基于微觀組織的鎳基合金焊接熱裂紋判據

陳佩寅,郝乾宇,,徐鍇,郭梟

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，哈爾濱 150060；2.中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

690 鎳基合金因具有優異的耐腐蝕性、良好的高溫性能和熱穩定性，已經成為核島主設備關鍵結構材料，用于使用條件苛刻、質量要求高的關鍵設備和零部件的制造中。690 合金為單相奧氏體組織，具有較高的熱裂紋敏感性，加之大型壓水堆核電站關鍵焊接結構厚度大、拘束度高，其焊接熱裂紋至今仍是核電設備制造尚未徹底解決的技術難題，690 焊接材料熱裂紋也一直是鎳基合金焊接性研究的熱點[1]。

20 世紀80 年代，美國超合金公司（special metal corporation,SMC）率先開發出了690 合金焊接材料，包括FM 52 焊絲（型號為ERNiCrFe-7）和WE 152 焊條（型號為ENiCrFe-7），并在核電設備制造中得到廣泛應用；20 世紀90 年代中期，美國海軍的研究人員在使用FM 52 焊絲進行TIG 焊時，發現了高溫失塑裂紋（Ductility dip cracking,DDC），引起了學術界的重視，眾多學者對690 合金焊接材料的高溫失塑裂紋問題進行了廣泛地研究；隨后美國SMC 公司推出了改進型焊絲—FM 52M 焊絲（型號為ERNiCrFe-7A），該焊絲通過添加Nb，B 和Zr 等元素，提高了抗高溫失塑裂紋能力，是應用最多的核電主設備制造用鎳基合金焊絲[2],盡管FM 52M 焊絲具有較高的抗裂紋能力，但在制造厚度大、拘束高的核電裝備時，其抗裂紋能力仍顯不夠，不能防止高溫失塑裂紋[3]。為了繼續提高690 合金焊絲的抗裂性，國內外均進行了新型690合金焊絲（型號為ERNiCrFe-13）的研究工作，其技術路線是在焊絲中添加Nb，Ta 和Mo 等元素，增加熔敷金屬析出物數量，提高焊縫抗高溫失塑裂紋能力，但是隨著Nb 和Mo 元素含量的增加，在焊縫凝固過程中容易形成低熔點液膜，產生結晶裂紋[4-6]，最近美國SMC 公司發明了無裂紋690 合金焊絲（FM 52MSSTa），尚未在核島主設備制造中應用[7]。

焊接熱裂紋的試驗方法很多，常用于研究690 合金焊縫抗裂性的有：可調拘束試驗[8]、STF 試驗（Strainto-fracture test）[9]、CPT 試驗（Cast pin tear test）[10]、熱塑性試驗[11]、PVR 試驗（Programmable deformation cracking test）[12]等，這些試驗均采用小尺寸試樣，重點模擬熱裂紋的開裂特征或開裂機制，但其試驗過程在焊接熱循環、應力-應變演變過程、顯微組織等方面與實際焊接存在較大差異，試驗結果不便于指導工程焊接。Mccracken 等人[13]提出了高拘束窄間隙焊縫試驗，用有限元分析了試驗焊縫的應力、應變，結果表明多次焊接熱循環造成的高應變累積區是高溫失塑裂紋的多發區，焊接過程中的應變累積耗盡了焊縫的晶界塑性，最終導致開裂；在此基礎上，Rapetti 等人[14-15]提出了重熔試驗，簡化了試驗過程；郭梟等人[16-17]提出了基于大厚度堆焊的熱裂紋試驗（簡稱“大厚度裂紋試驗”），用有限元模型分析了試驗中的多層多道堆焊焊縫的溫度、應力和應變演變過程，說明了典型部位的高溫停留時間和應變損耗特點，闡述了該方法評價熱裂紋的依據。

用于鎳基合金熱裂紋的判據也有很多，主要有臨界應變速率（Critical strain rate,CST）、凝固脆性溫度區間（Brittle temperature range,BTR）、最大裂紋距離（Maxium cracking distance,MCD）、凝固裂紋溫度范圍（Solidification cracking temperature range,SCTR）、臨界應變εmin、液化裂紋溫度范圍（Liquation cracking temperature range,LCTR）和化學成分相關判據等[18-20]，但是缺少基于微觀組織的熱裂紋判據。

