霍樹斌 侯永濤 郭梟 徐鍇 陳波 楊再勛

摘要：采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡及能譜儀（SEM、EDS）、拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)等對(duì)比研究了Ta、Nb元素含量對(duì)ERNiCrFe-13鎳基合金焊絲（1#焊絲高Ta低Nb，2#焊絲高Nb低Ta）熔敷金屬組織與性能的影響。結(jié)果表明，1#焊絲和2#焊絲熔敷金屬組織均為柱狀枝晶，且存在偏析帶，在偏析帶上存在析出相，1#焊絲的析出相主要為碳化物和Laves相，面積約為0.5～2 μm2;2#焊絲的析出相除碳化物和Laves相外，還存在σ相和γ/Laves相共晶組織，析出相面積約為3～10 μm2;1#焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于要求值，滿足在核電工程上的安全應(yīng)用條件，2#焊絲熔敷金屬?zèng)_擊性能較差，整體上看1#焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能優(yōu)于2#焊絲。

關(guān)鍵詞：ERNiCrFe-13;力學(xué)性能;γ/Laves相共晶組織

中圖分類號(hào)：TG422.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0012-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.03

0? ? 前言

ERNiCrFe-13是一種新型鎳基合金焊接材料，與目前核島主設(shè)備制備中應(yīng)用較多的ERNiCrFe-7和ERNiCrFe-7A系列焊材相比，其不同之處主要在于Nb、Ta、Mo等元素含量的增加[1]。已有研究表明，Nb和Mo元素的增加可以細(xì)化焊絲熔敷金屬的晶粒、扭曲晶界，阻礙晶界的滑移，從而提高焊絲熔敷金屬抗高溫失塑裂紋（ductility dip cracking，DDC）的能力[2-4]。但Nb和Mo均是有一定偏析傾向的元素，當(dāng)Nb含量過多時(shí)，在焊接過程中會(huì)形成較多的大而脆的低熔點(diǎn)共晶相，擴(kuò)大結(jié)晶溫度區(qū)間，增大裂紋敏感性[5]。郭梟[6]等人研究表明，通過添加Ta元素來代替部分Nb元素，可以減少或者避免低熔點(diǎn)共晶相的形成，從而進(jìn)一步提高鎳基合金焊絲的焊接性。國(guó)外學(xué)者的研究表明，ERNiCrFe-13焊接材料在保證良好焊接工藝性和優(yōu)異力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，改善了鎳基合金微裂紋的狀況[7-9]，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此類焊接材料的研究較少。基于此，文中依據(jù)2019版ASME規(guī)范試制了兩種符合ERNiCrFe-13標(biāo)準(zhǔn)的焊絲，并對(duì)其熔敷金屬的組織與力學(xué)性能展開了分析研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為實(shí)驗(yàn)室試制的兩種鎳基合金氣保焊絲，1#焊絲為高Ta低Nb，2#焊絲為高Nb低Ta，焊絲直徑φ1.2 mm，主要化學(xué)成分如表1所示。

試驗(yàn)?zāi)覆牟捎贸叽?00 mm×200 mm×30 mm的Q235鋼板，在母材上堆焊約200 mm×100 mm×40 mm的熔敷金屬，其焊接工藝參數(shù)如表2所示。

在堆焊的熔敷金屬上未受到多次焊接熱循環(huán)影響的位置切取試樣，經(jīng)過研磨、拋光、腐蝕后制成熔敷金屬金相試樣。采用OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡觀察熔敷金屬的金相組織，采用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡進(jìn)一步放大表征熔敷金屬的微觀結(jié)構(gòu)，并配合OX-FORD INCA能譜儀進(jìn)行微觀組織的成分分析;采用AG-IS 100KN電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM E21-20標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熔敷金屬分別進(jìn)行室溫和350 ℃高溫拉伸試驗(yàn);采用JBN-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 2650-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熔敷金屬進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔敷金屬金相組織

熔覆金屬金相組織如圖1所示。可以看出，1#焊絲和2#焊絲熔敷金屬金相組織均以柱狀枝晶為主，都存在白灰色偏析帶，在偏析帶上有灰黑色的析出相;1#焊絲析出相數(shù)量較少，在偏析帶呈離散分布，形狀近似圓形，單個(gè)析出相的尺寸較小;2#焊絲析出相較多，形狀呈不規(guī)則的多邊形，相比1#焊絲單個(gè)析出相的尺寸較大。

