超高溫工況用鎳基合金硬面堆焊工藝及制備方法

侯峰偉 趙 健 吳斌彬 李文慶 巢根明 于成亮 錢錦遠(yuǎn)

（1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速所；2.上海科科閥門集團有限公司；3.浙江大學(xué)化工機械研究所）

在超高聲速風(fēng)洞試驗設(shè)備中， 高壓下吹+真空抽吸暫沖式風(fēng)洞具有啟動速度快、模擬范圍寬等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于氣動力/熱、壓力、溫度測量等領(lǐng)域。 由于試驗系統(tǒng)對超高溫高壓試驗介質(zhì)快速釋放的特殊要求， 因此在系統(tǒng)中設(shè)有快切閥，其具體工況為：關(guān)閉狀態(tài)時，入口處承受超高溫高壓（入口處最大使用溫度可達(dá)1 000 ℃，使用壓力12 MPa）試驗介質(zhì)的作用；出口側(cè)具有真空特性，即快切閥處于高壓差、高流速的工況下。 為了保證閥門兩側(cè)介質(zhì)的絕對隔離，對閥門本身密封面密封性能的綜合指標(biāo)提出了更高要求。

目前， 快切閥采用鎳基合金作為基體材料，表面焊接硬質(zhì)合金用于主密封，較好地解決了閥門高溫、高壓、快速啟閉（不大于2 s）問題。但由于快切閥長期處于高壓差和高流速的工況下，閥門在啟閉過程中會產(chǎn)生較大的沖擊載荷。 沖擊載荷會對快切閥的密封面產(chǎn)生損傷，使密封面極易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致快切閥密封失效和泄漏，從而影響風(fēng)洞的正常運行與安全操作。

針對閥門的密封失效問題，許多學(xué)者從理論計算［1，2］、數(shù)值仿真［3～5］和試驗分析［6，7］3個方面分析了高壓工況下閥門的泄漏機理［8，9］。劉帥帥等基于熱固耦合模型，采用WORKBENCH軟件計算密封比壓和彈簧預(yù)緊力，研究了密封面寬度對于密封性能的影響［10］。 張立強等基于Kriging模型，采用遺傳算法對楔形閘閥的密封性能進行了優(yōu)化分析［11］。HEIPL O和MURRENHOFF H研究了閥桿加速度、密封壓力和溫度對于密封材料和密封性能的影響，在保證閥桿動作性能的同時優(yōu)化了密封性能［12］。 宋飛等研究了徑向間隙、密封長度、壓差及閥芯直徑等因素對泄漏量的影響規(guī)律，并優(yōu)化了閥芯結(jié)構(gòu)［7］。

采用堆焊方法將特殊性能的合金材料（如司太立合金）熔覆在損傷的密封面上，是實現(xiàn)密封性能修復(fù)的有效措施［13，14］。 胡高林等通過熔化極氣體保護焊自動堆焊工藝，將司太立合金堆焊到密封面損傷的硬密封閥門上，實現(xiàn)了密封性能的修復(fù)［15］。WIDENER C A等設(shè)計了一種超音速熱噴涂工藝，修復(fù)后的密封面可恢復(fù)到原來的性能［16］。

筆者通過低熱輸入、預(yù)熱加溫、控制層間溫度、 熔覆過渡層及焊后緩冷等質(zhì)量控制節(jié)點，解決鎳基高溫合金硬面堆焊鈷基硬質(zhì)合金難的問題，并通過預(yù)先超高溫循環(huán)試驗，評估焊后焊層組織的穩(wěn)定性，獲得合理的焊接試驗參數(shù)，以避免產(chǎn)品使用時發(fā)生延遲裂紋，達(dá)到提高產(chǎn)品一次合格率的目的。

1 材料選型與制備

1.1 母材

本體母材選用Ni-Cr系固溶強化型變形高溫合金GH3128。 GH3128合金力學(xué)性能見表1，該材料具有較高的塑性、持久性、蠕變強度和熱強度，導(dǎo)致在堆焊過程中，GH3128本體易產(chǎn)生熱裂紋、延遲裂紋現(xiàn)象。 另外，堆焊速度與電流選擇不適宜也容易產(chǎn)生混合層過厚的問題，導(dǎo)致密封面硬度與高溫抗磨性能降低。GH3128合金的化學(xué)成分見表2。

