镍基合金焊丝GTAW熔敷金属凝固偏析行为

0 序 言

凭借着优异的抗主回路水应力腐蚀开裂性能，Inconel 690镍基合金已经取代Inconel 600合金应用于反应堆压力容器、蒸汽发生器等核岛主设备的制造，Inconel 690配套焊丝即被广泛应用于接管安全端、管子-管板等关键位置的焊接. 在实际应用过程中发现，Inconel 690合金焊缝裂纹敏感性较高，文献[1]研究结果表明，为有效控制高温失塑裂纹敏感性，在镍基合金焊接材料中需要加入一定含量的Nb，通过形成MC型碳化物来增加晶界蜿蜒程度，有效钉扎晶界，阻碍晶界滑移，增加抗高温失塑裂纹能力. 文献[1-3]研究结果表明，随着Nb含量的升高，焊缝凝固温度区间会增大会，热裂纹敏感性会增加，热裂纹敏感性与焊缝凝固结晶过程密切相关，但目前国内外学者主要致力于Inconel 690镍基合金焊缝的组织、力学性能、抗裂性等研究，对于焊缝凝固偏析行为、结晶路径等方面研究较少. 针对Inconel 625等其它镍基合金的研究结果[4-7]已经表明，Nb，Mo等合金元素对镍基合金焊缝凝固结晶具有重要影响. 文中采用OM，SEM，EDS，EPMA等分析手段对试制镍基合金焊丝GTAW熔敷金属开展了凝固偏析行为研究.

1 试验方法

试验用材料为试验室试制的镍基合金气体保护焊丝，规格为ϕ1.2 mm，焊丝化学成分见表1.

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表 1 焊丝化学成分(质量分数，%)
Table 1 Compositions of welding wire

C Si Mn S P Nb 0.011 0.12 0.91 0.001 0.002 2.54 Fe Mo Al Ti Ni Cr 4.06 4.12 0.32 0.19 56.77 29.60

试验用母材为Q235 钢板，规格为300 mm ×200 mm × 30 mm. 采用 GTAW 焊接方法进行堆焊，堆焊尺寸约为 200 mm × 100 mm × 30 mm，焊接工艺参数如表2所示.

表 2 GTAW工艺参数
Table 2 GTAW parameters

电流I/A 电压U/V 焊接速度v1/(mm·min-1)220 13.5 120保护气 层温控制T/℃ 送丝速度v2/(mm·min-1)纯Ar ≤ 150 1150

采用JMatPro软件镍基合金数据库对于试制焊丝化学成分进行平衡相图计算. 在堆焊熔敷金属切取试样，通过磨制、抛光和腐蚀制成熔敷金属横截面金相试样.利用OLYMPUS GX51型光学显微镜对于熔敷金属金相组织进行了观察，利用ZEISS EVO18 型扫描电子显微镜进一步放大观察试样表面微观组织结构，并配合OX-FORD INCA能谱仪进行了点、线、区域等成分分析. 采用JXA-8230型电子探针EPMA对枝晶、枝晶间进行了波谱成分分析.

2 试验结果与分析

2.1 热力学平衡相计算结果

采用JMatPro软件镍基合金数据库，对于试验用焊丝化学成分进行热力学平衡相图计算，结果如图1所示.熔敷金属中除基体γ相外，还存在出γ'相、MC和M23C6型碳化物等相.基体对应的初熔和终熔温度分别为1350和1280 ℃，凝固温度范围约为70 ℃. MC，M23C6型碳化物分别在1218，1132 ℃开始析出，析出量随着温度的降低增加不明显，γ'相在729 ℃时开始析出，且析出量随着温度的降低逐渐增加，在平衡态条件下凝固结晶组织预测中未见Laves相.

图 1 试验用焊丝化学成分平衡相计算结果
Fig. 1 Results of equilibrium phases of experimental welding wire

2.2 微观组织结构分析

采用光学显微镜对堆焊熔敷金属进行金相组织观察，结果如图2所示，50倍下熔敷金属组织主要为柱状晶，在枝晶间存在较为明显的偏析区域，500倍下可见在枝晶间存在少量细小的析出物，在偏析区芯部存在不规则的块状析出相.

