摘要： 研究通過采用光學(xué)顯微鏡探究了EQNiCr-3帶極堆焊材料中的微觀組織特征，觀察了EQNiCr-3合金堆焊層組織形貌及其晶粒尺寸，并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了不同熱輸入下堆焊金屬的組織性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，所研究的堆焊層中，γ-Ni基固溶體為主要的組成相，且在其內(nèi)部分布有大量的彌散強(qiáng)化相，這些微觀組織的協(xié)同作用顯著提高了材料的硬度和抗拉強(qiáng)度。利用顯微硬度測(cè)試和拉伸試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了熱處理狀態(tài)下EQNiCr-3帶極堆焊材料的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次焊接熱循環(huán)后，材料硬度和抗拉強(qiáng)度較原始狀態(tài)下分別提升了約10%，而斷后伸長(zhǎng)率略有下降。

關(guān)鍵詞： EQNiCr-3堆焊材料；微觀組織；力學(xué)性能；顯微硬度；拉伸試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TG 456.7

Microstructure and mechanical properties of EQNiCr-3 strip surfacing material

Wang Guowei Cao Yukun Guo Xiao Song Jianting Bao Songjie Han Ying

（1. Shanghai Engineering Science & Technology Co.， Ltd Cgnpc， Shanghai 200000，China ；

2.Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， China；

3. Chinese Mechanical Engineering Society，Beijing 100036，China）

Abstract： This study investigated the microstructure characteristics of EQNiCr-3 strip welding material using an optical microscope， revealing the intrinsic relationship between its microstructure and mechanical properties. The experimental results indicate that the γ -Ni based solid solution is the main constituent phase in the studied weld overlay， and there are a large number of dispersed strengthening phases distributed inside it. The synergistic effect of these microstructures significantly improves the hardness and tensile strength of the material. The mechanical properties of EQNiCr-3 strip electrode overlay material under heat treatment were systematically evaluated using microhardness testing and tensile testing. Research has found that after multiple welding thermal cycles， the hardness and tensile strength of the material have increased by about 10% compared to their original state， while the toughness has slightly decreased.

Key words： EQNiCr-3 cladding material; microstructure; mechanical properties; microhardness; tensile test

0前言

EQNiCr-3合金作為一種新型鎳基高溫合金，其化學(xué)成分經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有良好的可焊性在航空航天、核能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］。文中采用帶極堆焊工藝對(duì)EQNiCr-3合金進(jìn)行堆焊，系統(tǒng)研究了不同工藝參數(shù)對(duì)堆焊層微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

目前，針對(duì)EQNiCr-3合金的氬弧焊（GTAW）、等離子弧焊（PAW）和激光熔覆方法較多［4］，針對(duì)帶極堆焊方面的研究和應(yīng)用較少。EQNiCr-3合金在帶極堆焊過程中容易產(chǎn)生熱裂紋、夾雜等缺陷，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量［5］。因此，優(yōu)化EQNiCr-3合金的焊接工藝參數(shù)對(duì)于提高焊縫質(zhì)量具有重要意義。焊接電流決定熔池的熱輸入量，過高或過低都會(huì)導(dǎo)致焊縫內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生;焊接速度影響焊縫的幾何形狀和稀釋率，速度過快會(huì)引起咬邊、夾渣等缺陷，而速度過慢則會(huì)導(dǎo)致焊縫過度稀釋［6］。優(yōu)化焊接工藝參數(shù)需要在保證焊縫質(zhì)量的前提下，使焊接效率最大化。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用正交試驗(yàn)、均勻試驗(yàn)等方法對(duì)EQNiCr-3合金的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。劉擁軍等人［7］采用四因素三水平正交試驗(yàn)，研究了堆焊層硬度和最佳焊接工藝參數(shù)的關(guān)系。趙菲等人［2］基于均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)和回歸分析，優(yōu)化了堆焊層的工藝參數(shù)組合。然而，上述研究主要集中在焊縫宏觀性能的優(yōu)化，對(duì)焊縫顯微組織特性的分析較少。

