镍基高温合金的焊丝匹配及接头性能对比
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王锦军 朱丽 陈双建
摘要：采用ERNiMo-2焊丝和ERNiMo-3焊丝对GH3535镍基高温合金进行了焊接，从接头成形、显微组织、接头硬度、拉伸性能及断口分析等方面综合对比了两种焊丝的焊接性及焊接接头性能。结果表明，两种焊丝在相同工艺参数下，接头均可实现较好的成形情况，两种焊丝的焊接接头组织特征接近，热影响区出现了碳化物共晶转变现象;显微硬度分析表明，ERNiMo-3焊丝焊接接头中焊缝金属硬度弱于母材，而ERNiMo-2焊丝焊接接头焊缝金属硬度与母材相当;拉伸性能结果表明，两种焊丝焊接拉伸试样均从焊缝处断裂，ERNiMo-2焊絲焊接接头的常温屈服强度、高温屈服强度、抗拉强度及断后伸长率整体要高于ERNiMo-3焊丝焊接接头，呈现出较高的强度。综合而言，ERNiMo-3焊丝更适合于GH3535镍基高温合金的焊接应用。
关键词：镍基高温合金;焊丝匹配;焊缝组织;力学性能
中图分类号：TG 454
Abstract：GH3535 nickel base alloy is welded with two kinds of ERNiMo-2 and ERNiMo-3 wire. Their weldability， microstructure， hardness， tensile property and fracture characteristics of the joints are contrasted. Results show that the two kinds of welded joints have good weldabilities， and good weld forming are obtained under the same process parameters. Both of the welded joints have similar microstructure， eutectic transformation of carbides are found in the heat affected zone. Mechanical test results show that the microhardness of the weld metal of ERNiMo-3 wire is equivalent to base material and higher than that of ERNiMo-3 wire. Moreover， all the tensile specimens are fractured at weld， and the tensile strength of the weld joint with ERNiMo-2 wire is higher than that of ERNiMo-3 wire. Generally speaking， ERNiMo-2 wire is more suitable than ERNiMo-3 wire for the welding application of GH3535 alloy.
Key words：nickel base superalloy; wire matching; microstructure; mechanical properties
0 前言
熔盐反应堆作为一种以熔盐为传热介质的高温反应堆，严苛的高温和强腐蚀环境对结构材料提出了非常高的要求[1-2]。熔盐反应堆在20世纪60年代由美国设计和建造，主体结构材料为Hastelloy N合金。在此后的50年里，熔盐反应堆及材料的研究几乎处于停滞阶段。2011年中国科学院重启了可作为第四代反应堆的钍基熔盐反应堆（TMSR）先导计划。为了满足熔盐反应堆建造需求，冶炼、制备了GH3535镍基高温合金作为TMSR的主要合金结构材料。该合金是在Hastelloy N合金基础上国产化的一款高温镍基合金，具有非常优异的高温力学性能和耐熔盐腐蚀性能，能够满足TMSR 700 ℃服役环境和载荷条件的使用要求。
