镍基合金与镍基合金的焊接接头组织和力学性能
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李秋石 刁旺战 王萍 徐祥久
摘要： 采用热丝TIG焊方法对Inconel740H镍基合金与Haynes282镍基合金异种材料进行焊接，并对采用Inconel Filler Metal 740H镍基合金焊丝和Haynes 282 Wire镍基合金焊丝两种不同焊接填充金属分别经过两步时效强化热处理（1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷）和一步时效强化热处理（800 ℃/4 h/空冷）后的接头拉伸性能、弯曲性能、硬度和微观组织进行对比分析。试验结果表明，焊接接头的抗拉强度均大于1 035 MPa，弯曲试验均合格，焊接接头的硬度均大于314 HV。焊接接头金相组织检验合格，焊缝组织均为奥氏体，焊缝内的晶界处均存在细小的碳化物析出，未发现有害相的析出。
关键词： 先进超超临界锅炉;Inconel740镍基合金;Haynes282镍基合金
中图分类号： TG 455
Microstructure and mechanical properties of Inconel740H nickel base alloyand Haynes282 nickel base alloy welded joint
Li Qiushi， Diao Wangzhan， Wang Ping， Xu Xiangjiu
（State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-fired Utility Boilers，Harbin Boiler Company Limited，Harbin 150046， China）
Abstract： The Inconel740H nickel base alloy and Haynes282 nickel base alloy dissimilar material were welded by hot wire TIG process， and the tensile， bending， hardness and microstructure were analyzed， that joints with different filler metals of Inconel Filler Metal 740H nickel base alloy welding wire and Haynes 282 Wire nickel base alloy welding wire， after two different heat treatment of two-step aging strengthening heat treatment （1 010 ℃/2 h/air cooling+788 ℃/8 h/air cooling） and one-step aging strengthening heat treatment （800 ℃/4 h/air cooling）. The results show that the tensile strength of the welded joint is greater than 1 035 MPa， the bending test result is qualified， and the hardness of the welded joint is greater than 314 HV. The metallographic structure of the welded joint is qualified. The metallographic structure of the weld metal is austenite. There is fine carbides precipitates at the grain boundary of the weld metal and no harmful phase precipitated.
Key words： 700 ℃ advanced ultra supercritical boiler;Inconel740H nickel base alloy;Haynes282 nickel base alloy
0 前言
为提高燃煤发电机组的供电效率，降低煤耗，减少污染物的排放，欧洲、美国、日本等国家先后启动了700 ℃等级先进超超临界机组（A-USC）研究计划 [1-2]。由于700 ℃A-USC机组需要采用大量新型奥氏体不锈钢和镍基合金 [3-4]，为保证这些新型材料的性能及制造加工工艺可以满足可以满足未来工程的要求，欧洲先后建设了700 ℃关键部件验证试验平台 [5-6]，而国内的700 ℃试验平台于2015年底成功建成，投入试验应用 [7]。
在验证平台的过热器部件中采用了多种高温镍基合金，其中包括Inconel740H和Haynes282兩种镍基合金。其中Haynes282镍基合金是美国Haynes公司开发的一种时效强化型高温镍基合金，兼具良好的蠕变强度、热稳定性以及可加工性、焊接性，是A-USC机组的重要候选材料之一 [8]。Inconel740H镍基合金是新型镍-铬-钼时效沉淀强化型镍基合金，是在原有Inconel740的基础上通过调整成分，消除了η相和G相的形成，具有优良的高温持久和蠕变强度、抗氧化和高温蒸汽腐蚀性能，也是A-USC机组过热器高温段的重要候选材料之一 [9]。
700 ℃先进超超临界锅炉试验平台的受热面部件需要将两种材料进行异种材料焊接，但目前针对Inconel740H镍基合金与Haynes282镍基合金焊接的焊接工艺、热处理工艺、接头力学性能和金相组织尚无试验研究。
为了确定700 ℃先进超超临界锅炉试验平台用Inconel740H镍基合金+Haynes282镍基合金焊接的焊接工艺、焊接材料选择和焊后热处理制度，为后续700 ℃等级超超临界锅炉的设计和制造提供数据积累和支撑，文中针对Inconel740H镍基合金+Haynes282镍基合金焊接接头的力学性能和微观组织进行了研究。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
试验采用的材料为Inconel740H镍基合金和Haynes282镍基合金，规格为44.5 mm×10 mm，其原始状态为固溶热处理状态，其化学成分见表1。两种材料的室温力学性能见表2，其中Haynes282镍基合金经过两步时效强化热处理即首先加热到1 010 ℃，保温2 h，然后空冷到788 ℃，保温8 h，最后空冷到室温（1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷）热处理后测量，Inconel740H镍基合金经过一步时效强化热处理即加热到800 ℃，保温4 h，然后空冷到室温（800 ℃/4 h/空 冷）热处理后测量。从表2可以看出，两种材料具有较 高的抗拉和屈服强度，Haynes282镍基合金的抗拉和屈服强度高于Inconel740H镍基合金，断后伸长率比Inconel740H镍基合金低。
