新型镍基带极堆焊材料性能
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徐锴 宋建廷 冯伟 曹宇堃 贾立超
摘要： 从化学成分、力学性能、抗晶间腐蚀能力及高温试验拉伸断口等方面对比分析了新型镍基690合金带极堆焊材料EQNiCrFe-13和EQNiCrFe-7A的差异，同时对SA508-3钢母材进行Z向拉伸试验研究2种堆焊材料与SA508-3钢母材界面的结合强度。研究结果表明，新型690合金由于Mn，Nb含量的提高，其力学性能和抗DDC（Ductility dip cracking）性能优于传统690合金EQNiCrFe-7A。
关键词： 690镍基合金; 带极堆焊; 高温拉伸试验
中图分类号： TG 423
Abstract： Differences between EQNiCrFe-13 and EQNiCrFe-7A new types of nickel-based 690 alloy strip surfacing materials were compared and analyzed from aspects of chemical composition， mechanical properties， resistance to intergranular corrosion and analysis of tensile fracture through the high-temperature test. And Z-direction tensile test was carried out on base metal of SA508-3 steel to study bonding strength of the interface between the two surfacing materials and SA508-3 steel. The research results showed that the new 690 alloy had better mechanical properties and resistance to DDC than the traditional 690 alloy EQNiCrFe-7A due to increase of Mn and Nb content.
Key words： 690 nickel-based alloy; strip surfacing; high temperature tensile test
0 前言
目前在核电站设备制造中应用的带极堆焊690合金的是EQNiCrFe-7A型焊带。国内外开展的ERNiCrFe-13 研究主要集中在焊丝抗裂性方面，EQNiCrFe-13 焊带/焊剂方面的报道较少。有文献资料及应用实例表明在ERNiCrFe-7A 焊丝的基础上现提高Mo 和Nb 的含量，能够显著增加690 焊丝的抗DDC 能力。SMC公司目前已开发新型690 镍基合金NiCrFe-13带极堆焊材料INCONEL Weldstrip 52MSS，在Inconel Weldstrip52M基础上添加4%的Mo和2.5%的Nb，提升了抗DDC的能力。20世纪90年代初，国内就开始了690镍基合金焊接材料的研制但主要针对EQNiCrFe-7A。经过20多年的努力，尽管已经取得了一些成果，并研制出了690镍基合金焊带/焊剂，但基本停留在试验室研制阶段，目前国内并没有针对EQNiCrFe-13带极堆焊焊材的相关研究，该文针对国产新型690合金焊带EQNiCrFe-13开展材料性能试验，并与传统EQNiCrFe-7A型焊带进行对比分析不同合金体系对690带极堆焊性能差异。
1 试验材料和方法
试验采用0.5 mm×60 mm， 245～1 651 μm的國产EQNiCrFe-13焊带WHDNi693，焊剂WSJ63HR，试验工艺参数见表1。