文中使用不同成分的690 合金焊絲進行了大厚度裂紋試驗，計算了熔敷金屬微觀組織（Laves 相、MC、M2(C,N) 碳化物和MN 氮化物），提出了基于微觀組織的鎳基合金焊接熱裂紋判據，研制出了無焊接裂紋的核電主設備制造用WHS693M 焊絲（型號為ERNiCrFe-13）。

1 試驗方法

試驗用材料為不同成分的690 合金TIG 焊絲，規格為φ1.2 mm，焊絲型號和熔敷金屬化學成分見表1。

表1 試驗用TIG 焊絲熔敷金屬化學成分（質量分數,%）

采用大厚度裂紋試驗進行了試驗用焊絲的抗裂性評價，大厚度裂紋試驗是一種堆焊試驗方法，它提供了較高的焊接應變損耗和苛刻的焊接熱循環條件，可以模擬大厚度、高拘束結構TIG 焊接的特點，為焊接材料研制提供抗裂性評價結果，大厚度裂紋試驗的實施要點如下。

（1）在碳鋼或低合金鋼的母材上進行堆焊試驗，母材尺寸至少為400 mm×300 mm×60 mm。

（2）在試驗用母材上堆焊熔敷金屬，堆焊層尺寸至少為300 mm×200 mm×40 mm，焊接工藝參數為焊接電流220 A，電弧電壓12～14 V，焊接速度170 mm/min，送絲速度1 200 mm/min，道間溫度Tc≤100 ℃，保護氣體99.99%氬氣，流量14～18 L/min。

（3）堆焊完成后，采用線切割的方法從堆焊層切取試樣，試樣厚度4 mm，分別沿橫、縱向切取3 個試樣，然后對試樣進行磨削加工，磨削方向與焊接方向垂直，以利于裂紋顯示；磨削加工后，對試樣表面進行著色探傷，標記著色探傷的顯示，然后在金相顯微鏡下觀察探傷顯示，確定是否有焊接裂紋，必要時，可將裂紋打開，通過斷口形貌確定裂紋性質。

（4）統計所有切片表面的裂紋數量、長度、位置等信息。

（5）結果評價：裂紋數量越多、裂紋越長，該材料的裂紋敏感性越高，單個裂紋長度不大于1 mm，且數量不超過3 個，抗裂性為好，否則抗裂性為不好。

圖1 為大厚度裂紋試驗的堆焊試件和解剖后的試樣。采用JMat Pro 軟件進行了TIG 焊熔敷金屬凝固計算，軟件版本為V12.1，使用的數據庫為Thermo Tech 研發的Ni-DATA 8（Ver.7）數據庫，計算模型為Scheil-Gulliver 模型，計算的化學成分包括C，Si，Mn，Ni，Cr，Fe，Mo，Nb，Ta，Al，Ti，O 和N。

圖1 大厚度裂紋試驗

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

采用大厚度裂紋試驗對表1 所示化學成分的焊絲進行了抗裂性評價，評價結果見表2。

表2 試驗結果（體積分數,%）

采用JMat Pro 軟件計算了表1 所示化學成分的凝固過程，計算參數為起始溫度1 900 ℃，計算步長2 ℃，冷卻速度200 ℃/s，考慮固態擴散的影響。冷卻至固相線時的Laves 相、冷卻至1 000 ℃時的碳氮化物之和MC+MN+M2(C,N)的計算結果見表2。

從表2 可知，當Laves 相含量不大于0.45%時，無結晶裂紋，當Laves 相含量不小于1.3%時，有結晶裂紋；當碳氮化物之和MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%時，無高溫失塑裂紋，當MC+MN+M2(C,N)含量不大于0.16%時，有高溫失塑裂紋。

2.2 結晶裂紋判據

結晶裂紋是在焊縫凝固過程的后期形成的焊接裂紋，也稱為凝固裂紋，結晶裂紋產生的原因是在焊接熔池凝固過程中，金屬收縮產生的拉應力將晶界上的低熔點共晶液膜拉開形成裂紋。低熔點共晶液膜主要有兩類，一類是由化合物形成的低熔點共晶物，另一類是第二相形成的低熔點共晶組織。

