690鎳基合金焊條熔敷金屬的組織與性能研究

袁　浩，馬成勇，齊彥昌，李　莉，崔　冰

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690鎳基合金焊條熔敷金屬的組織與性能研究

袁浩1，2，馬成勇2，齊彥昌2，李莉1，崔冰1，2

（1.昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明650093；2.先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室（鋼鐵研究總院），北京100081）

摘要：采用金相顯微鏡、掃描電鏡、拉伸試驗、彎曲試驗和晶間腐蝕試驗分析了690鎳基合金ENiCrFe-7焊條中各元素對熔敷金屬組織、缺陷和力學性能的影響，研制符合核電設備使用要求的焊條.研究表明：焊縫熔敷金屬中的沿晶裂紋引起焊縫金屬拉伸性能、沖擊韌性和彎曲性能的降低；隨著焊縫中Nb，Ti元素含量的增加，焊縫析出相（Nb，Ti）（C，N）和NbC的數量增加，焊縫中滑移晶界受到析出相的釘扎，裂紋擴展受到抑制，焊縫熔敷金屬的強度、塑性和彎曲性能得到提高；Nb和Ti的加入減小了Cr23C6析出數量，抑制了晶間腐蝕裂紋的產生.新研制的鎳基焊條滿足核電設備對焊縫熔敷金屬的性能要求.

關鍵詞：焊條；沿晶裂紋；析出相；晶間腐蝕；力學性能

Inconel690鎳基合金是運用于核能發電設備的主要鎳基材料，具有優異的耐晶間腐蝕、縫隙點蝕和應力腐蝕性能［1］.因690焊接材料技術要求高，制造難度大，國際上只有少數焊材廠家能夠提供相關焊條，如SMC公司的Inconel152，AROS公司的ARCOS352和SANDVICK公司的Sanicro69，它們對應的AWS牌號都為ENiCrFe-7.目前國內使用的690焊條主要依靠進口.但使用中發現這類鎳基焊條的焊接性較差，焊接過程中熔池黏度大，流動性不好，易產生微小的氣孔、未熔合，裂紋敏感性大，容易產生焊接熱裂紋.因此，為得到良好的焊縫性能，需設計出一種抗缺陷性能好的鎳基焊條.本文結合目前690焊條的發展現狀，設計了一種ENiCrFe-7鎳基焊條，并與國際通用的 2組ENiCrFe-7鎳基焊條進行組織和力學性能對比分析，得到符合核電設備使用要求的焊縫熔敷金屬.

1　焊條及焊縫熔敷金屬的性能要求

新研制的鎳基焊條性能符合國家標準GB/T13814—92《鎳及鎳合金焊條》中的規定.考慮核反應堆壓力容器長期在較高環境溫度下運營，為保證核電設備的正常運行，對鎳基焊縫熔敷金屬有如下要求:室溫抗拉強度 Rm為 500～750 MPa，室溫屈服強度Rp0.2≥240 MPa，室溫斷后伸長率 A≥30%；沖擊試驗，室溫單個吸收功≥60 J，-20℃低溫平均值≥40 J，單個最小值≥28 J；要求側彎，D=4t（D為彎曲壓頭直徑，t為試樣厚度），α=180°，側彎拉伸面上不允許出現明顯的裂紋，長度在0.4 mm以上允許的裂紋數量不超過3個，單個裂紋、氣孔和夾雜物等的長度不得超過2 mm；晶間腐蝕彎曲后的試樣拉伸面上不允許有晶間腐蝕裂紋或開裂傾向.

2　焊材成分作用及制造

2.1 合金元素的作用

2.1.1 主要元素作用

Ni作為基體，與各種金屬元素具有相容性，可改進熱穩定性與制造性能，還可以提高材料在堿性、中性和還原性介質中的耐腐蝕性，改進耐氯化物的應力腐蝕開裂性能［2-5］.在鎳基合金中，Cr能在鎳基合金表面形成抗氧化和抗腐蝕的Cr2O3層，它具有低的陽離子空位，能夠阻止金屬元素的外擴散和其他不利元素向內擴散，從而穩定鎳基合金的表面.Fe的耐腐蝕性能差，使鎳基合金容易在應力和腐蝕介質的聯合作用下引起應力腐蝕開裂［6］.C在高溫合金中通過各種MC碳化物的形成來強化晶界，減少氧化物，提高合金的純潔度，降低晶粒缺陷的數量［7］.

