Hastelloy C276合金與S30403不銹鋼接頭組織及性能研究

高成龍， 李憲爽， 張 松， 徐祥久,2， 李秋石,2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046；2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，哈爾濱 150046)

0 引言

Hastelloy C276合金是根據(jù)Hastelloy C合金的成分修正而來，是一種鎳基合金，具有優(yōu)良的耐蝕性能，因而被世界各國學者廣泛關注[1-3]。該合金含有較多Mo,Cr元素，其中合金元素Cr會在合金表面生成穩(wěn)定的氧化膜Cr2O3，Mo元素可以增強材料抗還原酸的腐蝕，減少點蝕出現(xiàn)[4-5]。合金元素的存在使Hastelloy C276合金在不同環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能[6]。S30403是目前應用最廣泛的一種奧氏體不銹鋼，它具有良好的耐蝕性和耐熱性[7-9]。

某公司為3萬噸/年三胺生產(chǎn)線制造了一臺重點換熱器設備，該設備換熱管存在Hastelloy C276與S30403拼接，兩者的拼接質量至關重要，可直接影響到整臺換熱器的使用壽命。根據(jù)相關產(chǎn)品圖紙及技術要求，兩種材料之間的拼接推薦選用ERNiCrMo-3焊材，而根據(jù)ASME規(guī)范則推薦采用ERNiCrMo-4焊材。對于采用兩種不同焊材焊接的Hastelloy C276與S30403接頭組織及性能之間的差異，目前并沒有相關報道，因此有必要對其進行深入研究。本文通過選用上述兩種焊絲分別對Hastelloy C276與S30403不銹鋼進行焊接，比較兩種焊接接頭的組織及性能，為Hastelloy C276合金與S30403奧氏體不銹鋼異種金屬接頭的工程應用提供理論借鑒。

1 試驗材料和方法

母材選用Hastelloy C276合金及S30403不銹鋼，其規(guī)格為?25 mm×3.0 mm，將其加工成V形坡口進行焊接，如圖1所示。焊絲分別選用ERNiCrMo-3及ERNiCrMo-4。材料化學成分如表1所示。

圖1 焊接接頭示意

采用ERNiCrMo-3及ERNiCrMo-4焊接的接頭試樣編號分別為A，B。焊前對試件焊接區(qū)域20 mm范圍內(nèi)進行清理，保證無油污、鐵銹等影響焊接的雜質。采用TIG焊接方法進行焊接，鎢極直徑?2.5 mm，電流衰減時間4～5 s，保護氣體Ar純度為99.99%，焊接過程中采用接觸式測溫儀對試件進行測溫，保證試件層間溫度控制在100 ℃以下，其余焊接工藝參數(shù)見表2。

表1 材料化學成分

表2 焊接工藝參數(shù)

試件在焊接完成后進行滲透檢測(PT)及射線檢測(RT)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。采用WE-60液壓萬能材料試驗機進行拉伸及彎曲試驗。試樣先用王水(HCl：HNO3=3：1，靜置3～4 h)腐蝕10～15 s，再用10%草酸溶液對試樣進行電解，電解電壓8 V，電解時間15 s，采用AXIOVERT 200MAT金相顯微鏡、Apollo300電子掃描顯微鏡(SEM)+能譜分析儀(EDS)觀察焊接接頭微觀組織并分析接頭組織成分。使用65%硝酸溶液對試樣進行腐蝕，腐蝕時間4 h。使用AXIOVERT 200MAT金相顯微鏡觀察焊接接頭腐蝕形貌。采用HVS-50維式硬度計測試焊接接頭金相試樣維氏硬度，載荷9.8 N，加載時間15 s。圖1為焊接接頭示意圖，其中直線a、直線b為硬度測定線，區(qū)域x、區(qū)域y及區(qū)域z為微觀組織觀察區(qū)。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接接頭的微觀組織

分別對A，B兩個焊接接頭試樣進行微觀組織觀察，如圖2所示。

(a)Hastelloy C276母材

從圖2(a)(b)可以看出，兩種母材均存在一定數(shù)量孿晶;從圖2(c)(d)可以看出，兩種焊絲的焊縫組織存在一定的差異性。使用ERNiCrMo-3焊接的焊縫中存在大量的等軸樹枝晶，而使用ERNiCrMo-4焊接的焊縫為等軸樹枝晶和柱狀樹枝晶共存的組織形態(tài)。對于兩種不同的組織形貌，其主要原因在凝固溫度以上由于Fe的存在，使得在固液界面前端Nb元素發(fā)生偏析，這種偏析減小了固液界面的溫度梯度，從而產(chǎn)生了較寬的成分過冷區(qū)，在這種情況下，凝固模式由柱狀晶向等軸晶轉變[10]。從圖2(e)～圖2(h)中可以發(fā)現(xiàn)，靠近母材的焊縫組織均為柱狀樹枝晶，焊縫兩側部分熔化區(qū)的寬度存在一定的差異，Hastelloy C276側部分熔化區(qū)的寬度大于S30403側部分熔化區(qū)的寬度，A試樣兩側的部分熔化區(qū)寬度大于B試樣兩側的部分熔化區(qū)寬度，這是由于A試樣焊縫金屬含有Nb元素，它的存在增加了樹枝晶向母材Hastloy C276熔化的趨勢[11]。

