羅?震，武鈺棟，馬成勇，齊彥昌，張?禹

低溫鎳基焊條焊接的LNG儲罐用9Ni鋼接頭的力學(xué)性能

羅?震1, 2，武鈺棟1, 2，馬成勇3，齊彥昌3，張?禹1, 4

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300350；3. 鋼鐵研究總院，北京 100081；4.清華大學(xué)機械工程系，北京 100084)

采用3種藥皮成分不同焊條對LNG儲罐用9Ni鋼進行焊接，利用多元熱動力學(xué)相圖計算軟件JMatPro的Scheil模型配合鎳基合金材料數(shù)據(jù)庫對相應(yīng)焊縫熔敷金屬進行偏析計算，通過光學(xué)顯微鏡(OM)分析熔敷金屬的組織，并利用IPP軟件觀測枝晶間距．此外，通過硬度、拉伸和低溫沖擊等試驗評定熔敷金屬的力學(xué)性能．結(jié)果表明，Nb為正偏析元素，3種焊條的熔敷金屬組織均由奧氏體樹枝晶和析出相組成．OK92.55型焊條的熔敷金屬具有更小的枝晶寬度和枝晶間距，這是由于Nb元素的偏析作用，形成的碳化物有抑制枝晶長大的作用，這促使其熔敷金屬具有更大的斷后延伸率和斷面收縮率，具有良好的塑性．3種焊縫在熱影響區(qū)的硬度最大，這是因為焊接熱循環(huán)的作用．3種焊條熔敷金屬的拉伸斷口形貌均為韌窩和解理兩種斷裂方式相結(jié)合的形貌，說明它們既有塑性斷裂，還有脆性斷裂，但OK92.55型焊條熔敷金屬的韌窩占比更高，證明其拉伸塑性較好．3種焊條的熔敷金屬的低溫沖擊斷口均為韌窩形貌，OK92.55型焊條熔敷金屬的韌窩更深更小，表現(xiàn)出更好的低溫韌性．

LNG儲罐用鋼；鎳基焊條；枝晶間距；塑性；韌性

液化天然氣(LNG)作為一種清潔高效的能源，在被發(fā)現(xiàn)并利用之后，就得到了各國的重視[1]．基于LNG的快速發(fā)展，LNG儲罐的研發(fā)成為各國的重點課題之一．9Ni鋼因其優(yōu)良的低溫沖擊韌性和較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，滿足－196℃下的服役條件，成為了各國的LNG儲罐的首選材料[2]．目前，各國服役狀態(tài)的LNG儲罐材料為熱處理后的9Ni鋼[3]．眾多學(xué)者已經(jīng)對9Ni鋼的強韌機理進行了研究[4-7]，研究表明熱處理后的9Ni鋼中奧氏體對低溫韌性起到關(guān)鍵性作用，合金元素起到了固溶強化、細(xì)晶強化、沉淀強化等作用．在LNG儲罐產(chǎn)業(yè)鏈中，焊接是非常重要的一道工序[8-10]．

由于9Ni鋼儲罐的焊接工序往往需要在室外進行，氣體保護焊難以施展．鑒于其特殊的服役環(huán)境，LNG儲罐的焊接接頭成為制約其服役性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．焊條電弧焊適用于多種材料和多位置的焊接，是焊接9Ni鋼儲罐的常用手段[11]．為保證低溫韌性，焊材通常選擇Ni基型焊材．Ni基型焊材不僅具有優(yōu)良的低溫韌性，而且與母材有相近的熱膨脹系數(shù)，避免了接頭處的應(yīng)力集中．

我國已經(jīng)能自主生產(chǎn)LNG儲罐用9Ni鋼，但是對9Ni鋼配套焊材的研制有所落后，成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸．文中采用國產(chǎn)的焊條和進口焊條的對比試驗，研究了不同藥皮配方(保密)焊條的焊縫金屬的力學(xué)性能．通過分析焊材的熔敷金屬的微觀組織，分析合金元素影響塑性和韌性的機理，為鎳基焊材國產(chǎn)化提供理論依據(jù)和試驗支撐．

