裴冲 吴欣 程耀永 李文文 李思思 熊华平

摘要：采用BNi82CrSiB（BNi-2）钎料真空钎焊1Cr12Ni3MoVN不锈钢材料，分析了接头的组织和力学性能。结果表明：BNi82CrSiB钎料可用于真空钎焊1Cr12Ni3MoVN不锈钢，采用1 070 ℃/15 min钎焊工艺能够形成完整接头;1 070 ℃/15 min钎焊之后增加940 ℃/1 h扩散处理，钎缝宽度减少，组织更加均匀，接头的室温平均抗拉强度提高至382.0 MPa，较未经扩散处理接头强度提升约50%;拉伸试样断口呈脆性断裂特征，断裂位置为焊缝处。

关键词：BNi82CrSiB（BNi-2）;1Cr12Ni3MoVN不锈钢;钎焊;扩散处理

中图分类号：TG454，TG457.11     文献标志码：A     文章编号：1001-2003（2020）09-0268-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.31

0 前言

1Cr12Ni3MoVN（S/SJ2）为12%Cr型低碳马氏体耐热钢，是我国从英国罗尔斯-罗伊斯公司（罗罗公司）引进的材料，该材料主要用于英国斯贝MK202发动机高温部件的制造[1]。钢中加入Mo、V、N等元素，用于提高钢的高温性能;加入Ni元素，用于平衡δ-Fe的含量，以避免过多的铁素体造成材料韧性下降[2]。该材料具有较好的强度、韧性和抗氧化性能，目前已经用于多种航空发动机的高压进氣匣、导向叶片、压气机盘、压气机叶片、涡轮等零部件的制造[3]。

如采用传统的熔焊方法焊接1Cr12Ni3MoVN不锈钢，焊后不锈钢的强度与硬度增高，但塑性和韧性会降低， 加之焊后残余应力与材料本身的淬硬倾向共同作用，容易出现冷裂纹，会增加焊接难度[4-5]。相较于熔焊方法，如采用钎焊方法焊接1Cr12Ni3MoVN不锈钢则对母材的不利影响较小，且焊接过程造成的应力和变形较少，不易产生裂纹，更加适用于精密零部件的焊接。

BNi82CrSiB（BNi-2）钎料为Ni-Cr-Si-B系钎料，在以Si和B为降熔元素的镍基钎料中，其熔化温度最低（970～1 000 ℃），可在较低的温度下进行钎焊，且具有较好的钎焊工艺性能，广泛用于不锈钢及高温合金的钎焊[6]。文中采用BNi82CrSiB钎料真空钎焊1Cr12Ni3MoVN不锈钢材料，研究钎焊及扩散处理对钎焊接头组织及性能的影响。

1 试验材料和方法

试验母材为棒状1Cr12Ni3MoVN不锈钢，尺寸为φ14 mm×40 mm，其主要化学成分见表1。采用的钎料为-150目粉末状BNi-2，其主要化学成分及熔化温度见表2。试验前试样采用丙酮超声清洗对表面进行清洁处理。

接头的金相试样和力学性能试样均为对接试样，采用高温合金箔带对试样进行点焊定位。试样连接稳定之后，将钎料粉末放置在试样上方预先开好的V形槽中，滴加粘结剂固定。连接时，钎料粉末熔化并流入缝隙之中形成接头。

在L1215Ⅱ-1/ZM型真空钎焊炉中进行钎焊试验，钎焊时的热态真空度不低于1.0×10-2 Pa。试样分为两组，钎焊制度皆为1 070 ℃/15 min，第一组试样钎焊后炉冷，第二组试样钎焊结束后冷却到940 ℃，保温1 h，进行扩散处理。

2 结果及讨论

2.1 钎焊接头的组织

两组试样采用BNi-2钎料在1 070 ℃/15 min钎焊后接头焊缝组织在扫描电镜下的照片如图1所示，两组试样近缝区处的电镜照片如图2所示，对两组典型试样的焊缝及近缝区各相的能谱分析列于表3。

由图1可知，两组试样都形成了完整接头，接头组织致密。焊缝处的主要元素为Ni、Cr、Si，不同区域的这几种元素的质量比和钎料本身的相关元素质量分数相近，两组试样的钎缝元素及配比没有明显的变化，焊缝处部分元素的分布如图3、图4所示。从表3中各相的结果来看，B元素含量明显降低，应向母材方向进行了扩散转移。由图3中Si元素的分布可知，图1a中A类型区域中Si元素分布较少，Ni和B元素较多，推测为Ni-B相。Si元素主要分布在图1a中B类型区域，且A的边界处存在Si元素的聚集，在A和图1b中C区域形成低Si的相。硅化物较脆，在A边界形成聚集可能会造成强度降低。

近缝区的主要元素为Cr、Fe、Ni、B。图2中的深灰区域（E区、G区）的B元素含量明显高于母材中B的含量，此部分应为母材和钎料元素相互扩散之后形成的B元素的聚集区域。B的原子半径小，扩散速度快，且作为降熔元素，其在BNi82CrSiB钎料中的含量较高，母材中应有适合作为B元素快速扩散通道的晶界，因此在图2a中E区和图2b中G区的含量较高[8-9]。同时，该部分的Cr元素含量也有提升，应为与焊缝钎料相互扩散所致。图2中的浅灰区域（F区、H区），Ni元素的含量稍高于母材中的含量，应为钎料中充足的Ni元素扩散造成的。

