基于微觀組織的鎳基合金焊接熱裂紋判據(jù)

陳佩寅,郝乾宇,,徐鍇,郭梟

(1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060；2.中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

690 鎳基合金因具有優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的高溫性能和熱穩(wěn)定性，已經(jīng)成為核島主設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，用于使用條件苛刻、質(zhì)量要求高的關(guān)鍵設(shè)備和零部件的制造中。690 合金為單相奧氏體組織，具有較高的熱裂紋敏感性，加之大型壓水堆核電站關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)厚度大、拘束度高，其焊接熱裂紋至今仍是核電設(shè)備制造尚未徹底解決的技術(shù)難題，690 焊接材料熱裂紋也一直是鎳基合金焊接性研究的熱點[1]。

20 世紀(jì)80 年代，美國超合金公司（special metal corporation,SMC）率先開發(fā)出了690 合金焊接材料，包括FM 52 焊絲（型號為ERNiCrFe-7）和WE 152 焊條（型號為ENiCrFe-7），并在核電設(shè)備制造中得到廣泛應(yīng)用；20 世紀(jì)90 年代中期，美國海軍的研究人員在使用FM 52 焊絲進行TIG 焊時，發(fā)現(xiàn)了高溫失塑裂紋（Ductility dip cracking,DDC），引起了學(xué)術(shù)界的重視，眾多學(xué)者對690 合金焊接材料的高溫失塑裂紋問題進行了廣泛地研究；隨后美國SMC 公司推出了改進型焊絲—FM 52M 焊絲（型號為ERNiCrFe-7A），該焊絲通過添加Nb，B 和Zr 等元素，提高了抗高溫失塑裂紋能力，是應(yīng)用最多的核電主設(shè)備制造用鎳基合金焊絲[2],盡管FM 52M 焊絲具有較高的抗裂紋能力，但在制造厚度大、拘束高的核電裝備時，其抗裂紋能力仍顯不夠，不能防止高溫失塑裂紋[3]。為了繼續(xù)提高690 合金焊絲的抗裂性，國內(nèi)外均進行了新型690合金焊絲（型號為ERNiCrFe-13）的研究工作，其技術(shù)路線是在焊絲中添加Nb，Ta 和Mo 等元素，增加熔敷金屬析出物數(shù)量，提高焊縫抗高溫失塑裂紋能力，但是隨著Nb 和Mo 元素含量的增加，在焊縫凝固過程中容易形成低熔點液膜，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[4-6]，最近美國SMC 公司發(fā)明了無裂紋690 合金焊絲（FM 52MSSTa），尚未在核島主設(shè)備制造中應(yīng)用[7]。

焊接熱裂紋的試驗方法很多，常用于研究690 合金焊縫抗裂性的有：可調(diào)拘束試驗[8]、STF 試驗（Strainto-fracture test）[9]、CPT 試驗（Cast pin tear test）[10]、熱塑性試驗[11]、PVR 試驗（Programmable deformation cracking test）[12]等，這些試驗均采用小尺寸試樣，重點模擬熱裂紋的開裂特征或開裂機制，但其試驗過程在焊接熱循環(huán)、應(yīng)力-應(yīng)變演變過程、顯微組織等方面與實際焊接存在較大差異，試驗結(jié)果不便于指導(dǎo)工程焊接。Mccracken 等人[13]提出了高拘束窄間隙焊縫試驗，用有限元分析了試驗焊縫的應(yīng)力、應(yīng)變，結(jié)果表明多次焊接熱循環(huán)造成的高應(yīng)變累積區(qū)是高溫失塑裂紋的多發(fā)區(qū)，焊接過程中的應(yīng)變累積耗盡了焊縫的晶界塑性，最終導(dǎo)致開裂；在此基礎(chǔ)上，Rapetti 等人[14-15]提出了重熔試驗，簡化了試驗過程；郭梟等人[16-17]提出了基于大厚度堆焊的熱裂紋試驗（簡稱“大厚度裂紋試驗”），用有限元模型分析了試驗中的多層多道堆焊焊縫的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變演變過程，說明了典型部位的高溫停留時間和應(yīng)變損耗特點，闡述了該方法評價熱裂紋的依據(jù)。

用于鎳基合金熱裂紋的判據(jù)也有很多，主要有臨界應(yīng)變速率（Critical strain rate,CST）、凝固脆性溫度區(qū)間（Brittle temperature range,BTR）、最大裂紋距離（Maxium cracking distance,MCD）、凝固裂紋溫度范圍（Solidification cracking temperature range,SCTR）、臨界應(yīng)變εmin、液化裂紋溫度范圍（Liquation cracking temperature range,LCTR）和化學(xué)成分相關(guān)判據(jù)等[18-20]，但是缺少基于微觀組織的熱裂紋判據(jù)。

