CN109280812A - 一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，将惯性摩擦焊后的镍铁基变形高温合金，进行焊缝与母材的整体热处理，包括以下步骤：首先，在母材合金初熔温度以下100‑200℃范围内按温度从高到低进行两步连续的高温固溶处理；随后分别在γ′强化相析出温度以下150‑400℃范围内按温度从低到高进行连续的两步时效热处理。本发明能够解决时效强化的镍铁基变形高温合金在摩擦焊过程中因冷速快而无法实现强化相析出的问题，有效提高了焊接头的综合力学性能；热处理工艺简单容易控制。

Description

一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺

技术领域

本发明属于热处理技术领域，具体涉及一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺。

背景技术

摩擦焊技术因其焊接工艺简单、焊接速度快，在诸如电站锅炉及化工设备制造等许多工业部门得到广泛应用。特别是近年来解决了焊接接头韧性问题之后，这种焊接技术在锅炉水冷壁、省煤器等多个部件得到应用。研究人员报道了锅炉用12Cr1MoV钢管摩擦焊接头的高温内压***持久性能研究，结果表明摩擦焊接头在设计寿命期内是可靠的，肯定了摩擦焊工艺在锅炉焊接上的应用前景。考虑到更高参数锅炉将会大量使用Ni-Fe基、甚至Ni基合金，而镍基高温合金中含有固溶强化元素(如Cr、Mo、W、Al等)以及微量P、S、C、B等元素，因而有较大裂纹敏感性，且熔焊后易产生组织偏析、析出脆性相及其他缺陷，导致接头力学性能及高温持久性能下降。因此，摩擦焊技术在镍基合金焊接中的应用还有待深入研究，不同焊接工况条件下形成的接头组织特征方面的研究尚少见报道。对于最具代表性的镍基合金GH4169(IN718)，国内外针对其惯性摩擦焊的接头组织、力学性能、数值模拟等方面进行了部分研究。公开的研究报道了IN718线性摩擦焊热力影响区和飞边的显微组织，指出飞边内侧组织主要为Al的氧化物层，外侧飞边则主要是Nb的氧化物，在焊缝两侧1mm的范围内发生了动态再结晶。文献报道了GH4169高温合金惯性摩擦焊接头沿轴向焊合区附近具有超细晶-细晶的晶粒分布特征，尽管存在着晶粒组织的不均匀性，但未发现熔焊过程中因液相凝固而造成的粗晶和混晶现象。摩擦焊技术虽然不涉及合金熔化过程，但仍会对时效强化型高温合金接头的组织结构、析出相的溶解和再分布产生较大影响：IN718合金惯性摩擦焊界面处的强化相γ′和γ″相在高温热循环作用下完全溶解，在焊缝及热影响区未发现残余γ′和γ″相；研究表明对IN718合金进行适当的焊后时效处理有助于提高接头力学强度，缓解上述接头软化效应。有数据表明，耐热钢摩擦焊接头在长期高温时效作用下的力学性能随时间延长而显著下降，而性能退化与其在热暴露时的组织稳定性、接头区域析出相的种类、分布和演变有直接关系。考虑到镍铁基变形高温合金设计普遍采用时效强化机制、且摩擦焊技术因冷速快无法实现强化相析出的特点，基于热处理工艺的焊缝组织调控来优化焊接头的组织结构并实现高强度目标具有显著的创新意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，该工艺能够有效改善摩擦焊接头的组织结构和强度。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，将惯性摩擦焊后的镍铁基变形高温合金，进行焊缝与母材的整体热处理，包括以下步骤：首先，在母材合金初熔温度以下100-200℃范围内按温度从高到低进行两步连续的高温固溶处理；随后分别在γ′强化相析出温度以下150-400℃范围内按温度从低到高进行连续的两步时效热处理。

本发明进一步的改进在于，所述的镍铁基变形高温合金化学成分满足如下要求：按质量分数，含18-35％的Fe，20-25％的Cr，1-2.5％的Al，0.8-2.2％的Ti，0.5-2％的Nb，0.5-4％的(Mo+W)，0-0.5％的Si，0-1％的Mn，≤0.1％的C，≤0.01％的B，≤0.05％的P，其余为Ni。

