热等静压对Inconel 690合金堆焊层组织和性能的影响

2017-04-07 07:36车洪艳李雅范
大电机技术 2017年2期
关键词:固溶体堆焊静压

车洪艳,陈 峰,李雅范



热等静压对Inconel 690合金堆焊层组织和性能的影响

车洪艳1,陈 峰2,李雅范3

(1. 安泰科技股份有限公司,北京 100081;2. 兰州理工大学,兰州 730050;3. 哈尔滨电气动力装备有限公司,哈尔滨 150000)

利用TIG堆焊工艺在347不锈钢基体上堆焊Inconel 690合金,并取部分试件在压强150MPa,温度为1120℃的热等静压(HIP)条件下保温2h后随炉冷却。借助于金相显微镜、带能谱的扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、极化曲线分析了HIP前后Inconel 690合金堆焊层的组织、显微硬度及在3.5% NaCl溶液中的电化学行为。结果表明:HIP前堆焊层组织主要为树枝晶γ-Ni(Cr,Fe)固溶体组成,同时还有少量的富Nb相在枝晶间形成偏析;HIP后堆焊层内部的枝晶组织均转变为致密均匀的奥氏体晶粒,堆焊层内部组织为包含少量的Cr2Ni3相的γ-Ni(Cr,Fe)固溶体,晶界处分布有大量的Cr23C6相和少量富Nb相。堆焊层的显微硬度可达240~245HV,明显高于基体硬度(185~190HV),起到了显著的硬化效果;但经HIP后堆焊层及基体的显微硬度均有明显的下降。在3.5%的NaCl介质溶液中,HIP后的堆焊层阻抗模值变小,说明堆焊层经HIP处理后耐蚀性变差。

堆焊层;热等静压;微观组织;显微硬度;耐蚀性

0 前言

某核电重要部件是通过在347不锈钢圆盘表面的沟槽中堆焊Inconel 690合金制造而成,其目的是为了增强该核电站的关键部件在高温下的耐磨耐蚀性。在该部件的制造过程中,为了彻底消除堆焊层内部未熔合孔隙、焊接偏析等缺陷,中间有一道工序是焊后经热等静压处理。热等静压(Hot Isostatic Pressing, HIP)继承和发展了粉末冶金和冷等静压成形的优点,被广泛用于消除材料中的孔隙消除铸、锻件内部的缺陷及异种材料的粘结等[1-5]。

目前,大多数热等静压主要集中于对粉末冶金以及治愈铸件缺陷等方面的研究[6-8]。焊件在热等静压工艺后,必然对焊缝金属组织和性能产生的一定影响,而这方面的报道相对较少。本文以Inconel 690合金在347不锈钢表面的堆焊层为研究对象,通过各种微观表征手段来分析热等静压工艺对堆焊层组织和性能的影响,此研究将对核电部件寿命的预估提供可靠的理论依据。

1 试验材料及方法

采用TIG堆焊工艺,并选用直径为1mm的Inconel 690合金焊丝对板厚为30mm的347不锈钢表面堆焊5~6mm厚的Inconel 690合金,焊接装置如图1所示。

堆焊前对347不锈钢表面的氧化膜、油污、水分等进行清理。焊接工艺参数为,焊接电流:160~170A,焊接电压:14~16V,送丝速度:1m/min,焊接速度15cm/min,氩气流量:15L/min。焊前无预热,每焊一道后清理堆焊层表面,焊后空冷,焊接时层间温度控制在170℃以下。母材和使用焊丝成分见表1。

图1 焊接示意图(单位:mm)

堆焊完毕后,垂直堆焊层横截面截取两块50×50×35mm3的试件,其中一块经热等静压处理。热等静压工艺参数为:氩气压力为150MPa,温度为1120℃,保温2h后随炉冷却。将两块试样从堆焊层顶部开始分别切取10×10×10mm3的两组试样;再将上述堆焊态试样和热等静压态试样经研磨、抛光、侵蚀后,分别采用OLYMPUS GX51型金相显微镜、带能谱仪的JSF-6700F型扫描电镜(SEM)及Y-500型X射线衍射仪分析热等静压前后堆焊层的组织形貌、化学成分以及具体的物相变化。堆焊层横截面从基体至堆焊层的显微硬度采用MH-6显微硬度计来测量,载荷为0.5kg。

表1 母材和焊丝化学成分(质量分数,%)

