GH3535鎳基高溫合金的焊絲匹配及接頭性能對(duì)比

王錦軍 朱麗 陳雙建

摘要：采用ERNiMo-2焊絲和ERNiMo-3焊絲對(duì)GH3535鎳基高溫合金進(jìn)行了焊接，從接頭成形、顯微組織、接頭硬度、拉伸性能及斷口分析等方面綜合對(duì)比了兩種焊絲的焊接性及焊接接頭性能。結(jié)果表明，兩種焊絲在相同工藝參數(shù)下，接頭均可實(shí)現(xiàn)較好的成形情況，兩種焊絲的焊接接頭組織特征接近，熱影響區(qū)出現(xiàn)了碳化物共晶轉(zhuǎn)變現(xiàn)象;顯微硬度分析表明，ERNiMo-3焊絲焊接接頭中焊縫金屬硬度弱于母材，而ERNiMo-2焊絲焊接接頭焊縫金屬硬度與母材相當(dāng);拉伸性能結(jié)果表明，兩種焊絲焊接拉伸試樣均從焊縫處斷裂，ERNiMo-2焊絲焊接接頭的常溫屈服強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率整體要高于ERNiMo-3焊絲焊接接頭，呈現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。綜合而言，ERNiMo-3焊絲更適合于GH3535鎳基高溫合金的焊接應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金;焊絲匹配;焊縫組織;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG 454

Abstract：GH3535 nickel base alloy is welded with two kinds of ERNiMo-2 and ERNiMo-3 wire. Their weldability， microstructure， hardness， tensile property and fracture characteristics of the joints are contrasted. Results show that?the two kinds of welded joints have good weldabilities， and good weld forming are obtained under the same process parameters. Both of the welded joints have similar microstructure， eutectic transformation of carbides are found in the heat affected zone. Mechanical test results show that the microhardness of the weld metal of ERNiMo-3 wire is equivalent to base material and higher than that of ERNiMo-3 wire. Moreover， all the tensile specimens are fractured at weld， and the tensile strength of the weld joint with ERNiMo-2 wire is higher than that of ERNiMo-3 wire. Generally speaking， ERNiMo-2 wire is more suitable than ERNiMo-3 wire for the welding application of GH3535 alloy.

Key words：nickel base superalloy; wire matching; microstructure; mechanical properties

0?前言

熔鹽反應(yīng)堆作為一種以熔鹽為傳熱介質(zhì)的高溫反應(yīng)堆，嚴(yán)苛的高溫和強(qiáng)腐蝕環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出了非常高的要求[1-2]。熔鹽反應(yīng)堆在20世紀(jì)60年代由美國(guó)設(shè)計(jì)和建造，主體結(jié)構(gòu)材料為Hastelloy N合金。在此后的50年里，熔鹽反應(yīng)堆及材料的研究幾乎處于停滯階段。2011年中國(guó)科學(xué)院重啟了可作為第四代反應(yīng)堆的釷基熔鹽反應(yīng)堆（TMSR）先導(dǎo)計(jì)劃。為了滿足熔鹽反應(yīng)堆建造需求，冶煉、制備了GH3535鎳基高溫合金作為TMSR的主要合金結(jié)構(gòu)材料。該合金是在Hastelloy N合金基礎(chǔ)上國(guó)產(chǎn)化的一款高溫鎳基合金，具有非常優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和耐熔鹽腐蝕性能，能夠滿足TMSR 700 ℃服役環(huán)境和載荷條件的使用要求。

焊接作為結(jié)構(gòu)連接中主要的連接工藝，接頭性能對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的服役能力至關(guān)重要。通常要求其焊接接頭具有與母材基本相等的化學(xué)成分、物理與力學(xué)等各方面性能。因此在保證焊接質(zhì)量的前提下，焊接材料的選擇尤為重要[3-4]。目前對(duì)于GH3535鎳基高溫合金及其焊絲的研究和應(yīng)用，目前僅限于熔鹽反應(yīng)堆領(lǐng)域。1960年，為了獲得優(yōu)良的焊接接頭，某研究機(jī)構(gòu)采用多種不同成分焊絲與Hastelloy N合金進(jìn)行焊接，如Haynes SP-16焊絲、Haynes SP-19焊絲和Hastelloy W等，對(duì)比分析了焊接接頭成形質(zhì)量、顯微組織及硬度等性能，發(fā)現(xiàn)Haynes SP-16焊絲焊縫金屬容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，而Haynes SP-19焊絲焊縫金屬存在氣孔缺陷，Hastelloy W焊絲不存在明顯的焊接缺陷，但存在一定的硬化現(xiàn)象[5]。因受限于焊接技術(shù)和材料制備水平，對(duì)于焊絲匹配性的研究存在繼續(xù)挖掘的空間。

