國(guó)產(chǎn)WNi 690焊條熔敷金屬高溫失塑裂紋敏感性研究

谷 雨，黃逸峰，張俊寶，余 燕

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

0 引言

690鎳基合金是核電裝備用關(guān)鍵材料，因具有優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕能力、優(yōu)良的性能，已經(jīng)成為鎳基合金首選材料，廣泛用于接管安全端及耐蝕堆焊層焊接[1]。但690鎳基合金具有焊接性差、焊縫金屬液態(tài)黏度大等特點(diǎn)，存在焊接裂紋一直未完全解決的技術(shù)難題，尤其具有較高的高溫失塑裂紋(DDC)。DDC 是一種發(fā)生在固相線以下某一溫度區(qū)間(通常為熔點(diǎn)溫度的0.5～0.8倍)的微小沿晶裂紋，常規(guī)的無損檢測(cè)方法難于發(fā)現(xiàn)。目前，ASME規(guī)范Ⅱ卷C篇SFA-5.11對(duì)鎳基合金焊材彎曲試驗(yàn)中，彎曲試樣拉伸面上的熔敷金屬僅允許3個(gè)長(zhǎng)度不大于2.5 mm的開裂缺陷，但長(zhǎng)度小于0.4 mm和在試樣棱角上的裂紋不計(jì)。微小裂紋的存在并不影響焊接工藝評(píng)定中常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，但核電設(shè)備在高溫高壓以及腐蝕環(huán)境下服役，微裂紋很容易由裂紋源擴(kuò)展成宏觀裂紋，對(duì)核設(shè)備的安全可靠運(yùn)行造成危害[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)核電工程大量使用的690鎳基合金焊接材料，包括ENiCrFe-7焊條、ERNiCrFe-7A焊絲、EQNiCrFe-7A 焊帶/焊劑，基本為外國(guó)公司的產(chǎn)品。為突破技術(shù)瓶頸，開展國(guó)產(chǎn)化工作，本文針對(duì)690鎳基合金手工電弧焊用國(guó)產(chǎn)WNi 690焊條，開展堆焊層熔敷金屬應(yīng)變開裂試驗(yàn)(strain-to-fracture,以下簡(jiǎn)稱STF試驗(yàn))，與目前國(guó)際主流Inconel 152焊條進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)國(guó)產(chǎn)焊條堆焊金屬的DDC敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用直徑?4.0 mm的國(guó)產(chǎn)WNi 690焊條和Inconel 152焊條，其焊接工藝參數(shù)見表1?？紤]到焊材使用過程中焊接參數(shù)的波動(dòng)，對(duì)于WNi 690焊條還采用較高的熱輸入堆焊試驗(yàn)，堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分見表2，可以看出，焊接參數(shù)對(duì)熔敷金屬化學(xué)成分影響較小。為避免母材稀釋影響，堆焊層厚度≥8 mm，STF試樣取自堆焊層熔敷金屬表面，垂直于焊接方向取樣。

表1 焊接參數(shù)

表2 WNi 690與Inconel 152堆焊熔敷金屬化學(xué)成分 %

基于Gleeble熱力耦合試驗(yàn)機(jī)的STF試驗(yàn)由Nissley等[5]提出，主要是通過試樣開裂的臨界應(yīng)變及對(duì)應(yīng)的溫度來評(píng)價(jià)材料的DDC敏感性。試驗(yàn)采用某公司Gleeble-3500熱力耦合試驗(yàn)機(jī)，STF試樣尺寸如圖1所示。將試樣以100 ℃/s的速度加熱到設(shè)定溫度(700，800，900，950，1 000，1 050，1 100,1 200 ℃)后，先保溫約10 s，此時(shí)試樣可自由熱膨脹；然后開始以0.1 mm/s恒定速率加載試樣到設(shè)定位移，保持10 s；隨后自然冷卻，試樣隨溫度下降自由收縮。分析試樣在不同溫度、不同應(yīng)變下的裂紋數(shù)量，得到試樣在不同溫度下的臨界應(yīng)變，表征熔敷金屬的DDC敏感性。

圖1 STF試樣結(jié)構(gòu)尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 STF試驗(yàn)結(jié)果

