堆焊工藝對(duì)鎳基276帶極堆焊晶間腐蝕的影響規(guī)律

馮 偉，鄒力維 ，韓 宇,陳 波,徐 鍇

(1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，哈爾濱 150028；2.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

0 引言

石油化工、煤化工等領(lǐng)域中，在高溫、高壓、臨氫條件下運(yùn)行的壓力容器設(shè)備，為了避免由于脫硫反應(yīng)產(chǎn)生的大量硫化氫氣體對(duì)反應(yīng)器內(nèi)壁腐蝕，一般在反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊不銹鋼耐蝕材料。但在很多環(huán)境苛刻的裝置中，不銹鋼耐蝕材料不能滿足常溫和高溫的腐蝕性能，一般要堆焊鎳基材料，如鎳基625,276等合金。鎳基材料具有良好的耐蝕性和抗氧化性，特別能在高溫600 ℃以上服役不失效，與普通不銹鋼相比，具有抵抗不同類型的腐蝕破壞能力[1-4]。鎳基276合金是典型的Ni-Cr-Mo系固溶強(qiáng)化型鎳基耐蝕合金，具有單相面心立方結(jié)構(gòu)，即奧氏體組織結(jié)構(gòu)。合金所含元素種類多，通過嚴(yán)格控制C,Si等有害雜質(zhì)元素含量，得到良好的力學(xué)性能，目前廣泛用于石油化工、煙氣脫硫、造紙、海洋等苛刻的腐蝕環(huán)境[5-6]。

近幾年，對(duì)容器內(nèi)壁堆焊276合金的要求有所增加，但有關(guān)帶極堆焊276合金的研究報(bào)道較少。容器內(nèi)壁堆焊鎳基276合金，一般采用帶極電渣堆焊方法，其主要優(yōu)勢(shì)在于具有熔敷效率高、稀釋率低、攤開性好、焊道成形美觀等特點(diǎn)。本文通過采用不同的組合電渣堆焊工藝，研究堆焊金屬的成分、硬度、彎曲性能、微觀組織和晶間腐蝕性能，為實(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鎳基焊帶采用H625(型號(hào)EQNiCrMo-3)、H276(型號(hào)EQNiCrMo-4)，焊帶規(guī)格0.5 mm×60 mm，配合電渣型焊劑SJ86B和SJ82B進(jìn)行組合堆焊。試驗(yàn)?zāi)覆臑镾A-516Gr70板材，尺寸為300 mm×300 mm×40 mm，母材及焊帶化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材及焊帶化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

熱處理工藝采用620 ℃×5 h,依據(jù)GB/T 15260—2016《金屬和合金的腐蝕 鎳合金晶間腐蝕試驗(yàn)方法》A法 硫酸鐵-硫酸試驗(yàn)進(jìn)行。焊接方法采用帶極電渣堆焊，堆焊工藝參數(shù)如表2所示，堆焊工藝方案如表3所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

表3 堆焊工藝方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堆焊金屬化學(xué)成分

堆焊金屬化學(xué)成分取自表面以下2 mm位置。分析結(jié)果如表4所示。

表4 堆焊金屬化學(xué)成分

2.2 堆焊金屬?gòu)澢阅?/h3>

由于帶極電渣堆焊方法具有較高的熱輸入，鎳基合金熱裂紋敏感性高，針對(duì)不同的堆焊工藝方案進(jìn)行彎曲測(cè)試，在熱處理?xiàng)l件下研究裂紋的敏感性,其結(jié)果如表5所示。

表5 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 堆焊金屬晶間腐蝕性能

研究不同組合堆焊工藝對(duì)晶間腐蝕性能的影響規(guī)律。晶間腐蝕試驗(yàn)采用GB/T 15260—2016中A法，取樣如圖1所示，腐蝕試樣如圖2所示，腐蝕結(jié)果示于表6。

(a)2層取樣 (b)3層取樣

(a)工藝方案1 (b)工藝方案2 (c)工藝方案3

表6 晶間腐蝕數(shù)據(jù)

