Alloy20 合金鍛件焊接裂紋分析

劉玉祥， 張小麗

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司， 上海 201323）

1 概 述

Alloy20 合金鍛件化學(xué)成分及力學(xué)性能滿(mǎn)足ASME 標(biāo) 準(zhǔn)II 卷B 篇SB-462 N08020 的 要 求，屬于Ni-Cr-Mo-Cu 系鎳基合金， 穩(wěn)定化退火的熱處理供貨狀態(tài)。 Alloy20 合金的化學(xué)成分中含有3%～4%的銅元素， 因此對(duì)濃硫酸工況具有良好的耐蝕性， Alloy20 合金對(duì)氧化性和中等還原性腐蝕也有很好的抵抗能力， 具有優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力和良好的耐局部腐蝕能力[1-4]。 Alloy20 合金在煉油廠烷基化裝置工藝管線、 電站煙氣洗滌塔入口煙道等承壓設(shè)備上得到了應(yīng)用[5-7]。森松 （江蘇） 重工有限公司設(shè)計(jì)制造的76%濃度硫酸緩沖罐設(shè)計(jì)選材使用了Alloy20 合金， 制造過(guò)程中， 某一DN50 mm 的Alloy20 合金LWN型鍛件接管與筒體采用GTAW 方法焊接， 焊材選用與 Alloy20 合金化學(xué)成分相匹配的ER320LR/Φ2.4 mm 規(guī)格的焊絲， PT （penetrant testing） 檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)靠近鍛件熱影響區(qū)存在大量的焊接裂紋， 如圖1 所示。 Alloy20 合金其基體組織為單相奧氏體組織， 不具有冷裂紋傾向， 但具有一定的熱裂紋傾向， 焊接熱輸入過(guò)大或道間溫度過(guò)高， 會(huì)導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生， 因此對(duì)施焊記錄進(jìn)行調(diào)查， 施焊記錄焊接參數(shù)及施焊道間溫度符合焊接工藝規(guī)程的要求。 在制定焊接返修工藝時(shí)， 進(jìn)一步降低焊接熱輸入和道間溫度， 并由焊接工程師現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督焊接， 返修兩次后， 依然無(wú)法將裂紋徹底修復(fù)， 故將該接管法蘭鍛件報(bào)廢處理， 并對(duì)存在焊接裂紋的接管法蘭進(jìn)行了化學(xué)成分、 力學(xué)性能、 微觀金相、 晶粒度等試驗(yàn)檢測(cè)分析， 同時(shí)對(duì)鍛件的鍛造工藝進(jìn)行了調(diào)查。

圖1 鍛件焊件熱影響區(qū)裂紋

2 材料性能分析

2.1 化學(xué)成分

對(duì)報(bào)廢的接管法蘭進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)， 取樣的位置位于裂紋附件， 試樣經(jīng)過(guò)拋光后， 采用SPECTRO MAX 直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。 實(shí)際檢測(cè)的化學(xué)成分中， 除了ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 標(biāo)準(zhǔn)要求的元素以外， 還含有Co 和W， 且w（Co）和w（W）分別為0.216%和0.156%， 兩元素總含量小于0.5%， 為微量元素， 實(shí)際化學(xué)成分中w（Nb+Ta）為0.695% ， 滿(mǎn) 足 標(biāo) 準(zhǔn) 中＞8C （ 8 ×0.033% =0.264%）、 小于1%的要求， 其余元素化學(xué)成分含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

表1 接管法蘭化學(xué)成分

2.2 力學(xué)性能

沿接管法蘭縱向取樣， 進(jìn)行拉伸試驗(yàn)， 取樣數(shù)量2 個(gè)， 其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。 2 個(gè)拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度、 伸長(zhǎng)率、 斷面收縮率均滿(mǎn)足ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 接管法蘭取樣力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2.3 金相試驗(yàn)

在裂紋處取樣進(jìn)行金相分析試驗(yàn)， 試樣經(jīng)磨制、 拋光、 5%王水溶液腐蝕后， 采用Laica DMI 3000M 光學(xué)顯微鏡進(jìn)行12.5 倍低倍微觀金相和100 倍、 200 倍、 500 倍高倍微觀金相觀察。 拋光后裂紋微觀形態(tài)如圖2 所示， 其中圖2 （a）為裂紋放大100 倍后的微觀照片， 可以看出裂紋為樹(shù)枝狀形態(tài)， 向多方向擴(kuò)展； 圖2 （b） 為裂紋放大200 倍后的微觀照片， 照片中可以清晰看到焊縫組織呈柱狀晶與胞狀晶。 由此可知，裂紋主要向Alloy20 合金鍛件方向延伸擴(kuò)展， 向焊縫方向有輕微擴(kuò)展， 鍛件側(cè)的裂紋寬度比焊縫側(cè)寬。

圖2 拋光后裂紋微觀形貌

腐蝕后裂紋微觀形貌如圖3 所示。 圖3 （a）為裂紋12.5 倍放大后的微觀形貌， 裂紋呈明顯的沿晶開(kāi)裂狀態(tài)； 圖3 （b） 為裂紋邊緣Alloy20母材500 倍放大后的微觀照片， 可以看出晶界處存在一定的碳化物析出相， 析出相在晶界上斷續(xù)分布。

圖3 腐蝕后裂紋微觀形貌

2.4 晶粒度檢測(cè)

