鎳基合金焊條ENiCrCoMo-1性能試驗(yàn)及微觀形貌分析研究

張瑋 王林森 彭芳芳

摘要：對(duì)兩個(gè)廠家的鎳基合金焊條ENiCrCoMo-1進(jìn)行了工藝性和熔敷金屬性能對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)微觀形貌進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)廠家的鎳基合金焊條ENiCrCoMo-1工藝性能均良好，熔敷金屬成分及力學(xué)性能均滿足國(guó)標(biāo)要求。此外，由于兩個(gè)廠家鎳基合金焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬成分的差異，使其凝固樹枝晶及析出相形貌和分布不同，從而導(dǎo)致其性能存在一定的差異。

關(guān)鍵詞：鎳基合金;焊條;微觀形貌

中圖分類號(hào)：TG? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）03-0047-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.08

0? ? 前言

隨著新的節(jié)能減排政策的實(shí)施，能源和環(huán)境問題日漸突出。雖然國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展水電、核電、風(fēng)電以及太陽能等綠色環(huán)保能源， 但是，由于我國(guó)的一次能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，以煤炭為主體的火力發(fā)電仍然是我國(guó)電力生產(chǎn)的主體。因此，提高火力發(fā)電機(jī)組熱效率，降低CO2、SOx以及NOx的排放量的需求日益迫切。

火力發(fā)電機(jī)組的效率主要取決于機(jī)組的參數(shù)，即蒸汽的壓力和溫度， 參數(shù)越高， 機(jī)組效率越高。但是，火電機(jī)組參數(shù)的提高需要能在高參數(shù)服役條件下長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行的材料。目前，國(guó)內(nèi)高效的超超臨界鍋爐，主蒸汽溫度已達(dá)623 ℃，達(dá)到了現(xiàn)有材料使用溫度的上限，因此，現(xiàn)有材料已無法滿足提高機(jī)組參數(shù)的要求。鎳基高溫合金因具有更好的高溫強(qiáng)度、更長(zhǎng)的蠕變疲勞周期和更好的耐蝕能力，有望取代傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼成為新一代超超臨界電站候選材料。

鎳基617合金是一種以固溶強(qiáng)化為主的Ni-Cr-Co-Mo 型鎳基高溫合金，其化學(xué)成分如表1所示，已納入美國(guó)ASME及中國(guó)GB標(biāo)準(zhǔn)。由于其具有較高的抗蠕變強(qiáng)度和優(yōu)越的耐高溫腐蝕性能，被列入蒸汽溫度為650 ℃以上超超臨界燃煤電站鍋爐過熱器、再熱器以及集箱和主蒸汽管道候選材料。對(duì)于617合金母材，國(guó)內(nèi)外都已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，但對(duì)于其焊接以及焊接材料，尤其是焊條、埋弧焊焊絲和焊劑的研究報(bào)道較少，文中擬對(duì)617鎳基合金焊條電弧焊用焊條ENiCrCoMo-1進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究[1-6]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 焊條的選擇

對(duì)于617合金的配套焊條，ASME BPVC.II.C-2017 SFA-5.11、BS EN ISO 14172：2015以及GB/T13814-2008都有相應(yīng)的規(guī)定，國(guó)外知名焊材廠家（如伯樂、SMC）都有成熟的產(chǎn)品。根據(jù)調(diào)研分析，初步選擇國(guó)外不同知名廠家的617鎳基合金配套焊條ENiCrCoMo-1進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 熔敷金屬成分分析

按GB/T13814-2008分別采用不同廠家焊條ENiCrCoMo-1（φ3.2）堆焊熔敷金屬試件，采用臺(tái)式直讀光譜儀測(cè)試熔敷金屬化學(xué)成分，其結(jié)果如表1所示。

1.3 熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)

按GB/T13814-2008要求制備熔敷金屬力學(xué)性能檢驗(yàn)試件。試板材質(zhì)為SA-387GR91鋼板，規(guī)格為450×125×20，采用兩個(gè)廠家的焊條ENiCrCoMo-1 φ3.2分別焊接試板，坡口如圖1所示。焊接時(shí)，先施焊堆焊層，再填充完成試板焊接，焊接規(guī)范如表2所示。兩個(gè)廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，兩個(gè)廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬均具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME IIC SFA-5.11和GB/T13814-2008規(guī)定，且有較大的裕量;廠家2焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬的沖擊功平均值為91.2 J，比廠家1的多113%，但其強(qiáng)度及硬度平均值比前者低6.3%、7.2%，廠家2焊條ENiCrCoMo-1具有更加優(yōu)良的強(qiáng)韌性能。

