鎳基合金焊條ENiCrCoMo-1性能試驗及微觀形貌分析研究

張瑋 王林森 彭芳芳

摘要：對兩個廠家的鎳基合金焊條ENiCrCoMo-1進行了工藝性和熔敷金屬性能對比試驗，并對微觀形貌進行了分析。試驗結果表明，兩個廠家的鎳基合金焊條ENiCrCoMo-1工藝性能均良好，熔敷金屬成分及力學性能均滿足國標要求。此外，由于兩個廠家鎳基合金焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬成分的差異，使其凝固樹枝晶及析出相形貌和分布不同，從而導致其性能存在一定的差異。

關鍵詞：鎳基合金;焊條;微觀形貌

中圖分類號：TG? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0047-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.08

0? ? 前言

隨著新的節能減排政策的實施，能源和環境問題日漸突出。雖然國家大力倡導發展水電、核電、風電以及太陽能等綠色環保能源， 但是，由于我國的一次能源結構以煤炭為主，以煤炭為主體的火力發電仍然是我國電力生產的主體。因此，提高火力發電機組熱效率，降低CO2、SOx以及NOx的排放量的需求日益迫切。

火力發電機組的效率主要取決于機組的參數，即蒸汽的壓力和溫度， 參數越高， 機組效率越高。但是，火電機組參數的提高需要能在高參數服役條件下長期、安全、可靠運行的材料。目前，國內高效的超超臨界鍋爐，主蒸汽溫度已達623 ℃，達到了現有材料使用溫度的上限，因此，現有材料已無法滿足提高機組參數的要求。鎳基高溫合金因具有更好的高溫強度、更長的蠕變疲勞周期和更好的耐蝕能力，有望取代傳統的鐵素體耐熱鋼成為新一代超超臨界電站候選材料。

鎳基617合金是一種以固溶強化為主的Ni-Cr-Co-Mo 型鎳基高溫合金，其化學成分如表1所示，已納入美國ASME及中國GB標準。由于其具有較高的抗蠕變強度和優越的耐高溫腐蝕性能，被列入蒸汽溫度為650 ℃以上超超臨界燃煤電站鍋爐過熱器、再熱器以及集箱和主蒸汽管道候選材料。對于617合金母材，國內外都已進行了大量的試驗研究，但對于其焊接以及焊接材料，尤其是焊條、埋弧焊焊絲和焊劑的研究報道較少，文中擬對617鎳基合金焊條電弧焊用焊條ENiCrCoMo-1進行相關試驗研究[1-6]。

1 試驗材料及方法

1.1 焊條的選擇

對于617合金的配套焊條，ASME BPVC.II.C-2017 SFA-5.11、BS EN ISO 14172：2015以及GB/T13814-2008都有相應的規定，國外知名焊材廠家（如伯樂、SMC）都有成熟的產品。根據調研分析，初步選擇國外不同知名廠家的617鎳基合金配套焊條ENiCrCoMo-1進行試驗。

1.2 熔敷金屬成分分析

按GB/T13814-2008分別采用不同廠家焊條ENiCrCoMo-1（φ3.2）堆焊熔敷金屬試件，采用臺式直讀光譜儀測試熔敷金屬化學成分，其結果如表1所示。

1.3 熔敷金屬力學性能試驗

按GB/T13814-2008要求制備熔敷金屬力學性能檢驗試件。試板材質為SA-387GR91鋼板，規格為450×125×20，采用兩個廠家的焊條ENiCrCoMo-1 φ3.2分別焊接試板，坡口如圖1所示。焊接時，先施焊堆焊層，再填充完成試板焊接，焊接規范如表2所示。兩個廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬力學性能檢驗結果如表3所示。由表3可知，兩個廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬均具有較高的強度和良好的韌性，滿足標準ASME IIC SFA-5.11和GB/T13814-2008規定，且有較大的裕量;廠家2焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬的沖擊功平均值為91.2 J，比廠家1的多113%，但其強度及硬度平均值比前者低6.3%、7.2%，廠家2焊條ENiCrCoMo-1具有更加優良的強韌性能。

1.4 熔敷金屬金相組織分析

光鏡及掃描電鏡下熔敷金屬組織如圖2、圖3所示，其微觀組織均為A+析出相，熱力學軟件分析表明，析出相可為γ'（Ni3Al，Ti）、M23C6、M6C、μ相（Cr，Co，Ni，Fe，Nb）7（Mo，W）6、σ相（Cr，Mo）x（Ni，Co）y等。由圖3可知，廠家1焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬析出相呈團聚狀，沿枝晶間分布，晶界較寬;廠家2焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬析出相呈粒狀，沿枝晶間均勻分布，晶界較細（圖2箭頭所示）。

