新型鎳基EQNiCrFe-13帶極堆焊材料性能

徐鍇， 宋建廷， 馮偉，2， 曹宇堃， 賈立超

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱150028；2.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

0 前言

目前在核電站設備制造中應用的帶極堆焊690合金的是EQNiCrFe-7A型焊帶。國內外開展的ERNiCrFe-13 研究主要集中在焊絲抗裂性方面，EQNiCrFe-13 焊帶/焊劑方面的報道較少。有文獻資料及應用實例表明在ERNiCrFe-7A 焊絲的基礎上現提高Mo 和Nb 的含量，能夠顯著增加690 焊絲的抗DDC 能力。SMC公司目前已開發新型690 鎳基合金NiCrFe-13帶極堆焊材料INCONEL Weldstrip 52MSS，在Inconel Weldstrip52M基礎上添加4%的Mo和2.5%的Nb，提升了抗DDC的能力。20世紀90年代初，國內就開始了690鎳基合金焊接材料的研制但主要針對EQNiCrFe-7A。經過20多年的努力，盡管已經取得了一些成果，并研制出了690鎳基合金焊帶/焊劑，但基本停留在試驗室研制階段，目前國內并沒有針對EQNiCrFe-13帶極堆焊焊材的相關研究，該文針對國產新型690合金焊帶EQNiCrFe-13開展材料性能試驗，并與傳統EQNiCrFe-7A型焊帶進行對比分析不同合金體系對690帶極堆焊性能差異。

1 試驗材料和方法

試驗采用0.5 mm×60 mm, 245～1 651 μm的國產EQNiCrFe-13焊帶WHDNi693，焊劑WSJ63HR，試驗工藝參數見表1。

有研究表明，Mo是690合金體系中固溶強化元素，能夠降低合金層錯能，增加共晶組織比例，細化晶粒，可以提高強度[1-2]。Nb可以有效降低合金的DDC裂紋敏感性，Nb的碳化物在晶界的析出，讓晶界更加曲折蜿蜒，從而增加了晶界滑移的阻力[3]。EQNiCrFe-13合金體系在EQNiCrFe-7A的基礎上增加了Mo，Nb元素的含量以達到提升熔敷金屬強度和抗DDC性能的目的。2種合金體系下堆焊熔敷金屬成分見表2。為避免母材稀釋影響，堆焊層厚度≥20 mm。

表1 試驗工藝參數

表2 2種合金體系熔敷金屬化學成分(質量分數，%)

拉伸試驗：按照AWS B4.0M和ASTM E21-17標準進行試驗。試件形狀采用棒狀，保證試件的縱軸與焊縫的軸線吻合，試件尺寸φ12.5 mm。

沖擊試驗：按照AWS B4.0M標準來進行。試件采用V形缺口，缺口開在焊縫中心線處，試件尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。

顯微組織觀察：按照GB/T 13298金屬顯微組織檢驗方法進行金相分析，垂直于堆焊層取樣，檢驗面尺寸10 mm×10 mm，采用化學浸蝕以顯示金屬的顯微組織，浸蝕劑及方法按GB/T 13298 表A4選用。

晶間腐蝕試驗：以ASTM A262 C法進行5周期腐蝕試驗，將長方形試樣用水砂紙逐級打磨到1 000號，用水沖洗后，再用酒精擦拭，然后用去離子水沖洗，晾干后測量試樣尺寸并稱重。

高溫拉伸試驗：試驗在Gleeble3800熱模擬機上進行，試樣先以100 ℃/s的速度升溫到 1 100 ℃，保溫10 s，自由冷卻到指定溫度，以0.5 mm/s速度進行拉伸，直到試樣被拉斷，冷卻到室溫[4]。試驗中的指定溫度采用了750 ℃，850 ℃，950 ℃，1 050 ℃和1 150 ℃這5個溫度點。其中1 150 ℃的試樣直接以100 ℃/s的速度升溫到1 150 ℃進行加載。此試驗通過分析試驗材料抗拉強度和斷后伸長率，確定材料在高溫狀態塑性突降溫度區間，并采用最小斷后伸長率評價材料對DDC裂紋的敏感性；通過觀察不同溫度段斷口形貌，評價材料抗DDC裂紋能力[5]。