2.4 不同腐蝕速率差別的特征分析

晶間腐蝕是局部腐蝕的一種，“貧鉻理論”以碳化鉻在晶界沉淀較普遍認(rèn)同，Cr是提高鎳基合金耐蝕性的主要元素，其中C與Cr易形成Cr23C6沉淀于晶界，由于Cr原子的半徑較大，在晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度較慢，來不及向晶界擴(kuò)散，晶界發(fā)生貧Cr現(xiàn)象，致使靠近晶界的晶粒表面一個(gè)薄層嚴(yán)重缺Cr，當(dāng)有腐蝕介質(zhì)的作用時(shí)，這一區(qū)域?qū)a(chǎn)生明顯的腐蝕。對(duì)于鎳基合金Ni-Cr-Mo合金，由于從高溫冷卻經(jīng)敏化區(qū)時(shí)，同時(shí)會(huì)在晶界析出M6C,M2C,M23C6等碳化物，這些高Cr相、高M(jìn)o相的析出，進(jìn)一步產(chǎn)生貧Cr和貧Mo區(qū)域，增加腐蝕傾向[7-9]。碳化鉻和碳化鉬的析出是產(chǎn)生貧鉻區(qū)和貧鉬區(qū)的主要原因，對(duì)于Cr元素的影響，在耐腐蝕鎳基合金中的作用與不銹鋼相同，在有氧存在的情況下，它會(huì)促進(jìn)鈍化膜的生成，這層鈍化膜阻止腐蝕的進(jìn)程；同時(shí)Mo元素與鉻類似，對(duì)耐蝕性起到有利作用，但作用不如Cr明顯；鎳基合金如加入Fe，也會(huì)對(duì)鈍化膜的生成產(chǎn)生影響[10-14]；同時(shí)降低C含量也是解決晶間腐蝕的基本方法，鎳基合金采用真空+電渣重熔冶煉技術(shù)，C含量控制較低，堆焊層受到板材稀釋的作用，C含量也屬于超低碳級(jí)別(C≤0.03%)。根據(jù)ASME SFA5.14《鎳和鎳合金光填充絲和焊絲》標(biāo)準(zhǔn)要求EQNiCrMo-3焊帶的Cr含量為20.0%～23.0%，EQNiCrMo-4焊帶的Cr含量為14.5%～16.5%，為此通過采用堆焊方案1和方案3的對(duì)比分析，且通過625合金的稀釋作用，可提高堆焊層金屬的Cr含量7.5%左右，從而提高了抗晶間腐蝕性能。

2.4.1 金相組織分析

對(duì)于不同堆焊工藝方案的堆焊金屬微觀組織特征(見圖3，4)分析如下。

(a)堆焊金屬 (b)熔合區(qū)

(a)堆焊金屬 (b)熔合區(qū)

(1)采用第1層625和第2層276組合堆焊方案(方案1)，試樣堆焊金屬金相形貌見圖3(a)，組織為γ固溶體+析出物，呈枝晶特征，析出物存在于枝晶偏析處；熔合區(qū)金相形貌見圖3(b)，過熱區(qū)組織為鐵素體+碳化物，熔合線附近存在不連續(xù)馬氏體帶，平均厚度約1.1 μm。

(2)采用第1層276和第2層276組合堆焊方案(方案3),試樣焊縫金相形貌見圖4(a)，組織為γ固溶體+析出物，呈枝晶特征，析出物存在于枝晶偏析處；熔合區(qū)金相形貌見圖4(b)，過熱區(qū)組織為鐵素體+碳化物，焊縫側(cè)組織為γ固溶體+析出物，熔合線附近存在不連續(xù)馬氏體帶，平均厚度約為1.0 μm。

2.4.2 腐蝕形貌觀察

使用SEM顯微鏡對(duì)腐蝕之后材料的腐蝕形貌進(jìn)行分析觀察，并利用EDS能譜儀對(duì)腐蝕之后的殘余相進(jìn)行成分分析，其中采用625過渡層的堆焊工藝，腐蝕表面凸起，凹陷較少，腐蝕程度較輕，如圖5～7所示。

圖5 方案1腐蝕試樣SEM及能譜分析

圖6 方案2堆焊腐蝕試樣SEM及能譜分析

圖7 方案3堆焊腐蝕試樣SEM及能譜分析

能譜分析結(jié)果如表7所示，通過對(duì)比主要表面成分的差別，主要是Cr,Ni,Mo合金，采用625過渡層的成分Cr,Mo含量較高，F(xiàn)e，O含量較低。高Cr,Mo對(duì)晶間腐蝕性能有利，其中單獨(dú)的Mo元素，沒有Cr元素對(duì)晶間腐蝕作用明顯，方案2的腐蝕結(jié)果要低于方案1的腐蝕結(jié)果。因此，對(duì)于帶極堆焊鎳基276材料，為了達(dá)到更好的腐蝕效果，采用鎳基625合金作為過渡層，面層堆焊一層鎳基276合金。

表7 3種堆焊工藝的能譜分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)鎳基276合金帶極堆焊材料的研究，不同的堆焊組合工藝，對(duì)晶間腐蝕的性能影響較大，堆焊金屬成分的變化是導(dǎo)致晶間腐蝕性能差別的主要原因。采用鎳基625帶極堆焊過渡層，可提高耐蝕層鎳基276晶間腐蝕性能。通過SEM和能譜分析，腐蝕表面凸起，凹陷較少，腐蝕程度較輕，對(duì)比主要表面成分的差別，主要是Cr,Ni,Mo合金，采用625過渡層的成分Cr,Mo含量較高，F(xiàn)e，O含量較低，其中高Cr,Mo對(duì)晶間腐蝕性能有利。

(2)采用不同的堆焊工藝熔合區(qū)析出馬氏體帶尺寸均較小，為1.0 μm左右，不會(huì)對(duì)彎曲性能產(chǎn)生影響，過熱區(qū)組織為鐵素體+碳化物，焊縫側(cè)組織為γ固溶體+析出物。