从堆焊态和热等静压态试件的堆焊层中分别切取10×10×3mm3的试样,试样背面经锡焊引出铜导线,用环氧树脂密封后留出1cm2的工作面积,工作面打磨至2000#并抛光。电化学试验采用标准的三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为Pt电极。实验设备采用CHI660E电化学工作站,电化学阻抗(EIS)的扰动电位为5mV,测试频率范围为100kHz~10mHz,测试结果采用ZSimpWin软件进行拟合,本试验采用3.5%的NaCl 溶液作为介质溶液,在室温下进行测量。

2 试验结果与分析

2.1 堆焊层组织分析

2.1.1 HIP前后堆焊层组织分析

在347不锈钢基体上采用上述优化后的工艺参数堆焊Inconel 690合金后,表面成形良好,未发现任何焊接缺陷;堆焊层表面经渗透检测未发现裂纹。热等静压前基体及堆焊层金相组织如图2所示,图2a为347不锈钢基体的微观组织,可以看出不锈钢由细小而均匀的奥氏体晶粒组成,呈现出典型的奥氏体不锈钢的组织形貌;图2b为堆焊层与基体结合区微观组织,可以看出在基体与堆焊层结合区有一沿基体表面垂直生长的平面结晶带,靠近平面结晶带为沿散热相反方向生长的典型柱状树枝晶组织;图2c为堆焊层内部焊缝层与层之间界面附近的组织形貌,可以看出堆焊层内部仍主要为柱状树枝晶组织,但由于焊接上层焊缝的过程中对下层焊缝造成了局部的稀释,并且起到了一定的回火作用,故下层焊缝树枝晶的取向并非完全一致。

图2 HIP前基体及堆焊层金相(OM)组织

热等静压后基体及堆焊层的金相组织如图3所示,可见经HIP处理后不锈钢基体中晶粒迅速长大,晶粒度由原来的六级转变为二级;堆焊层内部的枝晶组织和焊缝层与层之间界面消失,均转变为致密的奥氏体晶粒,堆焊层内部晶粒大小较为均匀且晶粒取向较为一致。

图3 HIP后基体及堆焊层金相(OM)组织

HIP前后堆焊层XRD衍射分析结果如图4所示,可以发现HIP前后堆焊层试样衍射角2θ基本不变,说明堆焊层经过HIP后主要的相组成没有发生变化,均为γ-Ni(Cr,Fe)固溶体。但是HIP后XRD衍射图谱中在晶向指数[220]处的衍射峰值明显强于HIP前XRD衍射图中在该晶向处的衍射峰值,说明HIP后堆焊层内部的晶粒取向发生变化,具有了一定程度的择优取向。

图4 HIP前后堆焊层X射线衍射图谱

由于Inconel 690合金中除Ni、Cr、Fe外,其他元素的含量较低,故可能在晶间及晶内形成数量很小的其它相,只是在XRD图谱中不能反映出来。如图5和图6所示HIP前后堆焊层SEM微观组织形貌,为了进一步分析堆焊层中的相组成,对HIP前后堆焊层中的局部区域进行点能谱分析,分析结果分别见表2和表3。

图5 HIP前堆焊层SEM微观组织

表2 HIP前堆焊层相应位置EDS分析结果(原子分数,%)

由HIP前Inconel 690合金堆焊层XRD衍射图以及堆焊层局部点能谱分析结果可知,堆焊层树枝晶主要由γ-Ni(Cr,Fe)固溶体组成,同时还含有少量富Nb相在枝晶间形成偏析。

图6 HIP后堆焊层SEM微观组织

表3 HIP后堆焊层相应位置EDS分析结果(原子分数,%)

由经HIP处理后堆焊层XRD衍射图以及堆焊层内部点能谱分析可知,堆焊层经HIP处理后主要由γ-Ni(Cr,Fe)固溶体组成,晶界处由大量的Cr23C6相和少量富Nb相组成,同时晶粒内部分布有许多白色颗粒状的富Nb相以及暗灰色颗粒状的Cr2Ni3相,这是因为堆焊层在HIP后的炉冷过程中晶界处会有碳化物和杂质相析出,同时,堆焊层经HIP处理后γ-Ni(Cr,Fe)固溶体中有Cr2Ni3相析出。