Z向拉伸試驗：SA-508Gr3CL2公稱化學成分為0.75Ni-0.5Mo-Cr-V，屬低合金高強鋼。由于 SA-508Gr3CL2含有較多的合金元素，碳當量達到0.76%左右，焊接過程中熱影響區具有較高的淬硬傾向，所以評估在高熱輸入狀態下在SA-508Gr3CL鋼上采用帶極堆焊方式堆焊鎳基690結合面的強度很有必要。設計Z向拉伸試驗，在60 mm厚度以上SA508Gr.3鋼母材，以表1所示的工藝參數進行進行堆焊試驗，堆焊厚度大于30 mm。取樣位置如圖1所示，母材和堆焊金屬的熔合線在拉伸試驗有效測試范圍內，拉棒尺寸選用φ5 mm，按照AWS B4.0M和ASTM E21-17標準進行試驗。

圖1 Z向拉伸取樣位置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

按照AWS B4.0M試驗標準進行熔敷金屬室溫拉伸試驗、夏比V形缺口沖擊試驗和彎曲試驗，焊態下3種690合金熔敷金屬力學性能見表3。

2.2 晶間腐蝕

將2組試樣放在玻璃支架上，試樣和玻璃支架一起懸于硝酸溶液中，硝酸溶液濃度為 65%，冷凝器內通入冷卻水，防止硝酸溶液蒸發改變其濃度，加熱至沸騰后開始計時，試驗中保持沸騰。試驗共進行48 h×5個周期，每個周期都使用新鮮溶液。每個試驗周期后取出試樣，除去腐蝕產物，干燥，稱重。用失重法計算試樣的腐蝕率[6]。所得試驗結果如圖2所示。從試驗結果可以看出，2種合金體系下堆焊金屬Cr含量相當。EQNiCrFe-13中由于Nb含量的提高會優先析出Nb的碳化物，不析出或很少析出Cr，Mo的碳化物。這樣在敏化區域就不會產生Cr，Mo碳化物，降低了晶間腐蝕敏感性。同時新型合金體系中由于合金含量提高，Ni元素比例減小，促使碳在晶界形成Cr23C6沉淀的傾向降低[7]，總體來說新型690鎳基合金的晶間腐蝕敏感性優于傳統鎳基合金EQNiCrFe-7A。

表3 熔敷金屬力學性能

圖2 2種合金體系晶間腐蝕試驗結果

2.3 顯微組織

2種合金體系堆焊層顯微組織試驗結果如圖3、圖4所示。2種合金體系顯微組織均為γ固溶體+析出物，呈柱狀晶，析出物存在與枝晶間偏析處。

圖3 EQNiCrFe-7A金相組織

圖4 EQNiCrFe-13金相組織

2.4 高溫拉伸

高溫拉伸斷后伸長率能直接體現材料高溫塑性，發現材料塑性突降的敏感溫度區間[8]，因此對試驗材料熔敷金屬進行了高溫拉伸試驗，初步判斷材料 DDC裂紋敏感溫度區間，并采用最小斷后伸長率斷口形貌分析評價材料DDC裂紋敏感性。同時高溫拉伸試驗可以直觀體現抗拉強度隨溫度的變化，并通過下降的速率判斷抗DDC裂紋能力下降的階段，一般來說DDC裂紋的敏感溫度區間也是高溫抗拉強度最低的溫度區間。對2組帶極堆焊熔敷金屬以相同試驗參數進行750～1 150 ℃溫度區間的高溫拉伸試驗，高溫抗拉強度試驗結果如圖5所示，斷后伸長率變化結果如圖6所示。從試驗結果可以看出，2種合金體系690帶極堆焊熔敷金屬的抗拉強度隨溫度的升高而下降，但其下降的速度并不一樣，EQNiCrFe-7A從750 ℃開始抗拉強度下降速度開始變快，一直到1 000 ℃時，下降速度又放緩。EQNiCrFe-13并未出現抗拉強度陡降的情況。從斷后伸長率的變化可以看出，690鎳基合金材料的塑性是隨溫度的升高而下降的，EQNiCrFe-7A在750～850 ℃區間內塑性下降的梯度最大，EQNiCrFe-13從900 ℃以后塑性下降才較為明顯。結合文獻中試驗中NiCrFe-7A的裂紋敏感溫度，發現抗拉強度下降最快的溫度階段是材料抗裂性下降最快的階段，DDC裂紋的敏感溫度區間也是抗拉強度最低的時候。說明2種新型合金體系的裂紋敏感溫度區間高于傳統合金體系。