1?試驗方法

試驗所采用的母材為國產(chǎn)9Ni鋼，熱處理狀態(tài)為QT態(tài)，顯微組織為板條狀低碳回火馬氏體，板材大小為500mm′200mm′20mm，表1為化學(xué)成分，表2是力學(xué)性能．試驗采用手工電弧焊，采用3組不同的ENiCrMo-6型焊條進行對比試驗，其中第1、2組分別為國產(chǎn)焊條HQN-6a和HQN-6b，第3組采用OK92.55．板材開30°坡口，根部間隙為13mm．焊接時使用WSME-500P型號的焊機，使用交流電進行焊接，焊接參數(shù)如表3所示，采用8層30道的焊接方式．焊后截取3組焊接試樣的焊接接頭進行試驗，利用NACIS/C等化學(xué)法對熔敷金屬中的各元素進行測量，試驗結(jié)果如表4所示．制備金相試樣時，在研磨拋光后，采用10%鉻酸腐蝕劑在電壓3V、電流1A的條件下將試樣電解腐蝕1min，洗凈吹干．利用奧林巴斯GX51型光學(xué)顯微鏡進行金相觀察和采集．利用掃描電鏡(SEM)及其附帶能譜(EDS)觀察分析熔敷金屬組織及夾雜物的形貌與成分．按照GB/T 2651—2008標(biāo)準(zhǔn)，利用WE-300液壓萬能拉伸機對制備好的熔敷金屬進行拉伸試驗．按照GB/T 2650—2008標(biāo)準(zhǔn)，利用JBZ-300自動沖擊試驗機在－196℃對制備好的熔敷金屬標(biāo)準(zhǔn)樣進行沖擊試驗，將沖斷的試件清洗后在EVO型掃描電鏡(SEM)及其附帶能譜(EDS)下分析斷口形貌及析出物成分．利用維氏硬度計對焊接接頭的硬度進行測量．采用多元熱動力學(xué)相圖計算軟件JMatPro配合鎳基合金材料數(shù)據(jù)庫對相應(yīng)焊縫熔敷金屬進行偏析計算．考慮到焊接過程凝固速率較快，采用Scheil模型進行計算．

表1?9Ni鋼的化學(xué)成分

Tab.1?Chemical composition of 9Ni steel???%

表2?9Ni鋼的力學(xué)性能

Tab.2?Mechanical properties of 9Ni steel

表3?焊接工藝試驗參數(shù)

Tab.3?Weldingprocessparameters

表4?不同焊條熔敷金屬的化學(xué)成分

Tab.4?Chemicalcompositionof the metal deposited with different electrodes %

2?試驗結(jié)果與討論

2.1?金相及硬度分析

圖1(a)、(b)為HQN-6a焊條熔敷金屬的金相形貌，圖1(c)、(d)為HQN-6b焊條熔敷金屬的金相形貌，圖1(e)、(f)為OK92.55焊條熔敷金屬的金相形貌．可以發(fā)現(xiàn)，3種焊條的熔敷金屬的顯微組織都是奧氏體枝晶，枝晶間伴有第2相和析出物．分析圖1(a)、(c)和(e)所示的HQN-6a、HQN-6b和OK92.55焊條熔敷金屬的顯微組織三維金相圖，并使用IPP軟件測量各個類型焊條的平均枝晶寬度和枝晶間距．OK92.55熔敷金屬形成的樹枝晶寬度較小，為15.3μm，一次枝晶間距較小，為14.9μm．而圖1(a)所示的HQN-6a熔敷金屬形成的樹枝晶寬度較大，為28.5μm，一次枝晶間距也較大，為21.41μm. HQN-6b熔敷金屬形成的樹枝晶寬度以及枝晶間距介于兩者之間，如圖1(c)所示，樹枝晶寬度為22.5μm，一次枝晶間距為20.1μm．同時由三維金相圖的正視圖可以發(fā)現(xiàn)，3種焊條的熔敷金屬都產(chǎn)生了凝固裂紋，但是OK92.55焊條熔敷金屬的裂紋較少，且裂紋長度和寬度都較??；而HQN-6a焊條熔敷金屬的裂紋分布較密集，且尺寸更大．這是由于OK92.55焊條熔敷金屬中較多的NbC的析出，阻礙了裂紋的擴展[12]．