1.5 熔敷金屬斷口分析

分析熔敷金屬的拉伸試樣斷口發現，廠家1焊條ENiCrCoMo-1拉伸斷口較平坦，而廠家2焊條ENiCrCoMo-1拉伸斷口粗糙，存在多條二次裂紋。兩個廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬拉伸斷口微觀形貌如圖4所示。由圖4可知，廠家1焊條ENiCrCoMo-1拉伸斷口二次晶發達，撕裂嶺少，枝晶間析出相多，韌窩淺而寬，而廠家2焊條ENiCrCoMo-1拉伸斷口一次晶發達，撕裂嶺多，析出物少，韌窩深且分布均勻。兩個廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬沖擊斷口微觀形貌如圖5所示。由圖5可知，廠家1焊條ENiCrCoMo-1沖擊斷口二次裂紋少，韌窩淺而寬;而廠家2焊條ENiCrCoMo-1沖擊斷口二次裂紋多，撕裂嶺多，韌窩深且分布較均勻，與拉伸斷口分析結果一致。

斷口形貌分析表明，兩種焊條熔敷金屬無論在高速的沖擊載荷還是單向恒載拉伸的作用下，斷裂均沿熔敷金屬樹枝晶的晶間擴展，兩種焊條熔敷金屬均為胞狀樹枝晶，廠家2焊條ENiCrCoMo-1胞狀樹枝晶較細小，枝晶臂短;廠家1焊條ENiCrCoMo-1胞狀樹枝晶較粗大，枝晶臂長，使其更容易產生枝晶間偏析，析出相更易聚集，導致其性能的差異。

2 討論

由表1可知，廠家1焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬成分完全滿足標準ASME IIC SFA-5.11和GB/T13814-2008，各合金元素含量基本處于標準規定的中間值。廠家2焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬成分滿足GB/T13814-2008，但C、Cr、Mo接近下限，Si接近上限;Mn、Si超出ASME IIC SFA-5.11的規定，C、Cr、Mo接近ASME IIC SFA-5.11規定的下限，而Al則接近上限，所以不滿足ASME IIC SFA-5.11。

采用相同的焊接工藝下，對比兩個廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬的成分，含Ni量較高的廠家2焊條ENiCrCoMo-1，除Ni以外的合金元素總量低于廠家1焊條ENiCrCoMo-1，兩者最大的差別主要在合金元素C、Mn、Fe、Cr、Mo、Al、Ti上，廠家1焊條ENiCrCoMo-1含有較高的C、Mn、Fe、Cr、Mo，但Al、Ti含量很低，廠家2焊條ENiCrCoMo-1恰好相反，含有較低的C、Mn、Fe、Cr、Mo，但Al、Ti含量較高。Mo、Co為固溶強化元素，溶入奧氏體基體，達到固溶強化的目的;C能與合金元素形成碳化物，具有彌散析出強化作用;Al、Ti是γ'（Ni3Al，Ti）的形成元素，而γ'也是617合金的主要強化相;Cr、Al是重要的抗氧化元素;而Mn、Fe為控制加入微量元素。由此可見，兩種焊條成分各有互補，均可用于617合金的焊接，但從成分上來看，廠家2焊條ENiCrCoMo-1高溫強度可能更好一些。

兩種焊條熔敷金屬的合金元素含量差異，將會導致析出相的種類及含量不同，還需更深入的研究。

3 結論

（1）兩個廠家焊條ENiCrCoMo-1焊接工藝性能良好，能夠滿足工程化應用的要求。

（2）廠家1焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬合金成分滿足GB/T13814-2008以及ASME BPVC.II.C-2017標準要求;而廠家2焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬合金成分滿足GB/T13814-2008要求，但不能滿足ASME BPVC.II.C-2017標準要求。

（3）兩個廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬力學性能指標均能滿足國標GB/T13814-2008以及ASME BPVC.II.C-2017標準要求，但廠家1焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬沖擊韌性明顯低于廠家2焊條ENiCrCoMo-1。

（4）在相同焊接工藝條件下，兩個廠家焊條ENiCrCoMo-1熔敷金屬成分的差異，使其凝固樹枝晶及析出相形貌和分布不同，導致其性能的差異。

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