Inconel 600 熱電偶套管焊接的組織和性能研究

楊子威　余進　洪浩源　高健　汪海

摘要：采用等離子和TIG分別對Inconel 600 熱電偶套筒進行焊接，研究不同焊接方法對Inconel 600 顯微組織及其性能的影響。母材為全奧氏體組織，主要由γ、γ′（Ni3Al）以及Cr23C6碳化物組成，夾雜著些許氧化物顆粒。結(jié)果表明，等離子接頭中析出的碳化物Cr23C6多于TIG焊接頭，熱影響區(qū)碳化物Cr23C6含量減少。焊縫顯微硬度均低于母材，但等離子接頭的焊縫顯微硬度略大于TIG焊焊縫。

關(guān)鍵詞：Inconel 600;等離子焊;TIG焊

中圖分類號：TG457.2 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0099-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.20

0 前言

Inconel 600合金是鎳-鉻-鐵基固溶強化合金，具有良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能、優(yōu)良的冷熱加工和焊接性能，在700 ℃以下具有滿意的熱敏感性和高塑性[1-2]。它主要應(yīng)用于侵蝕氣氛中的熱電偶套管、氯乙烯單體生產(chǎn)、腐蝕性堿金屬的生產(chǎn)和使用、核反應(yīng)堆、石油化工生產(chǎn)中的催化再生器等各個領(lǐng)域[3]。零部件在高溫服役環(huán)境中會產(chǎn)生一定程度的損傷及缺陷，需及時對其進行修復(fù)或更換，但當損壞區(qū)域較小時，更換整個零部件不僅會增加成本，同時還會增加耗時，降低生產(chǎn)效率[4]。因此研究Inconel 600熱電偶套管的焊接性，對于實際工程具有重要的實用價值。

1 試驗材料及方法

Inconel 600合金的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1、表2所示。焊前采用機械清理和化學(xué)清理相結(jié)合的方法對Inconel 600熱電偶套管進行清理。首先選用合適的細砂紙打磨套管，以去除氧化皮。然后采用丙酮超聲清洗套管30 min，經(jīng)清水和去離子水沖洗干凈后放入烘箱進行烘干待焊。

1.2 焊接方法

采用等離子和TIG兩種焊接方法對Inconel 600熱電偶套管進行焊接，保護氣均為高純度氬氣（純度99.99%），氣流量1 L/min，等離子的離子氣流量為1 L/min，具體工藝參數(shù)如表3所示。

焊后用機械加工方法切取試樣，經(jīng)400#、600#、800#、1000#平磨、拋光后，采用5 g CuCl2+100 mL HCL+100 mL無水乙醇腐蝕后制成金相試樣。采用日本Olympus生產(chǎn)的GX41倒置及Quanta 250F場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡對接頭進行表征。

2 結(jié)果討論

2.1 接頭界面形貌

熱電偶套筒示意如圖1所示，去掉損壞的熱電偶端部，連接上新熱電偶端部，既能提高生產(chǎn)效率，還能降低成本。

等離子和TIG焊接頭的截面形貌如圖2所示，手工TIG焊接頭的焊縫晶粒明顯比等離子接頭焊縫晶粒粗大。

2.2 接頭顯微組織分析

Inconel 600母材及XRD分析如圖3所示，Inconel 600 鎳基合金具有典型的全奧氏體組織，存在大量孿晶，其XRD譜顯示Inconel 600主要有由γ、γ′（Ni3Al）以及Cr23C6碳化物相組成。其中γ′（Ni3Al）相是在γ基體上共格析出，它又是鎳基高溫合金中最重要的強化相。同時Ti等活潑金屬均與N有很強的親和力，容易生成TiN等夾雜物，如圖4所示。C易向晶界擴散，同時為了降低系統(tǒng)的自由能與Cr形成碳化物，以Cr23C6為主，如圖5所示。