圖1?不同焊條熔敷金屬的顯微組織金相圖

由于試驗采用多層多道焊方式，取相鄰兩道焊縫部位進行觀察，如圖1(b)、(d)和(f)．前焊道與后焊道存在明顯的界面．在界面處，后焊道的枝晶間距較小，前焊道的枝晶間距較大．這是因為后焊道焊接作業(yè)時對前焊道有熱處理的作用，導(dǎo)致前焊道的枝晶熟化，具體表現(xiàn)為二次枝晶臂消失．HQN-6a熔敷金屬的前焊道和后焊道的樹枝晶寬度差異較大，OK92.55熔敷金屬前后焊道形成的樹枝晶寬度差異較小，得到了較好的過渡．

圖2為3種焊條焊接接頭的硬度分布．可以發(fā)現(xiàn)，3種焊條在母材區(qū)以及熱影響區(qū)的硬度分布都比較接近．母材區(qū)硬度約為230HV，熱影響區(qū)的硬度約為310HV．熱影響區(qū)的硬度明顯高于母材焊縫，這是因為多層多道焊的熱循環(huán)作用導(dǎo)致熱影響區(qū)形成大量的淬硬的馬氏體相[13-14]．焊縫區(qū)的硬度都有波動，HQN-6a熔敷金屬的硬度相比較小，HQN-6b較大．

圖2?焊接接頭的硬度分布

2.2?合金元素對枝晶細(xì)化的作用

枝晶形成的主要成因為凝固界面前沿液相由于偏析產(chǎn)生成分過冷．此時固液相界面若產(chǎn)生擾動，在成分過冷的作用下會放大，破壞原來的平面推進凝固模式，形成枝晶凝固模式．在這一過程中，溶質(zhì)偏析的程度與枝晶間距關(guān)系較大[15]．圖3所示為相應(yīng)焊縫部位熔敷金屬各合金元素的偏析曲線計算結(jié)果，其中橫坐標(biāo)由左至右表示凝固的進程．可以看出，F(xiàn)e、Cr元素表現(xiàn)為反偏析，而Nb、Mn表現(xiàn)為正偏析．此外，W、Mo元素的偏析現(xiàn)象不明顯．通過對比試驗所用3種焊條的成分發(fā)現(xiàn)，由于熔敷金屬的Nb含量差異顯著，該元素在凝固過程中在剩余液相中的富集程度為OK92.55＞HQN-6b＞HQN-6a．一方面，Nb元素富集會在凝固時枝晶前沿形成富溶質(zhì)邊界層，對其進一步生長起阻礙作用；另一方面，Nb會與碳元素形成化合物，起到細(xì)化晶粒的作用[15]．這即是產(chǎn)生對應(yīng)圖1枝晶間距的差異機理．

圖3?偏析曲線

2.3?力學(xué)性能

表5為3種焊條熔敷金屬的力學(xué)性能．HQN-6a、HQN-6b、和OK92.55這3種焊條形成的熔敷金屬的屈服強度較為接近，-196℃沖擊功也近似. OK92.55熔敷金屬的抗拉強度相比較大．但是在塑性指標(biāo)上，HQN-6a、HQN-6b有明顯的不足．OK92.55的斷后延伸率為43%，而HQN-6a的斷后延伸率只有14%，約為OK92.55的1/3．HQN-6b的斷后延伸率也只有OK92.55的1/2左右．OK92.55的斷面收縮率也較大，約為HQN-6a和HQN-6b的2倍. OK92.55焊條所形成的熔敷金屬具有優(yōu)良的塑性，這是因為其熔敷金屬的顯微組織具有較小的枝晶寬度和枝晶間距．枝晶細(xì)化促使熔敷金屬具有更加出色的力學(xué)性能．