2.2 HIP前后堆焊层性能分析

2.2.1 HIP前后堆焊层的硬度分析

HIP前后不锈钢基体至Inconel 690合金堆焊层显微硬度曲线如图7所示,可以看出堆焊层的硬度均明显高于基体的硬度;且经HIP后基体及堆焊层的硬度均有明显的下降。HIP前不锈钢基体的显微硬度约为185~190HV,堆焊层的硬度约为240~245HV;HIP后基体的显微硬度约为145~150HV,堆焊层的硬度约为185~190HV。这是由于不锈钢基体经HIP后,晶粒均显著变大,晶界就会相应地减少,对位错的阻碍作用也会减弱,从而其硬度就会降低。堆焊层经HIP后内部晶粒由于取向发生变化而具有了一定程度的择优取向,位错由此发生了运动,缠结的位错重新组合,导致位错密度下降[9];与此同时,堆焊层内部的焊接残余应力也得到了释放,两方面的原因综合致使堆焊层硬度降低。固溶强化是镍基合金非常重要的一种强化方式[10],在高温高压下,堆焊层内部γ-Ni(Cr,Fe)固溶体中有合金元素析出形成新的相,致使其固溶强化作用减弱,其硬度也会降低。此外,堆焊层试样在HIP处理的过程中,整体均匀地受到高温高压的作用,很大程度地消除了熔合区和堆焊层内部的成分和组织偏析,促使从基体至堆焊层的硬度梯度的过渡区变窄,基体和堆焊层中的硬度均匀分布。

图7 HIP前后堆焊层硬度分布

2.2.2 HIP前后堆焊层耐蚀性分析

图8示出HIP前后Inconel 690合金堆焊层在3.5%的NaCl溶液中的电化学阻抗谱。容抗弧的大小与材料的耐腐蚀性有关,容抗弧半径越大,材料的耐蚀性越好。由图8可知,HIP前后堆焊层在3.5%的NaCl溶液中的阻抗均表现为一个单一的容抗弧,HIP前试样的容抗弧半径大于HIP后试样的容抗弧,表明HIP前的试样在3.5%的NaCl溶液中生成的钝化膜具有更好的保护性,钝化膜中发生的过程是离子转移过程,堆焊层试样的腐蚀过程为Cl-在钝化膜中的传输过程[11-12]。采用如图9示出的等效模拟电路对Nyquist曲线进行拟合[13-15],表4为拟合后的结果。溶液电阻为,电荷转移电阻为。生成钝化膜的粗糙度等引起的弥散效应必须要考虑到,因此纯电容原件C在等效电路中常用Q来代替,弥散效应的程度用表示(0<<1),值越大越接近于纯电容。

图8 HIP前后堆焊层在3.5% NaCl溶液中的Nyquist曲线

图9 等效模拟电路

表4 等效电路模拟结果

HIP前后两种试样的Nyquist曲线对应的模拟电路的各元件参数值见表4。R值越小,表明钝化膜的电荷转移电阻越小,耐蚀性越差;可以看出经HIP后试样的耐蚀性变差。主要是由于经HIP后,堆焊层内部晶界处有大量Cr23C6相析出,在晶界处形成了贫Cr区,从而导致堆焊层的耐蚀性变差。

3 结论

(1)应用TIG堆焊结合优化的工艺参数可以实现Inconel 690合金在347不锈钢表面的有效堆焊,且堆焊层不存在明显缺陷。

(2)HIP前堆焊层组织主要为固溶大量Cr元素的树枝晶γ-Ni(Cr,Fe)固溶体组成,同时还有少量的富Nb相在枝晶间形成偏析;HIP后堆焊层内部取向杂乱的枝晶组织均转变为致密均匀的奥氏体晶粒,堆焊层内部组织为包含少量的Cr2Ni3相的γ-Ni(Cr,Fe)固溶体,晶界处分布有大量的Cr23C6相和少量富Nb相。

(3)堆焊层经HIP处理后内部晶粒因取向发生变化而具有一定程度的择优取向,致使位错密度下降以及晶粒内部固溶的合金元素的析出,故堆焊层的硬度明显下降。

(4)HIP后堆焊层内部晶界处有大量Cr23C6相析出,在晶界处形成了贫Cr区,导致堆焊层的耐蚀性变差。

[1] 蒋帅, 李怀学, 石志强, 王玉岱, 黄柏颖, 周永强.热等静压对激光直接沉积Ti60合金组织与拉伸性能的影响[J]. 红外与激光工程, 2015,01:107-111.

[2] StephenJMashl. 大型粉末冶金/热等静压(PMHIP)产品:一个增长有望的产业[J]. 粉末冶金技术, 2015,01: 64-71.

[3] 杨福宝, 景艳红, 李丹, 章林, 李大全, 朱强. 热等静压及后续热处理对MIM418涡轮合金组织与性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2015,S1:128-133.

[4] 黄俊, 薛鹏举, 魏青松, 史玉升. Ti6Al4V合金整体零件的两步热等静压近净成形工艺探究[J]. 中国机械工程, 2015,18:2539-2544.