表1 GH3128力學(xué)性能（遼新7-0087）

表2 GH3128化學(xué)成分 wt%

在母材坯料制造方面，為了保證母材化學(xué)成分的純凈性，降低焊接熱裂紋的產(chǎn)生，母材宜采用真空感應(yīng)爐+電渣重溶熔煉工藝， 采用較大鍛造比（大于3）進行熱壓鍛造，坯料爐膛加溫至1 170～1 180 ℃，底部工藝懸空，翻轉(zhuǎn)后保溫2 h，出爐進行鍛造，終鍛溫度不小于900 ℃，后經(jīng)過固溶強化油淬工藝（1 150～1 180 ℃）細(xì)化奧氏體晶粒度，最終形成雜質(zhì)少、可鍛造屬性高的坯料。

1.2 硬面層

母材表面硬面層采用AWS A5.21 ERCoCrA合金鑄棒，化學(xué)成分見表3，該材料屬于鈷鉻鎢硬質(zhì)合金系列，具有極好的耐磨損性能，同時其抗高溫耐腐蝕、耐氣蝕的性能也極佳，但由于韌性較差（表4），因此在焊接過程中需要控制焊接參數(shù)與熱輸入，以避免出現(xiàn)原發(fā)性焊縫以及延遲裂紋。

表3 AWS A5.21 ERCoCrA合金鑄棒化學(xué)成分 wt%

表4 AWS A5.21 ERCoCrA力學(xué)性能

1.3 過渡層

為了解決母材與鈷基硬質(zhì)合金熱應(yīng)力敏感性的問題， 采用熔覆過渡層AWS A5.11/A5.11M ENiCrFe-1（表5）的方案。 過渡層的作用在于銜接硬面層和母材，其材料是否與硬面層和母材的材料相熔十分關(guān)鍵；過渡層的作用還有稀釋母材表面應(yīng)力，防止焊接及使用中開裂，保障焊接過程能夠順利穩(wěn)定進行；此外，過渡層作為修復(fù)工況的應(yīng)力緩沖層，還具有延長面層及整體使用壽命的作用。

表5 AWS A5.11/A5.11M ENiCrFe-1化學(xué)成分 wt%

2 焊接工藝

為減少焊接過程中原發(fā)性裂紋的產(chǎn)生，在母材熔覆過渡層前進行100%液體滲透無損檢測（PT），判定標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.5—2015Ⅰ級合格，熔覆過渡層Ni3071-1后表面進行機加工以去除氧化層，粗糙度不小于3.2 μm，然后進行二次PT檢測，判定標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.5—2015Ⅰ級合格。在堆焊硬面層前將零件放入保溫爐中進行均勻預(yù)熱加溫，預(yù)熱溫度150～243 ℃，保溫不少于2 h后取出，采用熱輸入小、焊接成分控制與硬度均勻性好的鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）方法實施硬面堆焊，焊接參數(shù)見表6，實物圖如圖1所示。

表6 焊接參數(shù)

圖1 GH3128硬面堆焊零件實物效果圖

堆焊前采用奧氏體不銹鋼絲刷進行表面清理，為減少硬面層的熱敏性裂紋，堆焊過程中需嚴(yán)格控制層間溫度，保持在100～150 ℃，焊接措施采用多道貼邊熔覆工藝，避免過寬的擺幅引起焊道冷熱溫差過大，每道焊縫首尾交接時進行充分的保溫與深入填充，確保收弧飽滿與徹底，關(guān)閉焊槍電流時進行氬氣保護緩冷，緩冷溫度小于層間溫度。

3 焊后熱處理及高溫循環(huán)應(yīng)變測試

按照GB/T 22652—2019《閥門密封面堆焊工藝評定》表1分類，GH3128無應(yīng)用分類，因此參照標(biāo)準(zhǔn)中5.4節(jié) “鎳基合金焊后熱處理及分類”要求，不需要進行焊后熱處理。 實際上，考慮到零件應(yīng)用工況（高溫、高壓等）的惡劣性，需對零件硬面堆焊增加焊后模擬工況熱處理和高溫循環(huán)應(yīng)變測試項目， 焊后模擬工況熱處理曲線如圖2所示，模擬高溫循環(huán)應(yīng)變測試曲線如圖3（熱處理溫度1 000 ℃，每次試驗時長1 h）所示，圖4 展示了1 000 ℃高溫循環(huán)應(yīng)變試驗現(xiàn)場。