在STF試驗(yàn)過程中，整個(gè)拉伸試樣變形不均勻，隨著溫度的升高，變形開始集中于試樣中心10～15 mm區(qū)域，且逐漸減小。采用Imager A1m光學(xué)顯微鏡，對(duì)STF試驗(yàn)中的拉伸試樣表面放大50倍進(jìn)行觀察，統(tǒng)計(jì)微裂紋數(shù)量。統(tǒng)計(jì)的平均應(yīng)變量范圍是試樣中心4 mm以內(nèi)的區(qū)域。STF試驗(yàn)中堆焊層熔敷金屬1 050 ℃下應(yīng)變量與裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 不同應(yīng)變量的裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖2示出國(guó)產(chǎn)WNi 690焊條及進(jìn)口Inconel 152焊條堆焊層熔敷金屬STF試驗(yàn)溫度和應(yīng)變量的關(guān)系?？梢钥闯觯S著試驗(yàn)溫度的提高，國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口690焊條熔敷金屬臨界應(yīng)變減小，裂紋最敏感的溫度區(qū)間均為1 000～1 100 ℃，Inconel 152焊條熔敷金屬最低臨界應(yīng)變?chǔ)舖in對(duì)應(yīng)溫度在1 050 ℃附近，約為4%，WNi 690焊條熔敷金屬εmin約為5%，與進(jìn)口Inconel 152焊條相比，在相同的溫度下，WNi 690焊條熔敷金屬具有更高的臨界應(yīng)變。熱輸入對(duì)于熔敷金屬的臨界應(yīng)變影響較為明顯。在相同的試驗(yàn)溫度下，隨熱輸入增大，熔敷金屬的臨界應(yīng)變?cè)降?，裂紋敏感性越高，在1 050 ℃時(shí)，高熱輸入熔敷金屬最小臨界應(yīng)變僅為3%。因此，為控制DDC，在產(chǎn)品焊接中應(yīng)盡量避免采用較高熱輸入的焊接工藝。

圖2 臨界應(yīng)變與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線

在核電站設(shè)備制造中，690鎳基合金焊條電弧焊除用于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、徑向支撐塊等部件焊接外，廣泛用于管板中心區(qū)域的堆焊。某外國(guó)公司生產(chǎn)的埋弧焊焊帶Inconel 52M及焊劑是管板堆焊中常用的焊接材料，圖3示出Inconel 52M焊帶埋弧堆焊層與WNi 690焊條堆焊層熔敷金屬STF試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯?，埋弧堆焊層與焊條堆焊層熔敷金屬在STF試驗(yàn)中具有相同的變化趨勢(shì)，臨界應(yīng)變隨溫度的升高逐漸減小，Inconel 52M焊帶埋弧堆焊層與WNi 690焊條堆焊層熔敷金屬最小臨界應(yīng)變基本相同，在1 050 ℃附近達(dá)到最小值，均為5.5%，隨后在1 100 ℃處少量恢復(fù)。

圖3 焊條與焊帶熔敷金屬臨界應(yīng)變對(duì)比

2.2 分析與討論

高溫條件下變形不均勻及塑性儲(chǔ)備不足是DDC的主要形成機(jī)理。高溫下由于變形主要集中在晶界上，所以當(dāng)塑性變形量超過晶界所能承受的變形量時(shí)，就容易出現(xiàn)高溫低塑性裂紋。裂紋趨向于在垂直于加載方向的晶界上萌生擴(kuò)展，晶界取向差增大，則裂紋出現(xiàn)的概率增大[6-7]。