从图1可知，1 070 ℃/15 min工艺钎焊的接头钎焊缝较1 070 ℃/15 min+940 ℃/1h的钎焊缝更宽一些，前者宽度约为190μm，后者宽度约为145μm。经过扩散处理，钎料和母材间元素扩散程度更大，焊缝处组织更加均匀，图2中经过扩散处理的接头近缝区位置钎缝和母材的扩散反应区较未经扩散处理的接头更宽。钎焊后增加了扩散处理步骤，钎缝中主要元素分布产生了变化，形态也有所改变，扩散前图1a中A区域的相呈不规则的长条状分布，经过扩散处理聚集形成了图1b中C区域所示的大块状分布，该区域边界的Si元素聚集现象有所缓解，Si在其他区域分布更加均匀。近缝区处的各相经过扩散处理，元素含量及形态无明显变化[10]。

2.2 力学性能

钎焊后的试样根据金属力学性能试样图册（标准号：Q/6S 977-2004）[11]机械加工成M2504-S020标准拉伸试样，如图5所示。根据构件的实际使用情况，测试了接头室温条件下的抗拉强度，结果如表4所示。

由表4可知，采用1 070 ℃/15 min工艺钎焊的试样经过940 ℃/1 h扩散处理之后，接头的力学性能明显提升，平均值提升127.3 MPa，较未做扩散处理的接头提升约为50%，这与上文中钎焊接头组织分析结果一致。

2.3 断口分析

1 070 ℃/15 min+940 ℃/1 h工艺试样的拉伸断口形貌如图6所示。拉伸试样的断口处平直，与轴线几乎成90°，为脆性断裂特征。观察断口截面可知，接头断裂位置为焊缝中央附近，如图7所示。对图8所示的断口位置，局部进行能谱分析，结果如表5所示。通过比对断口处几个区域的主要元素，推断接头的断裂路径应是穿过了焊缝的图1b所示的C类型区域。

3 结论

（1）BNi82CrSiB（BNi-2）钎料适用于真空钎焊1Cr12Ni3MoVN不锈钢，能够形成完整接头。

（2）在1 070 ℃/15 min钎焊工艺之后增加940 ℃/

1 h扩散处理，钎缝宽度减小，内部组织更加致密均匀，近缝区的组织无明显变化。

（3）在1 070℃/15 min钎焊工艺后增加940 ℃/

1 h扩散处理，使接头的平均室温抗拉强度提高至382.0 MPa，较无扩散处理提升约50%，但是这种条件下，拉伸后试样断口仍然呈脆性断裂特征，断裂位置为焊缝处。

参考文献：

[1] 胡胜天， 刘永， 王建坤， 等. 1Cr12Ni3MoVN钢渗氮层的组织与性能[J]. 金属热处理， 2019， 44（6）： 6-10.

[2] 胡勝天. 1Cr12Ni3MoVN钢调质与气体渗氮工艺研究[D]. 黑龙江： 哈尔滨工业大学， 2017.

[3] 周清泉， 帅歌旺， 刘泽民， 等. 1Cr12Ni3MoVN不锈钢TIG焊接工艺及接头性能[J]. 焊接， 2016， （7）： 41-44.

[4] Li Dongjie， Lu Shanping， Li Dianzhong， et al.  Effect ofstructural parameters of double shielded TIG torch on the fusion zone profile for 0Cr13Ni5Mo martensitic stainless steel[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2014， 30（9）： 922-927.

[5] 闫磊， 李许明， 李凯峰， 等. 回火工艺对1Cr12Ni3MoVN钢组织和性能的影响[J]. 金属热处理， 2020， 45（3）： 196-199.

[6] 张启运， 庄鸿寿. 钎焊手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2008.

[7] GB10859-89， 镍基钎料[S].

[8] 周媛， 毛唯， 李晓红. BNi82CrSiB钎料钎焊DD6单晶合金接头组织及力学性能研究[J]. 材料工程， 2007（5）： 3-6.

[9] 李晓红， 毛唯， 郭万林， 等. DD6单晶合金过渡液相扩散焊工艺[J]. 焊接学报， 2005（4）： 51-54.

[10] 潘晖， 赵海生， 刘永超， 等. 扩散处理对镍基高温合金大间隙钎焊接头组织和性能的影响[J]. 电焊机， 2016， 46（7）：4-7.

[11] Q/6S 977-2004， 金属力学性能试样手册[S]. 2004.

Microstructures and mechanical properties of

brazing 1Cr12Ni3MoVN stainless steel joints with BNi82CrSiB filler metal

PEI Chong， WU Xin， CHENG Yaoyong， LI Wenwen， LI Sisi， XIONG Huaping

（Welding and Plastic Forming Research Institute， Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095，China）

Abstract： In this study， the brazing experiments of 1Cr12Ni3MoVN stainless steel were carried out using BNi82CrSiB （i.e. BNi-2） filler metal. Microstructure and mechanical property of the brazed joints were analyzed. The results revealed that sound joints could be obtained by using BNi-2 filler metal brazed at brazing temperature of 1 070 ℃ for 15 min. The diffusion treatment at temperature of 940 ℃ for 1h after brazing at 1 070 ℃ could decrease the width of seam and refine the microstructure. After diffusion treatment， the average tensile strength of the joint was obviously increased up to 382.0MPa， but the tensile specimen still exhibited brittle fracture mode and the fracture occurred in the brazing seam.

Keywords： BNi82CrSiB（BNi-2） filler metal; 1Cr12Ni3MoVN stainless steel; brazing; diffusion treatment