有研究表明，Mo是690合金体系中固溶强化元素，能够降低合金层错能，增加共晶组织比例，细化<121晶粒，可以提高强度[1-2]。Nb可以有效降低合金的DDC裂纹敏感性，Nb的碳化物在晶界的析出，让晶界更加曲折蜿蜒，从而增加了晶界滑移的阻力[3]。EQNiCrFe-13合金体系在EQNiCrFe-7A的基础上增加了Mo，Nb元素的含量以达到提升熔敷金属强度和抗DDC性能的目的。2种合金体系下堆焊熔敷金属成分见表2。为避免母材稀释影响，堆焊层厚度≥20 mm。
拉伸试验：按照AWS B4.0M和ASTM E21-17标准进行试验。试件形状采用棒状，保证试件的纵轴与焊缝的轴线吻合，试件尺寸12.5 mm。
冲击试验：按照AWS B4.0M标准来进行。试件采用V形缺口，缺口开在焊缝中心线处，试件尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。
显微组织观察：按照GB/T 13298金属显微组织检验方法进行金相分析，垂直于堆焊层取样，检验面尺寸10 mm×10 mm，采用化学浸蚀以显示金属的显微组织，浸蚀剂及方法按GB/T 13298 表A4选用。
晶间腐蚀试验：以ASTM A262 C法进行5周期腐蚀试验，将长方形试样用水砂纸逐级打磨到1 000号，用水冲洗后，再用酒精擦拭，然后用去离子水冲洗，晾干后测量试样尺寸并称重。
高温拉伸试验：试验在Gleeble3800热模拟机上进行，试样先以100 ℃/s的速度升温到 1 100 ℃，保温10 s，自由冷却到指定温度，以0.5 mm/s速度进行拉伸，直到试样被拉断，冷却到室温[4]。试验中的指定温度采用了750 ℃，850 ℃，950 ℃，1 050 ℃和1 150 ℃这5个温度点。其中1 150 ℃的试样直接以100 ℃/s的速度升温到1 150 ℃进行加载。此试验通过分析试验材料抗拉强度和断后伸长率，确定材料在高温状态塑性突降温度区间，并采用最小断后伸长率评价材料对DDC裂纹的敏感性;通过观察不同温度段断口形貌，评价材料抗DDC裂纹能力[5]。
Z向拉伸试验：SA-508Gr3CL2公称化学成分为0.75Ni-0.5Mo-Cr-V，属低合金高强钢。由于 SA-508Gr3CL2含有较多的合金元素，碳当量达到0.76%左右，焊接过程中热影响区具有较高的淬硬倾向，所以评估在高热输入状态下在SA-508Gr3CL钢上采用带极堆焊方式堆焊镍基690结合面的强度很有必要。设计Z向拉伸试验，在60 mm厚度以上SA508Gr.3钢母材，以表1所示的工艺参数进行进行堆焊试验，堆焊厚度大于30 mm。取样位置如图1所示，母材和堆焊金属的熔合线在拉伸试验有效测试范围内，拉棒尺寸选用5 mm，按照AWS B4.0M和ASTM E21-17标准进行试验。
2 试验结果与分析
2.1 力学性能
按照AWS B4.0M试验标准进行熔敷金属室温拉伸试验、夏比V形缺口冲击试验和弯曲试验，焊态下3种690合金熔敷金属力学性能见表3。
2.2 晶间腐蚀
将2组试样放在玻璃支架上，试样和玻璃支架一起悬于硝酸溶液中，硝酸溶液浓度为 65%，冷凝器内通入冷却水，防止硝酸溶液蒸发改变其浓度，加热至沸腾后开始计时，试验中保持沸腾。试验共进行48 h×5个周期，每个周期都使用新鲜溶液。每个试验周期后取出试样，除去腐蚀产物，干燥，称重。用失重法计算试样的腐蚀率[6]。所得试验结果如图2所示。从试验结果可以看出，2种合金体系下堆焊金属Cr含量相当。EQNiCrFe-13中由于Nb含量的提高会优先析出Nb的碳化物，不析出或很少析出Cr，Mo的碳化物。这样在敏化区域就不会产生Cr，Mo碳化物，降低了晶间腐蚀敏感性。同时新型合金体系中由于合金含量提高，Ni元素比例减小，促使碳在晶界形成Cr23C6沉淀的倾向降低[7]，总体来说新型690镍基合金的晶间腐蚀敏感性优于传统镍基合金EQNiCrFe-7A。
2.3 显微组织
2种合金体系堆焊层显微组织试验结果如图3、图4所示。2种合金体系显微组织均为γ固溶体+析出物，呈柱状晶，析出物存在与枝晶间偏析处。