文中使用不同成分的690 合金焊絲進行了大厚度裂紋試驗，計算了熔敷金屬微觀組織（Laves 相、MC、M2(C,N) 碳化物和MN 氮化物），提出了基于微觀組織的鎳基合金焊接熱裂紋判據(jù)，研制出了無焊接裂紋的核電主設(shè)備制造用WHS693M 焊絲（型號為ERNiCrFe-13）。

1 試驗方法

試驗用材料為不同成分的690 合金TIG 焊絲，規(guī)格為φ1.2 mm，焊絲型號和熔敷金屬化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用TIG 焊絲熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

采用大厚度裂紋試驗進行了試驗用焊絲的抗裂性評價，大厚度裂紋試驗是一種堆焊試驗方法，它提供了較高的焊接應(yīng)變損耗和苛刻的焊接熱循環(huán)條件，可以模擬大厚度、高拘束結(jié)構(gòu)TIG 焊接的特點，為焊接材料研制提供抗裂性評價結(jié)果，大厚度裂紋試驗的實施要點如下。

（1）在碳鋼或低合金鋼的母材上進行堆焊試驗，母材尺寸至少為400 mm×300 mm×60 mm。

（2）在試驗用母材上堆焊熔敷金屬，堆焊層尺寸至少為300 mm×200 mm×40 mm，焊接工藝參數(shù)為焊接電流220 A，電弧電壓12～14 V，焊接速度170 mm/min，送絲速度1 200 mm/min，道間溫度Tc≤100 ℃，保護氣體99.99%氬氣，流量14～18 L/min。

（3）堆焊完成后，采用線切割的方法從堆焊層切取試樣，試樣厚度4 mm，分別沿橫、縱向切取3 個試樣，然后對試樣進行磨削加工，磨削方向與焊接方向垂直，以利于裂紋顯示；磨削加工后，對試樣表面進行著色探傷，標(biāo)記著色探傷的顯示，然后在金相顯微鏡下觀察探傷顯示，確定是否有焊接裂紋，必要時，可將裂紋打開，通過斷口形貌確定裂紋性質(zhì)。

（4）統(tǒng)計所有切片表面的裂紋數(shù)量、長度、位置等信息。

（5）結(jié)果評價：裂紋數(shù)量越多、裂紋越長，該材料的裂紋敏感性越高，單個裂紋長度不大于1 mm，且數(shù)量不超過3 個，抗裂性為好，否則抗裂性為不好。

圖1 為大厚度裂紋試驗的堆焊試件和解剖后的試樣。采用JMat Pro 軟件進行了TIG 焊熔敷金屬凝固計算，軟件版本為V12.1，使用的數(shù)據(jù)庫為Thermo Tech 研發(fā)的Ni-DATA 8（Ver.7）數(shù)據(jù)庫，計算模型為Scheil-Gulliver 模型，計算的化學(xué)成分包括C，Si，Mn，Ni，Cr，F(xiàn)e，Mo，Nb，Ta，Al，Ti，O 和N。

圖1 大厚度裂紋試驗

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

采用大厚度裂紋試驗對表1 所示化學(xué)成分的焊絲進行了抗裂性評價，評價結(jié)果見表2。

表2 試驗結(jié)果（體積分?jǐn)?shù),%）

采用JMat Pro 軟件計算了表1 所示化學(xué)成分的凝固過程，計算參數(shù)為起始溫度1 900 ℃，計算步長2 ℃，冷卻速度200 ℃/s，考慮固態(tài)擴散的影響。冷卻至固相線時的Laves 相、冷卻至1 000 ℃時的碳氮化物之和MC+MN+M2(C,N)的計算結(jié)果見表2。

從表2 可知，當(dāng)Laves 相含量不大于0.45%時，無結(jié)晶裂紋，當(dāng)Laves 相含量不小于1.3%時，有結(jié)晶裂紋；當(dāng)碳氮化物之和MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%時，無高溫失塑裂紋，當(dāng)MC+MN+M2(C,N)含量不大于0.16%時，有高溫失塑裂紋。

2.2 結(jié)晶裂紋判據(jù)

結(jié)晶裂紋是在焊縫凝固過程的后期形成的焊接裂紋，也稱為凝固裂紋，結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的原因是在焊接熔池凝固過程中，金屬收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力將晶界上的低熔點共晶液膜拉開形成裂紋。低熔點共晶液膜主要有兩類，一類是由化合物形成的低熔點共晶物，另一類是第二相形成的低熔點共晶組織。

