鐵基合金堆焊層裂紋原因分析及工藝改進(jìn)

朱偉 高俊根 孔永紅 朱建雄 吳金龍 朱勃 張玉慶

摘要：某核電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)在安裝和調(diào)試工作結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)某國(guó)外閥門廠制造的批量閥門的閥座、閥瓣等零件的鐵基合金堆焊表面有裂紋和開裂的情況。在對(duì)典型裂紋零件進(jìn)行系統(tǒng)性的分析和檢測(cè)后，確定了堆焊層裂紋原因?yàn)椋鸿F基合金堆焊及后續(xù)加工過(guò)程中易產(chǎn)生微觀缺陷（如樹枝狀空腔）、加工毛刺、尖銳缺口等裂紋源。通過(guò)優(yōu)化堆焊零件結(jié)構(gòu)和堆焊工藝（增加預(yù)熱或提高預(yù)熱溫度、焊后熱處理等）后，能夠有效降低焊縫中的殘余應(yīng)力，現(xiàn)場(chǎng)反饋改進(jìn)效果良好，為后續(xù)核電項(xiàng)目硬質(zhì)合金堆焊零件制造、加工和檢驗(yàn)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：閥門;鐵基合金;堆焊;高溫失塑裂紋;殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TG441.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0122-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.23

0? ? 前言

閥門常用耐磨性能優(yōu)良的合金，如司太立合金等，在其密封面、導(dǎo)向面等堆焊耐磨層，可有效提高閥門零件的使用壽命[1-5]。在核電機(jī)組中，為避免和減少Co在輻照下的活化，采用非鈷基合金替代含鈷合金制造的零件及耐磨堆焊層在核電設(shè)備中得到了應(yīng)用和推廣[1]。

某核電項(xiàng)目設(shè)備中大量使用了美國(guó)電力研究所（Electric Power Research Institute，EPRI）開發(fā)的NOREM系列鐵基合金堆焊來(lái)形成耐磨堆焊層。但在該機(jī)組安裝、調(diào)試后，目視檢查發(fā)現(xiàn)某國(guó)外閥門廠供貨的一件DN300旋起式止回閥閥座表面有多道貫穿性裂紋和開裂，如圖1所示，而在更大范圍的排查之后，發(fā)現(xiàn)該國(guó)外閥門廠供貨的60余臺(tái)中大閥門（DN200～DN400）的閥瓣、閥座堆焊層均存在裂紋或開裂問(wèn)題。

出現(xiàn)裂紋的閥門零件均為奧氏體不銹鋼（316L）基體上等離子弧堆焊NOREM 02型鐵基合金粉末，且堆焊后零件經(jīng)機(jī)加工、目視檢查、尺寸檢查、硬度檢驗(yàn)及滲透檢查合格，裝配前耐磨層需精磨加工（LAPPING）確保密封效果，精磨后還需滲透檢查確認(rèn)合格（無(wú)線性缺陷、較大圓形缺陷以及密集缺陷）。裝配后的閥門則經(jīng)過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)和多項(xiàng)密封試驗(yàn)驗(yàn)證，以及在核電現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)動(dòng)作試驗(yàn)、系統(tǒng)冷試及熱試等。

統(tǒng)計(jì)、整理出現(xiàn)裂紋問(wèn)題零件的制造、裝配和現(xiàn)場(chǎng)使用情況后發(fā)現(xiàn)，這些裂紋有較大的延遲性，如制造完工的零件至裝配階段至少間隔12個(gè)月以上，而在核電現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)，閥門制造完工最短1 159天，最長(zhǎng)2 775天。

1 鐵基合金堆焊層裂紋問(wèn)題分析

制造廠和核電現(xiàn)場(chǎng)共同挑選多件典型裂紋零件，委托多家專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)堆焊層開裂問(wèn)題開展系統(tǒng)性的全面檢查、檢測(cè)。

1.1 宏觀檢查分析

典型的裂紋宏觀特征如圖2所示?？梢钥闯?，裂紋有三個(gè)特征：（1）從徑向貫穿整個(gè)堆焊層寬度;（2）大多在厚度方向上貫穿整個(gè)堆焊層;（3）極少擴(kuò)展至奧氏體不銹鋼基體中。