根據(jù)凝固學(xué)原理，液態(tài)金屬凝固是形核和長大的過程，主要為異質(zhì)形核。焊接熔池附近的母材處于半熔化狀態(tài)，與凝固形成的新相晶體結(jié)構(gòu)相似，形核所需形核功最小，可以作為形核的良好基地。焊接熔池在形核過程中總是優(yōu)先依附于這些處于半熔化狀態(tài)的母材晶粒表面，在熔合線處與母材形成共同晶粒，即所謂的交互結(jié)晶、外延生長，如圖6a、圖7a所示。熔池外形近似于半球狀曲面，即為液態(tài)金屬結(jié)晶的等溫面，由晶體結(jié)晶理論可知，晶體的最優(yōu)生長方向與熔池散熱最快方向（即最大溫度梯度方向）一致時，晶粒優(yōu)先垂直于等溫面向焊縫中心生長，該方向上焊縫邊緣柱狀晶優(yōu)先長大，如圖6b所示。等離子焊接接頭中存在少量等軸晶，這是因為在凝固后期，中心溫度均勻，表層晶粒沉降、生長中碎斷晶枝沖入并以其為核心，且可向四周均勻生長，形成等軸晶。圖7b為TIG焊接接頭焊縫組織，可以看出焊縫由柱狀晶構(gòu)成，由于TIG采用手工電弧焊，熔池加熱時間長、冷卻速度慢，因此晶粒有充分時間長大，構(gòu)成了全柱狀晶的焊縫組織。晶界處的碳化物穩(wěn)定，在高溫時會發(fā)生長大粗化，晶粒內(nèi)部的碳化物是不穩(wěn)定的，在高溫時會發(fā)生溶解[6]。由圖6a、圖7a可知，焊接熱影響區(qū)的析出物Cr23C6含量明顯下降，Ye的研究表明[7]M23C6的溶解是一種擴散過程，高溫狀態(tài)下M23C6溶解后導(dǎo)致晶粒內(nèi)部 Cr和Mo等合金元素和C元素含量升高。C原子半徑小，在奧氏體內(nèi)部通過間隙擴散的方式運動到晶界。Lipnitskii等[8]研究表明，合金元素在晶界更容易富集沉淀。在高溫時晶粒內(nèi)部 M23C6溶解產(chǎn)生的 Cr、Mo和C元素會向晶界富集，造成晶界處碳化物的長大粗化。

2.3 Inconel 600熱電偶套筒焊接接頭的顯微硬度

Inconel 600 TIG接頭及等離子接頭的顯微硬度如圖8所示。由于TIG焊縫析出物Cr23C6較少，基本溶解，失去了對基體的沉淀硬化作用，合金此時主要以固溶強化和境界強化為主[9]。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系可知，隨著焊縫晶粒尺寸的增大，強度下降，而硬度與強度近似成正比，因此可得出TIG焊縫硬度低于等離子焊縫。

3 結(jié)論

（1）對Inconel 600 熱電偶套筒選取合適TIG焊和等離子焊工藝參數(shù)，得到TIG焊接頭的熱影響區(qū)大于等離子焊接頭的熱影響區(qū)，其中TIG焊接頭熱影響區(qū)大小為250～300 μm，等離子焊接頭熱影響區(qū)為200 μm。

（2）Inconel 600熱電偶套筒等離子和TIG焊縫金屬的相組成與母材的相組成類似，由奧氏體基體 γ 相、γ′（Ni3Al）以及碳化物相（Cr23C6）組成，但等離子相對于TIG焊縫，析出相較多。

（3）焊縫熱影響區(qū)由于受到焊接熱循環(huán)作用，晶粒內(nèi)部碳化物Cr23C6溶解，晶界碳化物粗化。

（4）TIG焊焊縫及等離子焊縫的顯微硬度均低于母材，但TIG焊縫的析出物較少且焊縫晶粒粗大，因此等離子焊縫的顯微硬度略高于TIG焊縫。

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