690 合金焊絲中能形成低熔點共晶物的元素主要有S，P，B，Zr 和Si 等[21-22]，這些元素的含量應該嚴格控制。

Laves 相是一種金屬間化合物，具有六方晶體結構，化學式為A2B，其中A 包括Ni，Fe，Cr 和Co 等元素，B 包括Nb，Ti，Si，Mo 和Ta 等元素。已有結果表明，Nb 和Mo 元素含量較高的鎳基合金容易在凝固末期形成Laves 相，包括600，625，690 和718 等合金的焊縫[23-26]，Di 等人[27]研究了FM 52MSS 熔敷金屬的凝固過程，在凝固末期的枝晶間隙發現了γ/Laves共晶，Laves 相是影響超純凈鎳基合金結晶裂紋敏感性的重要因素，可以與鎳基合金的基體形成低熔點的γ/Laves 共晶組織[6,28]，Laves 相是核電用690 焊接材料產生結晶裂紋的主要因素。郭梟等人[29]在ERNiCrFe-13 焊絲TIG 焊重熔試驗中發現，隨著重熔電流的增加，枝晶間γ/Laves 共晶組織尺寸增大，結晶裂紋長度明顯增大；Fink 等人[30]發現，Mo 可能促進690 合金焊縫金屬中Laves 相的形成，降低終凝溫度，增大結晶裂紋敏感性。

在焊縫凝固末端，液態金屬的殘留量對結晶裂紋影響很大，少量的液態金屬（小于1%）常以液滴形態存在，難以形成液膜，結晶裂紋敏感性小；大量的液態金屬（大于10%）能夠形成愈合效應，不容易產生結晶裂紋；只有適量的液態殘留（大約1%～10%）容易潤濕晶界，形成連續的液膜，產生結晶裂紋[31-33]。

綜上所述，控制Laves 相數量可以防止結晶裂紋，根據表2 的試驗結果，得出防止焊縫結晶裂紋的判據為Laves 相含量不大于0.9%。

2.3 高溫失塑裂紋判據

高溫失塑裂紋是在熱影響區金屬組織的晶界上，因受熱作用致使延性陡降而產生的熱裂紋，也成為失延裂紋，產生高溫失塑裂紋的原因主要有3 種，分別是晶界弱化、晶界脆化和應力誘導。

晶界弱化主要發生在雜質含量低、無析出物（或析出物很少）的單相奧氏體材料中，由于這些材料的晶界基本沒有析出物，高溫時晶界強度和晶內強度差別大，在外力的作用下，晶界容易發生滑移，產生應變集中，當實際應變量（或累積塑性損傷）超過材料晶界變形能力時，就會產生裂紋，晶界滑移、棘輪效應、曲折晶界等解釋了這種裂紋產生的具體方式[13,34-37]。

晶界脆化是指雜質元素在晶界偏聚，削弱了晶界的結合力，造成材料塑性下降的現象，焊接過程中，熱循環和應力的高度不均勻性，促使S，P 和H 等雜質元素在晶界偏聚，是引發高溫失塑裂紋的主要原因之一[38-39]。

應力誘導機理認為M23C6析出相和奧氏體一側基體具有部分共格關系，M23C6析出相的晶格常數約為基體的3 倍，由于兩者晶格常數相差大，會在析出相兩端產生應力集中，易形成局部晶界裂紋[40-41]。