圖2 GH3128硬面焊后模擬工況熱處理曲線

圖3 模擬高溫循環(huán)應(yīng)變測試曲線

圖4 1 000 ℃高溫循環(huán)應(yīng)變試驗現(xiàn)場

4 結(jié)果與討論

4.1 目視檢查（VT）

在堆焊后冷卻至室溫、焊后熱處理后、高溫循環(huán)應(yīng)變測試后，分別對硬面層進行目視檢查和液體滲透無損探傷。 滲透檢測的基本步驟包括預(yù)處理、施加滲透劑、去除多余的滲透劑、干燥處理、施加顯像劑、觀察及評定、后處理等。 在整個檢測過程中， 檢測劑的工作溫度應(yīng)保持在5～50 ℃范圍內(nèi)， 工件表面的工作溫度應(yīng)保持在5～50 ℃范圍內(nèi)。 觀察在顯像劑顯示時開始，在顯像時間內(nèi)連續(xù)進行。 準(zhǔn)備工作完成后，對堆焊面進行目視檢查。經(jīng)檢查，硬面層均為NB/T 47013.5—2015Ⅰ級合格。 目視結(jié)果說明焊接效果良好。

4.2 硬度檢測

采用便攜式硬度計對硬面堆焊層進行硬度檢測，硬度檢測類別為洛氏硬度，為保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，對檢測面進行機械加工以去除表面氧化層，熱處理后采用不銹鋼絲刷去除表面氧化膜。 硬度檢測分為5個測量點，在堆焊后、焊后熱處理后和高溫循環(huán)測試后分別進行硬度檢測，結(jié)果見表7，設(shè)置值為HRC38～44。 經(jīng)檢查，硬度未發(fā)生明顯變化，證明該硬面材料選型及堆焊方法適用于1 000 ℃循環(huán)交變工況。

表7 硬度（HRC）檢測結(jié)果

4.3 低倍組織及缺陷酸浸蝕試驗

觀察分切試樣（圖5a）基層金屬及熱影響區(qū)有無未熔合或其他明顯缺陷， 采用5 g三氯化鐵、50 mL鹽酸、100 mL水混合溶液對拋光剖面試件進行腐蝕處理。 根據(jù)GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》， 分切試樣經(jīng)過腐蝕處理后其表面未見上述缺陷（圖5b），焊接參數(shù)選擇合理，焊接工藝成熟。

圖5 試件低倍組織觀察

4.4 顯微組織試驗

橫切試樣表面拋光后在金相顯微鏡下進行顯微組織觀察，放大倍率200。 在金相顯微鏡下觀察時試樣表面應(yīng)磨平拋光， 并加以適宜的侵蝕。試樣截取的方向、部位、數(shù)量應(yīng)根據(jù)試件的制造方向確定，試樣尺寸、試樣截取、試樣清洗和試樣鑲嵌方面應(yīng)符合GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》的規(guī)定。 顯微組織結(jié)果如圖6所示，經(jīng)檢查，母材區(qū)、過渡層、熱影響區(qū)、焊縫處均無可見微裂紋等缺陷，說明焊接效果良好。

圖6 顯微組織試驗圖像

5 結(jié)束語

筆者提供一種焊接工藝，以解決現(xiàn)有制作工藝造成的密封面失效問題。Ni-Cr系固溶強化型變形高溫合金GH3128，由于具有熱強度高、膨脹系數(shù)小等特性，因此在高溫高壓工況下難以補償鈷基硬質(zhì)合金ERCoCr-A熱應(yīng)力釋放帶來的應(yīng)變問題，且兩者彈性模量相差較小，均為不易高溫變形材料， 因此在高頻撞擊硬面層設(shè)計使用時，易產(chǎn)生原發(fā)性熱裂紋與應(yīng)力裂紋。 本工藝及制備方法針對此現(xiàn)象進行了鎳基合金過渡層的工藝改進， 一方面在高溫工況下補償兩者應(yīng)力變形，另一方面通過過渡層隔離兩者熱裂紋開裂 “傳播”的可能性。

在焊接加工方面，采用低熱輸入、控制層間溫度、多道貼邊熔覆工藝，焊縫首尾熔深氬氣保護、焊后緩冷等諸多措施保障了焊縫的一次性通過率， 有效降低焊縫開裂等失效現(xiàn)象的發(fā)生，并通過模擬高溫循環(huán)應(yīng)力工況，對零部件高溫工作進行預(yù)風(fēng)險評估。 現(xiàn)場使用結(jié)果顯示，修復(fù)后的快切閥已經(jīng)過百余次工況試驗運行，密封效果良好，有效延長了主切換閥的使用壽命，提升了整體設(shè)備的運行效率，降低了維護成本。