對(duì)于TMSR項(xiàng)目結(jié)構(gòu)材料GH3535鎳基高溫合金的焊接，焊絲的選擇關(guān)系到焊接接頭及焊接構(gòu)件長(zhǎng)期服役的安全性和可靠性，是迫切需要解決的關(guān)鍵問題之一，必須通過(guò)全面詳細(xì)的研究來(lái)明確焊絲與母材的匹配性。該試驗(yàn)分別使用ERNiMo-2和ERNiMo-3焊絲對(duì)GH3535鎳基高溫合金進(jìn)行了焊接，并從焊縫成形、組織及力學(xué)性能等角度進(jìn)行了對(duì)比和分析，選出了較為匹配的焊絲類型，為TMSR反應(yīng)堆設(shè)備的焊接制造奠定基礎(chǔ)。

1?試驗(yàn)材料與方法

1.1?試驗(yàn)材料

母材采用由撫順特殊鋼股份有限公司生產(chǎn)的厚度為4 mm的GH3535鎳基高溫合金。焊前，板材首先切割成尺寸為200 mm×100 mm×4 mm的小板，長(zhǎng)邊采用機(jī)加工成V形坡口，坡口角度60°。鈍邊1.0～1.5 mm，間隙1.2～1.8 mm。接頭坡口的具體形式，如圖1所示。

選用由美國(guó)哈氏合金公司生產(chǎn)的1.2 mm ERNiMo-2 和ERNiMo-3兩種焊絲進(jìn)行焊接試驗(yàn)。母材及兩種焊絲的成分見表1。其中ERNiMo-2焊絲與GH3535鎳基高溫合金成分接近，ERNiMo-3焊絲的Mo含量高，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性。

1.2?試驗(yàn)方法

采用奧地利福尼斯TT5000 氬弧焊自動(dòng)焊接專機(jī)進(jìn)行焊接，采用的焊接方法是鎢極氬弧焊，所使用的焊接工藝參數(shù)見表2。該工藝參數(shù)按照ASME BPVC IX 2017 IX卷 《焊接和釬接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)定合格。焊接過(guò)程中使用99.99%純氬對(duì)焊縫正、背面進(jìn)行保護(hù)。

使用0.5 μm金剛石拋光液對(duì)接頭橫截面進(jìn)行拋光，使用腐蝕液（70 mL H2O+10 mL HCl+10 g CuCl2）在常溫下腐蝕30 s，然后采用ZEISS Axio Cam光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察，并使用LEO 1530VP 掃描電鏡對(duì)金相樣品進(jìn)行進(jìn)一步顯微組織分析。

采用ZHV-30維氏硬度計(jì)，載荷4.9 N，對(duì)焊接接頭不同區(qū)域的硬度進(jìn)行了測(cè)試。此外使用 Zwick Z100萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)在25 ℃和700 ℃下對(duì)兩種不同焊絲焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照ASTM E21-2009 《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，屈服前后的應(yīng)變速率分別設(shè)定為0.025 mm/min和2.5 mm/min。拉伸試樣尺寸如圖2所示。

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?焊縫成形對(duì)比

在相同的焊接工藝參數(shù)下，使用ERNiMo-2焊絲與ERNiMo-3焊絲對(duì)GH3535鎳基高溫合金進(jìn)行了焊接，其焊縫的正、背面成形情況，如圖3～4所示。

從焊縫正反面成形對(duì)比可以看出，在相同的焊接工藝參數(shù)下，兩種焊絲都能取得較好的焊縫成形，圖3a和圖4a焊縫正面呈現(xiàn)出銀白色金屬光澤，魚鱗紋較為細(xì)密和均勻;圖3b和圖4b中背面焊縫較為飽滿，焊縫正面、背面沒有存在焊接缺陷。