焊接熱循環(huán)會(huì)引起EQNiCr-3合金焊縫組織的顯著變化，進(jìn)而影響焊縫力學(xué)性能。研究表明，隨著焊接熱輸入量的增加，EQNiCr-3合金焊縫凝固形態(tài)由平面晶向胞狀晶或柱狀晶轉(zhuǎn)變［8］，而過高的熱輸入量會(huì)導(dǎo)致柱狀晶粗大化，使焊縫塑性和韌性降低。此外，焊接熱循環(huán)還會(huì)引起堆焊層中析出相的演變［9］。因此，分析EQNiCr-3合金焊縫顯微組織特性與焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝、提高焊縫綜合性能具有重要意義。

文中采用光學(xué)顯微鏡觀察堆焊層的微觀形貌，通過拉伸試驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試評(píng)價(jià)堆焊層的力學(xué)性能。結(jié)果表明，采用優(yōu)化工藝獲得的EQNiCr-3合金堆焊層具有細(xì)晶均勻的組織特征和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，有望通過堆焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)該合金在復(fù)雜構(gòu)件上的應(yīng)用。

1試驗(yàn)材料與方法

帶極堆焊材料選用研制的EQNiCr-3焊帶和WSJ613HR焊劑，焊帶規(guī)格0.5 mm×60 mm，焊劑規(guī)格為10～60目，母材選用300 mm×300 mm×40 mm的20MnMoNi55鋼板，過渡層選用EQ309L焊帶，電源采用平特性電源林肯DC-1500，控制系統(tǒng)采用林肯NA-3N。焊接方法采用帶極埋弧堆焊，堆焊前需提前進(jìn)行試板預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100～150 ℃，共堆焊5層，每層3道。焊接參數(shù)見表1所示。

焊接的試樣進(jìn)行的焊后熱處理（PWHT）周期如圖1所示。加熱和冷卻的最大速度為30 ℃/h。所有的力學(xué)性能測(cè)試都在該P(yáng)WHT之后進(jìn)行。

2試驗(yàn)方法與步驟

2.1化學(xué)成分要求

EQNiCr-3合金含有約50%的Ni，20%的Cr，以及少量的Nb、Mo等合金化元素。EQNiCr-3合金中高含量的Cr賦予了該材料優(yōu)異的抗氧化性能和耐熱性能［10-12］。除Cr外，EQNiCr-3合金中還含有一定量的Nb、Mo等合金化元素。研究表明，Nb、Mo元素的添加可以促進(jìn)合金中γ′相和碳化物的形成，從而進(jìn)一步提高合金的高溫力學(xué)性能［13］。Mo作為固溶強(qiáng)化元素固溶于基體，提高基體的高溫強(qiáng)度［14］。結(jié)合ASME secⅡ-part C， SFA 5.14 EQNiCr3要求，熔敷金屬主要成分及其要求見表2。

2.2微觀組織分析方法

為了分析EQNiCr-3合金堆焊層的微觀組織特征，采用Zeiss Axio Observer金相顯微鏡對(duì)堆焊層的橫截面和縱截面進(jìn)行金相和微觀形貌觀察。在金相觀察前，對(duì)截面試樣依次進(jìn)行800號(hào)、1000號(hào)、1500號(hào)水砂紙打磨，然后用1.5 μm和0.5 μm的金剛石懸浮液拋光至鏡面。采用5 g FeCl3+10 mL HCl+100 mL H2O溶液作為腐蝕劑，在室溫下腐蝕20～30 s，經(jīng)清洗、吹干后在金相顯微鏡下觀察堆焊層的微觀組織形貌。

2.3力學(xué)性能測(cè)試流程

采用顯微硬度計(jì)對(duì)堆焊層不同區(qū)域的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，載荷為1 kg，試驗(yàn)范圍包括過渡層、堆焊層熔合線、母材的熱影響區(qū)和典型的熔敷金屬。界面區(qū)域（斜線）約有15個(gè)間隔為0.5 mm的壓痕，基材和覆蓋段約有間隔為 1 mm的壓痕，如圖2所示。