2.2 熔敷金屬SEM-EDS分析

為了進(jìn)一步觀察分析熔敷金屬的析出相及其類別，對(duì)焊絲熔敷金屬進(jìn)行SEM-EDS分析。1#焊絲熔敷金屬未受到多次熱循環(huán)影響的組織如圖2所示?？梢钥闯?，1#焊絲熔敷金屬的組織由黑色枝晶、白灰色偏析帶和偏析帶上的析出物組成，結(jié)合文獻(xiàn)[6，10]分析可知，黑色枝晶為基體γ相，白灰色偏析帶寬度約為3～6 μm，在偏析帶上存在面積約為0.5～2 μm2析出物，主要為L(zhǎng)aves相和碳化物。1#焊絲熔敷金屬的EDS分析如表3所示。由表3可知，與黑色枝晶γ相相比，白灰色偏析帶的Ta、Mo元素較多，Laves相Ta元素含量較多。

2#焊絲熔敷金屬未受到多次熱循環(huán)影響的組織如圖3所示。可以看出，2#焊絲熔敷金屬組織同樣由枝晶γ相、偏析帶和析出物組成，偏析帶寬度為3～6 μm，并且偏析帶與枝晶γ相相比，Nb、Ta、Mo元素含量較高。與1#焊絲不同的是，其析出相面積約為3～10 μm2，并且除了Laves相和碳化物外，其析出相還包括σ相和γ/Laves相共晶組織。2#焊絲熔敷金屬的EDS分析如表4所示。

σ相是一種硬脆相，σ相的存在不僅會(huì)降低鎳基合金的機(jī)械性能，還可能成為許多裂紋的開裂源頭[11-12]。γ/Laves相共晶組織屬于低熔點(diǎn)共晶，其存在表明熔敷金屬結(jié)晶的終凝溫度較低[6]，并且會(huì)增大熔敷金屬結(jié)晶裂紋的敏感性[13]。除此之外，σ相和Laves相的形成還會(huì)耗盡基體的Nb、Mo、Ta等固溶強(qiáng)化元素，嚴(yán)重影響基體的力學(xué)性能。因此，在鎳基合金焊材的研制過程中，應(yīng)盡量避免這些第二相在熔敷金屬中的形成。

2.3 熔敷金屬力學(xué)性能分析

鎳基合金焊絲主要用于核電反應(yīng)堆壓力容器徑向支撐塊和蒸汽發(fā)生器管板堆焊以及接管安全端上，設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫高壓環(huán)境。為保證所研制的焊絲在核電工程上的安全應(yīng)用，TIG焊熔敷金屬的力學(xué)性能需滿足以下要求：室溫拉伸強(qiáng)度Rm≥585 MPa，350 ℃高溫拉伸強(qiáng)度Rm≥505 MPa，室溫屈服強(qiáng)度RP0.2≥310 MPa，350 ℃高溫屈服強(qiáng)度RP0.2≥190 MPa，室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率A≥30%，室溫單個(gè)沖擊功Ak≥60 J。

焊絲拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。可以看出，1#、2#焊絲均滿足核電設(shè)備制備要求，其室溫拉伸強(qiáng)度和350℃高溫拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)高于要求的585 MPa和505 MPa，裕量較大;室溫屈服強(qiáng)度和350℃高溫屈服強(qiáng)度也都遠(yuǎn)高于要求值;室溫下1#焊絲和2#焊絲的斷后伸長(zhǎng)率雖滿足要求值，但裕量較小。1#、2#焊絲熔敷金屬?zèng)_擊性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。1#焊絲的沖擊性能遠(yuǎn)高于要求的60 J，裕量較大;相比之下，2#焊絲的沖擊性能較差，存在試驗(yàn)結(jié)果不滿足≥60 J的要求的情況。由此可見，2#焊絲的室溫沖擊性能較差，分析認(rèn)為可能與2#焊絲熔敷金屬存在較多的硬脆相有關(guān)。綜合來看，1#焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能優(yōu)于2#焊絲。

