鐵基合金堆焊層裂紋原因分析及工藝改進

朱偉 高俊根 孔永紅 朱建雄 吳金龍 朱勃 張玉慶

摘要：某核電項目現場在安裝和調試工作結束后，發現某國外閥門廠制造的批量閥門的閥座、閥瓣等零件的鐵基合金堆焊表面有裂紋和開裂的情況。在對典型裂紋零件進行系統性的分析和檢測后，確定了堆焊層裂紋原因為：鐵基合金堆焊及后續加工過程中易產生微觀缺陷（如樹枝狀空腔）、加工毛刺、尖銳缺口等裂紋源。通過優化堆焊零件結構和堆焊工藝（增加預熱或提高預熱溫度、焊后熱處理等）后，能夠有效降低焊縫中的殘余應力，現場反饋改進效果良好，為后續核電項目硬質合金堆焊零件制造、加工和檢驗提供了借鑒。

關鍵詞：閥門;鐵基合金;堆焊;高溫失塑裂紋;殘余應力

中圖分類號：TG441.7? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0122-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.23

0? ? 前言

閥門常用耐磨性能優良的合金，如司太立合金等，在其密封面、導向面等堆焊耐磨層，可有效提高閥門零件的使用壽命[1-5]。在核電機組中，為避免和減少Co在輻照下的活化，采用非鈷基合金替代含鈷合金制造的零件及耐磨堆焊層在核電設備中得到了應用和推廣[1]。

某核電項目設備中大量使用了美國電力研究所（Electric Power Research Institute，EPRI）開發的NOREM系列鐵基合金堆焊來形成耐磨堆焊層。但在該機組安裝、調試后，目視檢查發現某國外閥門廠供貨的一件DN300旋起式止回閥閥座表面有多道貫穿性裂紋和開裂，如圖1所示，而在更大范圍的排查之后，發現該國外閥門廠供貨的60余臺中大閥門（DN200～DN400）的閥瓣、閥座堆焊層均存在裂紋或開裂問題。

出現裂紋的閥門零件均為奧氏體不銹鋼（316L）基體上等離子弧堆焊NOREM 02型鐵基合金粉末，且堆焊后零件經機加工、目視檢查、尺寸檢查、硬度檢驗及滲透檢查合格，裝配前耐磨層需精磨加工（LAPPING）確保密封效果，精磨后還需滲透檢查確認合格（無線性缺陷、較大圓形缺陷以及密集缺陷）。裝配后的閥門則經過強度試驗和多項密封試驗驗證，以及在核電現場經過動作試驗、系統冷試及熱試等。

統計、整理出現裂紋問題零件的制造、裝配和現場使用情況后發現，這些裂紋有較大的延遲性，如制造完工的零件至裝配階段至少間隔12個月以上，而在核電現場發現裂紋時，閥門制造完工最短1 159天，最長2 775天。

1 鐵基合金堆焊層裂紋問題分析

制造廠和核電現場共同挑選多件典型裂紋零件，委托多家專業機構對堆焊層開裂問題開展系統性的全面檢查、檢測。

1.1 宏觀檢查分析

典型的裂紋宏觀特征如圖2所示?？梢钥闯?，裂紋有三個特征：（1）從徑向貫穿整個堆焊層寬度;（2）大多在厚度方向上貫穿整個堆焊層;（3）極少擴展至奧氏體不銹鋼基體中。

1.2 殘余應力分析

X射線衍射法和高速鉆孔法測得堆焊層內部應力水平大致呈現如下特征：（1）內部普遍存在較大的周向殘余拉應力，而在厚度方向，距上表面950 μm左右處拉應力處于峰值;（2）堆焊層的徑向方向存在較大的壓應力水平;（3）開裂區附近測得的周向和徑向殘余應力處于較低水平（趨近于0）。閥座（47756-1）中一處裂紋附近高速鉆孔法測得的應力水平與堆焊層深度的關系曲線如圖3所示。

1.3 化學成分分析及表面硬度檢測

使用光譜分析儀、碳硫分析儀和氧氮氫分析儀分別在閥門零件的有、無裂紋區域取樣分析堆焊層化學成分，結果如表1所示，堆焊層除鎳含量略高外，其他元素含量均在標準要求范圍內。

對典型零件堆焊層分別在有、無裂紋區域取樣進行橫向斷面顯微硬度檢查（HV5），分別對首層堆焊金屬縱向、第二層堆焊金屬縱向和堆焊層橫向進行測量，測試點如圖4所示。硬度檢測結果如表2、表3所示，第二層堆焊層區域硬度為350～440 HV5（按ISO 18265：2003換算為36～44 HRC）;沿母材至堆焊金屬方向硬度逐漸升高;同區域橫向與縱向方向硬度值較為接近;有裂紋試樣硬度高于無裂紋試樣。

1.4 斷口形貌分析

在切割未裂母材后沿裂紋打開零件，可觀察到裂紋表面有明顯的氧化現象，典型裂紋斷口宏觀和微觀形貌如圖5所示。掃描電鏡（SEM）顯示：（1）裂紋有枝狀晶開裂現象;（2）第二層堆焊焊縫的熱影響區發現樹枝狀空腔。而拉曼光譜發現裂紋表面有回火氧化現象，且裂紋表面鎳元素含量偏高。

