核電廠閥芯W(wǎng)CB鋼鈷基耐磨堆焊工藝研究

徐寶坪 晉嘉昱 朱家澤

摘要：鈷基合金因其良好的耐高溫性、耐腐蝕性和耐磨性，成為目前應(yīng)用最為廣泛的一種堆焊合金。為降低核電廠運行機組的維修成本，使設(shè)備利用率最大化，本著“以修代換”維修方式開展了閥門閥芯ASTM 216 WCB鋼鈷基耐磨堆焊工藝研究。文中主要簡述了堆焊類型和鈷基合金耐磨性的機理;詳細(xì)闡述了ASTM 216 WCB鋼鈷基合金耐磨堆焊工藝評定，通過對堆焊層無損檢測、理化檢測，獲得了滿意的堆焊接頭，為制定機組大修實施同材質(zhì)閥門閥芯鈷基耐磨堆焊工藝指導(dǎo)書提供了有力的技術(shù)依據(jù)，從而保障閥門閥芯維修鈷基耐磨堆焊質(zhì)量符合要求。

關(guān)鍵詞：鈷基合金;耐磨;堆焊

中圖分類號：TG455 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0074

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.15

1 概述

核電廠服役機組多系統(tǒng)閥門由于長時間在高溫、高壓環(huán)境下運行，受運行介質(zhì)不斷沖刷加之閥門的頻繁操作，導(dǎo)致閥門內(nèi)零部件磨損或減薄，進(jìn)而影響閥門正常功能的使用。為保障機組設(shè)備下一個循環(huán)的安全、可靠運行，大修期間一般會對閥門進(jìn)行整體更換處理。然而，機組運行期間閥門由于運行磨損減薄等原因所導(dǎo)致的設(shè)備功能失效為常見的失效模式，若直接采取更換處理，維修費用高、代價大，不利于機組大修成本控制，而采用堆焊耐磨合金的方法對因磨損而減薄的閥門進(jìn)行修復(fù)從而實現(xiàn)“以修代換”，是降低維修成本的理想方法。

2 堆焊簡介

堆焊是通過在被焊金屬表面制備具有特殊性能的堆焊層的方法，堆焊層能在特定工況條件下服役并符合使用要求。

堆焊是金屬晶內(nèi)結(jié)合的一種熔化焊接方法，不同于一般焊接，它不是連接技術(shù)，而是一種表面改性技術(shù)，在零件表面堆焊一層或數(shù)層具有一定性能材料的工藝過程，目的在于維復(fù)零件或提高零件的表面耐磨、耐熱、耐蝕等方面的性能，因此堆焊既具有一般焊接方法的特點，但又有其特殊性[1]。

堆焊合金類型主要分為鐵基合金、鈷基合金、鎳基合金、碳化物硬質(zhì)合金、銅基合金五大類[2]。

3 鈷基合金耐磨機理

3.1 鈷基合金介紹

鈷基合金又稱“司特立”（Stellite）合金，為Co-Cr-W-C合金，以Co為基本成分，其他元素成分含量w（Cr）=25%～33%、w（W）=3%～21%，w（C）=0.7%～3.3%，Cr使合金具有高的抗氧化性，W增加合金的高溫（540～650 ℃）蠕變強度。合金整體硬度通常隨含碳量的增加而增加，當(dāng)合金含碳量低時，堆焊層的組織為奧氏體+共晶組織;含碳量高時，合金為過共晶組織，出現(xiàn)大塊的M7C3和M6C型合金碳化物。在650 ℃左右能保持較高的強度和硬度是鈷基堆焊合金區(qū)別于鐵基、鎳基堆焊合金的主要特點，也是該合金應(yīng)用較多的主要原因。

鈷基堆焊合金具有良好的耐高溫和耐磨性能、很好的紅硬性、較好的抗磨料磨損、抗腐蝕、抗沖擊、抗熱疲勞、抗氧化和抗金屬件耐磨性能，綜合性能較好。但是此類合金很容易形成冷裂紋或結(jié)晶裂紋，在電弧焊和氣焊時應(yīng)進(jìn)行200～500 ℃預(yù)熱，且預(yù)熱溫度應(yīng)隨著含碳量的增加而提高[3]。

