國產ERNiCrMo-3鎳基合金焊絲熱加工成型技術研究

袁珊珊 劉海定 王小巖 臧曉飛 李永友 王東哲

摘要：針對鎳基合金焊絲在成分控制、工藝制造穩(wěn)定性、外觀成型質量等方面均與進口產品存在較大差異的現象，通過ERNiCrMo-3鎳基合金焊絲成分設計優(yōu)化、VIM+ESR和VIM+VAR雙聯冶金、鍛造+熱軋的熱加工成型技術以及退火工藝調整，使成品焊絲達到較高的純凈度和均勻度。同時利用SEM、EDS、顯微硬度等組織表征手段對成品焊絲的化學成分、微觀結構和力學性能做出詳細分析。結果顯示，成品焊絲各項指標均達到國內外標準要求。文中涉及的雙聯冶金技術和退火工藝技術為鎳基合金焊絲的工業(yè)生產提供了技術指導，并適用于其他特殊合金焊材的生產和應用推廣。

關鍵詞：鎳基合金焊絲;熱加工工藝;合金成分;退火工藝

中圖分類號：TG422.3? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0111-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.22

0? ? 前言

隨著三聯冶煉、爐外精煉等技術在我國鋼鐵行業(yè)中的成熟運用，近年來鋼材的生產水平取得了長足的進步[1]。但是鋼材和焊材生產分屬不同行業(yè)，國內焊材的自主研發(fā)能力遠滯后于鋼材，尤其是針對高溫壓力容器制備中常用的高性能特殊合金焊材[2-3]，目前主要依靠進口。這是由于特殊合金焊材要求具有純凈度高、均勻性好、表面質量優(yōu)異、焊接性能穩(wěn)定以及焊接成形性佳等特點[4-6]，而國內焊材的生產普遍采用傳統合金的生產工藝流程，加工工藝的落后導致很難生產出高純凈度、高均勻度的精細特殊合金焊材[7]。因此，為滿足國內市場對高性能特殊合金焊材的迫切需求，推動我國核電、火電和化工等相關裝備制造行業(yè)的自主化發(fā)展，重視特殊合金焊材生產工藝優(yōu)化，加大力度研制高質量的特殊合金焊絲十分必要。

鎳基合金焊接材料包括焊條、焊絲、藥芯焊絲、埋弧焊焊材（實心焊絲和焊劑），以及帶極堆焊焊材（焊帶及焊劑）。Inconel600鎳基合金是一種鎳-鉻-鐵基固溶強化合金，其耐高溫腐蝕和抗氧化性能良好、熱加工和焊接工藝性能優(yōu)良，配套焊絲主要是FM-82[9-10]。Inconel690鎳基合金具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕和抗晶間應力腐蝕開裂的能力，主要用于壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管材料，其配套焊絲FM-52和ERNiCrFe-7被廣泛應用于接管安全端、管子-管板等關鍵位置的焊接[11-13]。Inconel 625合金是以Mo、Nb為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，從低溫到980℃均具有良好的拉伸性能和疲勞性能[14]，廣泛應用于制造航空發(fā)動機零部件和化工設備。其配套焊絲ERNiCrMo-3主要用于熔化極氣體保護焊或鎢極惰性氣體保護焊[15]，配套焊條ENiCrMo-3 也被廣泛應用于石油化工、海洋工程以及液化天然氣（LNG）儲罐產品的焊接[16]。

國外進口ERNiCrMo-3焊絲具有以下優(yōu)點：（1）有害元素含量比較低;（2）具有細小均勻的顯微組織，主要為奧氏體組織和少量碳氮化物，平均晶粒度達到7.5～8級;（3）強度、硬度都比較高，部分焊絲維氏硬度達400HV0.2，加工成型技術水平較高。文中從成分調控、熱塑性加工、熱處理參數配置等方面對ERNiCrMo-3鎳基合金焊絲的熱成型工藝進行分析，完成高性能ERNiCrMo-3焊材的研發(fā)，使焊絲達到較高的純凈度水平，符合國內外產品標準的要求。文中涉及的工藝方法和生產程序適用于工業(yè)批量生產并可推廣至其他特殊合金焊材的生產研發(fā)。

