FZ 308-D不銹鋼單層電渣堆焊層的成分、組織與性能

柳云天， 危兆勝,2， 丁鐵軍

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司， 黑龍江 哈爾濱 150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

堆焊是焊接領(lǐng)域中的重要分支，目前已成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，大量應(yīng)用于石油化工、冶金、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。視服役工況及設(shè)計(jì)需求的不同，堆焊材料包含鐵基、鎳基、鈷基和銅基等[2]，常用的堆焊方法包括焊條電弧堆焊、埋弧堆焊、電渣堆焊、等離子弧堆焊、氣體保護(hù)電弧堆焊等。

在部分氣化爐、變換爐、甲醇反應(yīng)器等石化行業(yè)的壓力容器，以及核電站反應(yīng)堆壓力容器中，由于容器內(nèi)壁對(duì)腐蝕速率有嚴(yán)格的要求[3]。因此，需在合金鋼筒體內(nèi)壁堆焊耐腐蝕的低碳不銹鋼材料。常用的堆焊方式是在合金鋼筒體基材內(nèi)壁表面依次堆焊過(guò)渡層及不銹鋼耐蝕層[4-5]，過(guò)渡層金屬可以起到連接基材與耐蝕層的作用，利于避免堆焊缺陷并使二者結(jié)合良好，耐蝕層用于抗工作介質(zhì)腐蝕，保證壓力容器的耐蝕性。

不銹鋼單層堆焊是一種僅通過(guò)堆焊一層不銹鋼金屬，即可同時(shí)起到銜接基材并保證耐蝕性的堆焊工藝。作為一種相對(duì)較新的工藝方法，不銹鋼單層堆焊目前已在國(guó)外很多項(xiàng)目中得以應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)只在少量臨氫設(shè)備上有過(guò)使用經(jīng)驗(yàn)[6]，有必要對(duì)這種工藝進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試分析不銹鋼堆焊層的使用性能。

1 試驗(yàn)材料、方法及分析內(nèi)容

1.1 堆焊材料

選用SA-336F11Cl3 鉻鉬鋼鍛件作為基材，其公稱化學(xué)成分為1.25Cr-0.5Mo，規(guī)格為500 mm×300 mm×60 mm。選用昆山京群GDS-309LA不銹鋼焊帶作為堆焊材料，匹配GXS-ED308L 焊劑進(jìn)行電渣堆焊。GDS-309LA不銹鋼焊帶的化學(xué)成分見(jiàn)表1，從表1中數(shù)據(jù)可知，該焊帶符合NB/T 47018.5—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件-堆焊用不銹鋼焊帶和焊劑》EQ309LA 的要求，可以用作壓力容器內(nèi)壁耐蝕層材料。

表1 GDS-309LA不銹鋼焊帶化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 焊接工藝

由于電渣堆焊具有熔深淺、稀釋率低、熔敷效率高等特點(diǎn)，可以減少有效化學(xué)成分的消耗[7]，因此，選用電渣堆焊工藝方法進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，堆焊工藝參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)堆焊金屬的化學(xué)成分，用作耐蝕層金屬的型號(hào)為FZ 308-D。

表2 電渣堆焊工藝參數(shù)

1.3 分析與測(cè)試內(nèi)容

在焊態(tài)下及堆焊熱處理(PWHT)后，按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》的要求，分別對(duì)堆焊試板進(jìn)行100%PT檢測(cè)及100%UT檢測(cè)，評(píng)定堆焊缺陷。

將單層堆焊試板的合適位置經(jīng)過(guò)切割和機(jī)械加工制備規(guī)格為20 mm×20 mm×20 mm的分析試樣，經(jīng)過(guò)磨平、拋光、腐蝕等處理過(guò)程制備金相分析試樣，采用蔡司Discovery V8體視鏡，放大5倍觀察宏觀形態(tài)。

按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測(cè)量方法》的要求，在焊態(tài)下制取鐵素體分析試樣。采用磁性法測(cè)量堆焊層表面鐵素體數(shù)(FN)，測(cè)量10點(diǎn)并計(jì)算平均值。熱處理后，制備化學(xué)檢測(cè)試樣，采用OBLF QSN750-Ⅱ型直讀光譜儀依次對(duì)堆焊層表面和表面以下1 mm，2 mm及3 mm位置的堆焊金屬化學(xué)成分進(jìn)行分析，并根據(jù)WRC-1992計(jì)算得出各位置的鐵素體含量。

