李秋石 刁旺戰(zhàn) 王萍 徐祥久

摘要： ??采用熱絲TIG焊方法對Inconel740H鎳基合金與Haynes282鎳基合金異種材料進(jìn)行焊接，并對采用Inconel Filler Metal 740H鎳基合金焊絲和Haynes 282 Wire鎳基合金焊絲兩種不同焊接填充金屬分別經(jīng)過兩步時效強(qiáng)化熱處理（1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷）和一步時效強(qiáng)化熱處理（800 ℃/4 h/空冷）后的接頭拉伸性能、彎曲性能、硬度和微觀組織進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均大于1 035 MPa，彎曲試驗(yàn)均合格，焊接接頭的硬度均大于314 HV。焊接接頭金相組織檢驗(yàn)合格，焊縫組織均為奧氏體，焊縫內(nèi)的晶界處均存在細(xì)小的碳化物析出，未發(fā)現(xiàn)有害相的析出。

關(guān)鍵詞： ?先進(jìn)超超臨界鍋爐;Inconel740鎳基合金;Haynes282鎳基合金

中圖分類號： 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

為提高燃煤發(fā)電機(jī)組的供電效率，降低煤耗，減少污染物的排放，歐洲、美國、日本等國家先后啟動了700 ℃等級先進(jìn)超超臨界機(jī)組（A-USC）研究計(jì)劃 [1-2]。由于700 ℃A-USC機(jī)組需要采用大量新型奧氏體不銹鋼和鎳基合金 [3-4]，為保證這些新型材料的性能及制造加工工藝可以滿足可以滿足未來工程的要求，歐洲先后建設(shè)了700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺 [5-6]，而國內(nèi)的700 ℃試驗(yàn)平臺于2015年底成功建成，投入試驗(yàn)應(yīng)用 [7]。

在驗(yàn)證平臺的過熱器部件中采用了多種高溫鎳基合金，其中包括Inconel740H和Haynes282兩種鎳基合金。其中Haynes282鎳基合金是美國Haynes公司開發(fā)的一種時效強(qiáng)化型高溫鎳基合金，兼具良好的蠕變強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及可加工性、焊接性，是A-USC機(jī)組的重要候選材料之一 [8]。Inconel740H鎳基合金是新型鎳-鉻-鉬時效沉淀強(qiáng)化型鎳基合金，是在原有Inconel740的基礎(chǔ)上通過調(diào)整成分，消除了η相和G相的形成，具有優(yōu)良的高溫持久和蠕變強(qiáng)度、抗氧化和高溫蒸汽腐蝕性能，也是A-USC機(jī)組過熱器高溫段的重要候選材料之一 [9]。

700 ℃先進(jìn)超超臨界鍋爐試驗(yàn)平臺的受熱面部件需要將兩種材料進(jìn)行異種材料焊接，但目前針對Inconel740H鎳基合金與Haynes282鎳基合金焊接的焊接工藝、熱處理工藝、接頭力學(xué)性能和金相組織尚無試驗(yàn)研究。

為了確定700 ℃先進(jìn)超超臨界鍋爐試驗(yàn)平臺用Inconel740H鎳基合金+Haynes282鎳基合金焊接的焊接工藝、焊接材料選擇和焊后熱處理制度，為后續(xù)700 ℃等級超超臨界鍋爐的設(shè)計(jì)和制造提供數(shù)據(jù)積累和支撐，文中針對Inconel740H鎳基合金+Haynes282鎳基合金焊接接頭的力學(xué)性能和微觀組織進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的材料為Inconel740H鎳基合金和Haynes282鎳基合金，規(guī)格為44.5 mm×10 mm，其原始狀態(tài)為固溶熱處理狀態(tài)，其化學(xué)成分見表1。兩種材料的室溫力學(xué)性能見表2，其中Haynes282鎳基合金經(jīng)過兩步時效強(qiáng)化熱處理即首先加熱到1 010 ℃，保溫2 h，然后空冷到788 ℃，保溫8 h，最后空冷到室溫（1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷）熱處理后測量，Inconel740H鎳基合金經(jīng)過一步時效強(qiáng)化熱處理即加熱到800 ℃，保溫4 h，然后空冷到室溫（800 ℃/4 h/空 冷）熱處理后測量。從表2可以看出，兩種材料具有較 高的抗拉和屈服強(qiáng)度，Haynes282鎳基合金的抗拉和屈服強(qiáng)度高于Inconel740H鎳基合金，斷后伸長率比Inconel740H鎳基合金低。