2.1.2 微合金添加元素作用

Al、Ti的加入可以細化晶粒，且它們還是形成γ′相的主要元素.Ti促進了MC碳化物形成，使晶界C偏析量和M23C6析出相減少而降低結晶裂紋傾向.YORK和FLURY［8］認為（Al+Ti）/（C+Si）比率越高耐熱裂紋性能越好.Nb是碳化物形成元素，可以形成NbC和Laves相，這些組成物能夠對晶界進行釘扎阻止晶界滑移，抑制裂紋的產生，降低DDC敏感性［9］.但當Nb含量超過2.0%后，隨著Nb含量的增加，會形成低熔點共晶物，降低鎳基合金的抗晶界裂紋的能力［10］.Mn的加入能夠與S結合成MnS，減小S形成低熔點共晶液膜的傾向，同時Mn也是脫氧劑，能夠減少合金中的含氧量.

2.1.3 雜質元素作用

S、P在晶界偏析，降低殘余液相的結晶溫度，促使液相呈薄膜狀分布于晶界上，在熱應力的作用下極易開裂，形成結晶裂紋.

2.2 焊條制備

根據以上分析設計了新研制鎳基焊條成分，表1是2組國際通用鎳基焊條和新研制鎳基焊條的熔敷金屬（文中分別以1#、2#和3#代替）的化學成分.自制焊條的焊芯為 Inconel690，直徑為4 mm，焊條的藥皮外徑為6.5 mm.按設計的配方稱粉后，進行干粉攪拌和濕粉攪拌，再用油壓機壓制焊條，焊條經晾干，低溫烘干和350℃保溫2 h高溫烘干后對焊條進行性能測試.

表1　焊條熔敷金屬的化學成分（質量分數/%）

圖1　焊接接頭示意圖

3　試 驗

采用9Ni鋼板作為焊接試驗的母材，鋼板的尺寸為370 mm×150 mm×20 mm，鋼板的坡口設計如下圖1所示.由于本試驗只對熔敷金屬進行力學性能測試和組織觀察，因此，為保證熔敷金屬不受母材的影響，用焊條在9Ni坡口處堆焊一層隔離層，如圖1所示.1#、2#和3#熔敷金屬分別使用各自對應的鎳基焊條在坡口處堆焊隔離層后，采用手工電弧焊進行焊縫的多層多道焊接，一共7層24道次，焊接電流為120 A，焊接電壓為26.8 V，焊接速度為18.0 cm/min，極性為直流反接，層間溫度小于150℃.

對熔敷金屬進行機械研磨和拋光，采用10%草酸在10 V直流電壓下對焊縫金屬進行30～40 s的電解腐蝕.采用光學顯微鏡觀察焊縫組織，采用掃描電鏡和能譜儀觀察晶界和析出物并對析出物的元素組成進行分析.

4　結果與分析

4.1 化學成分對焊縫金屬組織的影響

圖2（a）為1#焊縫金屬的宏觀形貌，可以看到，焊縫兩邊的晶粒垂直于坡口斜向生長，焊縫中間的晶粒豎直生長，這是因為晶粒沿著散熱最快的方向生長.從圖2（b）可以看出，奧氏體柱狀晶相當發達且方向性明顯，3種焊材的焊縫金屬組織在宏觀金相下無明顯差別.

圖2　1#焊條焊縫熔敷金屬的低倍（a）和高倍（b）組織照片

4.2 焊縫熔敷金屬拉伸性能

試驗按照GB/T228.1—2010和GB/T4338—2006測試了1#、2#和3#焊條熔敷金屬的室溫抗拉強度、屈服強度和伸長率，測試結果見表2.由表2可知，3組焊條熔敷金屬的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均符合核電設備的要求.在ENiCrFe-7型1#、2#和3#焊條中，當焊縫熔敷金屬中Al，Ti， Nb元素含量增加時，焊縫熔敷金屬的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率逐漸升高.圖3為3種焊條焊縫金屬晶內析出相形貌和EDS分析結果.