690 合金焊絲中能形成低熔點共晶物的元素主要有S，P，B，Zr 和Si 等[21-22]，這些元素的含量應(yīng)該嚴(yán)格控制。

Laves 相是一種金屬間化合物，具有六方晶體結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為A2B，其中A 包括Ni，F(xiàn)e，Cr 和Co 等元素，B 包括Nb，Ti，Si，Mo 和Ta 等元素。已有結(jié)果表明，Nb 和Mo 元素含量較高的鎳基合金容易在凝固末期形成Laves 相，包括600，625，690 和718 等合金的焊縫[23-26]，Di 等人[27]研究了FM 52MSS 熔敷金屬的凝固過程，在凝固末期的枝晶間隙發(fā)現(xiàn)了γ/Laves共晶，Laves 相是影響超純凈鎳基合金結(jié)晶裂紋敏感性的重要因素，可以與鎳基合金的基體形成低熔點的γ/Laves 共晶組織[6,28]，Laves 相是核電用690 焊接材料產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的主要因素。郭梟等人[29]在ERNiCrFe-13 焊絲TIG 焊重熔試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著重熔電流的增加，枝晶間γ/Laves 共晶組織尺寸增大，結(jié)晶裂紋長度明顯增大；Fink 等人[30]發(fā)現(xiàn)，Mo 可能促進690 合金焊縫金屬中Laves 相的形成，降低終凝溫度，增大結(jié)晶裂紋敏感性。

在焊縫凝固末端，液態(tài)金屬的殘留量對結(jié)晶裂紋影響很大，少量的液態(tài)金屬（小于1%）常以液滴形態(tài)存在，難以形成液膜，結(jié)晶裂紋敏感性??；大量的液態(tài)金屬（大于10%）能夠形成愈合效應(yīng)，不容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋；只有適量的液態(tài)殘留（大約1%～10%）容易潤濕晶界，形成連續(xù)的液膜，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[31-33]。

綜上所述，控制Laves 相數(shù)量可以防止結(jié)晶裂紋，根據(jù)表2 的試驗結(jié)果，得出防止焊縫結(jié)晶裂紋的判據(jù)為Laves 相含量不大于0.9%。

2.3 高溫失塑裂紋判據(jù)

高溫失塑裂紋是在熱影響區(qū)金屬組織的晶界上，因受熱作用致使延性陡降而產(chǎn)生的熱裂紋，也成為失延裂紋，產(chǎn)生高溫失塑裂紋的原因主要有3 種，分別是晶界弱化、晶界脆化和應(yīng)力誘導(dǎo)。

晶界弱化主要發(fā)生在雜質(zhì)含量低、無析出物（或析出物很少）的單相奧氏體材料中，由于這些材料的晶界基本沒有析出物，高溫時晶界強度和晶內(nèi)強度差別大，在外力的作用下，晶界容易發(fā)生滑移，產(chǎn)生應(yīng)變集中，當(dāng)實際應(yīng)變量（或累積塑性損傷）超過材料晶界變形能力時，就會產(chǎn)生裂紋，晶界滑移、棘輪效應(yīng)、曲折晶界等解釋了這種裂紋產(chǎn)生的具體方式[13,34-37]。

晶界脆化是指雜質(zhì)元素在晶界偏聚，削弱了晶界的結(jié)合力，造成材料塑性下降的現(xiàn)象，焊接過程中，熱循環(huán)和應(yīng)力的高度不均勻性，促使S，P 和H 等雜質(zhì)元素在晶界偏聚，是引發(fā)高溫失塑裂紋的主要原因之一[38-39]。

應(yīng)力誘導(dǎo)機理認(rèn)為M23C6析出相和奧氏體一側(cè)基體具有部分共格關(guān)系，M23C6析出相的晶格常數(shù)約為基體的3 倍，由于兩者晶格常數(shù)相差大，會在析出相兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中，易形成局部晶界裂紋[40-41]。