3.2 鈷基耐磨機理

鈷基合金堆焊層的基體組織是奧氏體+共晶組織。含碳量低時，堆焊層由呈樹枝狀晶的Co-C-W固溶液（奧氏體）初晶和固溶液體與Cr-W復(fù)合碳化物的共晶體組成。隨著含碳量的增加，奧氏體數(shù)量減少，共晶體增多。改變C和W的含量，可以改變堆焊合金的硬度和韌性。鈷基合金中Cr可保證堆焊合金具有良好的抗氧化性和抗腐蝕性，Cr、W、C、Mo、Ni、Nb等元素以固溶和碳化物（Cr7C3、Cr23C6、WC、W2C等）兩種方式強化。Cr、W、Mo、Ni等元素對基體進(jìn)行固溶強化[4-5]，C與碳化物元素形成復(fù)雜的金屬間化合物，對合金進(jìn)行沉淀強化。Co是合金固溶體元素，Cr是碳化物元素，W可以形成硬度極高的碳化鎢質(zhì)點，C是碳化物的主要元素，固溶體組織為高鈷合金，共晶組織中有碳化物的硬質(zhì)點。

4 鈷基堆焊工藝評定

耐磨堆焊工藝是在某種已知其成分、形狀和尺寸的金屬上，為獲得符合特定質(zhì)量準(zhǔn)則的堆焊層而實施的一系列操作（包括準(zhǔn)備、預(yù)熱、堆焊、后熱處理和熱處理）[6]。

耐磨堆焊工藝評定，首先包括母材和填充材料性能的確定以及操作條件（特別是規(guī)定有效范圍的主要參數(shù)）的確定，其次是對所獲得的堆焊層是否滿足所要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗證。

4.1 堆焊母材、焊材選擇

堆焊母材（基材）為標(biāo)準(zhǔn)號ASTM 216 WCB鋼（C-Si），堆焊母材厚度20

mm，選用堆焊焊絲型號/牌號為ERCoCr-A/Stellite 6，規(guī)格3.2 mm。

4.2 焊接方法

采用全手工鎢極氬弧焊接方法（GTAW）。其特點是可見度好、電弧穩(wěn)定，飛濺少。由于惰性氣體保護(hù)，堆焊機層質(zhì)量優(yōu)良。且手工鎢極堆焊工件吸熱少，熔深淺，堆焊層形狀易控制，變形小[7]。

4.3 焊接位置

堆焊時在規(guī)定區(qū)域進(jìn)行堆焊操作，且保持在平焊位置進(jìn)行堆焊。

4.4 鈷基耐磨堆焊工藝參數(shù)

ASTM 216 WCB鋼鈷基堆焊工藝參數(shù)和熱處理工藝參數(shù)分別如表1、表2所示。

4.5 堆焊工藝要點

為了將基體母材的稀釋作用減至最小，第一層堆焊應(yīng)盡可能采用較小的焊接電流，以降低焊接熱輸入。

采用手工焊絲進(jìn)行堆焊，堆焊層厚度4～5 mm，堆焊3層，層間溫度保持在180～300 ℃之間，盡量減少層間溫度范圍，以減少焊接應(yīng)力。采用窄焊道、短弧、不擺動、連續(xù)焊接，以減少焊接熱輸入，降低合金元素的燒損和稀釋率，保證焊層的性能。

在堆焊過程中，應(yīng)對每一焊道進(jìn)行目視檢查，必要時采用鋼絲刷或砂輪機打磨方法進(jìn)行層道間清理。同時，應(yīng)特別注意接頭和收弧質(zhì)量，收弧時應(yīng)將熔池填滿，多層多道焊接頭應(yīng)錯開。

4.6 堆焊層機加及無損檢測

4.6.1 堆焊層機加前檢驗

為了保證高質(zhì)量的熔敷層、規(guī)則的成型以及與基體金屬的良好附著結(jié)合，在堆焊層機加前進(jìn)行液體滲透檢驗（以下簡稱“PT”），未出現(xiàn)未熔合、未焊透、開裂、裂紋、夾鎢、夾渣;在堆焊層或結(jié)合區(qū)未出現(xiàn)任何條狀（長為寬的3倍）PT顯示，未出現(xiàn)尺寸大于1.5 mm圓形PT顯示。

