面焊接接头强度低于平行于扩散焊接头强度。

(2)扩散焊接头界面处为典型的奥氏体金相显微结构，其成分与母材的化学成分、组织与母材的原始组织相比未见明显的增大。

(3)扩散焊熔合界面跨界生成新晶粒，形成有连续平滑且封闭的晶界。熔合区域晶界已经发生明显的迁移，熔合线上无原始晶界分布。

(4)随着温度的升高，断口形貌中纤维区比例变高，韧窝的尺寸与深度变大，第二相粒子的数量明显减少。

随着国内核能、氢能、光热/煤基发电、舰船余热利用领域对扩散焊换热器需求日益增长，扩散焊材料应进一步拓展至双相不锈钢(S31803)、钛材(TA2,TA1)、镍基合金等，而不能局限于奥氏体不锈钢(304/304L,316/316L)；并且要逐步形成分层实体扩散焊接头无损检测方法及合格评定准则；积累扩散焊接头高温蠕变试验数据，建立扩散焊工艺设计数据库及辅助专家系统。