20Cr32Ni1Nb高溫合金焊接接頭組織及力學性能研究

前言

耐熱合金能夠在高溫環境（一般 650~1 315 ℃范圍內）服役時仍能保持其原有力學性能，能夠在較長時間內承受高溫氧化腐蝕侵害，不會過快出現疲勞、蠕變、斷裂和腐蝕等失效［1］。因此，耐熱合金在石油化工、冶金制造、航天航空、國防軍工等行業有著廣泛應用。按照合金化學成分分類，耐熱合金可以分成 Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe-Ni-Cr 和 Ni-Fe-Cr四個體系。其中，Fe-Ni-Cr 系耐熱合金的 Ni 元素含量為23%~41%，Cr元素含量為15%~28%；其主要由穩定的奧氏體構成，具備高抗熱循環和熱應力以及高抗氧化和熱腐蝕性能；同時具備良好的抗滲碳性，特別適用于制備高溫烴裂解爐爐管［2］。爐管工作環境惡劣，以乙烯裂解爐為例，爐管外壁溫度可達1 000 ℃以上，爐管內介質溫度約為850 ℃；爐管內的烴類反應產物會造成其內外壁氧化、硫化和滲碳；除此之外，爐管還要承受內部壓力、自身重量、溫度差異引起的疲勞和熱沖擊作用［3］。近年來，20Cr32Ni1Nb鑄造耐熱合金憑借其良好的高溫抗拉強度、抗蠕變性能、抗高溫氧化、腐蝕、滲碳性能以及良好的經濟性，成為烴類裂解爐爐管理想的備選材料［4-5］。根據行業標準 SH/T 3417《石油化工管式爐高合金爐管焊接工程技術條件》規定，20Cr32Ni1Nb 鑄造耐熱合金爐管一般采用高鎳合金焊絲SNi6082焊接，其Ni元素含量高達70%，具有良好的焊接工藝性，但其高溫抗拉強度低，且成本較高。

從焊材成分相匹配角度來看，與母材成分匹配的焊材既能實現與母材力學性能的匹配，又可兼顧經濟性；因此，該類型焊材具有更好的應用前景。

本研究采用高鎳和低鎳兩種焊絲分別進行20Cr32Ni1Nb 鑄造耐熱合金爐管的焊接，表征分析這兩種焊接接頭的顯微組織，常溫、高溫力學性能，探討焊材成分對焊接接頭組織和性能的影響。

1 、試驗材料與方法

1.1 試驗材料

母材選用國內某公司離心鑄造的高溫承壓爐管（ZG 20Ni32Cr20Nb），尺寸為 212 mm（直徑）×150 mm（長度）×11 mm（壁厚），其化學成分如表1所示，符合標準 HGT2601《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》的相關要求。焊材分別選用高鎳和低鎳氬弧焊絲，直徑均為2.4 mm，其化學成分如表2所示。

1.2 工藝參數

試驗采用鎢極氬弧焊，坡口形式如圖1所示，工藝參數如表 3 所示。焊接前，使用砂紙打磨待焊坡口，并用酒精擦拭后烘干，除去其表面的氧化膜和油污。焊接過程中，根部焊道背面通氬氣保護以保證其成形質量，層間溫度控制在 150 ℃內。焊接結束后，分別采用滲透（PT）和 X 射線（RT）探傷，確保焊接接頭無表面和內部缺陷。

1.3 測試方法

采用光學顯微鏡（Axio Lab.A1）觀察焊接接頭不同區域的顯微組織，取樣位置如圖 2a 所示；觀察前，采用王水（濃硝酸∶濃鹽酸=1∶3）作為腐蝕試劑，對打磨拋光后的焊接接頭進行腐蝕，腐蝕反應時間約為8 s。

采用顯微硬度計（HV-1000A）測試焊接接頭不同區域的顯微硬度，如圖2b所示；測試過程中，施加載荷為0.2 kg，持續時間為10 s。采用微機控制萬能拉伸試驗機（E45）進行常溫拉伸、高溫短時拉伸和高溫持久試驗。常溫拉伸試樣標距長度 50 mm，直徑 10 mm。高溫短時拉伸試樣標距長度 50 mm，直徑5 mm，測試溫度900 ℃。高溫持久拉伸試樣標距長度50 mm，直徑5 mm，測試溫度900 ℃，拉伸應力設置為40 MPa。

