摘要：本论文研究了合金元素如铌，钛和锆等对全奥氏体不锈钢焊缝凝固开裂敏感性的影响；该项研究中添加铌，钛或锆作为Fe-24%Cr-26Ni不锈钢的合金元素; 通过裂纹长度，裂纹数量、脆性温度范围（BTR）等参数来评估材料的开裂敏感性，结果与横向可变拘束抗热裂试验的结果相一致。根据添加的不同合金元素，裂纹长度有所增加，合金添加后总裂纹长度（TCL）和最大裂纹长度（MCL）之间的排序趋势发生变化；对比MCL与所测焊接金属的温变历程，就可获取BTR值，添加合金元素后该值增大。含钛样品的最大BTR为266.9℃，是不含合金元素样品的三倍。 MC碳化物和莱夫斯（Laves）相在枝晶晶脆间界处形成第二相；基于Scheil模型的凝固计算用于研究合金元素类型对硬化温度范围的影响；不同类型的合金元素，其凝固温度范围有所不同；含铌样品的凝固温度范围与BTR之间存在显著差异。

   关键词: 凝固裂纹  奥氏体不锈钢  横向可变拘束抗热裂试验  偏析 脆性温度区间

   1简介

   奥氏体金属（如不锈钢和镍基合金）在焊接过程中极易受到热裂纹（如凝固裂纹）的影响，因此，即使这些金属具有优良的性能如高耐蚀性，通常也避免将其用于焊接工艺中。众所周知：化学成分，冷却速率和约束条件是影响裂纹敏感性的因素，通过降低杂质元素如磷和硫，减少铁素体相，可以提高裂化敏感性；这是因为凝固结束时，低分配系数对应的杂质元素的偏析会导致固相线温度下降，加剧材料的开裂敏感性。通过调整化学成分（特别是铬与镍当量的比率）可形成约5％的δ铁素体相，由于杂质元素在铁素体相中具有很高的溶解度，能减少这种偏析；然而，在全奥氏体材料如310S型不锈钢和镍基合金的情况下，不可能形成δ铁素体。

   此外，由于硅，铌，钛等合金元素的分配系数低于奥氏体相，这些元素加剧裂纹敏感性；为改善焊缝腐蚀（晶间腐蚀），经常在奥氏体不锈钢和镍基合金中加入铌和钛；另一方面，众所周知：凝固过程中MC碳化物的形成可改善裂纹敏感性。这些元素触发MC型碳化物的形成，在凝固过程中将Laves相作为第二相，第二相的数量和形态取决于合金元素。另外，形态结构适当且成分配比理想的话，第二相可以改善材质性能，例如凝固裂纹敏感性和耐腐蚀性。不过，第二相形态结构，即合金元素的类型、含量、组合等对材料性能的影响仍在研究过程中。本论文研究合金元素对全奥氏体不锈钢中凝固裂纹敏感性及第二相形成的影响，试样的基本成分为Fe-24％Cr-26％Ni，加入2％的铌，钛或锆的合金元素，通过对含合金元素的试样测试来验证裂纹敏感性和凝固顺序之间的关系。

   2实验步骤

   2.1 材料与试样制作

   表1所示为所用试样的化学成分：含铌、钛或锆的Fe-24%Cr-26%Ni（24CR-26Ni)不锈钢，合金元素的含量设定为2.0%。试样的制备采用真空感应熔炼及热轧法，试样几何尺寸为：宽100mm×长50mm×厚5mm,采用发射光谱分析仪测量化学成分,下文中，将Fe-24%Cr-26%Ni的基本成分简称为24Cr-26Ni; 此外，还将加入2%合金元素的试样的基本成分简称为2Nb,2Ti和2Zr。

   2.2 凝固开裂敏感性的评估

   采用横向可变拘束抗热裂试验评估凝固裂纹的敏感性，使用钨极气体保护焊，焊接速度0.1m/min，电弧电流120A，弧长2mm。当熔池尾缘移动到试样中心时，试样表面加载弯曲应变，焊接停止；应变增大为4.1%，足够饱和可打开裂缝。

   试验结束后，用扫描电子显微镜(SEM)测量裂纹长度,如图1所示: 在每个裂纹的萌生点处，从液固边界沿法线方向测量裂纹长度; 将裂纹数量、总裂纹长度（TCL）和最大裂纹长度(MCL)作为评价凝固裂纹敏感性的指标。在熔池背面插入热电偶，测量焊接过程的温度变化，利用温度历程将最大裂纹长度转换为脆性温度范围(BTR)。