表2　焊縫熔敷金屬拉伸性能

圖3　3 組焊縫金屬晶內析出物的SEM 像和EDS 分析結果

（a）1#焊條低倍SEM像；（b）2#焊條低倍SEM像；（c）3#焊條低倍SEM像；（d）1#焊條高倍SEM像；（e）2#焊條高倍SEM像；（f）3#焊條高倍SEM像；（g）1#焊條EDS分析結果；（h）2#焊條EDS分析結果；（i）3#焊條EDS分析結果

在焊縫熔池凝固過程中，Nb，Ti會偏析于枝晶間［11］，使得枝晶間的Nb，Ti含量高于枝晶干，由圖3可見，晶內析出相沿枝晶間分布，焊縫金屬中析出相為（Nb，Ti）（C，N）和NbC.采用掃描電鏡在相同放大倍數下，3組試樣隨機選取10個視場，并利用Image-Pro plus軟件對析出相數量進行統計（圖4）.由圖4可以看出，焊縫中的析出相數量隨Nb和Ti含量的升高而增加.

圖4　3組焊縫熔敷金屬析出相數量統計

在對1#試樣拉伸斷口和焊縫金屬進行SEM觀察時發現，拉伸斷口中存在較多沿晶裂紋（圖5），在其組織分析中發現焊縫中存在沿晶裂紋（圖6）.這種裂紋是引起1#試樣焊縫拉伸性能降低的一個重要原因.

圖5　1#試樣焊縫熔敷金屬拉伸斷口

圖6　1#試樣焊縫中的沿晶裂紋

研究認為［12-13］這種裂紋是在固相線以下的狹窄溫度區間內因塑性下降而產生的高溫低塑性裂紋（DDC），而Ti，Nb的加入能夠防止這種裂紋［14］.通過圖6可以看出，焊縫的晶界上存在析出物，這些析出物對晶界具有釘扎作用.但這些析出物沒有連續的分布在整個晶界上，因此，缺少析出物釘扎的晶界就很容易在低應力下發生滑移或開裂.隨焊縫熔敷金屬中Ti，Nb含量增加，析出相增多（圖4），焊縫金屬中高溫低塑性裂紋減少，焊縫金屬的強度和塑性同時增加［15］（表2）.

4.3 焊縫熔敷金屬沖擊性能

表3為3組焊縫熔敷金屬的沖擊性能結果，由表3可知，3組焊縫熔敷金屬的沖擊性能都滿足要求.其中熔敷金屬室溫和-20℃的沖擊功隨著Nb，Ti，Al元素含量的增加而增加，尤其是Al含量最多的2#試樣，其室溫和低溫沖擊功最高；而隨著Mn元素含量的減少熔敷金屬的沖擊功呈上升的趨勢.

表3　焊縫熔敷金屬沖擊性能

4.4 焊縫彎曲性能

表4為焊縫側彎性能.1#試樣側彎不滿足彎曲性能要求，2#和3#試樣側彎滿足性能要求.圖7 為3組焊縫金屬側彎后試樣表面形貌.1#試樣焊縫金屬彎曲試樣表面產生了較多的裂紋.隨著Nb，Ti含量增加，表面裂紋越來越少.根據拉伸性能的分析可知，彎曲試樣表面的裂紋也是由焊縫中的沿晶裂紋引起的.隨著Ti，Nb元素含量的增加，焊縫中高溫低塑性裂紋受到了抑制，彎曲試樣表面的裂紋較少，彎曲性能變好.

表4　焊縫側彎性能

圖7　3組焊條焊縫金屬側彎的表面形貌

4.5 晶間腐蝕檢驗

為了分析新研制的鎳基焊條的抗晶間腐蝕能力，對新研制的焊條進行了晶間腐蝕檢驗.新研制的鎳基焊條熔敷金屬的試樣經700℃×30 min敏化處理后加工成70 mm×15 mm×2.5 mm的晶間腐蝕試樣，按GB/T15260-94（B）法進行晶間腐蝕試驗后彎曲180°，彎曲后試樣形貌見圖8，檢驗結果見表5.