本发明进一步的改进在于，所述的镍铁基变形高温合金的摩擦焊工艺满足如下要求：摩擦压强≥150MPa、转速≥1000r/min、顶锻压强≥300MPa。

本发明进一步的改进在于，所述的两步连续的高温固溶处理的具体过程为1120-1200℃保温30min-4h，然后按1-5℃/min随炉冷却至1000-1050℃保温30min-4h，水淬冷却。

本发明进一步的改进在于，所述的两步连续的时效热处理的具体过程为620-680℃保温4-20h，然后按1-5℃/min随炉升温至730-800℃保温4-20h，空冷至室温。

本发明进一步的改进在于，所获得的焊接头晶粒度与母材相当。

本发明进一步的改进在于，所获得的焊接头强度与母材持平。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明所述的一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，具有明显的有益效果。具体表现为：本发明针对的镍铁基变形高温合金摩擦焊接头，先后经过在母材合金初熔温度以下100-200℃范围内按温度从高到低进行两步连续的高温固溶处理，以及在γ′强化相析出温度以下150-400℃范围内按温度从低到高进行连续的两步时效热处理，保证了焊缝组织的可控长大，从而避免了晶粒细化的焊缝组织对焊接头高温持久强度的不利影响；保证了焊缝组织晶界及晶内强化相析出，从而实现了焊接头强度与母材相当。同时，与现有TIG焊等技术相比，本发明所依赖的摩擦焊接过程自动快速、灵活，焊接过程稳定并且可复验，无需焊剂或保护气体，并且可以达到与TIG焊相当的焊接头强度。

附图说明

图1为本发明的实施例一中获得焊接头组织形貌；

图2为本发明的实施例一中获得焊接头焊缝区域晶界及晶内析出相形貌；

图3为本发明的实施例一中获得母材晶界及晶内析出相形貌；

图4为本发明的实施例一中获得焊接头750℃拉伸强度；

图5为本发明的实施例一中获得焊接头拉伸式样断裂位置。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明：

实施例一

取满足本发明中所述的镍铁基变形高温合金成分范围内的一种镍铁基变形高温合金，该合金的成分为：按质量分数，含18-35％的Fe，20-25％的Cr，1-2.5％的Al，0.8-2.2％的Ti，0.5-2％的Nb，0.5-4％的(Mo+W)，0-0.5％的Si，0-1％的Mn，≤0.1％的C，≤0.01％的B，≤0.05％的P，其余为Ni。其中，该合金的初熔温度为1320℃，γ′的析出温度为980℃。采用惯性摩擦焊机制备焊接头，对焊的摩擦压强为200MPa、试样转速为180r/min、顶锻压强为300MPa。

将由焊缝与母材的组成的焊接头整体热处理，固溶热处理工艺：1200℃保温30min，然后按2℃/min随炉冷却至1020℃保温1h，水冷；时效热处理工艺：640℃保温16h，然后按2℃/min随炉升温至760℃保温16h，空冷至室温。

经热处理后，焊缝组织均匀，如图1；焊缝平均晶粒尺寸10μm，γ′强化相尺寸10-20nm，如图2；母材平均晶粒尺寸100μm，γ′强化相尺寸10-20nm，如图3；室温和750℃拉伸后焊接头拉伸式样断裂位置在母材一侧，焊接头750℃屈服强度为615MPa，相同热处理参数下母材的750℃屈服强度为615MPa，如图4和图5。

实施例二

取满足本发明中所述的镍铁基变形高温合金成分范围内的一种镍铁基变形高温合金，该合金的成分为：按质量分数，含18-35％的Fe，20-25％的Cr，1-2.5％的Al，0.8-2.2％的Ti，0.5-2％的Nb，0.5-4％的(Mo+W)，0-0.5％的Si，0-1％的Mn，≤0.1％的C，≤0.01％的B，≤0.05％的P，其余为Ni。其中，该合金的初熔温度为1320℃，γ′的析出温度为980℃。采用惯性摩擦焊机制备焊接头，对焊的摩擦压强为200MPa、试样转速为180r/min、顶锻压强为300MPa。

