ODS钢超声电弧原位合金化焊接机制研究

以氧化物弥散强化钢（ODS）的熔化焊行为为研究对象，针对ODS钢熔化焊焊缝中出现增强相颗粒烧损、增强相分布不均匀以及气孔问题，采用超声电弧原位合金化焊接方法，通过向焊接熔池中加入微量合金元素或稀土元素，原位生成更加稳定的新颗粒相；通过超声的振动作用加强对熔池搅拌，提高熔池流动性，加快颗粒相扩散，使颗粒相分布均匀；在保护气中加入少量活性气体，减小熔化金属表面张力，改善液态金属流动性，使熔池中气体逸出。通过分析焊缝中增强相颗粒的种类及其与基体金属间界面微观结构形貌，判断增强相颗粒与基体金属的结合方式，利用材料热力学和动力学原理进行界面结合机制和原位反应机制研究。本项目旨在揭示超声电弧原位合金化焊接方法下ODS钢熔化焊焊缝中颗粒相与基体间的作用机制，为ODS钢在聚变堆中的实际应用，提高ODS钢熔化焊接头性能提供理论基础和技术依据。

Oxide dispersion strengthened（ODS）合金是采用机械合金化方法制造的氧化物弥散强化高温合金，其具有耐高温、耐腐蚀、抗辐照肿胀以及较高的热物理性能和力学性能，被认为是最有发展前途的聚变堆包层材料，是现有的堆用结构材料中唯一兼备辐照稳定性和良好高温强度的材料。而要想获得高质量的包层构件，熔化焊的质量是其关键的因素，因此开展ODS合金的熔化焊研究是很有必要的。ODS合金的熔化焊过程中容易出现氧化物弥散强化相的粗化、数量减少，焊缝组织中晶粒粗化，同时还会产生大量气孔等一系列问题。. 本项目采用超声电弧TIG原位合金化焊接方法对MGH956合金(ODS钢)进行焊接。在焊接过程中施加超声电弧后，焊缝气孔数减少，并随着超声电弧激励电流和激励频率的不同，减少的程度不同，在超声频率为30KHz和激励电流为30A时气孔数量最少；在此参数下，填充高Ni固体焊丝比填加基体材料最终获得的接头强度更高，接头抗拉强度为615MPa，达到母材抗拉强度的85%。填加T/P92焊丝，在超声电弧的作用基础上，在保护气中填加0.5%的CO2，减小了熔化金属表面张力，改善液态金属的流动性，不仅使熔池中气体更容易逸出同时焊缝的组织更加细化，呈均匀的等轴晶，焊接接头的抗拉强度得到明显提高，焊接接头呈韧性断裂。通过向焊接熔池中加入微量合金元素或稀土元素，原位生成更加稳定的新颗粒相，实验中分别填加了含Y2O3、Fe2O3、La2O3、V、B4C的填充材料，在焊缝中生成了更多的细小弥散分布的增强颗粒，接头的抗拉强度得到提升。填加ωV=1.5%的填充材料，晶粒最细、尺寸均匀，同时焊缝中的气孔量有所减少，对焊缝中的颗粒进行物相鉴定可知，除了有YAlO3、TiC和TiN颗粒生成外还有(Ti,V)C复合颗粒生成且焊缝内的碳化物颗粒与焊缝基体结合良好。对焊接后的焊接接头进行热处理，晶界上的偏聚明显减少，增强相的分布更加均匀。填加ωB4C=1.5%的填充材料后，焊缝以等轴晶为主，晶粒细小均匀，没有明显的氧化物聚集现象，晶内和晶界都有增强相且焊缝抗拉强度最高，达到630MPa，为母材强度的87.5%，断口呈脆性断裂。. 本项目揭示了超声电弧作用机制，不同元素原位合金化焊接方法的颗粒相与基体间的作用机制，为ODS钢在聚变堆中的实际应用， ODS钢熔化焊接接头性能提供理论基础和技术依据。