1.5 金相分析

沿堆焊層縱向切開零件后，可以觀察到較多微裂紋，如圖6 所示，這些裂紋普遍位于第二層熔敷金屬的熱影響區附近，同時存在沿著晶界和穿過晶粒延伸和擴展的特征，如圖7所示。對裂紋區和無裂紋區金相組織進行對比分析，發現兩個區域的組織無明顯差異。

1.6 EDS/EBSD分析

對裂紋區和無裂紋區進行EBSD分析，結果如圖8所示，焊縫金屬主要由奧氏體組織組成，在晶界則富集M23C6和M7C3，而韌性較好的鐵素體含量較低[6-8]。

2 鐵基合金堆焊層裂紋產生原因分析

通過專業機構系統的檢查、檢測，發現這些零件的堆焊層裂紋普遍存在如下特征：（1）各裂紋均沿堆焊層徑向方向（同焊接方向）延伸，且裂紋僅在堆焊金屬內部擴展，進入母材金屬后則迅速消失;（2）堆焊層內部存在較大的周向殘余拉應力和徑向殘余壓應力，周向拉應力較大，而徑向的壓應力水平則相對較低;（3）裂紋表面或部分區域存在回火氧化的現象;（4）微觀上，裂紋呈典型的枝狀晶開裂，呈現沿晶和穿晶共存的特征;（5）在第二層焊道的熱影響區發現較多的樹枝狀空腔、非金屬夾雜物等微觀缺陷，以及以這些微腔延展形成的微裂紋，如圖8所示;（6）裂紋的出現有較長的延遲性。

以上為高溫失塑裂紋（Ductility Dip Cracking）的特征，即：首層堆焊層中樹枝狀空腔和較高水平的殘余應力[6-8]。在焊縫α-Fe含量偏低的情況下，樹枝狀空腔以及機加工造成的微小毛刺等微觀和宏觀缺陷，在拉應力和裝配、安裝、調試過程中的撞擊、操作動作、水錘而產生的應力沖擊等的共同作用下，裂紋逐步向表層和母材擴散。

3 防止鐵基合金堆焊層裂紋產生的措施

針對高溫失塑裂紋的形成和擴展機理，以及鐵基合金材料的特性，從降低堆焊層內焊接殘余應力方面入手能更好、更有效地降低堆焊層裂紋和開裂的風險。在保證堆焊層硬度和壽命的情況下減少堆焊總量和優化焊接工藝措施，是降低最終堆焊層內殘余應力的有效手段，而增加堆焊層內部質量檢查方式，則能更早、更有效地排除有裂紋風險的零件。

3.1 調整堆焊零件結構

優化堆焊零件結構，減少堆焊層層數及厚度和減小堆焊總面積，以期降低堆焊層殘余內應力水平，零件堆焊層設置原則由“ 利于連續施焊 ”改為在保證需要的同時減少堆焊總量，具體措施如：減少堆焊層寬度、連續堆焊面改為按需分段堆焊、取消或減薄結構拐角處堆焊等。

3.2 優化堆焊工藝

（1）增加預熱或提高預熱溫度，采用整體入爐預熱至300 ℃保溫1.5 h以上。

（2）第一層堆焊層清理后立即焊接第二道，若有焊接工作暫停則必須整體入爐保持層間溫度不低于300 ℃。

（3）堆焊完成立即整體入爐后熱處理，在不低于300 ℃的爐中保持1.5 h后隨爐冷卻或立即進行焊后消應力熱處理。

（4）焊后熱處理的保溫溫度取工藝（400～425 ℃保溫5～5.5 h）要求的上限，同時降低升溫和降溫速率（不大于50 ℃/h）。

采取優化工藝獲得的多個焊接工藝驗證試件（含新焊接工藝評定試件）經表面檢查、渦流檢查、化學成分、表面及微觀硬度、橫向及縱向金相檢查等多項檢查驗證合格，此外縱向全截面宏觀和微觀金相檢查，焊縫中尤其是第二層焊縫的熱影響區中易延展的樹枝狀空穴和微裂紋數量和尺寸明顯減少。

3.3 增加產品焊縫無損檢測工序

在新工藝評定的基礎上進行產品焊接，在零件裝配使用前增加堆焊層渦流檢查，盡早排除有裂紋風險的零件。

4 改進措施驗證

制造廠通過優化堆焊零件結構、改進焊接工藝及增加堆焊層內部質量檢查工作后，按照改進工藝堆焊、加工補供近100件閥門零件，在廠內裝配、試驗和現場安裝、調試及使用后，未再發現裂紋問題。這初步說明優化工藝后，鐵基合金堆焊層質量有明顯提高。

5 結論

（1）閥門零件鐵基合金堆焊層產生裂紋問題的根本原因為：鐵基合金堆焊及后續機加工過程中，易產生微觀缺陷（如，樹枝狀空腔），加工毛刺、尖銳缺口等裂紋源。

（2）鐵基合金硬度高、脆性大，且α-Fe含量偏低，裂紋擴展風險大。焊接過程中零件受熱不均勻，堆焊工藝不合理（如，缺少預熱、層間溫度控制等），堆焊層中殘余較大的周向焊接拉應力，在與閥門動作沖擊、水錘沖擊及熱沖擊等共同作用下導致微裂紋擴展，最終整條焊縫開裂。

（3）通過調整堆焊零件結構和優化堆焊工藝后，能夠有效地降低焊縫中焊接殘余應力水平，并輔助以有效的焊縫內部檢測手段，能夠避免裂紋問題的再次發生。

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