新型鎳基EQNiCrFe-13帶極堆焊材料性能

徐鍇　宋建廷　馮偉　曹宇堃　賈立超

摘要： 從化學(xué)成分、力學(xué)性能、抗晶間腐蝕能力及高溫試驗(yàn)拉伸斷口等方面對(duì)比分析了新型鎳基690合金帶極堆焊材料EQNiCrFe-13和EQNiCrFe-7A的差異，同時(shí)對(duì)SA508-3鋼母材進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)研究2種堆焊材料與SA508-3鋼母材界面的結(jié)合強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，新型690合金由于Mn，Nb含量的提高，其力學(xué)性能和抗DDC（Ductility dip cracking）性能優(yōu)于傳統(tǒng)690合金EQNiCrFe-7A。

關(guān)鍵詞： 690鎳基合金; 帶極堆焊; 高溫拉伸試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TG 423

Abstract： Differences between EQNiCrFe-13 and EQNiCrFe-7A new types of nickel-based 690 alloy strip surfacing materials were compared and analyzed from aspects of chemical composition， mechanical properties， resistance to intergranular corrosion and analysis of tensile fracture through the high-temperature test. And Z-direction tensile test was carried out on base metal of SA508-3 steel to study bonding strength of the interface between the two surfacing materials and SA508-3 steel. The research results showed that the new 690 alloy had better mechanical properties and resistance to DDC than the traditional 690 alloy EQNiCrFe-7A due to increase of Mn and Nb content.

Key words： 690 nickel-based alloy; strip surfacing; high temperature tensile test

0 前言

目前在核電站設(shè)備制造中應(yīng)用的帶極堆焊690合金的是EQNiCrFe-7A型焊帶。國(guó)內(nèi)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(bào)道較少。有文獻(xiàn)資料及應(yīng)用實(shí)例表明在ERNiCrFe-7A 焊絲的基礎(chǔ)上現(xiàn)提高M(jìn)o 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(fā)新型690 鎳基合金NiCrFe-13帶極堆焊材料INCONEL Weldstrip 52MSS，在Inconel Weldstrip52M基礎(chǔ)上添加4%的Mo和2.5%的Nb，提升了抗DDC的能力。20世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)就開始了690鎳基合金焊接材料的研制但主要針對(duì)EQNiCrFe-7A。經(jīng)過20多年的努力，盡管已經(jīng)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(yàn)室研制階段，目前國(guó)內(nèi)并沒有針對(duì)EQNiCrFe-13帶極堆焊焊材的相關(guān)研究，該文針對(duì)國(guó)產(chǎn)新型690合金焊帶EQNiCrFe-13開展材料性能試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)EQNiCrFe-7A型焊帶進(jìn)行對(duì)比分析不同合金體系對(duì)690帶極堆焊性能差異。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)采用0.5 mm×60 mm， 245～1 651 μm的國(guó)產(chǎn)EQNiCrFe-13焊帶WHDNi693，焊劑WSJ63HR，試驗(yàn)工藝參數(shù)見表1。

有研究表明，Mo是690合金體系中固溶強(qiáng)化元素，能夠降低合金層錯(cuò)能，增加共晶組織比例，細(xì)化<121晶粒，可以提高強(qiáng)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(chǔ)上增加了Mo，Nb元素的含量以達(dá)到提升熔敷金屬?gòu)?qiáng)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。

拉伸試驗(yàn)：按照AWS B4.0M和ASTM E21-17標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。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12.5 mm。

沖擊試驗(yàn)：按照AWS B4.0M標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)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(yàn)方法進(jìn)行金相分析，垂直于堆焊層取樣，檢驗(yàn)面尺寸10 mm×10 mm，采用化學(xué)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(yàn)：以ASTM A262 C法進(jìn)行5周期腐蝕試驗(yàn)，將長(zhǎng)方形試樣用水砂紙逐級(jí)打磨到1 000號(hào)，用水沖洗后，再用酒精擦拭，然后用去離子水沖洗，晾干后測(cè)量試樣尺寸并稱重。