按照ASTM E112—2013 《平均晶粒度測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》， 采用對(duì)比法對(duì)鍛件晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)， 晶粒度評(píng)級(jí)結(jié)果為0 級(jí)， 屬于嚴(yán)重粗晶組織。

3 鍛造工藝調(diào)查

由于鍛件為嚴(yán)重粗晶組織， 將該問(wèn)題反饋給鍛件廠家， 并對(duì)該鍛件的鍛造工藝進(jìn)行調(diào)查了解。 該鍛件投料鋼錠加熱溫度為1 200 ℃， 保溫時(shí)間6 h， 保溫后出爐進(jìn)行鍛造， 出爐后始鍛溫度為1 170 ℃， 終鍛溫度約為1 020 ℃， 鍛造后鍛件自然冷卻。 鍛件在950 ℃下進(jìn)行退火， 退火時(shí)間為0.5 h， 退火熱處理溫度符合ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 要求的927～1 010 ℃的范圍內(nèi)。

4 分析和討論

4.1 粗晶組織及析出相分析

奧氏體組織材料無(wú)法通過(guò)鍛造后的熱處理進(jìn)行晶粒細(xì)化， 只能在鍛打的過(guò)程中， 通過(guò)晶粒破碎的方式進(jìn)行晶粒細(xì)化。 鎳基合金材料鍛造變形抗力大[8-9]， 鍛造溫度過(guò)低時(shí)， 鍛件表面在外力的作用下， 容易產(chǎn)生表面開(kāi)裂， 因此對(duì)于奧氏體組織的材料， 鍛件廠家更傾向采用過(guò)高的加熱溫度與始鍛溫度進(jìn)行鍛造。 相對(duì)于Alloy20 合金而言， 1 200 ℃的明顯過(guò)高， 通常在1 100 ℃以下加熱溫度為宜。 在1 200 ℃溫度下， 作為奧氏體組織的Alloy20 合金的晶粒組織快速長(zhǎng)大， 雖在鍛造過(guò)程中晶粒會(huì)有一定的細(xì)化， 但在1 020 ℃的終鍛溫度下， 其晶粒度會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大， 后續(xù)受退火熱處理的影響， 相對(duì)于鍛造后的晶粒尺寸還要進(jìn)一步長(zhǎng)大， 致使最終鍛件的晶粒度達(dá)到0 級(jí)，組織中的晶粒嚴(yán)重粗化， 導(dǎo)致鍛件塑韌性下降。Alloy20 合金鍛件在950 ℃終鍛溫度下自然冷卻，冷卻的過(guò)程中， 經(jīng)過(guò)材料的敏化區(qū)間， 導(dǎo)致碳化物在晶界析出， 后續(xù)950 ℃×0.5 h 短暫的穩(wěn)定化退火熱處理， 并未完全將晶界的碳化物析出相消除， 導(dǎo)致晶界上存在不連續(xù)分布的析出相， 弱化了晶界強(qiáng)度。

4.2 裂紋分析

焊接熱裂紋往往發(fā)生在結(jié)晶時(shí)的冷卻過(guò)程中，主要發(fā)生在晶界， 為沿晶裂紋[10-11]， 從圖3 （a） 微觀組織看， 該裂紋為焊接熱裂紋。 焊接過(guò)程中，由于焊接熱源不均勻的加熱和冷卻， 不可避免地產(chǎn)生焊接應(yīng)力， 但該接管的外徑僅84 mm， 設(shè)備筒體壁厚10 mm， 接管法蘭與筒體焊接結(jié)構(gòu)形式為插入式結(jié)構(gòu)， 焊接量較小， 焊接應(yīng)力也相對(duì)較小， 按以往的焊接經(jīng)驗(yàn)， 焊接后不會(huì)有裂紋的產(chǎn)生。 裂紋產(chǎn)生的主要原因應(yīng)為粗晶組織造成鍛件的塑性、 韌性降低， 晶界析出相的產(chǎn)生進(jìn)一步降低了晶界的強(qiáng)度， 在較低的焊接應(yīng)力作用下發(fā)生多方向低塑性開(kāi)裂。

5 結(jié) 論

（1） 經(jīng)過(guò)對(duì)Alloy20 合金鍛件進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)、 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)、 晶粒度檢測(cè)后， 該鍛件化學(xué)成分與拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求， 晶粒度達(dá)到0 級(jí)， 屬于嚴(yán)重粗晶組織， 造成組織塑性和韌性下降。

（2） 對(duì)Alloy20 合金鍛件焊接裂紋進(jìn)行微觀分析， 裂紋為沿晶裂紋， 晶界上碳化物析出相呈不連續(xù)分布態(tài)， 碳化物析出相造成晶界強(qiáng)度下降。

（3） 由于Alloy20 合金鍛件塑性、 韌性下降以及晶界強(qiáng)度的弱化， 該裂紋為在較低的焊接應(yīng)力作用下發(fā)生的多方向低塑性焊接熱裂紋。

（4） ASME 標(biāo)準(zhǔn)II 卷B 篇SB-462 中未對(duì)Alloy 20 合金提出晶粒度要求， 為避免因晶粒長(zhǎng)大而導(dǎo)致焊后產(chǎn)生低塑性焊接熱裂紋， 材料采購(gòu)時(shí)應(yīng)對(duì)晶粒度限制， 建議鍛件晶粒度等級(jí)不低于3 級(jí)。