1.2 焊接材料選擇

由于Haynes282鎳基合金焊后和使用狀態(tài)都要求進(jìn)行1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷的兩步時效強(qiáng)化熱處理，Inconel740H鎳基合金焊后和使用狀態(tài)都要求進(jìn)行800 ℃/4 h/空冷的一步時效強(qiáng)化熱處理，因此兩種材料的焊后熱處理制度的兼容是其焊接的最大 難題。針對Haynes282鎳基合金與Inconel740H鎳基 合金焊接，采用的焊接方法為鎢極氬弧焊。目前Haynes282 鎳基合金采用的匹配焊接材料為Haynes 282 Wire鎳基合金焊絲，Inconel 740H鎳基合金采用的匹配焊接材料為Inconel Filler Metal 740H鎳基合金焊絲，從成分匹配和強(qiáng)度匹配的原則，兩種材料之間的焊接可考慮分別選用此兩種焊絲。

1.3 焊接方法及工藝參數(shù)

焊接時采用的熱絲機(jī)械鎢極氬弧焊（H-GTAW）作為對比試驗(yàn)，可規(guī)避手工焊過程中操作人員的影響，同時采用的焊接工藝參數(shù)相同，焊接過程中控制采用較小的熱輸入，具體的焊接工藝參數(shù)見表3。坡口采用37.5°單面V形坡口。焊前需要對待焊表面采用砂輪及丙酮等方法去除氧化皮、油污等污物，焊接前不需要預(yù)熱，焊接過程中采用噴淋冷卻的方法控制層間溫度≤150 ℃。焊接過程中采用100%氬氣進(jìn)行焊槍和背面保護(hù)。 ?試驗(yàn)研究過程中按照焊后時效熱處理制度和采用焊接材料的不同，試驗(yàn)分成3組進(jìn)行，如表4所示，后續(xù)試驗(yàn)分析按照此表的順序。在每組試驗(yàn)前Haynes282鎳基合金焊前為時效狀態(tài)（1 010 ℃/2 h空冷+788 ℃/8 h/空冷），Inconel740H鎳基合金焊前為時效狀態(tài)（800 ℃/4 h/空冷）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭力學(xué)性能分析

焊接完成后對接頭按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%RT無損檢測，結(jié)果合格。常溫拉伸和彎曲試樣從無損檢測合格的試樣上取樣，按照ASME Ⅸ-2017《焊接、釬接和粘接評定》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，對比母材的強(qiáng)度數(shù)據(jù)值可知，拉伸試驗(yàn)的結(jié)果合格，均大于1 035 MPa。兩組試驗(yàn)中采用Inconel Filler Metal 740H鎳基合金焊絲進(jìn)行800 ℃/4 h/空冷焊后熱處理的接頭強(qiáng)度比采用Haynes 282 Wire鎳基合金焊絲的抗拉強(qiáng)度高85 MPa。3組接頭斷裂位置均為焊縫區(qū)，使熔敷金屬的力學(xué)性能低于母材這一結(jié)論得到證實(shí)。3組試驗(yàn)的彎曲試驗(yàn)均采用4個側(cè)彎試樣，彎曲試樣宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，檢查結(jié)果均合格。

采用維氏硬度儀對焊接接頭進(jìn)行硬度檢測，其試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，兩種時效強(qiáng)化 鎳基合金的母材和焊縫具有較高的硬度，都超過了314? ?HV，且焊縫硬度與熱影響區(qū)硬度相當(dāng)，未出現(xiàn)鋼焊接時熱影響區(qū)硬度高于母材的趨勢，這與成分中含有較多的Co，W等強(qiáng)化元素有關(guān)，其硬度偏高的原因?yàn)槌恋碛不?。?jīng)過1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷兩步時效熱處理后，焊縫和熱影響區(qū)的硬度比采用800 ℃/4 h/空冷一步時效熱處理低16 HV。

2.2 微觀組織分析

對經(jīng)打磨拋光后的試樣采用鹽酸+硝酸（體積比為3∶ 1）的化學(xué)試劑進(jìn)行腐蝕后，采用AXIOVERT 200MAT光學(xué)顯微鏡對3組試驗(yàn)的焊接接頭進(jìn)行微觀組織觀察和分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3所示，焊接接頭未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。兩側(cè)母材的基體均為γ相奧氏體組織，兩側(cè)母材的晶粒內(nèi)部和晶界均存在一 定的沉淀強(qiáng)化相，晶粒尺寸為3～4級。在兩側(cè)母材的 許多晶粒內(nèi)部可以發(fā)現(xiàn)貫穿整個晶粒的孿晶。熱影響 區(qū)的晶粒尺寸未見明顯長大，這與H-GTAW過程中控? 制熱輸入和采用噴淋冷卻控制層間溫度有關(guān)。焊縫金相組織為奧氏體，并呈現(xiàn)典型的柱狀晶形態(tài)。通過光學(xué)顯微鏡獲得的金相組織還可以看出，采用不同的時效強(qiáng)化熱處理和不同的填充金屬后，母材、熱影響區(qū)和焊縫的金相組織，還有析出相的數(shù)量和形態(tài)等未見明顯的差別。 ?對經(jīng)打磨拋光后試樣采用鹽酸+硝酸（體積比為3∶ 1） 的化學(xué)試劑進(jìn)行腐蝕后，采用型號為APOLLO300的掃描電鏡（SEM）對3組試驗(yàn)后的微觀組織進(jìn)行分析，并采用能譜定性分析其析出相的組成，如圖4所示。