2.2?微觀組織分析

圖5和圖6分別為ERNiMo-2焊絲和ERNiMo-3焊絲的焊接接頭金相組織。圖5和圖6中從左到右依次為焊縫區(qū)、熔合區(qū)和母材區(qū)。從圖5a和圖6a可以看出，焊縫區(qū)的金相組織均為柱狀晶;圖5b和圖6b熔合線（圖中直線所示）及熱影響區(qū)，熔合線為母材與焊縫金屬的半熔化區(qū)，靠近熔合線附近有少量黑色呈鏈狀分布的析出物（箭頭所示）存在;圖5c和圖6c母材區(qū)為奧氏體組織，晶粒尺寸約為100 μm。由于兩種焊接接頭使用的母材相同，因此熱影響區(qū)和母材的組織特征一致。

圖7為ERNiMo-2焊絲和ERNiMo-3焊絲焊接接頭的熱影響區(qū)，熔合線在焊縫所在方向。從圖7可以看出，在靠近熔合線的熱影響區(qū)，出現(xiàn)了呈層片狀分布的析出相組織，而隨著遠(yuǎn)離熔合線，析出相呈顆粒狀分布。這是GH3535鎳基高溫合金焊接過(guò)程中的一個(gè)典型組織特征。在焊接熱循環(huán)的作用下，固溶態(tài)的GH3535鎳基高溫合金中呈顆粒狀分布的初始碳化物M6C在瞬時(shí)高溫作用下，經(jīng)歷了一個(gè)快速熔化和凝固的共晶反應(yīng)，碳化物從塊狀或顆粒狀的M6C轉(zhuǎn)變?yōu)閷悠蛘叨贪魻頪6]。

圖8為ERNiMo-2焊絲和ERNiMo-3焊絲焊接接頭的焊縫區(qū)域。從圖8a可以看出，焊縫區(qū)沿著晶界析出了大量碳化物，碳化物形狀為枝狀共晶型;而對(duì)于ERNiMo-3焊絲接頭焊縫金屬而言，碳化物數(shù)量較為稀少。

2.3?焊接接頭力學(xué)性能

2.3.1?顯微硬度

圖9為ERNiMo-2焊絲和ERNiMo-3焊絲焊接接頭的維氏硬度對(duì)比。ERNiMo-2焊絲的焊接接頭在熔合線區(qū)域的硬度相對(duì)于母材和焊縫略微降低，焊縫區(qū)域的硬度均值為HV 214，兩側(cè)母材的硬度波動(dòng)在HV 210～215之間，兩者硬度相差不大。而ERNiMo-3焊絲接頭焊縫金屬硬度相較于兩側(cè)的母材和熱影響區(qū)明顯較低，焊縫區(qū)域硬度均值為HV 194，兩側(cè)母材的硬度在HV 210 左右。綜上可知，ERNiMo-2焊絲接頭的硬度要比ERNiMo-3焊絲接頭硬度高，且硬度的變動(dòng)范圍較小。

2.3.2?拉伸性能

表3為ERNiMo-2焊絲與ERNiMo-3焊絲焊接拉伸試樣在常溫和700 ℃下的測(cè)試結(jié)果。

從結(jié)果對(duì)比可知，兩種焊絲焊接接頭均斷裂于焊縫處，這說(shuō)明焊縫金屬是接頭的薄弱位置。從拉伸結(jié)果可知，ERNiMo-2焊絲焊接接頭常溫屈服強(qiáng)度為435 MPa， ERNiMo-3焊絲焊接接頭的常溫屈服強(qiáng)度為396 MPa，比ERNiMo-2焊絲低39 MPa;兩種焊絲的接頭抗拉強(qiáng)度較為接近，分別為733 MPa和726 MPa;而對(duì)于斷后伸長(zhǎng)率而言，ERNiMo-2焊絲接頭和ERNiMo-3焊絲接頭分別為26.0%和29.5%。700 ℃下，ERNiMo-2焊絲焊接試樣的高溫屈服強(qiáng)度均值為250 MPa，比ERNiMo-3焊絲接頭高13 MPa;ERNiMo-2焊絲焊接接頭試樣的抗拉強(qiáng)度為452 MPa，比ERNiMo-3焊絲接頭抗拉強(qiáng)度高23 MPa;兩者的斷后伸長(zhǎng)率相較于常溫時(shí)均有所降低，分別為24.0%和18.5%。整體而言，從兩種焊絲焊接接頭的常溫和高溫拉伸性能可以看出，ERNiMo-2焊絲焊接接頭的常溫和高溫力學(xué)性能均優(yōu)于ERNiMo-3焊絲焊接接頭。這一結(jié)果與硬度測(cè)試結(jié)果一致，ERNiMo-2焊絲接頭焊縫金屬硬度高于ERNiMo-3焊絲。對(duì)于金屬材料而言，硬度與強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)性，同時(shí)也存在線性關(guān)聯(lián)，因此工程上常用測(cè)試材料硬度的方法來(lái)估算其強(qiáng)度[7-8]。從兩種焊絲的顯微硬度結(jié)果可以看出，ERNiMo-2焊絲接頭焊縫金屬硬度與母材相當(dāng)，因此在等強(qiáng)匹配方面，ERNiMo-2焊絲要優(yōu)于ERNiMo-3焊絲。