4.6.2 堆焊層機加及檢驗

采用機械方法對母材堆焊表面進(jìn)行加工（至少去掉近表面0.5 mm）。

為了得到良好的打磨表面以及提高抗侵蝕和抗腐蝕性能，耐磨堆焊層機加后進(jìn)行目視檢查合格后按文中4.6.1節(jié)要求進(jìn)行PT檢驗，結(jié)果符合要求。

4.7 堆焊層破壞性試驗

4.7.1 化學(xué)分析

在非稀釋區(qū)域進(jìn)行化學(xué)分析，包括規(guī)定的化學(xué)元素（C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Fe、W、Co），所有元素化學(xué)成分檢測結(jié)果（見表3）符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.7.2 宏、微觀金相

在與焊道垂直方向切取宏觀試樣，經(jīng)拋光和侵蝕液（鹽酸-硝酸-水溶液10∶1∶10）侵蝕后，用5倍放大鏡觀察焊縫金屬和熱影響區(qū)的橫截面，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合或其他線性缺陷（見圖1），符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在與焊道垂直方向切取微觀試樣，經(jīng)侵蝕液（硝酸-酒精溶液5∶100）侵蝕后，用200倍顯微鏡觀察焊縫金屬和熱影響區(qū)的橫截面，未發(fā)現(xiàn)異常組織、裂紋和過度滲碳（見圖2），符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.7.3 硬度檢測

（1）硬度測量線。

在焊道中央表面垂直的直線上，測量從母材熱影響區(qū)到熔敷金屬的HV5硬度變化曲線（見圖3中的AA線）。

根據(jù)NB/T20002.7-2013規(guī)定，室溫抗拉強度Rm>450 MPa的鐵素體碳鋼熱影響區(qū)的硬度應(yīng)滿足HV5≤380 HV[7]。3個試樣熔敷金屬、母材熱影響區(qū)硬度分布如表4所示。可以看出，3個試樣母材熱影響區(qū)硬度測量值均滿足≤380 HV標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）表面硬度的測定。

在3個試樣堆焊層上（熔敷金屬表面）按圖3中的BB線分別測定12個HRC硬度值并取平均值，計算最大值和最小值的偏差如表5所試樣堆焊層（熔敷金屬）HRC硬度測量值均合格，符合要求。

5 結(jié)論

在ASTM 216 WCB鋼基體上堆焊鈷基合金，通過鈷基堆焊工藝評定，可獲得滿意的堆焊接頭（化學(xué)分析、宏觀、微觀金相、硬度均滿足要求），為制定ASTM 216 WCB鋼或等效材質(zhì)閥門閥芯采用鈷基耐磨堆焊工藝修復(fù)提供了有力的依據(jù)，從而保障此類閥門閥芯鈷基堆焊質(zhì)量符合要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王娟. 表面堆焊與熱噴涂技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版?社，2004：7.

[2] 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會. 焊接手冊第1卷 焊接方?法及設(shè)備（第3版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008：895-?901.

[3] 張亞濱. 不銹鋼鈷基耐磨堆焊焊接工藝[J]. 科技信息，2013?（11）：125.

[4] 王德權(quán)，胡毅鈞，李杰. 閥門用鈷基合金及堆焊工藝[J].?閥門，2004（2）：12-17.

[5] 劉政軍，季杰，董曉強，等. 超硬質(zhì)相在高溫磨損中的行?為及抗磨性[J]. 焊接學(xué)報，1999（2）：120-125.

[6] 核島設(shè)備設(shè)計建造規(guī)則協(xié)會. RCC-M壓水堆核島機械?設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則[S]. 2007.

[7] NB/T? 20002.7-2013 壓水堆核電廠核島機械設(shè)備焊接?規(guī)范[S]. 2013.

[8] 陳祝年. 焊接工程師手冊（第2版）[M]. 北京：機械工業(yè)出?版社，2009.