焊接作为结构连接中主要的连接工艺，接头性能对焊接结构的服役能力至关重要。通常要求其焊接接头具有与母材基本相等的化学成分、物理与力学等各方面性能。因此在保证焊接质量的前提下，焊接材料的选择尤为重要[3-4]。目前对于GH3535镍基高温合金及其焊丝的研究和应用，目前仅限于熔盐反应堆领域。1960年，为了获得优良的焊接接头，某研究机构采用多种不同成分焊丝与Hastelloy N合金进行焊接，如Haynes SP-16焊丝、Haynes SP-19焊丝和Hastelloy W等，对比分析了焊接接头成形质量、显微组织及硬度等性能，发现Haynes SP-16焊丝焊缝金属容易产生裂纹等缺陷，而Haynes SP-19焊丝焊缝金属存在气孔缺陷，Hastelloy W焊丝不存在明显的焊接缺陷，但存在一定的硬化现象[5]。因受限于焊接技术和材料制备水平，对于焊丝匹配性的研究存在继续挖掘的空间。
对于TMSR项目结构材料GH3535镍基高温合金的焊接，焊丝的选择关系到焊接接头及焊接构件长期服役的安全性和可靠性，是迫切需要解决的关键问题之一，必须通过全面详细的研究来明确焊丝与母材的匹配性。该试验分别使用ERNiMo-2和ERNiMo-3焊丝对GH3535镍基高温合金进行了焊接，并从焊缝成形、组织及力学性能等角度进行了对比和分析，选出了较为匹配的焊丝类型，为TMSR反应堆设备的焊接制造奠定基础。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
母材采用由抚顺特殊钢股份有限公司生产的厚度为4 mm的GH3535镍基高温合金。焊前，板材首先切割成尺寸为200 mm×100 mm×4 mm的小板，长边采用机加工成V形坡口，坡口角度60°。钝边1.0～1.5 mm，间隙1.2～1.8 mm。接头坡口的具体形式，如图1所示。
选用由美国哈氏合金公司生产的1.2 mm ERNiMo-2 和ERNiMo-3两种焊丝进行焊接试验。母材及两种焊丝的成分见表1。其中ERNiMo-2焊丝与GH3535镍基高温合金成分接近，ERNiMo-3焊丝的Mo含量高，具有优异的高温强度和耐腐蚀性。
1.2 试验方法
采用奥地利福尼斯TT5000 氩弧焊自动焊接专机进行焊接，采用的焊接方法是钨极氩弧焊，所使用的焊接工艺参数见表2。该工艺参数按照ASME BPVC IX 2017 IX卷 《焊接和钎接工艺评定标准》评定合格。焊接过程中使用99.99%纯氩对焊缝正、背面进行保护。
使用0.5 μm金刚石抛光液对接头横截面进行抛光，使用腐蚀液（70 mL H2O+10 mL HCl+10 g CuCl2）在常温下腐蚀30 s，然后采用ZEISS Axio Cam光学显微镜进行组织观察，并使用LEO 1530VP 扫描电镜对金相样品进行进一步显微组织分析。
采用ZHV-30维氏硬度计，载荷4.9 N，对焊接接头不同区域的硬度进行了测试。此外使用 Zwick Z100万能拉伸试验机在25 ℃和700 ℃下对两种不同焊丝焊接接头力学性能进行了测试，试验标准按照ASTM E21-2009 《金属材料高温拉伸试验方法》进行，屈服前后的应变速率分别设定为0.025 mm/min和2.5 mm/min。拉伸试样尺寸如图2所示。
2 试验结果与分析
2.1 焊缝成形对比
在相同的焊接工艺参数下，使用ERNiMo-2焊丝与ERNiMo-3焊丝对GH3535镍基高温合金进行了焊接，其焊缝的正、背面成形情况，如图3～4所示。
从焊缝正反面成形对比可以看出，在相同的焊接工艺参数下，两种焊丝都能取得较好的焊缝成形，图3a和图4a焊缝正面呈现出银白色金属光泽，鱼鳞纹较为细密和均匀;图3b和图4b中背面焊缝较为饱满，焊缝正面、背面没有存在焊接缺陷。
2.2 微观组织分析
图5和图6分别为ERNiMo-2焊丝和ERNiMo-3焊丝的焊接接头金相组织。图5和图6中从左到右依次为焊缝区、熔合区和母材区。从图5a和图6a可以看出，焊缝区的金相组织均为柱状晶;图5b和图6b熔合线（图中直线所示）及热影响区，熔合线为母材与焊缝金属的半熔化区，靠近熔合线附近有少量黑色呈链状分布的析出物（箭头所示）存在;图5c和图6c母材区为奥氏体组织，晶粒尺寸约为100 μm。由于两种焊接接头使用的母材相同，因此热影响区和母材的组织特征一致。
图7为ERNiMo-2焊丝和ERNiMo-3焊丝焊接接头的热影响区，熔合线在焊缝所在方向。从图7可以看出，在靠近熔合线的热影响区，出现了呈层片状分布的析出相组织，而随着远离熔合线，析出相呈颗粒状分布。这是GH3535镍基高温合金焊接过程中的一个典型组织特征。在焊接热循环的作用下，固溶态的GH3535镍基高温合金中呈颗粒状分布的初始碳化物M6C在瞬时高温作用下，经历了一个快速熔化和凝固的共晶反应，碳化物从块状或颗粒状的M6C转变为层片或者短棒状[6]。
图8为ERNiMo-2焊丝和ERNiMo-3焊丝焊接接头的焊缝区域。从图8a可以看出，焊缝区沿着晶界析出了大量碳化物，碳化物形状为枝状共晶型;而对于ERNiMo-3焊丝接头焊缝金属而言，碳化物数量较为稀少。
