不同工艺制备52M合金堆焊层的高温低塑性裂纹敏感性——文献学习体会

文献概况与研究意义

曾春杰等（2019）发表于《机械工程材料》的这篇论文，以52M合金焊丝为堆焊材料，分别采用激光堆焊和TIG（钨极惰性气体保护焊）堆焊在S304不锈钢基体上制备了52M合金堆焊层，系统研究了两种工艺下堆焊层的显微组织、物相组成和高温低塑性裂纹敏感性。高温低塑性裂纹（HTLPC）是堆焊层在焊接热循环过程中产生的一类典型缺陷，其产生机制与热影响区在温度区间内塑性极低的阶段承受焊接拉应力密切相关。52M合金是一种含钼奥氏体不锈钢，具有良好的耐蚀性和高温强度，广泛应用于化工、核电等高温腐蚀环境。研究不同工艺对52M合金堆焊层高温低塑性裂纹敏感性的影响，对于优化堆焊工艺、提高堆焊层质量具有重要的工程意义。

两种堆焊工艺的组织对比

激光堆焊层组织特征

激光堆焊层具有以下显著的组织特征：

• 单相奥氏体组织：52M合金在S304不锈钢基体上堆焊后，堆焊层为单相奥氏体组织，这有利于保证堆焊层的耐蚀性和塑性。
• 晶粒细小且形态规则：与TIG堆焊层相比，激光堆焊层的晶粒明显更细小，且晶粒形态更加规则。这是因为激光堆焊的热输入密度极高，冷却速率快，晶粒生长时间短，从而形成了细小的晶粒。同时，激光熔池的深宽比较大，熔池凝固方向性强，有利于形成规则的柱状晶或等轴晶。
• 析出物数量少：激光堆焊层中Cr₂₃C₆碳化物的析出数量较少。这是因为快速冷却抑制了碳化物的析出，减少了晶界碳化物偏析，有利于提高堆焊层的耐晶间腐蚀性能。

TIG堆焊层组织特征

TIG堆焊层与激光堆焊层相比，具有以下组织特征：

• 同为单相奥氏体组织，但晶粒尺寸较大，形态不如激光堆焊层规则。
• Cr₂₃C₆析出物数量较多：由于TIG焊接的热输入较大、冷却速率较慢，在焊接热循环过程中，熔合区和热影响区经历了较长时间的高温停留，促进了Cr₂₃C₆碳化物的析出。这些碳化物主要沿晶界分布，可能导致晶界贫铬，增加晶间腐蚀敏感性。

高温低塑性裂纹敏感性分析

高温低塑性裂纹的产生机制

高温低塑性裂纹是焊接热循环过程中产生的一类典型缺陷。其产生机制是：在焊接加热和冷却过程中，热影响区的某些区域会经历一个塑性极低的温度区间（通常在900~1100℃之间），如果此时该区域承受较大的焊接拉应力，就会产生微裂纹。这些微裂纹在后续的热循环中可能扩展，最终导致焊接接头失效。高温低塑性裂纹的敏感性取决于以下因素：

1. 材料的低塑性温度区间宽度：区间越宽，裂纹敏感性越高。
2. 焊接拉应力的水平：应力越大，裂纹敏感性越高。
3. 组织的均匀性：组织越均匀，应力集中越小，裂纹敏感性越低。
4. 析出物的分布：沿晶界分布的析出物会降低晶界强度，增加裂纹敏感性。

激光堆焊与TIG堆焊的裂纹敏感性对比

试验结果表明，在相同温度、不同应变条件下，激光堆焊层中的裂纹数量均少于TIG堆焊层中的裂纹数量。这说明激光堆焊层的高温低塑性裂纹敏感性低于TIG堆焊层。这一结果可以从以下几个方面进行解释：

• 细晶强化效应：激光堆焊层的晶粒细小，晶界面积大，晶界处的塑性变形能力更强，有利于缓解应力集中，抑制裂纹萌生。
• 析出物少：激光堆焊层中Cr₂₃C₆析出物数量少，晶界贫铬程度低，晶界强度较高，裂纹沿晶界扩展的阻力较大。
• 残余应力低：激光堆焊的热输入集中，热影响区窄，残余应力水平相对较低，减少了裂纹萌生的驱动力。

应变对裂纹数量的影响规律

随着应变的增加，激光堆焊层中的裂纹数量增加较快，但其高温低塑性裂纹敏感性仍低于TIG堆焊层。这一现象说明，虽然激光堆焊层在较大应变下的裂纹扩展速率较快，但由于其初始裂纹数量少、组织均匀性好，在相同的应变水平下，其总裂纹数量仍然少于TIG堆焊层。这一结果具有重要的工程意义：在实际焊接中，激光堆焊工艺能够提供更优的抗高温低塑性裂纹性能，即使在大变形工况下也具有优势。

工艺选择与工程应用建议

激光堆焊与TIG堆焊的适用场景

降低高温低塑性裂纹敏感性的工艺措施

在实际生产中，降低堆焊层高温低塑性裂纹敏感性可以采取以下措施：

1. 控制热输入：尽量降低焊接热输入，缩短高温停留时间，减少析出物的形成。
2. 优化预热温度：适当的预热可以降低焊接应力，但预热温度不宜过高，以免延长高温停留时间。
3. 多层多道堆焊：通过多层多道堆焊控制单道热输入，利用后道焊道对前道焊道进行回火处理，降低残余应力。
4. 焊后热处理：进行适当的焊后热处理，消除残余应力，改善组织均匀性。
5. 选用合适焊材：选择碳含量低、合金元素配比合理的焊丝，减少碳化物析出倾向。

学习心得与总结

这篇文献的研究视角独特，从高温低塑性裂纹敏感性这一关键质量指标出发，对比了两种不同堆焊工艺对52M合金堆焊层性能的影响。其核心发现——激光堆焊层的高温低塑性裂纹敏感性低于TIG堆焊层——为工程实践提供了明确的技术指导。在实际工作中，技术人员在选择堆焊工艺时，不能仅考虑成本和效率，还必须综合考虑堆焊层的组织特征和服役性能要求。对于高温、腐蚀环境下的关键设备堆焊修复，激光堆焊工艺虽然在设备投资和加工效率方面存在劣势，但其优异的抗高温低塑性裂纹性能和更少的析出物，使其在可靠性方面具有显著优势。这种以质量为导向的工艺选择思路，对于提升关键设备的服役可靠性具有重要意义。