镍基合金在碳钢与不锈钢焊接中的应用

　　过去通常采用309型焊接材料焊接碳钢和不锈钢异种钢接头，这种接头在长时间高温作用下，会造成碳的迁移，严重影响接头的力学性能。试验结果表明，采用镍基合金焊接材料，减少了高温下碳的迁移，可防止增碳层、脱碳层及脆化过渡层的形成，保证长时间高温工作条件下接头的性能。采用镍基合金进行异种钢接头焊接，得到的焊接接头外观成型良好。对焊接接头进行100%射线检测，没有发现气孔、未焊透及未熔合等焊接缺陷，焊接接头力学性能满足使用要求。

耐热合金和超合金热处理的研究动向

　　开发蒸汽温度700℃级A-USC发电机组的最重要课题之一是透平叶轮用耐热合金的开发。有研究者开发了以铬镍铁耐热合金617为基础材料，对合金成分进行改进的Ni-0.05C-18Cr-13Co-9Mo-1.3Al-1.4Ti-0.1Ta-0.3Nb合金，并试制了模拟实机叶轮的大型锻造叶轮试样。有研究报告对该叶轮试样不同部位的材料特性进行了研究。

　　对可应用于蒸汽温度达700℃级A-USC发电机组的铸造替代材料进行了评价。关于Ni-0.04C-26Cr-21Co-1Al-1.9Ti-1.8Nb合金，试制了具有3层阶梯状壁厚的铸件，并对材料进行了评价。有研究报告就偏析对蠕变强度的影响进行了介绍。

　　Ni-Fe基超合金有望成为A-USC火力发电用透平叶轮的制作材料，但为确保透平叶轮的特性和制作性，控制微量元素是很重要的。关于透平叶轮用Ni-Fe基超合金中微量元素的影响尚有许多未明确的地方，因此有研究者针对蠕变特性，调查了微量元素的影响。

　　在开发700℃级A-USC发电机组过程中，为使由Ni基和Fe基叶轮构成的不同材料焊接叶轮应用于实际，因此对该叶轮焊接部在高温时的组织稳定性和机械特性提出了要求。有研究者制作了低合金钢/铬镍铁耐热合金617焊接材料作为Fe/Ni不同材料的界面式样，并就热时效对焊接界面组织变化的影响进行了评价。

　　为减少CO2排放量，对A-USC设备进行了广泛的研究。23Cr-45Ni-7W合金（ASTM UNS N06674）是一种通过强化M23C6和Laves相析出来提高蠕变强度的材料。它可作为A-USC的高温蒸汽管和锅炉管的替代材料。有研究者就该合金的蠕变特性对Laves相析出行为的影响进行了评价。

　　为开发蒸汽温度700℃级A-USC发电机组，对Ni基耐热合金用作锅炉部件的可能性进行了研究，并指出作为析出强化型合金的合金617存在着与高温使用过程中的松驰裂纹（SR裂纹）等有关的问题。另一方面，没有以相作为析出强化相的23Cr-45Ni-7W合金（ASME-CC2684）在700℃时的蠕变断裂强度比合金617略低，而30Cr-50Ni-W合金虽然没有对进行析出强化，但蠕变断裂强度却比23Cr-45Ni-7W合金提高，其延性和抗SR裂纹性好，可用于A-USC主蒸汽管。有研究报告对板材和试制的大口径管的4种组织、机械性能和蠕变特性进行了介绍。

　　目前，能源问题已成为非常重要的问题，为提高作为主要的电力供给手段的火力发电的效率，因此对锻造Ni基合金进行了广泛的研究开发。对于Ni基超合金的强化相----相组织形态的稳定性来说，不仅相的析出行为会产生重要的影响，而且它与母相之间的晶格错合产生的形态变化也会产生重要的影响。但是，对这些组织形态的研究，主要是对具有高相体积率的铸造Ni基超合金的研究，而对铸造合金的研究则很少。因此，有研究报告对锻造Ni基合金中的相组织形态的变化与晶格错合的相互关系进行了调查。

不锈钢和钛合金异种金属焊接

　　异种金属焊接因其将多种性能集于一身被应用到很多工业领域，在先进制造业中扮演着越来越重要的角色。若将钛与不锈钢进行焊接，钛合金-不锈钢结构可使不锈钢的良好焊接性、耐磨性、低成本与钛合金低密度和良好的耐腐蚀性能相结合，充分发挥两种材料在性能和经济上的互补优势。因此，不锈钢和钛合金异种焊接在化工、航空和核工业等领域均有广泛的应用。但是，不锈钢和钛合金因理化性能的差异，焊接界面易形成大量脆性金属间化合物，无法得到优质的焊接结果。故传统熔焊工艺不适合不锈钢与钛合金的异种焊接。采用爆1炸焊虽然成功用于钛钢复合板，但只适用于一定形状的工件，难以广泛应用。目前用于钛合金与不锈钢异种金属焊接的方法主要是扩散焊，电子束焊与激光焊。激光焊和电子束焊均具有加热和冷却迅速，焊缝深宽比大的优点，对异种金属焊接时脆性化合物的形成有很好的抑制作用。扩散焊因其较小的温度梯度，可以得到均匀性较好的结构，是一种近净形接合过程。

　　一、扩散焊

　　扩散焊是指在高温和一定压力下，两表面通过接触面发生蠕变和扩散作用使结合面孔隙闭合而实现连接的一种焊接方式。不锈钢与钛合金的直接扩散焊主要通过温度和时间的合理搭配来得到较高的焊接质量。最1佳温度一般在900℃±50℃，时间为30~60min，要保证界面孔隙闭合并且Fe-Ti化合物厚度较小；压强在5MPa左右，过高会增加接头残余应力。σ相，Fe2Ti，FeTi是不锈钢与钛合金扩散焊接时易形成的化合物，通过加入Ni，Cu等中间层可避免Fe与Ti元素的直接接触，通过形成脆性较小的Ni-Ti，Cu-Ti相来减少或抑制Fe-Ti化合物相，可以在一定程度上提高接头强度。Ag作为中间层可以得到韧性接头，但成本较高。

　　二、电子束焊接

　　电子束焊接的原理是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接。具有能量密度高，冷却速率快和可控性好的特点，能够控制熔池尺寸及两种金属的熔合比，是一种具有独特优势的异种材料焊接方法。但是不锈钢与钛合金直接采用电子束焊接会因大量Fe-Ti化合物在焊区的生成而无法得到完好的接头。需要采用Cu及Cu-V复合中间层才能有效抑制脆性相的产生，并通过形成固溶体来提高焊接接头的强度和韧性。在此基础上，调整功率密度、束流及焊接速度来控制热输入量，改变偏移量以得到合适的热量分布，进一步提高焊接质量。

　　三、激光焊接

　　激光焊接是利用高强度的激光束辐射到金属表面，通过激光和金属的相互作用，使金属熔化，从而形成焊接。对于不锈钢和钛合金的异种金属焊接而言，激光焊较电子束焊有更高的加热和冷却速率，采用偏束可得到具有一定强度的直接焊合接头，但强度偏低且质量波动大。采用Cu作为中间层可得与电子束焊接相似的焊接结果。