圖8　彎曲后晶間腐蝕試樣形貌

表5　晶間腐蝕檢驗結果

圖9為新研制的鎳基焊條焊縫熔敷金屬敏化處理后試樣靠近表層區域做的沿穿越晶界路徑線掃描分析.

圖9　3#試樣沿穿越晶界路徑線掃描

鎳基合金中的碳化物飽和固溶體在高溫下不穩定，Cr的碳化物會沿晶界析出，由于在鎳基合金中Cr的擴散速度遠低于C，因而只能消耗晶界附近的Cr，當晶界附近Cr含量低于12%，就會造成“貧鉻區”的出現，在腐蝕介質作用下，貧鉻區就會失去耐蝕能力，而產生晶間裂紋［16］.但從圖10中的線掃描Cr元素含量變化的分析結果可以看出，當從一個晶粒穿過晶界到另一個晶粒的掃描過程中，Cr元素含量變化不大，Cr含量基本保持在28.0%左右的水平，高于形成貧鉻區的條件.因此，熔敷金屬中不存在貧鉻區，對晶間腐蝕的敏感性很低，在腐蝕環境的作用下沒有產生晶間腐蝕裂紋.產生這一結果的原因是新研制的鎳基焊條中的碳含量很低，其為0.019%（表1），且新研制的焊條焊縫金屬中含有較多可以固C的Nb和Ti，因此，用來形成Cr23C6碳化物的碳含量很少，不會在晶界形成貧鉻區.

圖10　3#試樣沿穿晶界路徑的Cr元素含量變化

5　結 論

1）焊縫析出相主要沿枝晶間分布，析出相主要為（Nb，Ti）（C，N）和NbC.隨Ti和Nb含量增加，析出相的數量增加.

2）焊縫熔敷金屬中隨著Nb，Ti元素含量的增加，焊縫熔敷金屬的強度，塑性和彎曲性能得到提高.

3）新研制的焊條中Nb和Ti的加入減小了Cr23C6析出數量，在晶界附近沒有形成貧鉻區，這是其未產生晶間腐蝕裂紋的原因，也說明新研制的鎳基焊條的抗晶間腐蝕性能良好.

4）新研制的鎳基焊條滿足核電設備對焊縫熔敷金屬的性能要求.

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（編輯 呂雪梅）

中圖分類號：TG422.1

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0299（2016）02-0041-06

doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160204

收稿日期：2015-06-18.

基金項目：國家高技術研究發展計劃資助項目（2007AA03Z506）.

作者簡介：袁 浩（1989—），男，碩士研究生.

通信作者：袁 浩，E-mail:251834101@qq.com.

Research of the microstructure and properties of ENiCrFe-7 weldments

YUAN Hao1，2，MA Chengyong2，QI Yanchang2，LI Li1，CUI Bing1，2

（1.Kunming University of Science and Technology，College of Materials Science and Engineering，Kunming 650093，China；2.State Key Laboratory of Advanced Steel Process and Products（Central Iron and Steel Research Institute），Beijing 100081，China）

Abstract:In order to develop the welding electrodes and meet the requirement for the key components of nuclear power plant，the influence of ENiCrFe-7 welding electrodes compositionon the microstructure and mechanical properties of Ni-based weldments have been analyzed using optical microscopy，scanning electron microscopy，tensile test，bending test and intergranular corrosion test.The results showed that intergranular cracks caused the degradation of tensile strength，impact energy and bending property of weld metal.The addition of Nb and Ti can form MX（M=Nb，Ti，X=C）precipitates，which were present to“pin”grain boundary motion and impede the propagation of cracks.The precipitates increased with the increase of Nb and Ti contents in the weld metals.The addition of Nb and Ti can improve the tensile strength，plasticity and bending property of the weld metals.The addition of Nb and Ti can fix C in grain，decrease the number of Cr23C6，which is helpful for minimizing intergranular corrosion of the weld.The self-made electrode had good comprehensive property which could meet the requirements for the key components of nuclear power plant.

Keywords:electrode；intergranular crack；precipitate；intergranular corrosion；mechanical property