2.3 焊接接头力学性能
2.3.1 显微硬度
图9为ERNiMo-2焊丝和ERNiMo-3焊丝焊接接头的维氏硬度对比。ERNiMo-2焊丝的焊接接头在熔合线区域的硬度相对于母材和焊缝略微降低，焊缝区域的硬度均值为HV 214，两侧母材的硬度波动在HV 210～215之间，两者硬度相差不大。而ERNiMo-3焊丝接头焊缝金属硬度相较于两侧的母材和热影响区明显较低，焊缝区域硬度均值为HV 194，两侧母材的硬度在HV 210 左右。综上可知，ERNiMo-2焊丝接头的硬度要比ERNiMo-3焊丝接头硬度高，且硬度的变动范围较小。
2.3.2 拉伸性能
表3为ERNiMo-2焊丝与ERNiMo-3焊丝焊接拉伸试样在常温和700 ℃下的测试结果。
从结果对比可知，两种焊丝焊接接头均断裂于焊缝处，这说明焊缝金属是接头的薄弱位置。从拉伸结果可知，ERNiMo-2焊丝焊接接头常温屈服强度为435 MPa， ERNiMo-3焊丝焊接接头的常温屈服强度为396 MPa，比ERNiMo-2焊丝低39 MPa;两种焊丝的接头抗拉强度较为接近，分别为733 MPa和726 MPa;而对于断后伸长率而言，ERNiMo-2焊丝接头和ERNiMo-3焊丝接头分别为26.0%和29.5%。700 ℃下，ERNiMo-2焊丝焊接试样的高温屈服强度均值为250 MPa，比ERNiMo-3焊丝接头高13 MPa;ERNiMo-2焊丝焊接接头试样的抗拉强度为452 MPa，比ERNiMo-3焊丝接头抗拉强度高23 MPa;两者的断后伸长率相较于常温时均有所降低，分别为24.0%和18.5%。整体而言，从两种焊丝焊接接头的常温和高温拉伸性能可以看出，ERNiMo-2焊丝焊接接头的常温和高温力学性能均优于ERNiMo-3焊丝焊接接头。这一结果与硬度测试结果一致，ERNiMo-2焊丝接头焊缝金属硬度高于ERNiMo-3焊丝。對于金属材料而言，硬度与强度呈现正相关性，同时也存在线性关联，因此工程上常用测试材料硬度的方法来估算其强度[7-8]。从两种焊丝的显微硬度结果可以看出，ERNiMo-2焊丝接头焊缝金属硬度与母材相当，因此在等强匹配方面，ERNiMo-2焊丝要优于ERNiMo-3焊丝。
2.4 断口形貌分析
焊接拉伸试样在常温和700 ℃高温下拉伸断口SEM照片。两种焊丝焊接接头常温下拉伸试样均在焊缝区断裂，说明焊缝组织是接头拉伸的薄弱环节。由图10可以看出，ERNiMo-2焊丝常温断口低倍显示断面存在放射状的花样，高倍下断口上有明显的韧窝存在。从图11的ERNiMo-3焊丝焊接接头低倍常温断口可以看出，断口表面边缘部分为光滑和明显的剪切区，中间为放射区和纤维区;高倍下可以明显看出焊缝柱状晶组织，以及焊缝断口表面的浅显韧窝，韧窝的深度和数量与ERNiMo-2焊丝接头相近。
图12和图13分别为两种焊丝焊接接头拉伸试样在高温700 ℃的拉伸断口SEM照片。图12为ERNiMo-2焊丝焊接接头高温拉伸断口形貌。从图12a可以看到断面上存在明显柱状晶及其生长方向，这说明接头断裂有可能沿着柱状晶晶间开裂。从图12b～12c可以看到明显粗大而稀少的韧窝。图13为 ERNiMo-3焊丝焊接试样高温拉伸断口形貌。由图13a可以看出，低倍下断面较为光滑，呈现出脆性断裂的特征;由图13b～13c可以看出，焊接接头的韧窝数量和深度相较于室温下明显变少，这说明焊缝金属的高温塑性相对较差。与ERNiMo-3焊丝相比，ERNiMo-2焊丝焊接接头的断口韧窝深度较大，韧性断裂特征较ERNiMo-3焊丝明显，说明其高温塑性要强于ERNiMo-3焊丝接头，这与表3中力学测试结果相一致。
3 结论
（1）在相同的焊接工艺下，使用ERNiMo-2和ERNiMo-3焊丝进行焊接，均可得到优良的焊接成形。
（2）ERNiMo-2和ERNiMo-3焊丝焊接接头显微组织特征基本一致，在靠近熔合线附近的热影响区，碳化物发生了共晶转变，呈层片状结构; ERNiMo-3焊缝金属中碳化物数量相对于ERNiMo-2较少。
（3）ERNiMo-2焊丝的焊接接头硬度与母材相当，高于ERNiMo-3焊丝的焊接接头;并且ERNiMo-2焊丝的焊接接头常温、高温抗拉强度要高于ERNiMo-3焊丝的焊接接头，ERNiMo-2焊丝与GH3535母材具有较好的等强匹配。
（4）两种焊丝的焊接接头拉伸试样均从焊缝金属处断裂，其中ERNiMo-3焊丝的焊接接头高温断口呈现出明显的光滑断面，韧窝数量和深度低于ERNiMo-2焊丝，显示其高温塑性特征较弱，与其高温断后伸长率较低相一致。
参考文献
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