将由焊缝与母材的组成的焊接头整体热处理，固溶热处理工艺：1180℃保温30min，然后按2℃/min随炉冷却至1050℃保温1h，水冷；时效热处理工艺：620℃保温18h，然后按2℃/min随炉升温至780℃保温8h，空冷至室温。

经热处理后，焊缝平均晶粒尺寸20μm，γ′强化相尺寸10-20nm；母材平均晶粒尺寸140μm，γ′强化相尺寸10-20nm；室温和750℃拉伸后焊接头拉伸式样断裂位置在母材一侧，焊接头750℃屈服强度为629MPa，相同热处理参数下母材的750℃屈服强度为633MPa。

实施例三

取满足本发明中所述的镍铁基变形高温合金成分范围内的一种镍铁基变形高温合金，该合金的成分为：按质量分数，含18-35％的Fe，20-25％的Cr，1-2.5％的Al，0.8-2.2％的Ti，0.5-2％的Nb，0.5-4％的(Mo+W)，0-0.5％的Si，0-1％的Mn，≤0.1％的C，≤0.01％的B，≤0.05％的P，其余为Ni。其中，该合金的初熔温度为1320℃，γ′的析出温度为980℃。采用惯性摩擦焊机制备焊接头，对焊的摩擦压强为200MPa、试样转速为180r/min、顶锻压强为300MPa。

将由焊缝与母材的组成的焊接头整体热处理，固溶热处理工艺：1150℃保温4h，然后按2℃/min随炉冷却至1020℃保温2h，水冷；时效热处理工艺：620℃保温18h，然后按2℃/min随炉升温至740℃保温16h，空冷至室温。

经热处理后，焊缝平均晶粒尺寸15μm，γ′强化相尺寸10-20nm；母材平均晶粒尺寸110μm，γ′强化相尺寸10-20nm；室温和750℃拉伸后焊接头拉伸式样断裂位置在母材一侧，焊接头750℃屈服强度为625MPa，相同热处理参数下母材的750℃屈服强度为624MPa。

Claims (7)

1.一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，其特征在于，将惯性摩擦焊后的镍铁基变形高温合金，进行焊缝与母材的整体热处理，包括以下步骤：首先，在母材合金初熔温度以下100-200℃范围内按温度从高到低进行两步连续的高温固溶处理；随后分别在γ′强化相析出温度以下150-400℃范围内按温度从低到高进行连续的两步时效热处理。

2.根据权利要求1所述的一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，其特征在于，所述的镍铁基变形高温合金化学成分满足如下要求：按质量分数，含18-35％的Fe，20-25％的Cr，1-2.5％的Al，0.8-2.2％的Ti，0.5-2％的Nb，0.5-4％的(Mo+W)，0-0.5％的Si，0-1％的Mn，≤0.1％的C，≤0.01％的B，≤0.05％的P，其余为Ni。

3.根据权利要求1所述的一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，其特征在于，所述的镍铁基变形高温合金的摩擦焊工艺满足如下要求：摩擦压强≥150MPa、转速≥1000r/min、顶锻压强≥300MPa。

4.根据权利要求1所述的一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，其特征在于，所述的两步连续的高温固溶处理的具体过程为1120-1200℃保温30min-4h，然后按1-5℃/min随炉冷却至1000-1050℃保温30min-4h，水淬冷却。

5.根据权利要求1所述的一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，其特征在于，所述的两步连续的时效热处理的具体过程为620-680℃保温4-20h，然后按1-5℃/min随炉升温至730-800℃保温4-20h，空冷至室温。

6.根据权利要求1所述的一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，其特征在于，所获得的焊接头晶粒度与母材相当。

7.根据权利要求1所述的一种镍铁基变形高温合金摩擦焊接头的热处理工艺，其特征在于，所获得的焊接头强度与母材持平。