[5] 史振学, 刘世忠, 熊继春. 热等静压对单晶高温合金组织和持久性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2015,09:2300-2304.

[6] 张义文. 热等静压技术新进展[J]. 粉末冶金工业, 2009, 19(4): 32-40

[7] Bcanegra-Bernal M H. Hot isostatic pressing (HIP) technology and its applications to metal and ceramics[J]. Journal of Materials Science, 2004, 39(21): 6399-6420.

[8] 王慧芳, 俞淑延, 金属材料热等静压扩散连接[J]. 粉末冶金技术, 1990, 8(1): 12-18.

[9] 史坤, 谢华生, 赵军等. 热等静压处理对超低温Ti-5Al-2.5SnELI合金铸造组织与性能的影响. 铸造, 2009, 58(7): 659-661.

[10] John N, John C, Samuel D. WELDING METALLURGY AND WEIDABILITY OF NIKEL-BASE ALLOYS. WILEY PUBLICATION, 2009, 49-50

[11] Li C, Du C W, Li Z Y, et al. Charateristic of electrochemical impendance spectroscopy for X100 pipeline steel in water-saturated acidic soil[J]. J. Chin. Soc. Corrs. Prot., 2011, 31(5): 377-380.

[12] Qiao Y X, Zheng Y G, Ke W, et al. Electrochmical behavior of high nitrogen stainless steel in acidic solutions[J]. Corros. Sci., 2009, 51: 979-986.

[13] Sanchez M, Gregori J, Alonso C, et al. Electrochemical impedance spectroscopy for studying passive layers on steel rebars immersed in alkaline solutions simulating concrete pores. Electrochim Acta, 2007, 52(27): 7634.

[14] Abreu C M, Cristobal M J, Losada R, et al. Comparative study of passive films of different stainless steels developed on alkaline medium. Electrochim Acta, 2004, 49(17/18): 3049.

[15] EI-Egamy S S, Badaway W A. Passivity and passivity breakdown of 304 stainless steel in alkaline sodium sulphate solutions. J Appl Electrochem, 2004, 34(11): 1153.

Influence of Hot Isostatic Pressing on Structure and Properties of Inconel 690 Alloy Surfacing Layer

CHE Hongyan1, CHEN Feng2, LI Yafan3

(1. Advanced Technology & Materials Co., Ltd., Beijing, 100081, China;2. Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China;3. Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150000, China)

Inconel 690 alloy was deposited on the surface of 347 stainless steel by using TIG surfacing technology, and a part of specimen was taken to be treated by Hot Isostatic Pressing (HIP) treatment under the pressure of 150 MPa at 1120℃ for 2 hours with furnace cooling. The microstructures, microhardness and electrochemical behaviors of Inconel 690 alloy surfacing layer before and after HIP process were investigated by optical microscope(OM), scanning electron microscopy(SEM) with energy dispersive spectroscopy (EDS), X-Ray diffractometer(XRD), microhardness tester and electrochemical impendence spectroscopy(EIS), respectively. The results showed that the metallographic structures of the surfacing layer are dendrites which is mainly consisted of Cr element rich γ-Ni,Fe solid solution, a small amount of Nb-rich phase segregated in dendrites before HIP. After HIP, the dendritics are transformed into dense and uniform austenitic grains, and the γ-Ni,Fe(Cr) solid solution with some precipitated Cr2Ni3phase; Also, a large number of Cr23C6phase and a small amount of Nb-rich phase can be found at the grain boundary. The microhardness of the surfacing layer varied from 240 HV to 245 HV, greater than that of the substrate(185~190 HV), but both the microhardness of them have a significant decline after HIP. The impendence value of the surfacing layer after HIP is smaller than that before HIP in 3.5% NaCl solution, which demonstrated the corrosion resistance of the surfacing layer became worse by HIP treatment.

surfacing layer; hot isostatic pressing; microstructure; microhardness; corrosion resistance

TM304

A

1000-3983(2017)02-0007-05

2016-10-21

车洪艳(1977-),2008年毕业于兰州理工大学,现从事热等静压方面的研究,博士,高级工程师。

审稿人:李景

猜你喜欢
固溶体堆焊静压
静压法沉桩对周边环境影响及质量控制
无机非金属材料中固溶体的应用研究
Bi2WxMo1-xO6固溶体制备及光催化降解有机废水
镍基合金复合管道开孔堆焊施工工艺
静压托换桩在某湿陷性黄土场地地基加固中的应用
42CrMo托辊裂纹的堆焊修复
无机非金属材料中固溶体的实施
超精密液体静压转台装配技术
一种基于空气静压支承的自调心装置
西部耐磨堆焊服务引领者