表5?不同焊條熔敷金屬的力學(xué)性能

Tab.5?Mechanical properties of the metal deposited with different electrodes

2.4?斷口分析

圖4(a)、(b)、(c)分別是HQN-6a、HQN-6b和OK92.55焊條熔敷金屬的沖擊斷口纖維區(qū)處SEM形貌，3種焊條熔敷金屬的沖擊斷口形貌為韌窩和解理兩種斷裂方式相結(jié)合的形貌，說明它們既有塑性斷裂，還有脆性斷裂，而且圖4(a)、(b)、(c)中的韌窩占比在不斷增大．圖4(d)、(e)、(f)分別是HQN-6a、HQN-6b和OK92.55焊條熔敷金屬的拉伸斷口SEM形貌，可見3種焊條熔敷金屬的拉伸斷口形貌也為韌窩和解理兩種斷裂方式相結(jié)合的形貌，說明它們既有塑性斷裂，還有脆性斷裂．HQN-6a焊條更趨向于脆性斷裂，如圖4(d)所示，脆性斷裂的形貌所占比例較大，說明其拉伸塑性較差．對于OK92.55焊條，如圖4(f)所示，韌窩形貌占比較大，其塑性較好，拉伸性能好．與圖4(f)相比，圖4(e)斷口的韌窩較少，這也說明了HQN-6b焊條形成的熔敷金屬的拉伸性能較OK92.55焊條差．

圖4?不同焊條熔敷金屬的斷口SEM形貌

3?結(jié)?論

(1) 3種Ni基焊材形成的熔敷金屬的顯微組織都是奧氏體樹枝晶，枝晶間伴有第2相和析出物．在母材、熱影響區(qū)和熔敷金屬處，它們?nèi)叩挠捕榷枷嘟cHQN-6a和HQN-6b焊條相比，OK92.55焊條形成的奧氏體枝晶具有更小的枝晶寬度和更小的枝晶間距．

(2) OK92.55焊條形成熔敷金屬具有更優(yōu)良的塑性和韌性．這是因為OK92.55焊條熔敷金屬中有較多的NbC的析出，不僅可以細(xì)化樹枝間寬度，減小枝晶間距，還阻礙了裂紋的擴展．

(3) 3種試樣的沖擊斷口均觀察到韌窩形貌，它們都發(fā)生塑性斷裂，其中OK92.55焊條形成熔敷金屬的斷口有更深更小的韌窩．3種試樣的拉伸斷口為塑性和脆性相結(jié)合，其中OK92.55焊條韌窩形貌占比較大，其拉伸性能較好．

(4) 合金元素對于鎳基焊條熔敷金屬的力學(xué)性能有很重要的影響．國產(chǎn)焊條可以通過添加適量的Nb元素來提高其塑性和低溫韌性．

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Mechanical Properties of 9Ni Steel Joints for LNG Storage Tanks Welded with a Low Temperature Nickel-Based Electrode

Luo Zhen1, 2，Wu Yudong1, 2，Ma Chengyong3，Qi Yanchang3，Zhang Yu1, 4

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China；3. General Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China；4. Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

9Ni steel was welded with three electrodes to produce a LNG storage tank with different coating compositions. The Scheil model in a multiple thermodynamic phase diagram calculation software, JMatPro, and a nickel-based alloy material database were used to perform a segregation calculation of the cladding metal of corresponding welds. The microstructure of the deposited metal was analyzed by optical microscopy (OM) and the dendrite spacing was observed. In addition, the mechanical properties of the deposited metals were evaluated by hardness, tensile and low temperature impact tests. The results show that Nb is a positive segregation element, and the microstructure of the deposited metal of the three electrodes is composed of austenite dendrites and precipitates. The deposited metal of the OK92.55-type electrode has a smaller dendrite width and dendrite spacing due to the segregation of the Nb element and the formed carbide can inhibit the growth of dendrite, which promotes greater elongation of the deposited metal after fracture and shrinkage of the section due to the good plasticity. The hardness of the three welds is highest in the heat-affected zone due to the effect of the welding heat cycle. The tensile fracture morphology of the deposited metals of the three electrodes is a combination of dimple and fracture modes, indicating both plastic and brittle fracture characteristics. However, the proportion of dimples in the deposited metals of the three electrodes is higher, which proves that the tensile plasticity is good. The low-temperature impact fracture of the deposited metals of the three electrodes is a dimpled morphology, and the dimpled metal of the OK92.55 electrode is deeper and smaller, showing better low-temperature toughness.

LNG storage tank steel；nickel-based electrode；dendrite spacing；plasticity；toughness

the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFB0305005)，the China Postdoctoral Science Foundation(No.2018M641340).

TG401

A

0493-2137(2020)08-0771-06

10.11784/tdxbz201906026

2019-06-12；

2019-07-24.

羅?震（1967—??），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

羅?震，lz@tju.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB0305005)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2018M641340).

(責(zé)任編輯：田?軍)