2.4 高温拉伸
高温拉伸断后伸长率能直接体现材料高温塑性，发现材料塑性突降的敏感温度区间[8]，因此对试验材料熔敷金属进行了高温拉伸试验，初步判断材料 DDC裂纹敏感温度区间，并采用最小断后伸长率断口形貌分析评价材料DDC裂纹敏感性。同时高温拉伸试验可以直观体现抗拉强度随温度的变化，并通过下降的速率判断抗DDC裂纹能力下降的阶段，一般来说DDC裂纹的敏感温度区间也是高温抗拉强度最低的温度区间。对2组带极堆焊熔敷金属以相同试验参数进行750～1 150 ℃温度区间的高温拉伸试验，高温抗拉强度试验结果如图5所示，断后伸长率变化结果如圖6所示。从试验结果可以看出，2种合金体系690带极堆焊熔敷金属的抗拉强度随温度的升高而下降，但其下降的速度并不一样，EQNiCrFe-7A从750 ℃开始抗拉强度下降速度开始变快，一直到1 000 ℃时，下降速度又放缓。EQNiCrFe-13并未出现抗拉强度陡降的情况。从断后伸长率的变化可以看出，690镍基合金材料的塑性是随温度的升高而下降的，EQNiCrFe-7A在750～850 ℃区间内塑性下降的梯度最大，EQNiCrFe-13从900 ℃以后塑性下降才较为明显。结合文献中试验中NiCrFe-7A的裂纹敏感温度，发现抗拉强度下降最快的温度阶段是材料抗裂性下降最快的阶段，DDC裂纹的敏感温度区间也是抗拉强度最低的时候。说明2种新型合金体系的裂纹敏感温度区间高于传统合金体系。
为进一步确定合金体系对690带极堆焊金属抗裂性的影响，分别取塑性下降梯度最大区间的高温拉伸试样对试样断口进行SEM分析，以确定不同合金体系中产生裂纹的原因。EQNiCrFe-7A选用850 ℃下的试样，EQNiCrFe-13选用950 ℃下的试样进行观察。对EQNiCrFe-7A所观察的结果如图7所示。从图7中可以看出拉伸断口为典型的高温失塑性裂纹形貌，高温失塑裂纹的形貌比例较大，均为塑性沿晶形态，宏观上显示出平滑特征，呈台阶状，并伴有起伏形态，断口表面较为平整，起伏较小。说明导致EQNiCrFe-7A塑性下降的原因为DDC。
对EQNiCrFe-13所观察的结果如图8所示。从图8中可以看出拉伸断口形貌为韧窝，未发现明显DDC特征，说明EQNiCrFe-13带极堆焊金属在高温下塑性较好，由于Nb元素的加入降低了材料DDC裂纹敏感性，晶界处Nb析出物对晶界变形有阻碍作用，提高晶界抗变形能力和塑性变形能力[9]，避免了由于晶界处塑性变形过度而导致的沿晶裂纹。由于析出物的增加，对位错的迁移，晶界的滑移起到阻碍和钉扎的作用，晶界变得曲折蜿蜒，增大了界面面积，对裂纹的产生起到抑制作用[10-12]。同时由于Mo元素的添加，提高了堆焊金属的强度，从而增加焊缝金属对焊接热应力的抗力，使其具有更好的抗低塑裂纹的能力。
2.5 Z向拉伸
对所取2组堆焊金属拉伸试样按标准进行试验并且观察拉棒断裂位置，对比不同条件下堆焊层结合面的强度，试验结果见表4。试验结果表明：通过观察拉伸试样断裂位置，在室温下EQNiCrFe-7A试样断裂位置在堆焊层，EQNiCrFe-13材料断裂位置在SA508Gr.3钢母材。350 ℃高温拉伸试验试样断裂位置均在堆焊层，熔合线处均未断裂。
3 结论
（1）新型EQNiCrFe-13镍基合金体系中由于Nb，Mo合金元素的添加，力学性能和抗热裂纹性能优于传统EQNiCrFe-7A。
（2）对2种合金体系中低塑性温度点进行SEM观察，EQNiCrFe-7A较新型合金体系相比低塑性敏感温度低、区间大，新型合金体系带极堆焊金属抗DDC性能优于传统690合金体系带极堆焊金属。
（3）通过Z向拉伸试验表明，在SA-508Gr3CL 钢上采用带极堆焊方式堆焊镍基690结合面的强度高于母材和堆焊层，同时EQNiCrFe-13型带极堆焊材料强度高于EQNiCrFe-7A型带极堆焊材料。
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