Alloy20 合金锻件焊接裂纹分析

刘玉祥， 张小丽

（森松（江苏）重工有限公司上海分公司， 上海 201323）

1 概 述

Alloy20 合金锻件化学成分及力学性能满足ASME 标 准II 卷B 篇SB-462 N08020 的 要 求，属于Ni-Cr-Mo-Cu 系镍基合金， 稳定化退火的热处理供货状态。 Alloy20 合金的化学成分中含有3%～4%的铜元素， 因此对浓硫酸工况具有良好的耐蚀性， Alloy20 合金对氧化性和中等还原性腐蚀也有很好的抵抗能力， 具有优异的抗应力腐蚀开裂能力和良好的耐局部腐蚀能力[1-4]。 Alloy20 合金在炼油厂烷基化装置工艺管线、 电站烟气洗涤塔入口烟道等承压设备上得到了应用[5-7]。森松 （江苏） 重工有限公司设计制造的76%浓度硫酸缓冲罐设计选材使用了Alloy20 合金， 制造过程中， 某一DN50 mm 的Alloy20 合金LWN型锻件接管与筒体采用GTAW 方法焊接， 焊材选用与 Alloy20 合金化学成分相匹配的ER320LR/Φ2.4 mm 规格的焊丝， PT （penetrant testing） 检测后发现靠近锻件热影响区存在大量的焊接裂纹， 如图1 所示。 Alloy20 合金其基体组织为单相奥氏体组织， 不具有冷裂纹倾向， 但具有一定的热裂纹倾向， 焊接热输入过大或道间温度过高， 会导致焊接热裂纹的产生， 因此对施焊记录进行调查， 施焊记录焊接参数及施焊道间温度符合焊接工艺规程的要求。 在制定焊接返修工艺时， 进一步降低焊接热输入和道间温度， 并由焊接工程师现场监督焊接， 返修两次后， 依然无法将裂纹彻底修复， 故将该接管法兰锻件报废处理， 并对存在焊接裂纹的接管法兰进行了化学成分、 力学性能、 微观金相、 晶粒度等试验检测分析， 同时对锻件的锻造工艺进行了调查。

图1 锻件焊件热影响区裂纹

2 材料性能分析

2.1 化学成分

对报废的接管法兰进行化学成分检测， 取样的位置位于裂纹附件， 试样经过抛光后， 采用SPECTRO MAX 直读光谱仪进行化学成分检测，检测结果见表1。 实际检测的化学成分中， 除了ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 标准要求的元素以外， 还含有Co 和W， 且w（Co）和w（W）分别为0.216%和0.156%， 两元素总含量小于0.5%， 为微量元素， 实际化学成分中w（Nb+Ta）为0.695% ， 满 足 标 准 中＞8C （ 8 ×0.033% =0.264%）、 小于1%的要求， 其余元素化学成分含量均在标准范围之内。

表1 接管法兰化学成分

2.2 力学性能

沿接管法兰纵向取样， 进行拉伸试验， 取样数量2 个， 其试验结果见表2。 2 个拉伸试样的抗拉强度、 屈服强度、 伸长率、 断面收缩率均满足ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 标准要求。

表2 接管法兰取样力学性能检测结果

2.3 金相试验

在裂纹处取样进行金相分析试验， 试样经磨制、 抛光、 5%王水溶液腐蚀后， 采用Laica DMI 3000M 光学显微镜进行12.5 倍低倍微观金相和100 倍、 200 倍、 500 倍高倍微观金相观察。 抛光后裂纹微观形态如图2 所示， 其中图2 （a）为裂纹放大100 倍后的微观照片， 可以看出裂纹为树枝状形态， 向多方向扩展； 图2 （b） 为裂纹放大200 倍后的微观照片， 照片中可以清晰看到焊缝组织呈柱状晶与胞状晶。 由此可知，裂纹主要向Alloy20 合金锻件方向延伸扩展， 向焊缝方向有轻微扩展， 锻件侧的裂纹宽度比焊缝侧宽。

图2 抛光后裂纹微观形貌

腐蚀后裂纹微观形貌如图3 所示。 图3 （a）为裂纹12.5 倍放大后的微观形貌， 裂纹呈明显的沿晶开裂状态； 图3 （b） 为裂纹边缘Alloy20母材500 倍放大后的微观照片， 可以看出晶界处存在一定的碳化物析出相， 析出相在晶界上断续分布。

