Alloy20 合金鍛件焊接裂紋分析

劉玉祥， 張小麗

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司， 上海 201323）

1 概 述

Alloy20 合金鍛件化學成分及力學性能滿足ASME 標 準II 卷B 篇SB-462 N08020 的 要 求，屬于Ni-Cr-Mo-Cu 系鎳基合金， 穩(wěn)定化退火的熱處理供貨狀態(tài)。 Alloy20 合金的化學成分中含有3%～4%的銅元素， 因此對濃硫酸工況具有良好的耐蝕性， Alloy20 合金對氧化性和中等還原性腐蝕也有很好的抵抗能力， 具有優(yōu)異的抗應力腐蝕開裂能力和良好的耐局部腐蝕能力[1-4]。 Alloy20 合金在煉油廠烷基化裝置工藝管線、 電站煙氣洗滌塔入口煙道等承壓設備上得到了應用[5-7]。森松 （江蘇） 重工有限公司設計制造的76%濃度硫酸緩沖罐設計選材使用了Alloy20 合金， 制造過程中， 某一DN50 mm 的Alloy20 合金LWN型鍛件接管與筒體采用GTAW 方法焊接， 焊材選用與 Alloy20 合金化學成分相匹配的ER320LR/Φ2.4 mm 規(guī)格的焊絲， PT （penetrant testing） 檢測后發(fā)現(xiàn)靠近鍛件熱影響區(qū)存在大量的焊接裂紋， 如圖1 所示。 Alloy20 合金其基體組織為單相奧氏體組織， 不具有冷裂紋傾向， 但具有一定的熱裂紋傾向， 焊接熱輸入過大或道間溫度過高， 會導致焊接熱裂紋的產(chǎn)生， 因此對施焊記錄進行調(diào)查， 施焊記錄焊接參數(shù)及施焊道間溫度符合焊接工藝規(guī)程的要求。 在制定焊接返修工藝時， 進一步降低焊接熱輸入和道間溫度， 并由焊接工程師現(xiàn)場監(jiān)督焊接， 返修兩次后， 依然無法將裂紋徹底修復， 故將該接管法蘭鍛件報廢處理， 并對存在焊接裂紋的接管法蘭進行了化學成分、 力學性能、 微觀金相、 晶粒度等試驗檢測分析， 同時對鍛件的鍛造工藝進行了調(diào)查。

圖1 鍛件焊件熱影響區(qū)裂紋

2 材料性能分析

2.1 化學成分

對報廢的接管法蘭進行化學成分檢測， 取樣的位置位于裂紋附件， 試樣經(jīng)過拋光后， 采用SPECTRO MAX 直讀光譜儀進行化學成分檢測，檢測結(jié)果見表1。 實際檢測的化學成分中， 除了ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 標準要求的元素以外， 還含有Co 和W， 且w（Co）和w（W）分別為0.216%和0.156%， 兩元素總含量小于0.5%， 為微量元素， 實際化學成分中w（Nb+Ta）為0.695% ， 滿 足 標 準 中＞8C （ 8 ×0.033% =0.264%）、 小于1%的要求， 其余元素化學成分含量均在標準范圍之內(nèi)。

表1 接管法蘭化學成分

2.2 力學性能

沿接管法蘭縱向取樣， 進行拉伸試驗， 取樣數(shù)量2 個， 其試驗結(jié)果見表2。 2 個拉伸試樣的抗拉強度、 屈服強度、 伸長率、 斷面收縮率均滿足ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 標準要求。

表2 接管法蘭取樣力學性能檢測結(jié)果

2.3 金相試驗

在裂紋處取樣進行金相分析試驗， 試樣經(jīng)磨制、 拋光、 5%王水溶液腐蝕后， 采用Laica DMI 3000M 光學顯微鏡進行12.5 倍低倍微觀金相和100 倍、 200 倍、 500 倍高倍微觀金相觀察。 拋光后裂紋微觀形態(tài)如圖2 所示， 其中圖2 （a）為裂紋放大100 倍后的微觀照片， 可以看出裂紋為樹枝狀形態(tài)， 向多方向擴展； 圖2 （b） 為裂紋放大200 倍后的微觀照片， 照片中可以清晰看到焊縫組織呈柱狀晶與胞狀晶。 由此可知，裂紋主要向Alloy20 合金鍛件方向延伸擴展， 向焊縫方向有輕微擴展， 鍛件側(cè)的裂紋寬度比焊縫側(cè)寬。

圖2 拋光后裂紋微觀形貌

腐蝕后裂紋微觀形貌如圖3 所示。 圖3 （a）為裂紋12.5 倍放大后的微觀形貌， 裂紋呈明顯的沿晶開裂狀態(tài)； 圖3 （b） 為裂紋邊緣Alloy20母材500 倍放大后的微觀照片， 可以看出晶界處存在一定的碳化物析出相， 析出相在晶界上斷續(xù)分布。