1.2 殘余應(yīng)力分析

X射線衍射法和高速鉆孔法測(cè)得堆焊層內(nèi)部應(yīng)力水平大致呈現(xiàn)如下特征：（1）內(nèi)部普遍存在較大的周向殘余拉應(yīng)力，而在厚度方向，距上表面950 μm左右處拉應(yīng)力處于峰值;（2）堆焊層的徑向方向存在較大的壓應(yīng)力水平;（3）開裂區(qū)附近測(cè)得的周向和徑向殘余應(yīng)力處于較低水平（趨近于0）。閥座（47756-1）中一處裂紋附近高速鉆孔法測(cè)得的應(yīng)力水平與堆焊層深度的關(guān)系曲線如圖3所示。

1.3 化學(xué)成分分析及表面硬度檢測(cè)

使用光譜分析儀、碳硫分析儀和氧氮?dú)浞治鰞x分別在閥門零件的有、無(wú)裂紋區(qū)域取樣分析堆焊層化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示，堆焊層除鎳含量略高外，其他元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

對(duì)典型零件堆焊層分別在有、無(wú)裂紋區(qū)域取樣進(jìn)行橫向斷面顯微硬度檢查（HV5），分別對(duì)首層堆焊金屬縱向、第二層堆焊金屬縱向和堆焊層橫向進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試點(diǎn)如圖4所示。硬度檢測(cè)結(jié)果如表2、表3所示，第二層堆焊層區(qū)域硬度為350～440 HV5（按ISO 18265：2003換算為36～44 HRC）;沿母材至堆焊金屬方向硬度逐漸升高;同區(qū)域橫向與縱向方向硬度值較為接近;有裂紋試樣硬度高于無(wú)裂紋試樣。

1.4 斷口形貌分析

在切割未裂母材后沿裂紋打開零件，可觀察到裂紋表面有明顯的氧化現(xiàn)象，典型裂紋斷口宏觀和微觀形貌如圖5所示。掃描電鏡（SEM）顯示：（1）裂紋有枝狀晶開裂現(xiàn)象;（2）第二層堆焊焊縫的熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)樹枝狀空腔。而拉曼光譜發(fā)現(xiàn)裂紋表面有回火氧化現(xiàn)象，且裂紋表面鎳元素含量偏高。

1.5 金相分析

沿堆焊層縱向切開零件后，可以觀察到較多微裂紋，如圖6 所示，這些裂紋普遍位于第二層熔敷金屬的熱影響區(qū)附近，同時(shí)存在沿著晶界和穿過(guò)晶粒延伸和擴(kuò)展的特征，如圖7所示。對(duì)裂紋區(qū)和無(wú)裂紋區(qū)金相組織進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域的組織無(wú)明顯差異。

1.6 EDS/EBSD分析

對(duì)裂紋區(qū)和無(wú)裂紋區(qū)進(jìn)行EBSD分析，結(jié)果如圖8所示，焊縫金屬主要由奧氏體組織組成，在晶界則富集M23C6和M7C3，而韌性較好的鐵素體含量較低[6-8]。

2 鐵基合金堆焊層裂紋產(chǎn)生原因分析

通過(guò)專業(yè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的檢查、檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)這些零件的堆焊層裂紋普遍存在如下特征：（1）各裂紋均沿堆焊層徑向方向（同焊接方向）延伸，且裂紋僅在堆焊金屬內(nèi)部擴(kuò)展，進(jìn)入母材金屬后則迅速消失;（2）堆焊層內(nèi)部存在較大的周向殘余拉應(yīng)力和徑向殘余壓應(yīng)力，周向拉應(yīng)力較大，而徑向的壓應(yīng)力水平則相對(duì)較低;（3）裂紋表面或部分區(qū)域存在回火氧化的現(xiàn)象;（4）微觀上，裂紋呈典型的枝狀晶開裂，呈現(xiàn)沿晶和穿晶共存的特征;（5）在第二層焊道的熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)較多的樹枝狀空腔、非金屬夾雜物等微觀缺陷，以及以這些微腔延展形成的微裂紋，如圖8所示;（6）裂紋的出現(xiàn)有較長(zhǎng)的延遲性。

以上為高溫失塑裂紋（Ductility Dip Cracking）的特征，即：首層堆焊層中樹枝狀空腔和較高水平的殘余應(yīng)力[6-8]。在焊縫α-Fe含量偏低的情況下，樹枝狀空腔以及機(jī)加工造成的微小毛刺等微觀和宏觀缺陷，在拉應(yīng)力和裝配、安裝、調(diào)試過(guò)程中的撞擊、操作動(dòng)作、水錘而產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊等的共同作用下，裂紋逐步向表層和母材擴(kuò)散。