2、 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

高鎳焊絲焊接接頭金相組織如圖 3 所示，觀察區域分別為母材、焊縫和熔合線位置。圖3a為母材的金相組織，由柱狀奧氏體晶粒和網狀晶界構成；高 Cr 和 Ni 含量是形成奧氏體基體的主要原因，其由 γ 相、γ'相（Ni3AlTi）、γ''相（Ni3Nb）和碳化物相構成；網狀晶界則是碳化物相，其一般由NbC和M23C6構成［6-7］。圖 3b 是焊縫的金相組織，其由細小的柱狀奧氏體晶粒和沿晶界分布的鏈狀或者塊狀碳化物構成；焊縫柱狀晶由熔池邊緣向中心生長，這是因為在熔池的凝固過程中，熔池邊緣和熔池中心會形成較高的溫度梯度，受溫度梯度的驅動，熔池由邊緣向中心非均勻形核，凝固生成柱狀晶［8］。圖3c、圖 3d 分別為焊接接頭表層和根部熔合線區域的金相組織。由圖可見，焊縫金屬和母材熔合良好，無未熔合和裂紋缺陷；熱影響區仍保持為“奧氏體柱狀晶+網狀晶界”結構，然而，受焊接熱輸入影響，奧氏體基體中析出顆粒狀的二次碳化物［9］。同時，可以觀察到網狀晶界的寬度增加，這是因為晶界區域的析出碳化物造成該區域 C 濃度降低，在奧氏體基體和晶界之間形成了 C 濃度梯度，驅動 C 原子由基體向界面擴散，而焊接熱輸入加速了 C 原子擴散和二次碳化物生成。

圖 4 是低鎳焊絲焊接接頭的金相組織，觀察區域分別為母材、焊縫和熔合線。與圖3對比可知，兩種焊接接頭各區域的金相組織特征相似。焊接接頭熱影響區的金相組織幾乎一致，這是因為兩種焊接接頭制備選用了相同的焊接工藝參數，其對熱影響區的影響幾乎相同。與高鎳焊絲焊接接頭的有區別的是，低鎳焊絲接頭焊縫的柱狀晶組織更為粗大，這主要是受焊絲化學成分影響造成的。

2.2 顯微硬度

兩種焊接接頭的顯微硬度測試結果如圖 5 所示，測試區域包括母材、熱影響區和焊縫。由圖 5a可知，對于高鎳焊接接頭，母材的平均顯微硬度約為 220 HV0.2；熱影響區的平均顯微硬度較母材略有下降，約為200 HV0.2，這是因為受焊接熱輸入影響，熱影區的晶粒發生粗化［11］；而焊縫的平均顯微硬度有所提升，約為 235 HV0.2。對于低鎳焊接接頭，如圖 5b 所示，其硬度分布規律與高鎳焊接接頭相似；所不同的是，低鎳焊接接頭的焊縫平均顯微硬度更接近于母材，約為 220 HV0.2。也就是說，低鎳焊接接頭的顯微硬度變化更為平緩，這更有利于提升焊接接頭的整體力學性能。

2.3 拉伸力學性能

根據GB/T228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T4338《金屬材料高溫拉伸試驗方法》分別測試高鎳和低鎳焊接接頭的拉伸力學性能。

兩種焊接接頭的常溫拉伸應力應變曲線如圖6所示。兩種焊接接頭的拉伸應力應變曲線形狀基本一致。在圖6中分別讀取兩種焊接接頭的常溫屈服強和抗拉強度，如表4所示。由表4可知，高鎳焊接接頭的常溫屈服強度為 294 MPa，抗拉強度為540 MPa，斷裂在焊縫位置；低鎳焊接接頭的常溫屈服強度和抗拉強度略有提升，分別為 313 MPa 和550 MPa，同樣斷裂在焊縫位置。圖 7 是兩種焊接接頭的高溫（900 ℃）拉伸應力-應變曲線。兩種焊接接頭的高溫拉伸應力應變曲線形狀基本一致。在圖7分別讀取兩種焊接接頭的高溫屈服強和抗拉強度，如表 5 所示。由表 5 可知，高鎳焊接接頭的高溫屈服強度（104.5 MPa）略低于低鎳焊接接頭（108 MPa）；但是，兩者的高溫抗拉強度相同（140 MPa），且均在焊縫位置斷裂。

