湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 湖南 長(zhǎng)沙 410000

1 引言

鎳基合金是一種在高溫條件下具有較好的強(qiáng)度,其耐腐蝕性和抗氧化性能均能夠達(dá)到較高的水平,鎳基合金在600℃時(shí)能保持較好的韌性和強(qiáng)度,在700℃的高溫環(huán)境中,仍能保持韌性,還具有較好的還原、氧化和氮化介質(zhì)耐腐蝕性能,在一些高溫環(huán)境、耐腐蝕要求較為嚴(yán)格的石油化工項(xiàng)目中得到廣泛的應(yīng)用。

2 合金800H(N08810)材料特性

2．1 材料成分 800H合金是一種含有碳、鋁、鈦、硅、錳及限量固溶態(tài)高強(qiáng)度奧氏體鎳鐵鉻合金。該合金的主要成分組成表見表1所示。

表1 800H合金的主要成分表

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以看出,800H合金中的碳含量相對(duì)于N08800合金系列其他材料高,碳含量高可以更好地保證高溫條件下的持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度,能夠適應(yīng)高溫環(huán)境中的要求。通過(guò)控制合金中的碳含量不低于0．05%,即可能保證合金良好的高溫使用條件,一般而言,N08800合金適用于低于590℃的環(huán)境使用,而800H合金能夠適用于高于600℃環(huán)境使用,同時(shí)具有良好的抗拉強(qiáng)度。

2．2 材料的性能

(1)容易產(chǎn)生熱裂紋。從上述的成分表中不難看出,合金中含有較多的鎳,該材料在液態(tài)凝固成固態(tài)過(guò)程中容易與S、P、O等元素形成一些低熔點(diǎn)的結(jié)晶體,這些結(jié)晶體是形成裂紋的主要原因,合金在進(jìn)行焊接時(shí),材料在焊接區(qū)域容易形成粗大的樹枝狀的奧氏體結(jié)晶,低熔點(diǎn)的結(jié)晶體容易聚集在晶界,如果出現(xiàn)凝固收縮應(yīng)力和焊接拉伸應(yīng)力時(shí),低熔點(diǎn)的結(jié)晶體很容易被拉伸而導(dǎo)致出現(xiàn)熱裂紋。此外,除了焊接熱裂紋外,對(duì)那些由于冷成型、厚度不一致以及接管比較多容易導(dǎo)致應(yīng)力集中的合金800H(N08810)制壓力容器,在受熱(熱影響)部位、冷變形處,特別是壁厚較厚的材料在制造中更容易出現(xiàn)應(yīng)力松弛導(dǎo)致的熱裂紋。

(2)容易出現(xiàn)氣泡。該合金材料的密度大,導(dǎo)熱性能差,熔體的粘度相對(duì)較高,氣體的自由逸出能力差,因此容易導(dǎo)致未逸出的氣體形成氣泡。

3 焊接過(guò)程易產(chǎn)生熱裂紋的原因分析

多變化裂紋產(chǎn)生原因:一般縱向裂紋,斷口處沒有明顯的塑性變形,為高溫低塑性開裂特征,同時(shí)裂紋的出現(xiàn)時(shí)間為固相線以下的再結(jié)晶溫度區(qū)間,應(yīng)為多變化裂紋。該裂紋的形成原因是高溫和應(yīng)力的雙重作用下,晶格的缺陷出現(xiàn)了位移,因焊接過(guò)程本身屬于不平衡的冶金過(guò)程,容易出現(xiàn)較多的空位等缺陷,這些晶格缺陷匯集、擴(kuò)大,最終形成了多變化裂紋。

高溫液化裂紋產(chǎn)生原因:出現(xiàn)過(guò)熱的情況,導(dǎo)致高溫液化裂紋的出現(xiàn)。產(chǎn)生高溫液化裂紋的主要原因是發(fā)生了晶間液膜,在焊接熱循環(huán)峰值溫度的作用下,在熱影響區(qū)和多層焊的層間出現(xiàn)了重熔,拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。鎳金屬容易與一些元素形成低熔點(diǎn)的晶體,這些晶體會(huì)以液化膜的形式存在于晶界面,溫度低于固相線時(shí)在收縮應(yīng)力的作用下產(chǎn)生開裂的情況。