高溫拉伸試驗(yàn)：試驗(yàn)在Gleeble3800熱模擬機(jī)上進(jìn)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(jìn)行拉伸，直到試樣被拉斷，冷卻到室溫[4]。試驗(yàn)中的指定溫度采用了750 ℃，850 ℃，950 ℃，1 050 ℃和1 150 ℃這5個(gè)溫度點(diǎn)。其中1 150 ℃的試樣直接以100 ℃/s的速度升溫到1 150 ℃進(jìn)行加載。此試驗(yàn)通過分析試驗(yàn)材料抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，確定材料在高溫狀態(tài)塑性突降溫度區(qū)間，并采用最小斷后伸長(zhǎng)率評(píng)價(jià)材料對(duì)DDC裂紋的敏感性;通過觀察不同溫度段斷口形貌，評(píng)價(jià)材料抗DDC裂紋能力[5]。

Z向拉伸試驗(yàn)：SA-508Gr3CL2公稱化學(xué)成分為0.75Ni-0.5Mo-Cr-V，屬低合金高強(qiáng)鋼。由于 SA-508Gr3CL2含有較多的合金元素，碳當(dāng)量達(dá)到0.76%左右，焊接過程中熱影響區(qū)具有較高的淬硬傾向，所以評(píng)估在高熱輸入狀態(tài)下在SA-508Gr3CL鋼上采用帶極堆焊方式堆焊鎳基690結(jié)合面的強(qiáng)度很有必要。設(shè)計(jì)Z向拉伸試驗(yàn)，在60 mm厚度以上SA508Gr.3鋼母材，以表1所示的工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，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(yàn)有效測(cè)試范圍內(nèi)，拉棒尺寸選用5 mm，按照AWS B4.0M和ASTM E21-17標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

按照AWS B4.0M試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熔敷金屬室溫拉伸試驗(yàn)、夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，焊態(tài)下3種690合金熔敷金屬力學(xué)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(nèi)通入冷卻水，防止硝酸溶液蒸發(fā)改變其濃度，加熱至沸騰后開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)中保持沸騰。試驗(yàn)共進(jìn)行48 h×5個(gè)周期，每個(gè)周期都使用新鮮溶液。每個(gè)試驗(yàn)周期后取出試樣，除去腐蝕產(chǎn)物，干燥，稱重。用失重法計(jì)算試樣的腐蝕率[6]。所得試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，2種合金體系下堆焊金屬Cr含量相當(dāng)。EQNiCrFe-13中由于Nb含量的提高會(huì)優(yōu)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(qū)域就不會(huì)產(chǎn)生Cr，Mo碳化物，降低了晶間腐蝕敏感性。同時(shí)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(yōu)于傳統(tǒng)鎳基合金EQNiCrFe-7A。

2.3 顯微組織

2種合金體系堆焊層顯微組織試驗(yàn)結(jié)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。

2.4 高溫拉伸

高溫拉伸斷后伸長(zhǎng)率能直接體現(xiàn)材料高溫塑性，發(fā)現(xiàn)材料塑性突降的敏感溫度區(qū)間[8]，因此對(duì)試驗(yàn)材料熔敷金屬進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)，初步判斷材料 DDC裂紋敏感溫度區(qū)間，并采用最小斷后伸長(zhǎng)率斷口形貌分析評(píng)價(jià)材料DDC裂紋敏感性。同時(shí)高溫拉伸試驗(yàn)可以直觀體現(xiàn)抗拉強(qiáng)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(qū)間也是高溫抗拉強(qiáng)度最低的溫度區(qū)間。對(duì)2組帶極堆焊熔敷金屬以相同試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行750～1 150 ℃溫度區(qū)間的高溫拉伸試驗(yàn)，高溫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，斷后伸長(zhǎng)率變化結(jié)果如圖6所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，2種合金體系690帶極堆焊熔敷金屬的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度下降速度開始變快，一直到1 000 ℃時(shí)，下降速度又放緩。EQNiCrFe-13并未出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度陡降的情況。從斷后伸長(zhǎng)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(qū)間內(nèi)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(jié)合文獻(xiàn)中試驗(yàn)中NiCrFe-7A的裂紋敏感溫度，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)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(qū)間也是抗拉強(qiáng)度最低的時(shí)候。說明2種新型合金體系的裂紋敏感溫度區(qū)間高于傳統(tǒng)合金體系。