3 結(jié)論

文中針對(duì)兩種符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的ERNiCrFe-13焊絲（1#焊絲為高Ta低Nb，2#焊絲為高Nb低Ta），研究其熔敷金屬的金相組織與力學(xué)性能，結(jié)果如下：

（1）兩種焊絲的熔敷金屬組織均為柱狀樹枝晶，均存在偏析帶，在偏析帶上存在析出物。其中1#焊絲偏析帶的析出物主要為碳化物和Laves相，2#焊絲的偏析帶除了碳化物和Laves相外，還存在γ/Laves相共晶組織和σ相。

（2）1#焊絲的力學(xué)性能滿足核電設(shè)備的制備要求，各性能與要求值相比裕量較大，具備在核電工程制造應(yīng)用的條件;2#焊絲除沖擊性能較差外，基本滿足要求?？傮w上看，1#焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能優(yōu)于2#焊絲。

（3）熔敷金屬中的Laves相和σ相會(huì)耗盡Nb、Mo、Ta強(qiáng)化元素，嚴(yán)重影響基體的力學(xué)性能，在鎳基合金焊絲的研制過程中，應(yīng)盡量減少熔敷金屬中的Laves相和σ相的形成。

參考文獻(xiàn)：

ASME鍋爐及壓力容器材料委員會(huì). ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范（2019版）第Ⅱ卷 C篇 《焊條、焊絲及填充金屬》[S].美國(guó)：美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)，2019.

Sheng-Longjeng，Chang Y H. The influence of Nb and Mo on the microstructure and mechanical properties of Ni-Cr-Fe GTAW welds[J]. Materials Science & Engineering A，2012，555（OCT.15）：1-12.

Xu Zhang，Dian-Zhong Li，Yi-Yi Li，et al. Effect of Nb and Mo on the Microstructure，Mechanical Properties and Ductility-Dip Cracking of Ni-Cr-Fe Weld Metals[J]. Acta Metallurgica Sinica （English Letters），2016，29（10）：928-939.

Xiao Wei，Mengjia Xu，Jingqing Chen，et al. Fractal analysis of Mo and Nb effects on grain boundary character and hot cracking behavior for Ni-Cr-Fe alloys[J]. Materials Characterization，2018，145（11）：65-76.

莫文林，張旭，陸善平，等. Nb含量對(duì)NiCrFe-7焊縫金屬組織、缺陷和力學(xué)性能的影響[J].金屬學(xué)報(bào)，2015，51（2）：230-238.

郭梟，徐鍇，陳波，等.核電用新型鎳基合金焊絲熔敷金屬組織研究[J].電焊機(jī)，2019，49（4）：116-120.

Kiser S D，Zhang R，Baker B A. A new welding material for improved resistance to ductility dip cracking.Proc. Int. Conf. on ‘ Trends in welding research ’，Pine Mountain，GA，USA，June 2008，ASM International，2009：639-644.

Boian T. Alexandrov，Adam T. Hope，Jeffrey W. Sowards，et al. Weldability Studies of High-Cr，Ni-Base filler metals for power generation applications[J]. Welding in the World，2011，55（3-4）：65-76.

Konstantin Yushchenko，Viktor Savchenko，Nikolay Chervyakov，et al. Comparative Hot Cracking Evaluation Of Welded Joints of Alloy 690 Using Filler Metals Inconel 52 And 52 MSS[J]. Welding in the World，2011，55（9-10）：28-35.

郭梟，何鵬，徐鍇，等.一種核電用鎳基合金焊絲熔敷金屬的組織與性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2020，41（4）：26-30，98.

Fei Sun，Jianxin Zhang，Pan Liu，et al. High resolution transmission electron microscopy studies of σ phase in Ni-based single crystal superalloys[J]. Journal of Alloys and Compounds，2012，536（9）：80-84.

Changshuai Wang，Yunsheng Wu，YongAn Guo，et al. Precipitation behavior of sigma phase and its influence on mechanical properties of a Ni-Fe based alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds，2019，784（5）：266-275.

郭梟，何鵬，徐鍇，等.重熔電流對(duì)ERNiCrFe-13鎳基合金焊絲熔敷金屬組織的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2020，41（10）：6-10，97.