圖5 2種合金體系抗拉強度隨溫度的變化

圖6 2種合金體系斷后伸長率隨溫度的變化

為進一步確定合金體系對690帶極堆焊金屬抗裂性的影響，分別取塑性下降梯度最大區間的高溫拉伸試樣對試樣斷口進行SEM分析，以確定不同合金體系中產生裂紋的原因。EQNiCrFe-7A選用850 ℃下的試樣，EQNiCrFe-13選用950 ℃下的試樣進行觀察。對EQNiCrFe-7A所觀察的結果如圖7所示。從圖7中可以看出拉伸斷口為典型的高溫失塑性裂紋形貌，高溫失塑裂紋的形貌比例較大，均為塑性沿晶形態，宏觀上顯示出平滑特征，呈臺階狀，并伴有起伏形態，斷口表面較為平整，起伏較小。說明導致EQNiCrFe-7A塑性下降的原因為DDC。

圖7 EQNiCrFe-7A高溫拉伸斷口

對EQNiCrFe-13所觀察的結果如圖8所示。從圖8中可以看出拉伸斷口形貌為韌窩，未發現明顯DDC特征，說明EQNiCrFe-13帶極堆焊金屬在高溫下塑性較好，由于Nb元素的加入降低了材料DDC裂紋敏感性，晶界處Nb析出物對晶界變形有阻礙作用，提高晶界抗變形能力和塑性變形能力[9]，避免了由于晶界處塑性變形過度而導致的沿晶裂紋。由于析出物的增加，對位錯的遷移，晶界的滑移起到阻礙和釘扎的作用，晶界變得曲折蜿蜒，增大了界面面積，對裂紋的產生起到抑制作用[10-12]。同時由于Mo元素的添加，提高了堆焊金屬的強度，從而增加焊縫金屬對焊接熱應力的抗力，使其具有更好的抗低塑裂紋的能力。

圖8 EQNiCrFe-13高溫拉伸斷口

2.5 Z向拉伸

對所取2組堆焊金屬拉伸試樣按標準進行試驗并且觀察拉棒斷裂位置，對比不同條件下堆焊層結合面的強度，試驗結果見表4。試驗結果表明：通過觀察拉伸試樣斷裂位置，在室溫下EQNiCrFe-7A試樣斷裂位置在堆焊層，EQNiCrFe-13材料斷裂位置在SA508Gr.3鋼母材。350 ℃高溫拉伸試驗試樣斷裂位置均在堆焊層，熔合線處均未斷裂。

表4 Z向拉伸試驗結果

3 結論

(1)新型EQNiCrFe-13鎳基合金體系中由于Nb，Mo合金元素的添加，力學性能和抗熱裂紋性能優于傳統EQNiCrFe-7A。

(2)對2種合金體系中低塑性溫度點進行SEM觀察，EQNiCrFe-7A較新型合金體系相比低塑性敏感溫度低、區間大，新型合金體系帶極堆焊金屬抗DDC性能優于傳統690合金體系帶極堆焊金屬。

(3)通過Z向拉伸試驗表明，在SA-508Gr3CL 鋼上采用帶極堆焊方式堆焊鎳基690結合面的強度高于母材和堆焊層，同時EQNiCrFe-13型帶極堆焊材料強度高于EQNiCrFe-7A型帶極堆焊材料。