2.4?斷口形貌分析

焊接拉伸試樣在常溫和700 ℃高溫下拉伸斷口SEM照片。兩種焊絲焊接接頭常溫下拉伸試樣均在焊縫區(qū)斷裂，說(shuō)明焊縫組織是接頭拉伸的薄弱環(huán)節(jié)。由圖10可以看出，ERNiMo-2焊絲常溫?cái)嗫诘捅讹@示斷面存在放射狀的花樣，高倍下斷口上有明顯的韌窩存在。從圖11的ERNiMo-3焊絲焊接接頭低倍常溫?cái)嗫诳梢钥闯?，斷口表面邊緣部分為光滑和明顯的剪切區(qū)，中間為放射區(qū)和纖維區(qū);高倍下可以明顯看出焊縫柱狀晶組織，以及焊縫斷口表面的淺顯韌窩，韌窩的深度和數(shù)量與ERNiMo-2焊絲接頭相近。

圖12和圖13分別為兩種焊絲焊接接頭拉伸試樣在高溫700 ℃的拉伸斷口SEM照片。圖12為ERNiMo-2焊絲焊接接頭高溫拉伸斷口形貌。從圖12a可以看到斷面上存在明顯柱狀晶及其生長(zhǎng)方向，這說(shuō)明接頭斷裂有可能沿著柱狀晶晶間開裂。從圖12b～12c可以看到明顯粗大而稀少的韌窩。圖13為 ERNiMo-3焊絲焊接試樣高溫拉伸斷口形貌。由圖13a可以看出，低倍下斷面較為光滑，呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征;由圖13b～13c可以看出，焊接接頭的韌窩數(shù)量和深度相較于室溫下明顯變少，這說(shuō)明焊縫金屬的高溫塑性相對(duì)較差。與ERNiMo-3焊絲相比，ERNiMo-2焊絲焊接接頭的斷口韌窩深度較大，韌性斷裂特征較ERNiMo-3焊絲明顯，說(shuō)明其高溫塑性要強(qiáng)于ERNiMo-3焊絲接頭，這與表3中力學(xué)測(cè)試結(jié)果相一致。

3?結(jié)論

（1）在相同的焊接工藝下，使用ERNiMo-2和ERNiMo-3焊絲進(jìn)行焊接，均可得到優(yōu)良的焊接成形。

（2）ERNiMo-2和ERNiMo-3焊絲焊接接頭顯微組織特征基本一致，在靠近熔合線附近的熱影響區(qū)，碳化物發(fā)生了共晶轉(zhuǎn)變，呈層片狀結(jié)構(gòu); ERNiMo-3焊縫金屬中碳化物數(shù)量相對(duì)于ERNiMo-2較少。

（3）ERNiMo-2焊絲的焊接接頭硬度與母材相當(dāng)，高于ERNiMo-3焊絲的焊接接頭;并且ERNiMo-2焊絲的焊接接頭常溫、高溫抗拉強(qiáng)度要高于ERNiMo-3焊絲的焊接接頭，ERNiMo-2焊絲與GH3535母材具有較好的等強(qiáng)匹配。

（4）兩種焊絲的焊接接頭拉伸試樣均從焊縫金屬處斷裂，其中ERNiMo-3焊絲的焊接接頭高溫?cái)嗫诔尸F(xiàn)出明顯的光滑斷面，韌窩數(shù)量和深度低于ERNiMo-2焊絲，顯示其高溫塑性特征較弱，與其高溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率較低相一致。

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