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本文采用超滤对灵芝多糖酶解液中的蛋白质进行脱除，确定了适宜的膜超滤参数。比较了超滤耦合径向流色谱法与其他方法脱蛋白的效率，为该法在多糖工业化生产中的应用提供理论依据和奠定基础。

图 2 熔敷金属金相组织
Fig. 2 OM images of deposited metal

为探究微观组织各相组成以及主要元素在焊缝冷却凝固过程中的分配规律，利用SEM，EDS对熔敷金属金相试样进行微观组织及成分分析，结果如图3所示.图3a为500倍形貌，图3b为图3a中虚线标记区域的2000倍形貌. 结合表3中EDS能谱分析结果可知，图3b中的A区域为枝晶干γ相，图3b的灰色区域B为枝晶间γ相，即为偏析区域，宽度约在5～10 μm. 在偏析区域B芯部存在两类析出物，一类为内部结构类似骨架的C类析出相，为金属间化合物Laves相，其为A2B型结构，A：Ni\Cr\Fe，B：Nb，Mo，高倍下典型形态见图 3c；一类为较微小的D类析出相，为(Nb，Ti)C复合碳化物.

图 3 熔敷金属SEM微观形貌
Fig. 3 Microstructure of deposited metal by SEM

表 3 熔敷金属各典型相能谱分析结果(质量分数，%)
Table 3 EDS results of typical phases in deposited metal

位置 Nb Mo Ti Ni Cr Fe A 1.2 3.6 0.1 58.5 31.0 4.5 B 4.8 5.3 0.2 54.3 30.4 3.6 C1 20.5 8.8 0.3 43.9 23.0 2.5 C2 20.3 7.8 0.3 44.8 23.4 2.4 D1 35.9 2.5 20.5 21.9 16.9 1.7 D2 54.6 2.1 20.3 11.6 10.0 0.9

2.3 凝固偏析过程分析

图3b中白灰色为偏析区域，由表3可见相比于枝晶轴A区成分，偏析区域B中Nb，Mo含量较高. 镍基合金熔敷金属的凝固行为、结晶路径受控于溶质再分布行为.镍基合金中合金元素的溶质再分布规律估算常用Scheil[5]公式，即

式中：Cs是固/液界面上的固体成分；CO为合金名义成分；fs是固体分数；k是平衡分布系数. 对于熔化焊，焊缝凝固时间短，为简化问题不考虑固态扩散，各合金元素的偏析系数采用估算，文中选用成分为Cs，Cl指凝固后期液相成分，文中即为枝晶间γ相. k ＞ 1，表明溶质在凝固过程中更易于在固相中分配；若k ＜ 1，溶质在凝固过程中更易于残留在液相中，k值越小，偏析倾向越重.考虑到EDS成分分析结果会直接影响到各元素偏析系数计算的准确性，采用EPMA对熔敷金属枝晶γ相、枝晶间γ相进行了成分分析，结果见表4.

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表 4 熔敷金属EPMA分析结果(质量分数，%)
Table 4 EPMA results of deposited metal

区域 Nb Mo Ni Cr Fe枝晶γ相 1.15 3.29 58.98 31.56 4.42枝晶间γ相 5.20 4.81 55.04 30.11 3.58

对表4中成分进行计算，各元素偏析系数估算结果如下，kNb = 0.23，kMo = 0.68，kNi = 1.07，kCr =1.05，kFe = 1.23，可见Nb，Mo的偏析系数均小于1，凝固结晶过程中更易于在残余液相中分配，其中Nb的偏析倾向最大，Mo次之. Fe的偏析系数为1.23，凝固结晶过程中更易于在固相中分配.Ni，Cr偏析系数在1左右，表明凝固时Ni，Cr在固液分配不均匀的现象不明显.

图 4 EDS线扫描结果
Fig. 4 Line scanning results of EDS

穿过枝晶和枝晶间偏析区域的EDS线扫描结果见图4.可见Nb，Mo在偏析区域含量较枝晶更高，Ni，Cr含量变化趋势不明显，枝晶部分Fe含量略高于偏析区域，结果与偏析系数计算结果一致.