表 6 是兩種焊接接頭的高溫持久拉伸測試結果，測試溫度為900 ℃，拉伸應力為40 MPa。由表6可知，高鎳焊接接頭經歷 191 h 拉伸后在焊縫位置斷裂；而低鎳焊接接頭的高溫拉伸持久時間則大幅提升至744 h，同樣也在焊縫位置斷裂。

綜合分析上述結果可知，兩種焊接接頭拉伸力學性能指標均滿足焊接評定標準要求，即常溫抗拉強度≥450 MPa，高溫（900 ℃）抗拉強度≥102MPa，高溫（900 ℃，40 MPa）拉伸持久時間≥100 h。兩種焊接接頭的高低溫短時拉伸力學性能基本相同，但低鎳焊接接頭的高溫拉伸持久時間遠超高鎳焊接接頭，前者是后者的3.9倍。因此，低鎳焊接接頭的高溫力學性能優于高鎳焊接接頭。另外，值得注意的是兩種焊接接頭斷裂位置均為焊縫，說明焊縫是高溫合金焊接接頭的薄弱區域。

由圖 3、圖 4 可知，母材顯微組織是由柱狀奧氏體晶粒和沿晶界分布的骨架狀碳化物構成的；而焊縫組織則是由細小的針狀或者柱狀奧氏體晶粒和沿晶界分布的鏈狀或者塊狀碳化物構成的。當焊接接頭受到拉伸作用時，首先是晶粒變形，然后是晶界聚集，生成大量微孔，進而誘導位錯聚集形成位錯環，最終導致斷裂［12］。由于母材的晶粒尺寸較大，其晶粒變形比焊縫組織吸收更多的能量；因此，擁有更好的拉伸力學性能。奧氏體相是耐熱鋼抗蠕變的根本，Ni是促進奧氏體相形成元素，Ni/Cr比例決定了奧氏體相的形成。結合舍夫勒相圖計算可知，兩種焊材的Ni/Cr比分別為3.0和1.7，因此，無論是高鎳含量還是低鎳含量，兩種焊縫金屬均由奧氏體相組成，這為其高溫力學性能奠定了良好基礎。另外，現有的研究表明焊縫金屬的高溫持久強度與二次碳化物的析出密切相關，析出的碳化物可以阻礙晶界滑移和位錯聚集，增加材料的抗蠕變性能［12］。高鎳焊接接頭的C含量僅為0.016%，遠低于低鎳焊接接頭（0.16%）；其在高溫測試的初始階段過程中更容易析出二次碳化物 M23C6或者 NbC，阻礙晶界滑移，大幅提升其高溫持久時間。

3、 結論

分別采用高鎳和低鎳兩種焊絲焊接20Cr32Ni1Nb鑄造耐熱合金爐管，表征分析兩種焊接接頭的顯微組織和力學性能，得到如下結論：

（1）金相觀察結果表明，母材組織由柱狀奧氏體晶粒和網狀晶界構成；焊接接頭的熱影響區仍為柱狀晶組織，但焊接熱輸入促進了該區域的晶粒長大和二次碳化物生成；焊縫組織由細小的針狀或者柱狀奧氏體晶粒和沿晶界分布的鏈狀或者塊狀碳化物構成的。

（2）顯微硬度測試結果表明，高溫合金焊接接頭熱影響區出現軟化現象，其顯微硬度較母材下降20 HV0.2，這主要是晶粒粗化造成的；低鎳焊縫的顯微硬度低于高鎳焊縫，與母材硬度更為匹配，約為220 HV0.2，這有利于提升焊接接頭的整體力學性能。

（3）拉伸測試結果表明，兩種焊接接頭拉伸力學性能指標均滿足焊接評定要求，其短時拉伸力學性能基本相同，這是因為兩種焊接接頭均主要由奧氏體相組成，具備相近的力學性能基礎。但是，低鎳焊接接頭的高溫持久拉伸力學性能大幅提高，約為高鎳焊接接頭 3.9 倍，這是因為低鎳合金焊縫更容易析出碳化物，阻礙晶界滑移和位錯聚集。兩種焊接接頭斷裂位置均為焊縫，焊縫區域是焊接接頭的薄弱環節；這是因為在拉伸過程中，較大尺寸的母材晶粒變形需要吸收更多的能量。

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