Ta、Nb元素對ERNiCrFe-13焊絲熔敷金屬組織與性能的影響

霍樹斌 侯永濤 郭梟 徐鍇 陳波 楊再勛

摘要：采用光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡及能譜儀（SEM、EDS）、拉伸試驗和沖擊試驗等對比研究了Ta、Nb元素含量對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性能遠高于要求值，滿足在核電工程上的安全應用條件，2#焊絲熔敷金屬沖擊性能較差，整體上看1#焊絲熔敷金屬的力學性能優于2#焊絲。

關鍵詞：ERNiCrFe-13;力學性能;γ/Laves相共晶組織

中圖分類號：TG422.3? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：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，與目前核島主設備制備中應用較多的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Nb含量過多時，在焊接過程中會形成較多的大而脆的低熔點共晶相，擴大結晶溫度區間，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共晶相的形成，從而進一步提高鎳基合金焊絲的焊接性。國外學者的研究表明，ERNiCrFe-13焊接材料在保證良好焊接工藝性和優異力學性能的基礎上，改善了鎳基合金微裂紋的狀況[7-9]，目前國內對此類焊接材料的研究較少。基于此，文中依據2019版ASME規范試制了兩種符合ERNiCrFe-13標準的焊絲，并對其熔敷金屬的組織與力學性能展開了分析研究。

1 試驗材料及方法

試驗用材料為實驗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，主要化學成分如表1所示。

試驗母材采用尺寸300 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，其焊接工藝參數如表2所示。

在堆焊的熔敷金屬上未受到多次焊接熱循環影響的位置切取試樣，經過研磨、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一步放大表征熔敷金屬的微觀結構，并配合OX-FORD INCA能譜儀進行微觀組織的成分分析;采用AG-IS 100KN電子拉伸試驗機，按照ASTM E21-20標準對熔敷金屬分別進行室溫和350 ℃高溫拉伸試驗;采用JBN-300B沖擊試驗機，按照GB/T 2650-2008標準對熔敷金屬進行室溫沖擊試驗。

2 試驗結果與分析

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#焊絲析出相數量較少，在偏析帶呈離散分布，形狀近似圓形，單個析出相的尺寸較小;2#焊絲析出相較多，形狀呈不規則的多邊形，相比1#焊絲單個析出相的尺寸較大。

2.2 熔敷金屬SEM-EDS分析

為了進一步觀察分析熔敷金屬的析出相及其類別，對焊絲熔敷金屬進行SEM-EDS分析。1#焊絲熔敷金屬未受到多次熱循環影響的組織如圖2所示。可以看出，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，結合文獻[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Laves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相的存在不僅會降低鎳基合金的機械性能，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共晶，其存在表明熔敷金屬結晶的終凝溫度較低[6]，并且會增大熔敷金屬結晶裂紋的敏感性[13]。除此之外，σ相和Laves相的形成還會耗盡基體的Nb、Mo、Ta等固溶強化元素，嚴重影響基體的力學性能。因此，在鎳基合金焊材的研制過程中，應盡量避免這些第二相在熔敷金屬中的形成。

2.3 熔敷金屬力學性能分析

鎳基合金焊絲主要用于核電反應堆壓力容器徑向支撐塊和蒸汽發生器管板堆焊以及接管安全端上，設備長期處于高溫高壓環境。為保證所研制的焊絲在核電工程上的安全應用，TIG焊熔敷金屬的力學性能需滿足以下要求：室溫拉伸強度Rm≥585 MPa，350 ℃高溫拉伸強度Rm≥505 MPa，室溫屈服強度RP0.2≥310 MPa，350 ℃高溫屈服強度RP0.2≥190 MPa，室溫斷后伸長率A≥30%，室溫單個沖擊功Ak≥60 J。

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

3 結論

文中針對兩種符合ASME標準的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性能，結果如下：

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

（3）熔敷金屬中的Laves相和σ相會耗盡Nb、Mo、Ta強化元素，嚴重影響基體的力學性能，在鎳基合金焊絲的研制過程中，應盡量減少熔敷金屬中的Laves相和σ相的形成。

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