采用NOVA NanoSEM 230型掃描電子顯微鏡(SEM)的二次電子和背散射電子成像觀察試樣的微觀組織。通過AZTec HKL Max型電子背散射衍射分析儀(EBSD)的反極圖得到堆焊金屬的晶粒形貌和晶界角度，對(duì)其輸出的歐拉角數(shù)據(jù)處理，可以得到晶粒內(nèi)部相對(duì)于平均取向的取向差角度分布，并以云圖顯示，獲得晶界角度和高溫失塑裂紋的關(guān)系。WNi 690焊條常規(guī)參數(shù)和較高熱輸入下熔敷金屬晶粒取向見圖4(a)(b)，其以[001]方向?yàn)橹鳎嬖谏倭縖101]方向的晶粒。常規(guī)參數(shù)獲得的熔敷層金屬微觀結(jié)構(gòu)為不同取向的小晶粒分散在大的晶粒內(nèi)部，但高熱輸入下，存在不同取向的較大晶粒聚集區(qū)，因此這部分取向差會(huì)比較大。研究表明，DDC傾向于沿著大角度晶界開裂和擴(kuò)展，大角度晶界比例越大，尤其是在30°～45°的取向差范圍的晶界比例越大，將易于發(fā)生晶界開裂。

與WNi 690焊條堆焊熔敷金屬相似，Inconel 152焊條堆焊層熔敷金屬的晶粒取向較為均一(見圖4(c))，但是，WNi 690熔敷金屬內(nèi)存在大量的小晶粒，從而使晶界更加曲折，而進(jìn)口Inconel 152焊條的堆焊層大角度晶界在DDC敏感的30°～45°范圍內(nèi)所占的比例也略高。

圖4 堆焊金屬晶粒取向示意

(a)WNi 690常規(guī)參數(shù)

堆焊層熔敷金屬SEM分析結(jié)果表明，WNi 690熔敷組織中存在大量的偏析區(qū)域和枝晶間析出相(見圖5(a)(b))，析出相主要是MC 和M23C6析出物[8-10]。常規(guī)參數(shù)下的枝晶間區(qū)域的偏析區(qū)域更加連續(xù)，阻斷了奧氏體晶界，使得晶界更加曲折。但是，常規(guī)參數(shù)下熔敷金屬奧氏體晶界上的析出相遠(yuǎn)少于高熱輸入熔敷金屬，因?yàn)檩^高的熱輸入促進(jìn)了晶界析出相的偏析，同時(shí)可能造成奧氏體晶界的遷移，晶界也變得更加不穩(wěn)定，在高溫下更容易弱化，抗DDC能力降低[11]。

與Inconel 152焊條相比，WNi 690焊條熔敷金屬微觀組織中存在更多的枝晶間析出相，見圖5(c)。析出相通常都是在凝固過程中形成的，影響不同枝晶的合并角度，促進(jìn)了更多小晶粒的形成，使得附近的奧氏體晶界變得更為曲折；同時(shí)，枝晶間析出相的增加消耗了C,Cr等元素，抑制其向奧氏體晶界處的擴(kuò)散，使得大角度晶界上的析出相比Inconel 152焊條也有所減少。曲折形貌和Cr元素的保留提升了奧氏體晶界的相對(duì)強(qiáng)度，因此其抗DDC性能得到提高。

3 結(jié)論

(1)在STF試驗(yàn)中，隨著試驗(yàn)溫度的提高，690熔敷金屬臨界應(yīng)變減小，裂紋最敏感的溫度區(qū)間為1 000～1 100 ℃，隨后，材料的塑性一定程度的恢復(fù)，臨界應(yīng)變也相應(yīng)提高。進(jìn)口Inconel 152焊條熔敷金屬最小臨界應(yīng)變約為4%，國(guó)產(chǎn)WNi 690焊條熔敷金屬最小臨界應(yīng)變達(dá)到5%。

(2)在900～1 200 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，熱輸入對(duì)于STF試驗(yàn)中熔敷金屬臨界應(yīng)變影響較為明顯。在相同的試驗(yàn)溫度下，熱輸入的提高，熔敷金屬的臨界應(yīng)變降低，裂紋敏感性提高，在1 050 ℃下，高熱輸入熔敷金屬最小臨界應(yīng)變達(dá)到3%。因此，在焊接過程中，為控制DDC的出現(xiàn)，應(yīng)盡量控制熱輸入。

(3)690熔敷金屬晶粒取向以[001]方向?yàn)橹?，與Inconel 152相比，WNi 690熔敷金屬晶界更加曲折，小角度晶界比例更高，同時(shí)，大量枝晶間析出相及小晶粒的存在，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)WNi 690熔敷層金屬較Inconel 152焊條具有更低的DDC裂紋敏感性。