采用蔡司Axiovert 200型光學(xué)顯微鏡觀察記錄堆焊層和熔合線附近區(qū)域的微觀組織，采用APOLLO 300 型掃描電鏡(SEM)以及Quantax 30型能譜儀對(duì)堆焊層進(jìn)行微觀組織和成分分析。

壓力容器的使用性能主要有整體力學(xué)性能和與工作介質(zhì)接觸的內(nèi)壁金屬耐蝕性，整體力學(xué)性能主要由基材保證，內(nèi)壁金屬耐蝕性由采用的不銹鋼焊帶和堆焊工藝保證。此外，還要保證堆焊不銹鋼工作層與基材結(jié)合良好。因此，采用彎曲試驗(yàn)測(cè)試不銹鋼堆焊層與基材的結(jié)合性能，并按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕-不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中的E法對(duì)堆焊層進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 無(wú)損檢測(cè)與宏觀分析

對(duì)堆焊試板進(jìn)行100%PT檢測(cè)及100%UT檢測(cè)表明，堆焊層成形完好，堆焊區(qū)域未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣及熔合不良等缺陷。圖1為堆焊試樣宏觀照片，上部黑色區(qū)域?yàn)槎押笇咏饘伲虏繛榛慕饘佟６押附饘倥c基材熔合良好，二者的結(jié)合面較平滑，無(wú)堆焊缺陷。通過(guò)測(cè)量，堆焊試樣自熔合線到堆焊層表面的平均厚度約為4 mm。

圖1 堆焊試樣宏觀形貌

2.2 鐵素體含量及化學(xué)成分檢測(cè)

焊態(tài)下堆焊層表面金屬的鐵素體數(shù)(FN)平均值及堆焊層不同位置金屬的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。檢測(cè)結(jié)果顯示，焊態(tài)下FZ 308-D堆焊層試樣的表面金屬鐵素體數(shù)介于3～5之間，平均值為3.7，滿足多數(shù)工況下對(duì)不銹鋼堆焊金屬耐蝕性的使用要求。

將表3中堆焊層不同位置金屬的主要元素檢測(cè)結(jié)果與表1中GDS-309LA焊帶的實(shí)測(cè)值比較可知，在基材稀釋的作用下，堆焊層不同位置金屬中Cr，Ni等元素的含量下降較明顯，而且距離表面越遠(yuǎn)下降的越多。此外，由于基材中的C，Si等元素含量高于不銹鋼焊帶中的含量，使得堆焊層不同位置金屬中這些元素的含量明顯增加，而且距離表面越遠(yuǎn)增加的越多。受益于電渣堆焊低稀釋率的特點(diǎn)，堆焊層上部約3 mm厚度金屬的所有元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 FZ 308-D堆焊金屬化學(xué)成分及鐵素體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3 微觀分析

分別對(duì)FZ 308-D單層電渣堆焊試樣的堆焊層及熔合線附近區(qū)域進(jìn)行微觀檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。從圖2a可見(jiàn)，堆焊層金屬的微觀組織是在白色奧氏體基體上分布著少量黑色不連續(xù)的網(wǎng)狀及點(diǎn)狀δ鐵素體。圖2b顯示，堆焊層與基材熔合良好無(wú)缺陷，但堆焊層底部靠近熔合線的較窄區(qū)域中，網(wǎng)狀鐵素體消失，在奧氏體基體上僅有少量點(diǎn)狀δ鐵素體，熔合線下方的基材組織較細(xì)小。這是由于基材與不銹鋼焊帶化學(xué)成分差別很大，在堆焊層底部較窄區(qū)域融入少量基材成分，使得該區(qū)與堆焊層的微觀組織產(chǎn)生明顯差別，顯然這個(gè)區(qū)域是基材向堆焊層金屬中成分和組織的“過(guò)渡帶”。

