Ni3Al与碳钢或不锈钢的焊接优化方案

1.Ni₃Al与碳钢的焊接

通过加入B、Mn、Cr、Ti、V等合金元素，Ni-Al金属间化合物具有良好的室温塑性和高温强度。与异种材料焊接时，采用熔焊方法的焊缝及热影响区容易产生裂纹，目前Ni-Al金属间化合物异种材料的焊接大多采用扩散焊和钎焊。

碳钢中合金元素含量较少，Ni₃Al与碳钢可以采用不加中间层、直接进行真空扩散焊。焊接参数见表13-17。

表13-17Ni₃Al与碳钢扩散焊的焊接参数

图13-22 Ni₃Al与碳钢扩散焊接头的显微硬度分布

1—1400℃×30min 2—1200℃×60min

Ni₃Al与碳钢之间润湿性及相容性良好，在扩散界面处能够结合紧密，形成的扩散过渡区厚度为20～40μm。加热温度1400℃、保温30min与加热温度1200℃、保温60min时Ni₃Al与碳钢扩散焊接头的显微硬度分布如图13-22所示。

Ni₃Al金属间化合物显微硬度约为400HM，越接近Ni₃Al与碳钢扩散焊界面，由于扩散显微空洞的存在以及扩散元素含量不同，导致Ni₃Al晶体结构发生了无序化转变，显微硬度下降至230HM。而在Ni₃Al与碳钢扩散焊接头中间部位，由于扩散焊时经过一定的元素扩散，组织细小，显微硬度升高至500HM，随后显微硬度下降至扩散焊后碳钢母材的显微硬度200HM。

Ni₃Al与碳钢扩散焊接头能否满足在工作条件下的使用性能，主要取决于扩散焊母材中的各种元素在界面附近的分布。在加热温度1200℃、保温时间60min与加热温度1000℃、保温时间60min、焊接压力2MPa条件下，Ni₃Al与碳钢扩散焊接头的成分分布如图13-23和图13-24所示。

图13-23 Ni₃Al与碳钢扩散焊接头的成分分布（1200℃×60min）

1—Ni 2—Al 3—Fe

图13-24 Ni₃Al与碳钢扩散焊接头的成分分布（1000℃×60min，压力2MPa）(www.xing528.com)

1—Ni 2—Al 3—Fe

加热温度1200℃、保温时间60min时，Ni₃Al与碳钢扩散焊接头的Ni、Al、Fe成分浓度变化主要体现在晶粒边界处，晶粒边界的扩散起主要作用。在扩散界面上，重结晶后的晶粒较大，成分浓度波动较小，只是在接头靠近碳钢一侧的微小区域内，Ni、Al、Fe成分浓度骤然变化到碳钢母材中元素的初始浓度值。加热温度1000℃、保温时间60min、焊接压力2MPa时，温度较低，重结晶现象较少发生、晶粒生长较慢，而压力的作用使Ni₃Al与碳钢晶粒之间的体积扩散占主导，成分浓度变化起伏较大。

2.Ni₃Al与不锈钢的焊接

Ni₃Al金属间化合物具有比不锈钢更高的耐高温性和耐蚀性，在一些对零部件耐高温腐蚀性能要求较高的场合，有时要将Ni₃Al金属间化合物与不锈钢进行焊接。研究表明Ni₃Al与不锈钢可以不添加中间层而直接进行真空扩散焊，其焊接参数见表13-18。

表13-18Ni₃Al与不锈钢扩散焊的焊接参数

加热温度1380℃、保温时间30min与加热温度1200℃、保温时间60min时Ni₃Al与不锈钢扩散焊接头的显微硬度分布如图13-25所示。Ni₃Al与不锈钢扩散焊接头的显微硬度最大升高至450HM，靠近不锈钢母材一侧，显微硬度下降至不锈钢母材的显微硬度值220HM。整个Ni₃Al与不锈钢扩散焊接头的显微硬度连续变化，这主要与接头处微观组织的连续性、晶粒的不断生长及成分浓度的变化有关。加热温度1200℃、保温时间60min条件下，Ni₃Al与不锈钢扩散焊接头的成分分布如图13-26所示。

图13-25 Ni₃Al与不锈钢扩散焊接头的显微硬度分布

1—1380℃×30min 2—1200℃×60min

图13-26 Ni₃Al与不锈钢扩散焊接头的成分分布（1200℃×60min）

1—Ni 2—Al 3—Fe

不锈钢中合金元素含量较多，Ni₃Al与不锈钢扩散焊接过程中，合金元素的扩散途径较复杂，元素之间的相互影响大，因此Ni₃Al与不锈钢扩散焊接头元素浓度变化起伏较大，形成的中间化合物结构也较复杂。