3 防止鐵基合金堆焊層裂紋產(chǎn)生的措施

針對(duì)高溫失塑裂紋的形成和擴(kuò)展機(jī)理，以及鐵基合金材料的特性，從降低堆焊層內(nèi)焊接殘余應(yīng)力方面入手能更好、更有效地降低堆焊層裂紋和開裂的風(fēng)險(xiǎn)。在保證堆焊層硬度和壽命的情況下減少堆焊總量和優(yōu)化焊接工藝措施，是降低最終堆焊層內(nèi)殘余應(yīng)力的有效手段，而增加堆焊層內(nèi)部質(zhì)量檢查方式，則能更早、更有效地排除有裂紋風(fēng)險(xiǎn)的零件。

3.1 調(diào)整堆焊零件結(jié)構(gòu)

優(yōu)化堆焊零件結(jié)構(gòu)，減少堆焊層層數(shù)及厚度和減小堆焊總面積，以期降低堆焊層殘余內(nèi)應(yīng)力水平，零件堆焊層設(shè)置原則由“ 利于連續(xù)施焊 ”改為在保證需要的同時(shí)減少堆焊總量，具體措施如：減少堆焊層寬度、連續(xù)堆焊面改為按需分段堆焊、取消或減薄結(jié)構(gòu)拐角處堆焊等。

3.2 優(yōu)化堆焊工藝

（1）增加預(yù)熱或提高預(yù)熱溫度，采用整體入爐預(yù)熱至300 ℃保溫1.5 h以上。

（2）第一層堆焊層清理后立即焊接第二道，若有焊接工作暫停則必須整體入爐保持層間溫度不低于300 ℃。

（3）堆焊完成立即整體入爐后熱處理，在不低于300 ℃的爐中保持1.5 h后隨爐冷卻或立即進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理。

（4）焊后熱處理的保溫溫度取工藝（400～425 ℃保溫5～5.5 h）要求的上限，同時(shí)降低升溫和降溫速率（不大于50 ℃/h）。

采取優(yōu)化工藝獲得的多個(gè)焊接工藝驗(yàn)證試件（含新焊接工藝評(píng)定試件）經(jīng)表面檢查、渦流檢查、化學(xué)成分、表面及微觀硬度、橫向及縱向金相檢查等多項(xiàng)檢查驗(yàn)證合格，此外縱向全截面宏觀和微觀金相檢查，焊縫中尤其是第二層焊縫的熱影響區(qū)中易延展的樹枝狀空穴和微裂紋數(shù)量和尺寸明顯減少。

3.3 增加產(chǎn)品焊縫無(wú)損檢測(cè)工序

在新工藝評(píng)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品焊接，在零件裝配使用前增加堆焊層渦流檢查，盡早排除有裂紋風(fēng)險(xiǎn)的零件。

4 改進(jìn)措施驗(yàn)證

制造廠通過(guò)優(yōu)化堆焊零件結(jié)構(gòu)、改進(jìn)焊接工藝及增加堆焊層內(nèi)部質(zhì)量檢查工作后，按照改進(jìn)工藝堆焊、加工補(bǔ)供近100件閥門零件，在廠內(nèi)裝配、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試及使用后，未再發(fā)現(xiàn)裂紋問(wèn)題。這初步說(shuō)明優(yōu)化工藝后，鐵基合金堆焊層質(zhì)量有明顯提高。

5 結(jié)論

（1）閥門零件鐵基合金堆焊層產(chǎn)生裂紋問(wèn)題的根本原因?yàn)椋鸿F基合金堆焊及后續(xù)機(jī)加工過(guò)程中，易產(chǎn)生微觀缺陷（如，樹枝狀空腔），加工毛刺、尖銳缺口等裂紋源。

（2）鐵基合金硬度高、脆性大，且α-Fe含量偏低，裂紋擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)大。焊接過(guò)程中零件受熱不均勻，堆焊工藝不合理（如，缺少預(yù)熱、層間溫度控制等），堆焊層中殘余較大的周向焊接拉應(yīng)力，在與閥門動(dòng)作沖擊、水錘沖擊及熱沖擊等共同作用下導(dǎo)致微裂紋擴(kuò)展，最終整條焊縫開裂。

（3）通過(guò)調(diào)整堆焊零件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化堆焊工藝后，能夠有效地降低焊縫中焊接殘余應(yīng)力水平，并輔助以有效的焊縫內(nèi)部檢測(cè)手段，能夠避免裂紋問(wèn)題的再次發(fā)生。

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