圖3 腐蝕后裂紋微觀形貌

2.4 晶粒度檢測

按照ASTM E112—2013 《平均晶粒度測定的標準試驗方法》， 采用對比法對鍛件晶粒度進行評級， 晶粒度評級結(jié)果為0 級， 屬于嚴重粗晶組織。

3 鍛造工藝調(diào)查

由于鍛件為嚴重粗晶組織， 將該問題反饋給鍛件廠家， 并對該鍛件的鍛造工藝進行調(diào)查了解。 該鍛件投料鋼錠加熱溫度為1 200 ℃， 保溫時間6 h， 保溫后出爐進行鍛造， 出爐后始鍛溫度為1 170 ℃， 終鍛溫度約為1 020 ℃， 鍛造后鍛件自然冷卻。 鍛件在950 ℃下進行退火， 退火時間為0.5 h， 退火熱處理溫度符合ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 要求的927～1 010 ℃的范圍內(nèi)。

4 分析和討論

4.1 粗晶組織及析出相分析

奧氏體組織材料無法通過鍛造后的熱處理進行晶粒細化， 只能在鍛打的過程中， 通過晶粒破碎的方式進行晶粒細化。 鎳基合金材料鍛造變形抗力大[8-9]， 鍛造溫度過低時， 鍛件表面在外力的作用下， 容易產(chǎn)生表面開裂， 因此對于奧氏體組織的材料， 鍛件廠家更傾向采用過高的加熱溫度與始鍛溫度進行鍛造。 相對于Alloy20 合金而言， 1 200 ℃的明顯過高， 通常在1 100 ℃以下加熱溫度為宜。 在1 200 ℃溫度下， 作為奧氏體組織的Alloy20 合金的晶粒組織快速長大， 雖在鍛造過程中晶粒會有一定的細化， 但在1 020 ℃的終鍛溫度下， 其晶粒度會繼續(xù)長大， 后續(xù)受退火熱處理的影響， 相對于鍛造后的晶粒尺寸還要進一步長大， 致使最終鍛件的晶粒度達到0 級，組織中的晶粒嚴重粗化， 導致鍛件塑韌性下降。Alloy20 合金鍛件在950 ℃終鍛溫度下自然冷卻，冷卻的過程中， 經(jīng)過材料的敏化區(qū)間， 導致碳化物在晶界析出， 后續(xù)950 ℃×0.5 h 短暫的穩(wěn)定化退火熱處理， 并未完全將晶界的碳化物析出相消除， 導致晶界上存在不連續(xù)分布的析出相， 弱化了晶界強度。

4.2 裂紋分析

焊接熱裂紋往往發(fā)生在結(jié)晶時的冷卻過程中，主要發(fā)生在晶界， 為沿晶裂紋[10-11]， 從圖3 （a） 微觀組織看， 該裂紋為焊接熱裂紋。 焊接過程中，由于焊接熱源不均勻的加熱和冷卻， 不可避免地產(chǎn)生焊接應力， 但該接管的外徑僅84 mm， 設備筒體壁厚10 mm， 接管法蘭與筒體焊接結(jié)構(gòu)形式為插入式結(jié)構(gòu)， 焊接量較小， 焊接應力也相對較小， 按以往的焊接經(jīng)驗， 焊接后不會有裂紋的產(chǎn)生。 裂紋產(chǎn)生的主要原因應為粗晶組織造成鍛件的塑性、 韌性降低， 晶界析出相的產(chǎn)生進一步降低了晶界的強度， 在較低的焊接應力作用下發(fā)生多方向低塑性開裂。

5 結(jié) 論

（1） 經(jīng)過對Alloy20 合金鍛件進行化學成分檢測、 拉伸強度試驗、 晶粒度檢測后， 該鍛件化學成分與拉伸強度試驗結(jié)果滿足標準要求， 晶粒度達到0 級， 屬于嚴重粗晶組織， 造成組織塑性和韌性下降。

（2） 對Alloy20 合金鍛件焊接裂紋進行微觀分析， 裂紋為沿晶裂紋， 晶界上碳化物析出相呈不連續(xù)分布態(tài)， 碳化物析出相造成晶界強度下降。

（3） 由于Alloy20 合金鍛件塑性、 韌性下降以及晶界強度的弱化， 該裂紋為在較低的焊接應力作用下發(fā)生的多方向低塑性焊接熱裂紋。

（4） ASME 標準II 卷B 篇SB-462 中未對Alloy 20 合金提出晶粒度要求， 為避免因晶粒長大而導致焊后產(chǎn)生低塑性焊接熱裂紋， 材料采購時應對晶粒度限制， 建議鍛件晶粒度等級不低于3 級。