為進(jìn)一步確定合金體系對(duì)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(qū)間的高溫拉伸試樣對(duì)試樣斷口進(jìn)行SEM分析，以確定不同合金體系中產(chǎn)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(jìn)行觀察。對(duì)EQNiCrFe-7A所觀察的結(jié)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(tài)，宏觀上顯示出平滑特征，呈臺(tái)階狀，并伴有起伏形態(tài)，斷口表面較為平整，起伏較小。說明導(dǎo)致EQNiCrFe-7A塑性下降的原因?yàn)镈DC。

對(duì)EQNiCrFe-13所觀察的結(jié)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(fā)現(xiàn)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(duì)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(dǎo)致的沿晶裂紋。由于析出物的增加，對(duì)位錯(cuò)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(duì)裂紋的產(chǎn)生起到抑制作用[10-12]。同時(shí)由于Mo元素的添加，提高了堆焊金屬的強(qiáng)度，從而增加焊縫金屬對(duì)焊接熱應(yīng)力的抗力，使其具有更好的抗低塑裂紋的能力。

2.5 Z向拉伸

對(duì)所取2組堆焊金屬拉伸試樣按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)并且觀察拉棒斷裂位置，對(duì)比不同條件下堆焊層結(jié)合面的強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)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(yàn)試樣斷裂位置均在堆焊層，熔合線處均未斷裂。

3 結(jié)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(xué)性能和抗熱裂紋性能優(yōu)于傳統(tǒng)EQNiCrFe-7A。

（2）對(duì)2種合金體系中低塑性溫度點(diǎn)進(jìn)行SEM觀察，EQNiCrFe-7A較新型合金體系相比低塑性敏感溫度低、區(qū)間大，新型合金體系帶極堆焊金屬抗DDC性能優(yōu)于傳統(tǒng)690合金體系帶極堆焊金屬。

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

參考文獻(xiàn)

[1] Mo Wenlin， Lu Shanping， Li Dianzhong， et al. Effects of M23C6 on the high temperature performance of Ni-based welding material NiCrFe-7 [J]. Metallurgical and Materials Transactions A， 2014， 45（11）： 5114-5126.

[2]Mo Wenlin， Lu Shanping， Li Dianzhong， et al. Effects of filler metal composition on inclusions and inclusion defects for ERNiCrFe-7 weldments [J]. Journal of Materials Science & Technology， 2013， 29（5）： 458-466.

[3]Zhang Xu， Li Dianzhong， Li Yiyi， 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.

[4]崔巍. 鎳基合金焊接接頭高溫失塑裂紋研究[D]. 上海： 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2013.

[5]韓波， 徐鍇， 郭梟， 等. Inconel690帶極電渣堆焊熔敷金屬力學(xué)性能[J]. 焊接， 2018（6）： 43-47.

[6]錢光凝. 690合金熱處理制度與耐蝕性能關(guān)系研究[D]. 北京： 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2012.

[7]Hong H U， Rho B S， Nam S W. Correlation of the M23C6 precipitation morphology with grain boundary characteristics in austenitic stainless steel [J]. Materials Science and Engineering： A， 2001， 318（1）： 285-292.

[8]Xie Yi， Wu Yaqiao， Burns Jatuporn. Characterization of stress corrosion cracks in Ni-based weld alloys 52， 52M and 152 grown in high-temperature water[J]. Materials Characterization， 2016， 112： 87-97.

[9]Hu Rui， Bai Guanghai， Li Jinshan， et al. Precipitation behavior of grain boundary M23C6 and its effect on tensile properties of Ni-Cr-W based superalloy[J]. Materials Science and Engineering： A， 2012， 548： 83-88.

[10]郭梟， 徐鍇， 霍樹斌， 等. 鎳基合金焊絲GTAW熔敷金屬凝固偏析行為[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2019， 40（7）： 105-108.

[11]霍樹斌， 陳佩寅， 陳燕， 等.核用Inconel 690 焊絲TIG 焊微裂紋產(chǎn)生機(jī)理研究[J]. 焊接， 2012（9）： 31-36.

[12]Yin Yan， Zhao Chao， Lu Chao， et al.Effect of the feeding rate on microstructure and properties of plasma spheroidized GH4169 power[J]. China Welding， 2020， 29（1）： 37-44.