    通过光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)分析试样的横截面微结构,。采用微聚焦X射线衍射(XRD)分析法确定第二相。试样经硅溶胶终打磨后，用10%草酸电化学刻蚀法制备。此外，利用透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线光谱法(EDX)对第二相的化学分布进行研究；用碳萃取复制法制备TEM样品。

图1裂缝测量方法示意图（线上版本为彩色）

    2.3 凝固计算

    在凝固过程中，凝固裂纹是由收缩应变引起的，所以凝固温度范围ΔT, 即液相线TL与固相线TS之间的温差,是评估凝固裂纹敏感性的重要因素之一；因此, 以Scheil模型为基础进行凝固计算，研究合金元素类型对ΔT的影响，所用计算软件为Thermo-Calc(版本:2017b，数据库:TCFE7)。本实验中，TL为凝固起始温度，TS为95%固相率温度，经过计算得出TL和TS之间的差值ΔT;计算过程中考虑了铬、镍、碳、铌及钛元素，将凝固过程中可能形成的MC碳化物和Laves相作为第二相，然而，计算中没有汇入2Zr；因此，未对2Zr进行凝固计算。在FCC A1相上设置混溶间隙以便区分MC碳化物和形成的奥氏体。

    3 结果与论证

    3.1 裂纹分布及长度

    图2为横向可变拘束抗热裂试验后2Zr的裂纹分布：在熔池尾缘中心处可以观察到长裂纹，所有试样均呈现同样的趋势；另一方面，裂纹的分布，即裂纹的长度和数量随着合金元素类型的变化而不同。

    各试样的TCL和MCL如图3所示，加入合金元素后，TCL和MCL均增大。在24Cr-26Ni中，TCL为9.01毫米, 2Nb中为12.48 mm, 2Ti中为10.52 mm, 2Zr中为10.22 mm。TCL值按照2Nb>2Ti>2Zr的顺序递减；24Cr-26Ni中，MCL为0.68mm；2Ti中的最大MLA值为1.97 mm，是24Cr-26Ni的三倍左右，、MCL按2Ti>2Zr>2Nb的顺序递减。

表1 试样的化学成分 /mass%

图 2  2Zr试样的裂纹分布：（a）横向可变拘束抗热裂试验后2Zr表面；（b）凝固裂纹长度。(线上为彩色版本)

图3 每个试样的TCL和MCL(在线为彩色版)

      图4 每个试样的BTR (在线为彩色版）

    目前为止，TCL和MCL都作为凝固开裂敏感性的评价指标，不过，两者的长度顺序趋势不同; 此外，在2Nb试样情况下，平均出现22条约1mm的裂纹；另一方面，在2Ti试样中，平均出现7.5处约2mm的裂纹；虽然晶粒尺寸会影响敏感性，但每个试样焊缝金属的平均晶粒尺寸几乎相同，故此我们认为合金元素的类型影响裂纹的长度和数量；所以，仅用TCL和MCL直接评价裂纹敏感性的难度较大。焊缝金属的大部分凝固裂纹集中在焊缝中心，沿焊缝方向分布。横向可变拘束抗热裂试验中，由于中心弯曲应变较高，所以长的凝固往往发生在熔池背面的中心部位；此外，弯曲应变足够大时，也能最大限度地打开凝固裂纹。另一方面，很难控制影响TCL的裂纹数量和裂纹位置，因此，我们推荐将MCL和BTR作为横向可变拘束抗热裂试验中评价凝固开裂敏感性的指标。

    图4所示：测量焊接金属的相关温度并记录，通过温度历程将MCL转换为温度范围，得出每个试样的BTR：24Cr-26Ni的BTR显示为92.0℃，该值与310S型不锈钢的BTR值几乎相同，后者通常用作全奥氏体不锈钢。2Ti的BTR为266.9℃, 2Nb为150.1℃, 2Zr为194.1℃，其中2Ti的值最高，大约是24Cr-26Ni的三倍；合金元素对BTR增量的影响有所不同，由于钛的加入使BTR提高了约170℃，因此可推测钛对凝固开裂敏感性有显著影响。