1、避免大豆连作或与向日葵、油菜、杂豆、麻类进行轮作和邻作，应与禾本科作物如麦类、谷子、玉米等采取3年以上轮作，以回避菌源。

凝固结晶过程中，液相首先凝固形成枝晶γ相，随着结晶的进行，Nb，Mo逐步在残余液中富集，富含Nb，Mo的枝晶间γ相凝固，凝固后期，残余液相中Nb，Mo等元素富集到一定程度，残余液相便会形成Laves相、MC碳化物，文献[5]研究了625镍基合金的结晶路径，结果表明L→γ + MC的共晶反应温度要高于L→γ + Laves共晶反应.

根据上述微观组织分析结果，可以推测熔敷金属凝固结晶路径为：L→L+γ→L+γ+MC→L+γ+MC+Laves相→γ+MC+Laves相，先后发生了L→γ + MC，L→γ + Laves 两个共晶反应.

3 结 论

(1)试验用镍基合金焊丝熔敷金属金相组织主要为柱状晶，在枝晶间存在5～10 μm宽度的偏析区域，微观组织包括γ基体、MC碳化物、Laves相等.

(2)估算的 Nb，Mo，Ni，Cr，Fe 偏析系数分别为 kNb = 0.23，kMo = 0.68，kNi = 1.07，kCr = 1.05，kFe =1.23，凝固结晶过程中，Nb，Mo在结晶过程中更倾向于向残余液相分配，Nb的偏析倾向最大，Mo次之.Fe的偏析系数为1.23，凝固结晶过程中更易于在固相中分配.

(3)试验用镍基合金焊丝GTAW熔敷金属凝固结晶路径为 L→L+γ→L+γ+MC→L+γ+MC+Laves相→γ+MC+Laves相.

参考文献：

[1]吴 伟, 陈佩寅, 张 锐. 镍基焊接材料高温失塑裂纹的研究现状及研究趋势[J]. 焊接, 2005(5)： 5 - 8.Wu Wei, Chen Peiyin, Zhang Rui. Research status and development and ductility dip cracking of nickel-welding material[J].Welding & Joining, 2005(5)： 5 - 8.

[2]唐正柱, 陈佩寅, 吴 伟. Nb对镍基合金高温失塑裂纹敏感性的影响机理[J]. 焊接学报, 2008, 29(1)： 109 - 112.Tang Zhengzhu, Chen Peiyin, Wu Wei. Effect of niobium on ductility drop cracking susceptibility of nickel-base alloys[J].Transactions of the China welding institution, 2008, 29(1)： 109 -112.

[3]唐正柱, 陈佩寅, 吴 伟. Nb和Ti对高温失塑裂纹敏感性影响机理研究 [J]. 焊接, 2007(11)： 37 - 41.Tang Zhengzhu, Chen Peiyin, Wu Wei. Investigation into the mechanism for the affection of Nb and Ti ductility dip cracking susceptibility[J]. Welding & Joining, 2007(11)： 37 - 41.

[4]Dupont J N, Notis M R, Marder A R, et al. Solidification of Nbbearing superalloys： Part I. reaction sequences[J]. Metallurgical &Materials Transactions A, 1998, 29(11)： 2785 - 2796.

[5]Dupont J N, Marder A R, Notis M R, et al. Solidification of Nbbearing superalloys： Part II. pseudoternary solidification surfaces[J]. Metallurgical & Materials Transactions A, 1998,29(11)： 2797 - 2806.

[6]董建新, 张麦仓, 曾燕屏. 含铌高温合金液相中铌偏聚行为[J].工程科学学报, 2005, 27(2)： 000197-201.Dong Jianxin, Zhang Maicang, Zeng Yanping. Calculation of Nb segregation behavior in liquid phase for Nb-rich superalloys[J].Chinese Journal of Engineering, 2005, 27(2)： 000197-201.

[7]Dupont J N, Robino C V, Marder A R. Solidification modeling of Nb bearing superalloys[R]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports, 1997.