為保證核島主裝備的安全運行和使用壽命，核一級焊接材料均具有較高的純凈度，因此解決晶界弱化問題是防止690 合金焊縫高溫失塑裂紋主要手段。

焊縫中的小尺寸碳氮化物可以阻礙晶界滑移，改善晶界弱化現(xiàn)象，有利于降低高溫失塑敏感性。Di等人[27]在FM52MSS 焊縫中發(fā)現(xiàn)了TiC；郭梟等人[25-26,42]在ERNiCrFe-13 熔敷金屬枝晶間發(fā)現(xiàn)了較微小的(Nb,Ti)C 復(fù)合碳化物，認(rèn)為是焊縫凝固后期，殘余液相中Nb，Mo 等元素富集到一定程度，形成了MC 碳化物和Laves 相；Collins 等人[43]發(fā)現(xiàn)690 焊縫晶界存在TiN 和共晶MC 碳化物，較高比例的(Nb,Ti)C 釘扎晶界運動，形成曲折晶界，有效地減少了晶粒生長和晶界滑動；唐正柱等人[44-45]認(rèn)為(Nb,Ti)C 對晶界具有釘扎作用，提高晶界扭曲程度，降低熔敷金屬DDC敏感性，(Nb,Ti)C 的最佳尺寸為100～120 nm；Kiser 等人[3]發(fā)現(xiàn)FM52MSS 枝晶間存在彌散分布的M(C,N)析出物，這些析出物在凝固末期形成，阻礙晶界滑移，形成曲折晶界，降低DDC 敏感性。

Nb 和Ti 等強碳化物形成元素，不僅能夠形成碳化物，提高抗高溫失塑裂紋能力，還可以消耗C，減少M23C6的析出量，降低析出相誘導(dǎo)高溫失塑裂紋的形成[40,46-47]。

綜上所述，焊縫中的小尺寸碳氮化物可以阻礙晶界滑移，改善晶界弱化現(xiàn)象，防止高溫失塑裂紋。根據(jù)表2 的試驗結(jié)果，防止焊縫高溫失塑裂紋的判據(jù)為MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%。

3 WHS693M 焊絲研制

WHS693M 焊絲是中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司和哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司為適應(yīng)國內(nèi)大型先進壓水堆核電站自主創(chuàng)新發(fā)展的需求，聯(lián)合研制的核島主設(shè)備制造用新型690 焊接材料，焊絲型號為ERNiCrFe-13。該焊絲具有優(yōu)秀的抗裂性、高溫強度和耐腐蝕能力，通過協(xié)調(diào)設(shè)計C，Nb，Ta 和Mo 等元素的含量對焊接熱裂紋有重要影響，有效地控制了熔敷金屬Laves 相、MC 碳化物和MN 氮化物的含量，能同時防止結(jié)晶裂紋和高溫失塑裂紋，有望解決三代核電主設(shè)備690 焊接裂紋問題。

批號為3171139 的690 焊絲和熔敷金屬化學(xué)成分、大厚度裂紋試驗結(jié)果和JMat Pro 軟件組織計算結(jié)果見表3。

表3 WHS693M 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）和抗裂性及組織計算結(jié)果（體積分?jǐn)?shù),%）

從表3 可見，WHS693M 焊絲的純凈度高，控制Laves 相、MC 和M2(C,N) 碳化物、MN 氮化物數(shù)量，可以防止焊接裂紋。采用JMat Pro 軟件計算的熔敷金屬微觀組織為Laves 相含量0.04%（＜0.9%），MC +MN+M2(C,N)含量 0.20 %（＞0.18 %），依據(jù)抗裂性判據(jù)得出的結(jié)果與大厚度裂紋試驗結(jié)果一致。

采用TIG 堆焊方法進行了熔敷金屬試驗，焊絲規(guī)格為φ1.2 mm，焊接參數(shù)為焊接電流180～240 A，電弧電壓15～17 V，焊接速度180 mm/min，送絲速度1 100～1 200 mm/min，層間溫度Tc＜100 ℃。

拉伸試驗分別按照焊接接頭的力學(xué)性能測試方法AWS B4.0M-2000（室溫）、金屬材料的高溫抗拉試驗方法ASTM E21-92（1998）（350 ℃）的要求進行，試樣直徑φ12.5 mm，平行于堆焊方向取樣。按照AWS B4.0M 的要求進行了室溫沖擊試驗，試樣按照鋼產(chǎn)品力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法及定義ASTM A370 中圖1 A型加工，每組3 個試樣。

三代核電核島主設(shè)備對690 合金焊絲熔敷金屬力學(xué)性能的要求值和試驗結(jié)果見表4。

表4 熔敷金屬力學(xué)性能

從表4 可見，熔敷金屬不僅具有較高的強度，還具有良好的塑性和沖擊韌性，滿足三代核電核島主設(shè)備的性能要求。

4 結(jié)論

（1）在大厚度裂紋試驗的基礎(chǔ)上，提出了基于微觀組織的鎳基合金熱裂紋判據(jù)，防止結(jié)晶裂紋判據(jù)為Laves 相含量不大于0.9%，防止高溫失塑裂紋判據(jù)為MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%。

（2）研制的WHS693M 焊絲抗裂性優(yōu)良，大厚度裂紋試驗結(jié)果為好，力學(xué)性能滿足三代核電主設(shè)備制造技術(shù)要求。