不同工艺制备52M合金堆焊层高温低塑性裂纹敏感性研究的学习体会

文献概况与研究意义

曾春杰等人在《机械工程材料》2019年第43卷第5期发表的这篇论文，以52M合金焊丝为堆焊材料，分别采用激光堆焊和TIG（钨极氩弧焊）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（Low Plasticity Transformation Cracking, LPTC）是奥氏体不锈钢焊接接头在冷却过程中，由于δ-铁素体向马氏体相变时的体积膨胀而引发的裂纹。这种裂纹通常在200-400℃的温度区间萌生，对不锈钢焊接结构的服役安全构成严重威胁。52M合金是一种含Ni、Cr、Mo的奥氏体合金，常用于高温腐蚀环境的耐蚀堆焊。本研究通过对比两种不同焊接工艺对52M合金堆焊层LPTC敏感性的影响，为工艺选择提供了重要的实验依据。

显微组织与物相分析

激光堆焊层组织特征

激光堆焊层采用高能量密度、短作用时间的激光束进行熔敷，其冷却速率极高（通常可达10^3-10^4 ℃/s）。这种快速凝固条件导致激光堆焊层的晶粒细小且形态规则，晶粒尺寸通常在数十微米范围内。细晶组织有利于提高材料的强度和韧性，同时对LPTC具有一定的抑制作用。

TIG堆焊层组织特征

TIG堆焊层的冷却速率相对较低（通常可达10^1-10^2 ℃/s），晶粒尺寸较大，形态不如激光堆焊层规则。较大的晶粒尺寸意味着更多的晶界面积和更长的晶界路径，有利于δ-铁素体的析出和马氏体相变的进行，从而增加LPTC的敏感性。

物相组成对比

两种堆焊层的显微组织均为单相奥氏体，但在析出相方面存在显著差异：

Cr₂₃C₆是一种富铬碳化物，通常在晶界处析出。Cr₂₃C₆的析出会导致晶界附近贫铬，降低耐蚀性，同时可能成为裂纹的萌生位置。激光堆焊层中Cr₂₃C₆析出数量较少，这归因于其极快的冷却速率抑制了碳化物的析出。

高温低塑性裂纹敏感性评价

LPTC敏感性测试方法

高温低塑性裂纹敏感性通常通过热膨胀试验或模拟焊接冷却试验来评价。试验过程中，试样在特定温度区间（通常为200-400℃）进行加热和冷却，同时施加一定的应变，观察裂纹的萌生和扩展情况。裂纹数量、长度和形态是评价LPTC敏感性的主要指标。

试验结果分析

研究结果表明，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。这一结论可以从以下方面解释：

1. 晶粒尺寸效应：激光堆焊层的细小晶粒降低了晶界面积，减少了δ-铁素体的析出量，从而降低了马氏体相变的体积膨胀量，抑制了LPTC的萌生。
2. 析出相效应：激光堆焊层中Cr₂₃C₆析出数量较少，减少了晶界处的应力集中源，降低了裂纹萌生的倾向。
3. 冷却速率效应：激光堆焊的极快冷却速率使组织处于亚稳态，δ-铁素体来不及充分析出，从而减少了马氏体相变的驱动力。

应变对裂纹数量的影响

随着应变的增加，激光堆焊层中的裂纹数量增加较快，但其LPTC敏感性仍低于TIG堆焊层。这一现象说明：虽然激光堆焊层的LPTC敏感性较低，但在高应变条件下，其抗裂能力仍会受到显著影响。这提示在实际工程应用中，即使采用激光堆焊工艺，也需要严格控制焊接变形和残余应力，以避免因高应变导致的LPTC。

工程实践启示与个人思考

该研究为52M合金耐蚀堆焊层的工艺选择提供了重要的实验依据。在实际工程应用中，激光堆焊和TIG堆焊各有其适用场景：

• 激光堆焊：适用于对LPTC敏感性要求严格的场合，如核工业、航空航天等对结构完整性要求极高的领域。但激光堆焊设备投资高、工艺窗口窄、对工件几何形状要求严格。
• TIG堆焊：适用于对成本敏感、工件几何形状复杂或需要现场作业的场合。但TIG堆焊层的LPTC敏感性较高，需要通过焊后热处理或工艺优化来降低裂纹风险。

在实际工程实践中，建议采取以下措施降低LPTC风险：

1. 工艺优化：对于TIG堆焊，可通过降低焊接速度、增加预热温度、采用多层多道焊等方式降低冷却速率，减少δ-铁素体的析出。
2. 焊后热处理：采用适当的固溶热处理或去应力退火，消除残余应力，改善组织均匀性。
3. 材料设计：在52M合金中适当添加Ti、Nb等强碳化物形成元素，优先形成TiC、NbC等稳定碳化物，减少Cr₂₃C₆的析出。
4. 工艺监控：在焊接过程中实时监测温度场和应力场，及时调整工艺参数，避免局部过热或过冷。

该研究揭示的激光堆焊层LPTC敏感性低于TIG堆焊层的结论，为耐蚀堆焊工艺的选择提供了科学依据。在实际工程应用中，需要根据具体的服役工况、成本约束和设备条件，综合考虑各种因素，选择最合适的堆焊工艺。同时，LPTC的抑制是一个系统工程，需要从材料设计、工艺优化和焊后处理等多个方面协同施策，才能实现最佳的抗裂效果。