1.2 焊接材料选择
由于Haynes282镍基合金焊后和使用状态都要求进行1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷的两步时效强化热处理，Inconel740H镍基合金焊后和使用状态都要求进行800 ℃/4 h/空冷的一步时效强化热处理，因此两种材料的焊后热处理制度的兼容是其焊接的最大 难题。针对Haynes282镍基合金与Inconel740H镍基 合金焊接，采用的焊接方法为钨极氩弧焊。目前Haynes282 镍基合金采用的匹配焊接材料为Haynes 282 Wire镍基合金焊丝，Inconel 740H镍基合金采用的匹配焊接材料为Inconel Filler Metal 740H镍基合金焊丝，从成分匹配和强度匹配的原则，两种材料之间的焊接可考虑分别选用此两种焊丝。
1.3 焊接方法及工艺参数
焊接时采用的热丝机械钨极氩弧焊（H-GTAW）作为对比试验，可规避手工焊过程中操作人员的影响，同时采用的焊接工艺参数相同，焊接过程中控制采用较小的热输入，具体的焊接工艺参数见表3。坡口采用37.5°单面V形坡口。焊前需要对待焊表面采用砂轮及丙酮等方法去除氧化皮、油污等污物，焊接前不需要预热，焊接过程中采用喷淋冷却的方法控制层间温度≤150 ℃。焊接过程中采用100%氩气进行焊枪和背面保护。 试验研究过程中按照焊后时效热处理制度和采用焊接材料的不同，试验分成3组进行，如表4所示，后续试验分析按照此表的顺序。在每组试验前Haynes282镍基合金焊前为时效状态（1 010 ℃/2 h空冷+788 ℃/8 h/空冷），Inconel740H镍基合金焊前为时效状态（800 ℃/4 h/空冷）。
2 试验结果与分析
2.1 焊接接头力学性能分析
焊接完成后对接头按照NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》标准进行100%RT无损检测，结果合格。常温拉伸和弯曲试样从无损检测合格的试样上取样，按照ASME Ⅸ-2017《焊接、钎接和粘接评定》进行，试验结果如表5所示，对比母材的强度数据值可知，拉伸试验的结果合格，均大于1 035 MPa。两组试验中采用Inconel Filler Metal 740H镍基合金焊丝进行800 ℃/4 h/空冷焊后热处理的接头强度比采用Haynes 282 Wire镍基合金焊丝的抗拉强度高85 MPa。3组接头断裂位置均为焊缝区，使熔敷金属的力学性能低于母材这一结论得到证实。3组试验的弯曲试验均采用4个侧弯试样，弯曲试样宏观检查未发现裂纹，检查结果均合格。
采用维氏硬度仪对焊接接头进行硬度检测，其试验结果如表6所示。从表6可以看出，两种时效强化 镍基合金的母材和焊缝具有较高的硬度，都超过了314 HV，且焊缝硬度与热影响区硬度相当，未出现钢焊接时热影响区硬度高于母材的趋势，这与成分中含有较多的Co，W等强化元素有关，其硬度偏高的原因为沉淀硬化。经过1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷两步时效热处理后，焊缝和热影响区的硬度比采用800 ℃/4 h/空冷一步时效热处理低16 HV。
2.2 微观组织分析
对经打磨抛光后的试样采用盐酸+硝酸（体积比为3∶ 1）的化学试剂进行腐蚀后，采用AXIOVERT 200MAT光学显微镜对3组试验的焊接接头进行微观组织观察和分析，试验结果如图1～3所示，焊接接头未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷。两侧母材的基体均为γ相奥氏体组织，两侧母材的晶粒内部和晶界均存在一 定的沉淀强化相，晶粒尺寸为3～4级。在两侧母材的 许多晶粒内部可以发现贯穿整个晶粒的孪晶。热影响 区的晶粒尺寸未见明显长大，这与H-GTAW过程中控 制热输入和采用喷淋冷却控制层间温度有关。焊缝金相组织为奥氏体，并呈现典型的柱状晶形态。通过光学显微镜获得的金相组织还可以看出，采用不同的时效强化热处理和不同的填充金属后，母材、热影响区和焊缝的金相组织，还有析出相的数量和形态等未见明显的差别。 对经打磨抛光后试样采用盐酸+硝酸（体积比为3∶ 1） 的化学试剂进行腐蚀后，采用型号为APOLLO300的扫描电镜（SEM）对3组试验后的微观组织进行分析，并采用能谱定性分析其析出相的組成，如图4所示。
试验表明经过1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷两步时效热处理后和采用800 ℃/4 h/空冷一步时效热处理后，两侧母材的晶界和晶内均未产生如G相、η相等有害相，在Inconel740H镍基合金母材侧的晶内存在大的圆形的富Ti和Nb的MC型碳化物，碳化物的尺寸较大，在5～10 μm之间，而在晶界也存在连续的细 小的富Ti和Nb的MC型碳化物。在Haynes282镍基合金 侧母材的晶内析出大的富Ti和Mo的MC型碳化物，这些碳化物在一定区域内聚集，碳化物的尺寸在2～10 μm之间。 图5为采用Inconel Filler Metal 740H和Haynes 282 Wire两种镍基合金焊丝的焊缝的SEM形貌。从图5可以看出，在焊态下两种焊接材料的晶界处均存在细小的碳化物析出，未存在有害相的析出。
3 结论
（1）分别采用Inconel Filler Metal 740H和Haynes 282 Wire两种镍基合金焊丝对Inconel740H镍基合金与Haynes282镍基合金异种材料进行焊接。焊后分别进行两步时效强化热处理（1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷）和一步时效强化热处理（800 ℃/4 h/空冷），焊接接头的抗拉强度大于1 035 MPa，弯曲试验合格，焊接接头的硬度大于314 HV。
（2）Inconel740H镍基合金与Haynes282镍基合金异种材料焊接接头的宏观与微观检测均合格，焊缝组织为奥氏体，焊缝内的晶界处均存在细小的碳化物析出，并未发现有害相的析出。 [HT5H]参考文献
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收稿日期： 2019-09-06
李秋石简介： 1969年出生，硕士，高级工程师;主要从事电站锅炉及压力容器的焊接工艺研究工作;liqs@hbc.com.cn。