1 ERNiCrMo-3焊絲制造工藝

1.1 化學成分

根據ASME、AWS 等標準要求，通過與進口樣品的成分分析比對，由重慶材料研究院自主研發(fā)優(yōu)化的ERNiCrMo-3化學成分如表1所示。

1.2 焊絲制備工序

焊絲制備工序為：真空感應熔煉→電渣重熔→鍛造→熱軋→退火→拉絲→酸洗→拉絲→氫氣退火→拉絲→成品等。由于焊絲直徑很小，必須采用多種熱加工工藝相結合的方式進行變形。試驗采用鍛造+熱軋的熱加工成型，并結合后續(xù)冷拔+退火的冷加工成型工藝，以達到改善合金組織均勻性、細化晶粒、提高性能的目的。

具體流程為：在500 kg爐內投料1 000 kg，使用真空感應熔煉（VIM）+電渣重熔（ESR）雙工藝路線，開展試制研究，雙真空鋼錠照片如圖1所示。將鋼錠鍛造成80 mm×80 mm方坯，熱軋至φ8 mm的盤圓，冷拔至φ1.6 mm。為改善表面質量不佳的問題，采用弱酸酸洗（醋酸），繼續(xù)拉至中間尺寸φ1.4 mm，最終拉拔至φ1.2 mm成品狀態(tài)。

1.3 焊絲生產中應注意的問題

1.3.1 超純凈冶煉技術

超純凈是高質量焊材的重要基礎，必須從精選原輔材料就開始加以控制。在進行真空感應熔煉時，使用高純凈單質金屬為原料，在合金化最佳時機分時添加大小料。采用第一次高溫、高真空度加長時間，第二次低溫、充分攪拌，結合高真空、特殊保護氣氛，以達到高溫去雜、低溫脫氣，實現了主要成分的精確控制，以及S、P、Co、N、H、O等雜質元素的嚴格控制。從而獲得成分穩(wěn)定、雜質含量低的合金鋼錠。

1.3.2 熱塑性加工成形

經真空感應熔煉（VIM）+電渣重熔（ESR）雙聯和真空感應熔煉（VIM）+真空自耗重熔（VAR）雙聯冶金工藝生產的鑄錠，成分穩(wěn)定、金屬冶金質量好、鑄態(tài)組織也比電渣前更好。為獲得高均質化的合金，結合重材院特種合金現有生產線特點，采用鍛造開坯+熱軋的方式進行熱加工成型。電渣重熔時采用精心配制的四元系預熔渣，控制適宜的渣池深度、電流和電壓，最終達到繼續(xù)提純、降低夾雜物含量、提高成分均勻性和改善熱加工性能的目的。

1.3.3 熱處理工藝

為消除ERNiCrMo-3焊絲在加工過程中產生的加工硬化，避免斷絲現象，保證材料具有良好的強度和塑性，對試樣退火工藝進行改進。對試樣退火工藝進行探索，采用1 050 ℃×30 min固溶退火+水冷淬火方式，末次退火采用氫氣保護氛圍，結合試樣顯微組織和力學性能的結果，優(yōu)化熱處理參數，以達到改善合金組織均勻性、細化晶粒、提高性能的目的。采用CMT4105微型控制電子萬能試驗機對成品焊絲（φ1.2 mm×150 mm）進行力學性能測試，重點關注抗拉強度、屈服強度和延展率。

2 結果與討論

2.1 熱塑性加工工藝

鋼錠鍛造過程中，設計鍛造保溫溫度為1 150 ℃，保溫時間1 h，開鍛溫度≥1 100 ℃，終鍛溫度≥900 ℃，具體鍛造加熱制度如圖2所示。由φ300 mm鋼錠鍛造變形至80 mm×80 mm的方坯，通過優(yōu)化加熱制度，控制鍛造溫度、開鍛溫度、終鍛溫度等參數，獲得組織性能良好且無缺陷的鍛造方坯用于熱軋。

熱軋是在再結晶溫度以上進行的軋制。熱軋相比于鍛造來說，軋制比非常大，可以進一步壓合金屬內部缺陷、改善金屬內部夾雜物分布和偏析，獲得高均質化棒料，對于現有生產線來說，小直徑棒材/絲材必須經過熱軋。熱軋用坯料為鍛造方坯，規(guī)格80 mm×80 mm。熱軋成φ8 mm圓盤。熱軋保溫溫度1 150 ℃，保溫時間45 min，開軋溫度≥1 100 ℃，終軋溫度≥900 ℃。