图3 腐蚀后裂纹微观形貌

2.4 晶粒度检测

按照ASTM E112—2013 《平均晶粒度测定的标准试验方法》， 采用对比法对锻件晶粒度进行评级， 晶粒度评级结果为0 级， 属于严重粗晶组织。

3 锻造工艺调查

由于锻件为严重粗晶组织， 将该问题反馈给锻件厂家， 并对该锻件的锻造工艺进行调查了解。 该锻件投料钢锭加热温度为1 200 ℃， 保温时间6 h， 保温后出炉进行锻造， 出炉后始锻温度为1 170 ℃， 终锻温度约为1 020 ℃， 锻造后锻件自然冷却。 锻件在950 ℃下进行退火， 退火时间为0.5 h， 退火热处理温度符合ASME II 卷B 篇SB-462 N08020 要求的927～1 010 ℃的范围内。

4 分析和讨论

4.1 粗晶组织及析出相分析

奥氏体组织材料无法通过锻造后的热处理进行晶粒细化， 只能在锻打的过程中， 通过晶粒破碎的方式进行晶粒细化。 镍基合金材料锻造变形抗力大[8-9]， 锻造温度过低时， 锻件表面在外力的作用下， 容易产生表面开裂， 因此对于奥氏体组织的材料， 锻件厂家更倾向采用过高的加热温度与始锻温度进行锻造。 相对于Alloy20 合金而言， 1 200 ℃的明显过高， 通常在1 100 ℃以下加热温度为宜。 在1 200 ℃温度下， 作为奥氏体组织的Alloy20 合金的晶粒组织快速长大， 虽在锻造过程中晶粒会有一定的细化， 但在1 020 ℃的终锻温度下， 其晶粒度会继续长大， 后续受退火热处理的影响， 相对于锻造后的晶粒尺寸还要进一步长大， 致使最终锻件的晶粒度达到0 级，组织中的晶粒严重粗化， 导致锻件塑韧性下降。Alloy20 合金锻件在950 ℃终锻温度下自然冷却，冷却的过程中， 经过材料的敏化区间， 导致碳化物在晶界析出， 后续950 ℃×0.5 h 短暂的稳定化退火热处理， 并未完全将晶界的碳化物析出相消除， 导致晶界上存在不连续分布的析出相， 弱化了晶界强度。

4.2 裂纹分析

焊接热裂纹往往发生在结晶时的冷却过程中，主要发生在晶界， 为沿晶裂纹[10-11]， 从图3 （a） 微观组织看， 该裂纹为焊接热裂纹。 焊接过程中，由于焊接热源不均匀的加热和冷却， 不可避免地产生焊接应力， 但该接管的外径仅84 mm， 设备筒体壁厚10 mm， 接管法兰与筒体焊接结构形式为插入式结构， 焊接量较小， 焊接应力也相对较小， 按以往的焊接经验， 焊接后不会有裂纹的产生。 裂纹产生的主要原因应为粗晶组织造成锻件的塑性、 韧性降低， 晶界析出相的产生进一步降低了晶界的强度， 在较低的焊接应力作用下发生多方向低塑性开裂。

5 结 论

（1） 经过对Alloy20 合金锻件进行化学成分检测、 拉伸强度试验、 晶粒度检测后， 该锻件化学成分与拉伸强度试验结果满足标准要求， 晶粒度达到0 级， 属于严重粗晶组织， 造成组织塑性和韧性下降。

（2） 对Alloy20 合金锻件焊接裂纹进行微观分析， 裂纹为沿晶裂纹， 晶界上碳化物析出相呈不连续分布态， 碳化物析出相造成晶界强度下降。

（3） 由于Alloy20 合金锻件塑性、 韧性下降以及晶界强度的弱化， 该裂纹为在较低的焊接应力作用下发生的多方向低塑性焊接热裂纹。

（4） ASME 标准II 卷B 篇SB-462 中未对Alloy 20 合金提出晶粒度要求， 为避免因晶粒长大而导致焊后产生低塑性焊接热裂纹， 材料采购时应对晶粒度限制， 建议锻件晶粒度等级不低于3 级。