圖2 堆焊試樣微觀組織

由于堆焊層金屬與堆焊層底部“過(guò)渡帶”的微觀組織不同，有必要對(duì)其微觀組織和成分進(jìn)行深入分析。掃描電鏡照片及能譜分析如圖3和圖4所示。從圖3及圖4微觀組織的SEM照片可以看出，右側(cè)為基材上方的過(guò)渡帶，左側(cè)為堆焊層底部。堆焊層底部與母材銜接的過(guò)渡帶區(qū)域，其微觀組織由奧氏體和基本垂直于熔合線的柱狀及點(diǎn)狀δ鐵素體組成，呈柱狀晶形貌。因?yàn)榫o鄰熔合線的過(guò)渡帶靠近基材，不銹鋼焊帶金屬與少量基材金屬熔化混合后，該區(qū)域凝固時(shí)冷卻速度快，形成柱狀晶。測(cè)試表明，過(guò)渡帶金屬的鐵素體體積分?jǐn)?shù)約為10%，可能與該區(qū)域的C和Si含量較高相關(guān)(表3)，這對(duì)降低堆焊層底部熱裂紋傾向有利。鄰接過(guò)渡帶的堆焊層底部金屬，微觀組織為奧氏體基體上分布枝狀鐵素體，呈枝晶狀形態(tài)，這是由于高溫凝固過(guò)程中，堆焊層底部金屬較過(guò)渡帶的冷卻速度有所下降造成的。堆焊層δ鐵素體減少，可保證堆焊層金屬的耐蝕性能。對(duì)過(guò)渡帶及堆焊層的能譜分析可以看出，過(guò)渡帶與堆焊層Cr，Ni元素含量相當(dāng)，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表4。二者的差別主要體現(xiàn)在微觀形貌和鐵素體體積分?jǐn)?shù)上。

圖3 過(guò)渡帶微觀組織SEM形貌及能譜分析結(jié)果

圖4 堆焊層微觀組織SEM形貌及能譜分析結(jié)果

表4 過(guò)渡帶及堆焊層能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.4 彎曲與晶間腐蝕試驗(yàn)

堆焊試板在熱處理后，按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的要求制備4件橫向側(cè)彎試樣，彎心直徑40 mm，彎曲角度180°。試驗(yàn)結(jié)果顯示，不銹鋼堆焊層與鉻鉬鋼基材彎曲后仍然完好。因此，采用單層電渣堆焊工藝獲得的不銹鋼堆焊層與SA-336F11Cl3 鉻鉬鋼基材的結(jié)合強(qiáng)度可以滿足使用要求。

對(duì)單層電渣堆焊試板制取晶間腐蝕試樣，試樣規(guī)格為80 mm×20 mm×3.5 mm。由于試板已進(jìn)行去應(yīng)力退火，因此可免除敏化熱處理。晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)Z 308-D單層堆焊試樣無(wú)晶間腐蝕裂紋，如圖5所示。

圖5 堆焊層晶間腐蝕試樣外觀

3 結(jié)論

(1)使用GDS-309LA不銹鋼焊帶和GXS-ED308L 焊劑，進(jìn)行單層電渣堆焊，在SA-336F11C13鉻鉬鋼基材上制備了厚度約為4 mm，與基材熔合良好無(wú)缺陷的FZ 308-D耐蝕堆焊金屬。焊態(tài)下堆焊層表面金屬的鐵素體數(shù)平均值為3.7。

(2)由于基材的稀釋，堆焊層Cr，Ni等元素的含量下降較明顯，距離表面越遠(yuǎn)下降的越多，但堆焊層上部約3 mm厚度金屬的所有元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)堆焊層微觀組織為枝晶狀?yuàn)W氏體和少量網(wǎng)狀及點(diǎn)狀δ鐵素體，底部靠近熔合線有一薄層“過(guò)渡帶”，由于緊鄰基材，過(guò)渡帶的C，Si含量較高且冷卻速度較快，奧氏體呈柱狀組織，柱狀晶間的鐵素體比堆焊層多一些。

(4)彎曲后不銹鋼堆焊層與鉻鉬鋼基材仍然結(jié)合完好，堆焊試樣無(wú)晶間腐蝕裂紋，采用單層電渣堆焊工藝獲得的不銹鋼堆焊層滿足使用要求。