2.2 熱處理工藝

退火溫度與力學性能的關系曲線如圖3所示?？梢钥闯?，當退火溫度超過1 050 ℃時，焊絲的抗拉強度和屈服強度開始下降，延伸率適當增加。為消除ERNiCrMo-3焊絲在加工過程中產生的硬化，避免在拉拔過程中出現斷絲現象，保證材料具有良好的強度和塑性，選定1 050 ℃×30 min的退火工藝，確保材料在拉拔過程中保持合適的強度和塑性。

末次退火工藝對拉拔成型質量和成品均勻性具有重要影響。對ERNiCrMo-3焊絲半成品分別進行大氣退火、真空退火、氫氣退火，退火溫度為1 050 ℃×30 min水冷，再經過0～60%梯度變形量的冷拉拔成型后對絲材取樣進行力學性能測試。ERNiCrMo-3焊絲在大氣退火、真空退火、氫氣退火狀態(tài)下變形量與力學性能的關系如圖4所示。由圖可知， 變形量與力學性能關系變化趨勢大致相同：抗拉強度和屈服強度隨變形量的增大而增大，斷面收縮率和延伸率反之。對于三種熱處理狀態(tài)絲材的理想強度而言，相同變形量條件下氫氣退火狀態(tài)試樣的抗拉強度和屈服強度最高，延伸率和斷面收縮率最小。

大氣退火、真空退火、氫氣退火三種不同熱處理方式對ERNiCrMo-3焊絲硬度的影響規(guī)律如圖5所示。結果表明，三條曲線呈現的力學性能變化規(guī)律基本一致，顯微硬度隨變形量的增大逐漸增大。從影響焊機送絲程度角度考慮往往要求焊絲硬度不能過高，其變形量和硬度需合理匹配。因此，選擇冷拔變形量為30%作為末次退火后的冷拔工藝參數。同時，為了改善退火后焊絲的表面質量，采用氫氣退火方式。

2.3 顯微組織分析

經拉拔成型的焊絲實物照片如圖6所示，成品焊絲表面潔凈度、光澤度較好。觀察焊絲橫截面顯微組織形貌，重點關注非金屬夾雜物、金相組織以及晶粒尺寸等級。焊絲拋光組織和金相組織如圖7所示，依據標準GB/T 10561-2005和GB/T 6394-2017判定樣品的非金屬夾雜物為D類細系1.5級。晶粒組織具有較好的均勻性，含部分孿晶組織和析出相，平均晶粒度為8.0級。

成品焊絲的力學性能結果如表2所示，抗拉強度為1 619 MPa，屈服強度為1 329 MPa。同類進口產品的抗拉強度和屈服強度分別為1 465 MPa和1 316 MPa。所以ERNiCrMo-3成品焊絲的金相組織、晶粒度、非金屬夾雜物和力學性能均滿足標準要求，甚至部分指標比同類進口產品更加優(yōu)異。

3 結論

針對ERNiCrMo-3鎳基合金焊絲，通過對國內外標準和進口樣品的比對分析，獲得ERNiCrMo-3合金成分優(yōu)化設計原則，針對不同元素建立了合理的內控范圍。與國內外同類產品相比，產品焊絲的化學成分、力學性能、金相組織、晶粒度、非金屬夾雜物水平相當，部分指標甚至更優(yōu)，能夠實現替代進口。通過文中研究獲得的關鍵技術具有明顯的共性特點，已成功推廣應用于其他特殊合金絲材的研制和生產，如HG115焊材、ERNiCrFe-7A和ECrMo91B焊材。具體總結如下：

（1）采用鎳基合金焊材雙聯超純凈冶金技術：VIM+ESR雙聯冶金技術、VIM+VAR雙聯冶金技術可生產出較好的鎳基合金坯料。

（2）通過鎳基合金焊材熱加工成型技術和鍛造+熱軋的塑性成型工藝拉拔出表面質量均勻的絲材。

（3）通過氫氣環(huán)境下1 050 ℃×30 min+水冷的退火工藝，提升鎳基合金焊材熱處理技術，完成高純凈度鎳基合金焊絲的研發(fā)與生產。

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