1.4 熔敷金屬金相組織分析

光鏡及掃描電鏡下熔敷金屬組織如圖2、圖3所示，其微觀組織均為A+析出相，熱力學(xué)軟件分析表明，析出相可為γ'（Ni3Al，Ti）、M23C6、M6C、μ相（Cr，Co，Ni，F(xiàn)e，Nb）7（Mo，W）6、σ相（Cr，Mo）x（Ni，Co）y等。由圖3可知，廠家1焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬析出相呈團(tuán)聚狀，沿枝晶間分布，晶界較寬;廠家2焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬析出相呈粒狀，沿枝晶間均勻分布，晶界較細(xì)（圖2箭頭所示）。

1.5 熔敷金屬斷口分析

分析熔敷金屬的拉伸試樣斷口發(fā)現(xiàn)，廠家1焊條ENiCrCoMo-1拉伸斷口較平坦，而廠家2焊條ENiCrCoMo-1拉伸斷口粗糙，存在多條二次裂紋。兩個(gè)廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬拉伸斷口微觀形貌如圖4所示。由圖4可知，廠家1焊條ENiCrCoMo-1拉伸斷口二次晶發(fā)達(dá)，撕裂嶺少，枝晶間析出相多，韌窩淺而寬，而廠家2焊條ENiCrCoMo-1拉伸斷口一次晶發(fā)達(dá)，撕裂嶺多，析出物少，韌窩深且分布均勻。兩個(gè)廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬?zèng)_擊斷口微觀形貌如圖5所示。由圖5可知，廠家1焊條ENiCrCoMo-1沖擊斷口二次裂紋少，韌窩淺而寬;而廠家2焊條ENiCrCoMo-1沖擊斷口二次裂紋多，撕裂嶺多，韌窩深且分布較均勻，與拉伸斷口分析結(jié)果一致。

斷口形貌分析表明，兩種焊條熔敷金屬無論在高速的沖擊載荷還是單向恒載拉伸的作用下，斷裂均沿熔敷金屬樹枝晶的晶間擴(kuò)展，兩種焊條熔敷金屬均為胞狀樹枝晶，廠家2焊條ENiCrCoMo-1胞狀樹枝晶較細(xì)小，枝晶臂短;廠家1焊條ENiCrCoMo-1胞狀樹枝晶較粗大，枝晶臂長(zhǎng)，使其更容易產(chǎn)生枝晶間偏析，析出相更易聚集，導(dǎo)致其性能的差異。

2 討論

由表1可知，廠家1焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬成分完全滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME IIC SFA-5.11和GB/T13814-2008，各合金元素含量基本處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的中間值。廠家2焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬成分滿足GB/T13814-2008，但C、Cr、Mo接近下限，Si接近上限;Mn、Si超出ASME IIC SFA-5.11的規(guī)定，C、Cr、Mo接近ASME IIC SFA-5.11規(guī)定的下限，而Al則接近上限，所以不滿足ASME IIC SFA-5.11。

采用相同的焊接工藝下，對(duì)比兩個(gè)廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬的成分，含Ni量較高的廠家2焊條ENiCrCoMo-1，除Ni以外的合金元素總量低于廠家1焊條ENiCrCoMo-1，兩者最大的差別主要在合金元素C、Mn、Fe、Cr、Mo、Al、Ti上，廠家1焊條ENiCrCoMo-1含有較高的C、Mn、Fe、Cr、Mo，但Al、Ti含量很低，廠家2焊條ENiCrCoMo-1恰好相反，含有較低的C、Mn、Fe、Cr、Mo，但Al、Ti含量較高。Mo、Co為固溶強(qiáng)化元素，溶入奧氏體基體，達(dá)到固溶強(qiáng)化的目的;C能與合金元素形成碳化物，具有彌散析出強(qiáng)化作用;Al、Ti是γ'（Ni3Al，Ti）的形成元素，而γ'也是617合金的主要強(qiáng)化相;Cr、Al是重要的抗氧化元素;而Mn、Fe為控制加入微量元素。由此可見，兩種焊條成分各有互補(bǔ)，均可用于617合金的焊接，但從成分上來看，廠家2焊條ENiCrCoMo-1高溫強(qiáng)度可能更好一些。

兩種焊條熔敷金屬的合金元素含量差異，將會(huì)導(dǎo)致析出相的種類及含量不同，還需更深入的研究。

3 結(jié)論

（1）兩個(gè)廠家焊條ENiCrCoMo-1焊接工藝性能良好，能夠滿足工程化應(yīng)用的要求。

（2）廠家1焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬合金成分滿足GB/T13814-2008以及ASME BPVC.II.C-2017標(biāo)準(zhǔn)要求;而廠家2焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬合金成分滿足GB/T13814-2008要求，但不能滿足ASME BPVC.II.C-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）兩個(gè)廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足國(guó)標(biāo)GB/T13814-2008以及ASME BPVC.II.C-2017標(biāo)準(zhǔn)要求，但廠家1焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬?zèng)_擊韌性明顯低于廠家2焊條ENiCrCoMo-1。

（4）在相同焊接工藝條件下，兩個(gè)廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬成分的差異，使其凝固樹枝晶及析出相形貌和分布不同，導(dǎo)致其性能的差異。

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