力學(xué)性能測(cè)試采用WDW-100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)EQNiCr-3合金堆焊層進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，取樣位置為堆焊純?nèi)鄯蠼饘伲ú话覆模?。拉伸試樣按照《GB/T 228.1-2010金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)加工，標(biāo)距段直徑為5 mm，總長(zhǎng)度為55 mm。在試樣表面粘貼應(yīng)變片，利用靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量拉伸過程中的應(yīng)變。拉伸試驗(yàn)在室溫下以1 mm/min的拉伸速率進(jìn)行，每種堆焊參數(shù)下測(cè)試3個(gè)有效試樣，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能參數(shù)。

彎曲試驗(yàn)按D=4a，α=180°進(jìn)行，對(duì)焊道分別取4個(gè)橫向側(cè)彎試樣，試樣尺寸為200 mm×30 mm×10 mm，對(duì)每個(gè)試樣分別進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，使最大彎曲區(qū)域分別與母材第一層和第二層的對(duì)焊層重疊處重合，兩個(gè)30 mm ×30 mm橫截面和300 mm長(zhǎng)的橫向面彎曲試樣應(yīng)圍繞直徑為120 mm的芯軸彎曲180°，使熔敷金屬處于伸張狀態(tài)。由于預(yù)先存在的可接受缺陷（如熔渣、氣孔）造成的開口應(yīng)仔細(xì)檢查和分析。試樣彎曲前存在的缺陷引起的開口，只要這些缺陷不超過1.6 mm，就可以接受。取樣示意圖如圖3所示。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1微觀組織觀察結(jié)果

EQNiCr-3合金不同堆焊層次的微觀組織金相照片如圖4所示，可以看出EQNiCr-3合金Zzp3tlP6HLsiE+uxMGixtA==的微觀組織主要由枝晶狀的奧氏體基體和網(wǎng)狀分布于奧氏體晶界處的碳化物構(gòu)成。從堆焊第一層到第五層，合金的微觀組織形貌變化明顯。第一層焊縫金屬中奧氏體枝晶尺寸較小，平均為30.5 μm，碳化物分布較為均勻，體積分?jǐn)?shù)約為5.2%。隨著堆焊層數(shù)的增加，奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大，到第五層時(shí)平均晶粒尺寸增至72.3 μm，碳化物分布也趨于不均勻，網(wǎng)狀碳化物逐漸聚集，體積分?jǐn)?shù)增加至8.7%左右。這種組織形貌的變化主要是由于堆焊過程中的熱循環(huán)效應(yīng)導(dǎo)致的［15］。隨著堆焊層數(shù)增加，后續(xù)焊道的熱輸入會(huì)使前面的焊道金屬經(jīng)歷多次熱循環(huán)，引起奧氏體晶粒長(zhǎng)大和碳化物的析出聚集。

綜合微觀組織分析結(jié)果可知，多層堆焊引起的熱循環(huán)效應(yīng)顯著影響EQNiCr-3合金焊縫金屬的微觀組織形貌，導(dǎo)致了奧氏體基體的晶粒粗化和碳化物的聚集長(zhǎng)大。這種組織演變規(guī)律與前人對(duì)其它型號(hào)的鎳基合金堆焊的研究結(jié)果相似［10］，表明熱循環(huán)效應(yīng)是影響鎳基合金堆焊組織的普遍規(guī)律。

3.2力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3.2.1拉伸性能試驗(yàn)

