高氮奥氏体不锈钢的钎焊工艺及机理研究

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高氮奥氏体不锈钢(高氮钢)通过采用氮元素替代镍元素来获得稳定的奥氏体组织,在不牺牲塑性和韧性的同时提高了强度和耐腐蚀性。优异的性能使高氮钢在机械、化工、能源、生命科学等领域具有广阔的应用前景以及替代传统奥氏体不锈钢(如304,316等)的巨大潜力。当然,高氮钢的工业应用离不开连接技术的发展。然而,传统的熔焊方法存在氮损失、氮气孔等问题,且不适合于复杂形状部件的连接。因此,本论文提出采用连接温度较低的钎焊方法来连接高氮钢。深入研究了高氮钢接头微观结构的形成机制,揭示了钎料成分-钎焊工艺参量-接头微观结构-接头力学性能之间的内在联系。研究结果对拓展高氮钢的应用领域以及钎焊技术的发展均具有重要意义。采用Ni-Cr-B-Si非晶钎料真空钎焊高氮钢。接头微观结构分析表明,在钎缝中心形成了Cr5B3化合物,其含量随钎焊温度增加而减少,当钎焊温度为1100℃时Cr5B3化合物完全消失。在母材与钎缝界面处形成了BN化合物,其含量随钎焊温度的增加而增大。接头力学性能测试结果表明,接头界面处的BN化合物对接头强度起到了决定性作用。当钎焊温度为1020℃时,获得了最佳的接头剪切强度(176.7MPa)。采用不含B元素的Ni-Cr-P钎料真空钎焊高氮钢。研究表明,在钎缝中心形成了连续分布的(Ni,Cr)3P化合物,在母材与钎缝界面处形成了Cr2N化合物,两者的含量均随钎焊温度的增加而减少。当钎焊温度提高到1050℃时,Cr2N化合物因溶解而消失,(Ni,Cr)3P化合物也显著减少,因而获得了最佳的接头剪切强度(163.0MPa)。采用Ag-Cu共晶钎料真空钎焊高氮钢和316L不锈钢,后者用于对比实验。润湿实验结果表明,与Ag-Cu/316L相比,Ag-Cu/HNS系统展现出了更低的平衡润湿角和更短的润湿时间。其原因是高氮钢中的Mn元素能够大量溶解进入Ag-Cu钎料中。接头微观结构分析表明,316L/316L接头由α-Cu和细小Ag-Cu共晶组织组成,而HNS/HNS接头由β-Ag和粗大的Ag-Cu共晶组织组成。同时,在靠近界面的高氮钢母材中存在一层由Ag、FeCr化合物和γ-Fe组成的扩散层。HNS/HNS接头的最佳剪切强度可达290.0MPa,远高于316L/316L接头的最佳剪切强度(175.0MPa)。
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