為了進一步分析焊接接頭，對接頭內(nèi)元素進行了線掃描分析，其結果見圖3。可以看出，試樣A在焊縫及母材區(qū)域，各元素含量分布均勻，在兩側熔合區(qū)附近，F(xiàn)e,Ni,Nb/Ta,Mo及W等元素含量發(fā)生變化；試樣B在焊縫及母材區(qū)域，各元素含量分布均勻，在兩側熔合區(qū)附近，F(xiàn)e,Ni,Mo及W等元素含量發(fā)生變化，其主要原因歸根于母材與焊縫金屬化學成分的差異。

(a)試樣A

為深入研究焊接接頭熔合區(qū)形貌及成分，分別采用掃描電鏡及EDS能譜分析對該區(qū)域進行分析，最終發(fā)現(xiàn)在Hastelloy C276側熔合區(qū)附近存在析出物，并對其進行能譜分析，其結果見圖4。

由圖4中SEM形貌圖可以看出，兩種焊接接頭在Hastelloy C276熔合區(qū)均存在析出物，其中ERNiCrMo-3焊接接頭析出物數(shù)量要多于ERNiCrMo-4 焊接接頭的析出物數(shù)量。為進一步分析析出物的成分，分別對兩種接頭的析出物進行能譜分析(見圖4)，可以看出，ERNiCrMo-3焊接接頭析出物富含元素Nb和元素Mo，因NbC和Laves相均為含Nb鎳基合金焊縫中常見的富Nb析出相，因此這種析出物可能為NbC和Laves相，而ERNiCrMo-4焊接接頭析出物富含元素Mo。對于這種富含Mo元素的析出物可能為P相和μ相，其原因在于焊縫金屬中存在大量的Mo元素及W元素，這兩種元素的存在可以獲得穩(wěn)定的金屬間拓撲緊密堆積(TCP)相。這類相主要包括σ相、μ相和P相，其中μ相和P相中Mo元素含量在40%左右[12-13]。

(a)試樣A

2.2 焊接接頭的力學性能

2.2.1 抗拉強度與彎曲性能

對焊接接頭進行全截面(整管)拉伸試驗，接頭的抗拉強度及斷裂位置如表3所示?？梢钥闯?，采用兩種焊絲焊接的接頭抗拉強度均高于S30403不銹鋼母材強度，滿足焊接接頭的強度要求。

表3 接頭抗拉強度及斷裂位置

為研究焊接接頭彎曲性能，對試樣A及試樣B分別進行了彎曲試驗，根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》，每種接頭取4個試樣，取樣位置如圖5所示，壓頭直徑12 mm，彎曲角度180°。兩種接頭的彎曲試驗結果均合格，無裂紋產(chǎn)生。

圖5 彎曲試樣取樣位置

2.2.2 焊接接頭硬度分析

分別對兩個焊接接頭試樣進行硬度測試，結果如圖6所示。試樣A焊縫沿直線a、直線b方向硬度值較均勻地分布在240HV～250HV之間，試樣B焊縫沿直線a、直線b方向硬度值較均勻地分布在220HV～230HV之間，Hastelloy C276側硬度值分布在215HV～225HV之間，平均值略低于焊縫區(qū)域硬度，S30403側母材硬度值較低，分布在170HV～180HV之間，同時直線b焊縫硬度值與直線a焊縫硬度值基本無差異。

(a)直線a水平方向

2.3 焊接接頭的晶間腐蝕性能

對焊接接頭試樣進行晶間腐蝕試驗，結果見圖7。可以看出，在Hastelloy C276側母材與焊縫的熔合區(qū)，試樣A腐蝕程度高于試樣B；在S30403側母材與焊縫的熔合區(qū)，試樣A腐蝕程度低于試樣B。其原因在于：在焊接過程中兩側母材會與焊縫形成部分熔化區(qū)(見圖2(e)～圖2(h))，同時焊縫金屬與兩側母材存在化學成分的差異，在凝固過程中受到濃度梯度及溫度梯度的影響，使該區(qū)域形成了錯綜復雜的短小柱狀晶組織，易在晶界形成各種金屬間相，從而形成了相應的貧Cr區(qū)域，降低了該區(qū)域的抗晶間腐蝕能力。

從圖7還可以看出，試樣A、試樣B均存在一定量的腐蝕坑，但與試樣A相比，試樣B單位面積腐蝕坑的數(shù)量較少，同時腐蝕坑深度較淺，因此可以判定，在焊縫區(qū)域試樣B抗晶間腐蝕的能力高于試樣A，其原因在于試樣A焊縫中會析出富含Nb的金屬間相，由于這些金屬間相的存在會增加腐蝕的速率，而且Nb含量越多，腐蝕速率越快[14]。

(a)試樣A

3 結論

(1)采用ERNiCrMo-3及ERNiCrMo-4焊絲的TIG焊Hastelloy C276和S30403焊接接頭均未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊接接頭抗拉強度合格，同時焊接接頭彎曲試樣無裂紋產(chǎn)生。

(2)兩種焊接接頭焊縫兩側均存在部分熔化區(qū)，Hastelloy C276側部分熔化區(qū)寬度大于S30403側部分熔化區(qū)寬度，采用ERNiCrMo-3焊接的接頭焊縫兩側部分熔化區(qū)寬度較寬。

(3)ERNiCrMo-3的焊縫金相組織為等軸樹枝晶，ERNiCrMo-4的焊縫金相組織為等軸樹枝晶+柱狀樹枝晶。相比ERNiCrMo-4，采用ERNiCrMo-3 焊接的接頭最高硬度值較高，同時接頭中焊縫抗晶間腐蝕能力較弱。