試驗(yàn)表明經(jīng)過1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷兩步時效熱處理后和采用800 ℃/4 h/空冷一步時效熱處理后，兩側(cè)母材的晶界和晶內(nèi)均未產(chǎn)生如G相、η相等有害相，在Inconel740H鎳基合金母材側(cè)的晶內(nèi)存在大的圓形的富Ti和Nb的MC型碳化物，碳化物的尺寸較大，在5～10 μm之間，而在晶界也存在連續(xù)的細(xì) 小的富Ti和Nb的MC型碳化物。在Haynes282鎳基合金? 側(cè)母材的晶內(nèi)析出大的富Ti和Mo的MC型碳化物，這些碳化物在一定區(qū)域內(nèi)聚集，碳化物的尺寸在2～10 μm之間。 圖5為采用Inconel Filler Metal 740H和Haynes 282 Wire兩種鎳基合金焊絲的焊縫的SEM形貌。從圖5可以看出，在焊態(tài)下兩種焊接材料的晶界處均存在細(xì)小的碳化物析出，未存在有害相的析出。

3 結(jié)論

（1）分別采用Inconel Filler Metal 740H和Haynes 282 Wire兩種鎳基合金焊絲對Inconel740H鎳基合金與Haynes282鎳基合金異種材料進(jìn)行焊接。焊后分別進(jìn)行兩步時效強(qiáng)化熱處理（1 010 ℃/2 h/空冷+788 ℃/8 h/空冷）和一步時效強(qiáng)化熱處理（800 ℃/4 h/空冷），焊接接頭的抗拉強(qiáng)度大于1 035 MPa，彎曲試驗(yàn)合格，焊接接頭的硬度大于314 HV。

（2）Inconel740H鎳基合金與Haynes282鎳基合金異種材料焊接接頭的宏觀與微觀檢測均合格，焊縫組織為奧氏體，焊縫內(nèi)的晶界處均存在細(xì)小的碳化物析出，并未發(fā)現(xiàn)有害相的析出。? [HT5H]參考文獻(xiàn)

[1] ?紀(jì)世東，周榮燦，王生鵬，等.700 ℃等級先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀及國產(chǎn)化建議[J].熱力發(fā)電，2011， 40（7）：86-88.

[2] 毛健雄.700 ℃超超臨界機(jī)組高溫材料研發(fā)的最新進(jìn)展[J].電力建設(shè)，2013，34（8）：69-76.

[3] 彭建強(qiáng).700 ℃以上超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子用材研究[J].大型鑄鍛件，2013（6）：16-21.

[4] ?王天劍，范華，張邦強(qiáng)，等.700 ℃超超臨界汽輪機(jī)關(guān)鍵部件用鎳基高溫合金選材 [J].東方汽輪機(jī)，2012（2）：46-53.

[5] Metzger K，Stork R，Bareiss J，et al.Auslegung，errichtung und betrieb der hochtemperatur-werkstoff-teststrecke II （HWT II）? in grosskraftwerk mannheim[J]. VGB Power Tech，2015，95（8）：16-26.

[6] Boer Nicole De，Klenke K，Donth B，et al.Herstellung and verarbeitung der nickellegierungen für die hochtemperatur-werkstoff-teststrecke II（HWT II） ingross-kraftwerk mannheim GKM[J].VGB PowerTech，2015，95（8）：35-43.

[7] 鐘犁，肖平，江建忠，等.我國700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺方案設(shè)計(jì)及建設(shè)試運(yùn)相關(guān)問題研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（6）：1739-1740.

[8] Hubert Matysiak，Malgorzata Zagorska，et al.Microstructure of Haynes28 superalloy after vacuum induction melting and investment casting of thin-walled component[J]. Materials， 2013，6（11）：5016-5037.

[9] Zhao S， Xie X， Smith G D， et al. Research and Improvement on structure stability and corrosion resistance of nickel-base superalloy Inconel alloy 740 [J]. Materials and Design， 2006， 27（10）：1120-1127.

收稿日期： ?2019-09-06

李秋石簡介： ?1969年出生，碩士，高級工程師;主要從事電站鍋爐及壓力容器的焊接工藝研究工作;liqs@hbc.com.cn。