為保證核島主裝備的安全運行和使用壽命，核一級焊接材料均具有較高的純凈度，因此解決晶界弱化問題是防止690 合金焊縫高溫失塑裂紋主要手段。

焊縫中的小尺寸碳氮化物可以阻礙晶界滑移，改善晶界弱化現象，有利于降低高溫失塑敏感性。Di等人[27]在FM52MSS 焊縫中發現了TiC；郭梟等人[25-26,42]在ERNiCrFe-13 熔敷金屬枝晶間發現了較微小的(Nb,Ti)C 復合碳化物，認為是焊縫凝固后期，殘余液相中Nb，Mo 等元素富集到一定程度，形成了MC 碳化物和Laves 相；Collins 等人[43]發現690 焊縫晶界存在TiN 和共晶MC 碳化物，較高比例的(Nb,Ti)C 釘扎晶界運動，形成曲折晶界，有效地減少了晶粒生長和晶界滑動；唐正柱等人[44-45]認為(Nb,Ti)C 對晶界具有釘扎作用，提高晶界扭曲程度，降低熔敷金屬DDC敏感性，(Nb,Ti)C 的最佳尺寸為100～120 nm；Kiser 等人[3]發現FM52MSS 枝晶間存在彌散分布的M(C,N)析出物，這些析出物在凝固末期形成，阻礙晶界滑移，形成曲折晶界，降低DDC 敏感性。

Nb 和Ti 等強碳化物形成元素，不僅能夠形成碳化物，提高抗高溫失塑裂紋能力，還可以消耗C，減少M23C6的析出量，降低析出相誘導高溫失塑裂紋的形成[40,46-47]。

綜上所述，焊縫中的小尺寸碳氮化物可以阻礙晶界滑移，改善晶界弱化現象，防止高溫失塑裂紋。根據表2 的試驗結果，防止焊縫高溫失塑裂紋的判據為MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%。

3 WHS693M 焊絲研制

WHS693M 焊絲是中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司和哈爾濱威爾焊接有限責任公司為適應國內大型先進壓水堆核電站自主創新發展的需求，聯合研制的核島主設備制造用新型690 焊接材料，焊絲型號為ERNiCrFe-13。該焊絲具有優秀的抗裂性、高溫強度和耐腐蝕能力，通過協調設計C，Nb，Ta 和Mo 等元素的含量對焊接熱裂紋有重要影響，有效地控制了熔敷金屬Laves 相、MC 碳化物和MN 氮化物的含量，能同時防止結晶裂紋和高溫失塑裂紋，有望解決三代核電主設備690 焊接裂紋問題。

批號為3171139 的690 焊絲和熔敷金屬化學成分、大厚度裂紋試驗結果和JMat Pro 軟件組織計算結果見表3。

表3 WHS693M 化學成分（質量分數,%）和抗裂性及組織計算結果（體積分數,%）

從表3 可見，WHS693M 焊絲的純凈度高，控制Laves 相、MC 和M2(C,N) 碳化物、MN 氮化物數量，可以防止焊接裂紋。采用JMat Pro 軟件計算的熔敷金屬微觀組織為Laves 相含量0.04%（＜0.9%），MC +MN+M2(C,N)含量 0.20 %（＞0.18 %），依據抗裂性判據得出的結果與大厚度裂紋試驗結果一致。

采用TIG 堆焊方法進行了熔敷金屬試驗，焊絲規格為φ1.2 mm，焊接參數為焊接電流180～240 A，電弧電壓15～17 V，焊接速度180 mm/min，送絲速度1 100～1 200 mm/min，層間溫度Tc＜100 ℃。

拉伸試驗分別按照焊接接頭的力學性能測試方法AWS B4.0M-2000（室溫）、金屬材料的高溫抗拉試驗方法ASTM E21-92（1998）（350 ℃）的要求進行，試樣直徑φ12.5 mm，平行于堆焊方向取樣。按照AWS B4.0M 的要求進行了室溫沖擊試驗，試樣按照鋼產品力學性能標準試驗方法及定義ASTM A370 中圖1 A型加工，每組3 個試樣。

三代核電核島主設備對690 合金焊絲熔敷金屬力學性能的要求值和試驗結果見表4。

表4 熔敷金屬力學性能

從表4 可見，熔敷金屬不僅具有較高的強度，還具有良好的塑性和沖擊韌性，滿足三代核電核島主設備的性能要求。

4 結論

（1）在大厚度裂紋試驗的基礎上，提出了基于微觀組織的鎳基合金熱裂紋判據，防止結晶裂紋判據為Laves 相含量不大于0.9%，防止高溫失塑裂紋判據為MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%。

（2）研制的WHS693M 焊絲抗裂性優良，大厚度裂紋試驗結果為好，力學性能滿足三代核電主設備制造技術要求。