表3為EQNiCr-3合金堆焊層在不同熱輸入條件下的拉伸性能結(jié)果。由表3可見，熱輸入從65 kJ/cm增加至170 kJ/cm時(shí)，室溫拉伸性能均能很好的滿足核電相關(guān)技術(shù)要求，而且穩(wěn)定性較好。隨著熱輸入的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，焊接熱輸入對(duì)斷面收縮率的影響較小。推測(cè)這主要是由于多次焊接熱循環(huán)促進(jìn)了堆焊層內(nèi)部γ′相的析出，提高了基體的強(qiáng)化效果［17］。但當(dāng)焊接熱輸入進(jìn)一步升高至300 kJ/cm時(shí)，堆焊層的力學(xué)性能出現(xiàn)明顯下降，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降至310 MPa和450 MPa，這可能是由于過高的熱循環(huán)溫度導(dǎo)致γ′相發(fā)生粗化，削弱了其對(duì)基體的強(qiáng)化作用。

3.2.2硬度試驗(yàn)

對(duì)EQNiCr-3合金堆焊層在不同熱處理?xiàng)l件下進(jìn)行顯微硬度測(cè)試顯微硬度測(cè)試的結(jié)果如表4所示。其硬度點(diǎn)位對(duì)應(yīng)圖片如圖5所示。

低熱輸入的堆焊層平均硬度為186.4 HV1，經(jīng)過熱處理后硬度均有不同程度的提高。其中，中等熱輸入使硬度提高至最大值221.7 HV1，較低熱輸入提高了12.3%，推測(cè)主要得益于γ′相的彌散強(qiáng)化效應(yīng)。但極高熱輸入時(shí)，硬度出現(xiàn)回落，降至205.5 HV1，推測(cè)這可能是由于高溫過燒導(dǎo)致γ′相溶解所致［18］。綜合拉伸和硬度測(cè)試結(jié)果可以得出， 150 kJ/cm左右是EQNiCr-3合金堆焊層性能優(yōu)化的最佳熱輸入。在該熱輸入下，堆焊層的強(qiáng)度、韌性和硬度均得到顯著提升，力學(xué)性能達(dá)到最佳綜合水平。

3.3.3彎曲試驗(yàn)

彎曲試樣經(jīng)試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)因焊接而產(chǎn)生的開口或裂縫。根據(jù)技術(shù)要求整理后，側(cè)彎背彎結(jié)果均合格，結(jié)果表明堆焊層具有良好的彎曲性能。試樣冷彎后的宏觀無裂縫或開口。

4結(jié)論

（1）在優(yōu)化工藝參數(shù)條件下，EQNiCr-3合金堆焊層呈現(xiàn)出細(xì)小均勻的樹枝晶組織，晶粒尺寸約為30～50 μm。沿堆焊層厚度方向未發(fā)現(xiàn)明顯的成分偏析現(xiàn)象。多層堆焊引起的熱循環(huán)效應(yīng)顯著影響EQNiCr-3合金焊縫金屬的微觀組織形貌，導(dǎo)致了奧氏體基體的晶粒粗化和碳化物的聚集長(zhǎng)大，熱循環(huán)效應(yīng)是影響EQNiCr-3鎳基合金堆焊組織的普遍規(guī)律。

（2）EQNiCr-3帶極堆焊材料熱輸入適應(yīng)性較好，在焊接熱輸入65～170 kJ/cm范圍內(nèi)，熔敷金屬拉伸、硬度、彎曲性能穩(wěn)定，堆焊層與基體間結(jié)合緊密，未觀察到裂紋等缺陷。室溫拉伸強(qiáng)度570 MPa，斷后伸長(zhǎng)率50%。顯微硬度測(cè)試結(jié)果顯示，堆焊層橫截面平均硬度值為200 HV1，硬度分布較為均勻，最大硬度值與最小值相差不超過30 HV1，滿足核電相關(guān)技術(shù)要求。過高熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致堆焊金屬力學(xué)性能下降。

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收稿日期： 2024-02-27

王國(guó)偉簡(jiǎn)介： 工程師。主要從事核電領(lǐng)域焊接工藝及設(shè)備相關(guān)的科研工作。

曹宇堃簡(jiǎn)介：通信作者，碩士，工程師。主要從事鎳基焊接材料開發(fā)的科研工作。