4 焊后熱處理的作用

800 H合金進(jìn)行的焊后熱處理技術(shù)主要包括兩種:固熔處理和穩(wěn)定化處理。

固熔處理主要是將產(chǎn)生的低熔點(diǎn)的結(jié)晶物質(zhì)重新熔化并再次進(jìn)入基體中,消除粗大的奧氏體組織,保證晶粒的均勻性成長(zhǎng),提升晶面的塑性性能。細(xì)化粗大晶粒,可以有效降低或消除熱裂紋,同時(shí)提升材料自身的強(qiáng)度性能。

穩(wěn)定化處理目的是解決焊縫的晶界貧鉻現(xiàn)象提高抗焊縫的抗晶間腐蝕能力,為了保證碳元素的充分溶解,除了加入穩(wěn)定的鈦元素外,同時(shí)需要選擇在熱穩(wěn)定的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行處理,一般850－910℃,減少碳化鉻的析出,這樣在熱處理溫度經(jīng)過(guò)敏化溫度時(shí),也不會(huì)有很多碳化鉻析出,降低了焊縫的晶間腐蝕敏感性。

5 防止焊接熱裂紋出現(xiàn)的措施

(1)鋁和鈦的穩(wěn)定加入。鋁和鈦加入能夠促進(jìn)鎳金屬與鋁、鈦形成穩(wěn)定的金屬間化合物,從而減少低熔點(diǎn)結(jié)晶物質(zhì)產(chǎn)生,但兩種金屬的加入會(huì)在一定程度上降低合金的焊接性能,因此需要選擇合適的添加比例。

(2)為了保證焊接接頭與母體具有相同的高溫蠕變性能及抗氧化性能。為保證接頭的高溫強(qiáng)度,焊接金屬需與母體的材質(zhì)具有相同含量的鉻和鉬含量。而過(guò)高的鉻含量會(huì)在焊接過(guò)程中形成復(fù)雜的碳化物,對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此,可以選用鈮、釩等元素對(duì)鉻鉬鋼滲合金,這些合金產(chǎn)生的碳化物在短時(shí)間的焊接熱周期內(nèi)來(lái)不及溶解到固熔體中,提高金屬的韌性和抗裂性能。

(3)焊材的合理管理與選擇。為了保證焊接的質(zhì)量,需要對(duì)焊材進(jìn)行品質(zhì)控制,首先對(duì)來(lái)樣進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè),篩選出不滿足要求的焊材。另外,焊材的存儲(chǔ)環(huán)境需要進(jìn)行控制,一般需要保證環(huán)境中的溫度在5℃以上,環(huán)境濕度不超過(guò)60%,否則需要進(jìn)行除濕。倉(cāng)管需要每天定時(shí)檢測(cè)環(huán)境的溫度和濕度。焊條使用前,需要按照使用說(shuō)明進(jìn)行烘干處理,烘干時(shí)升溫速度一般控制在每小時(shí)150℃以下,避免升溫速度過(guò)快對(duì)藥皮產(chǎn)生開裂影響。

(4)選擇合適的晶粒細(xì)化的加工條件,同時(shí)對(duì)粗晶粒在成形和焊接后需進(jìn)行退火處理,在焊接時(shí),應(yīng)快速冷卻,避免焊接區(qū)在高溫時(shí)停留過(guò)長(zhǎng),防止產(chǎn)生晶間腐蝕。

6 結(jié)語(yǔ)

800 H因其高溫條件下具有較好的強(qiáng)度,在一些特殊領(lǐng)域得到應(yīng)用。但在高溫和高壓的作用下,合金材料在進(jìn)行焊接時(shí)容易出現(xiàn)裂紋,使得其應(yīng)用效果得到威脅,因此對(duì)焊接造成的裂紋進(jìn)行控制十分關(guān)鍵。焊后熱處理能夠有效控制焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱裂紋,保證材料焊接的質(zhì)量。另外,本文還對(duì)焊接過(guò)程中熱裂紋控制措施進(jìn)行簡(jiǎn)要分析,兩種措施共同消除和控制熱裂紋。