霍树斌 侯永涛 郭枭 徐锴 陈波 杨再勋

摘要：采用光学显微镜（OM）、扫描电镜及能谱仪（SEM、EDS）、拉伸试验和冲击试验等对比研究了Ta、Nb元素含量对ERNiCrFe-13镍基合金焊丝（1#焊丝高Ta低Nb，2#焊丝高Nb低Ta）熔敷金属组织与性能的影响。结果表明，1#焊丝和2#焊丝熔敷金属组织均为柱状枝晶，且存在偏析带，在偏析带上存在析出相，1#焊丝的析出相主要为碳化物和Laves相，面积约为0.5～2 μm2;2#焊丝的析出相除碳化物和Laves相外，还存在σ相和γ/Laves相共晶组织，析出相面积约为3～10 μm2;1#焊丝熔敷金属的力学性能远高于要求值，满足在核电工程上的安全应用条件，2#焊丝熔敷金属冲击性能较差，整体上看1#焊丝熔敷金属的力学性能优于2#焊丝。

关键词：ERNiCrFe-13;力学性能;γ/Laves相共晶组织

中图分类号：TG422.3      文献标志码：A      文章编号：1001-2003（2021）12-0012-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.03

0    前言

ERNiCrFe-13是一种新型镍基合金焊接材料，与目前核岛主设备制备中应用较多的ERNiCrFe-7和ERNiCrFe-7A系列焊材相比，其不同之处主要在于Nb、Ta、Mo等元素含量的增加[1]。已有研究表明，Nb和Mo元素的增加可以细化焊丝熔敷金属的晶粒、扭曲晶界，阻碍晶界的滑移，从而提高焊丝熔敷金属抗高温失塑裂纹（ductility dip cracking，DDC）的能力[2-4]。但Nb和Mo均是有一定偏析倾向的元素，当Nb含量过多时，在焊接过程中会形成较多的大而脆的低熔点共晶相，扩大结晶温度区间，增大裂纹敏感性[5]。郭枭[6]等人研究表明，通过添加Ta元素来代替部分Nb元素，可以减少或者避免低熔点共晶相的形成，从而进一步提高镍基合金焊丝的焊接性。国外学者的研究表明，ERNiCrFe-13焊接材料在保证良好焊接工艺性和优异力学性能的基础上，改善了镍基合金微裂纹的状况[7-9]，目前国内对此类焊接材料的研究较少。基于此，文中依据2019版ASME规范试制了两种符合ERNiCrFe-13标准的焊丝，并对其熔敷金属的组织与力学性能展开了分析研究。

1 试验材料及方法

试验用材料为实验室试制的两种镍基合金气保焊丝，1#焊丝为高Ta低Nb，2#焊丝为高Nb低Ta，焊丝直径φ1.2 mm，主要化学成分如表1所示。

试验母材采用尺寸300 mm×200 mm×30 mm的Q235钢板，在母材上堆焊约200 mm×100 mm×40 mm的熔敷金属，其焊接工艺参数如表2所示。

在堆焊的熔敷金属上未受到多次焊接热循环影响的位置切取试样，经过研磨、抛光、腐蚀后制成熔敷金属金相试样。采用OLYMPUS GX51型光学显微镜观察熔敷金属的金相组织，采用ZEISS EVO18型扫描电子显微镜进一步放大表征熔敷金属的微观结构，并配合OX-FORD INCA能谱仪进行微观组织的成分分析;采用AG-IS 100KN电子拉伸试验机，按照ASTM E21-20标准对熔敷金属分别进行室温和350 ℃高温拉伸试验;采用JBN-300B冲击试验机，按照GB/T 2650-2008标准对熔敷金属进行室温冲击试验。

2 试验结果与分析

2.1 熔敷金属金相组织

熔覆金属金相组织如图1所示。可以看出，1#焊丝和2#焊丝熔敷金属金相组织均以柱状枝晶为主，都存在白灰色偏析带，在偏析带上有灰黑色的析出相;1#焊丝析出相数量较少，在偏析带呈离散分布，形状近似圆形，单个析出相的尺寸较小;2#焊丝析出相较多，形状呈不规则的多边形，相比1#焊丝单个析出相的尺寸较大。

2.2 熔敷金属SEM-EDS分析

为了进一步观察分析熔敷金属的析出相及其类别，对焊丝熔敷金属进行SEM-EDS分析。1#焊丝熔敷金属未受到多次热循环影响的组织如图2所示。可以看出，1#焊丝熔敷金属的组织由黑色枝晶、白灰色偏析带和偏析带上的析出物组成，结合文献[6，10]分析可知，黑色枝晶为基体γ相，白灰色偏析带宽度约为3～6 μm，在偏析带上存在面积约为0.5～2 μm2析出物，主要为Laves相和碳化物。1#焊丝熔敷金属的EDS分析如表3所示。由表3可知，与黑色枝晶γ相相比，白灰色偏析带的Ta、Mo元素较多，Laves相Ta元素含量较多。

2#焊丝熔敷金属未受到多次热循环影响的组织如图3所示。可以看出，2#焊丝熔敷金属组织同样由枝晶γ相、偏析带和析出物组成，偏析带宽度为3～6 μm，并且偏析带与枝晶γ相相比，Nb、Ta、Mo元素含量较高。与1#焊丝不同的是，其析出相面积约为3～10 μm2，并且除了Laves相和碳化物外，其析出相还包括σ相和γ/Laves相共晶组织。2#焊丝熔敷金属的EDS分析如表4所示。

σ相是一种硬脆相，σ相的存在不仅会降低镍基合金的机械性能，还可能成为许多裂纹的开裂源头[11-12]。γ/Laves相共晶组织属于低熔点共晶，其存在表明熔敷金属结晶的终凝温度较低[6]，并且会增大熔敷金属结晶裂纹的敏感性[13]。除此之外，σ相和Laves相的形成还会耗尽基体的Nb、Mo、Ta等固溶强化元素，严重影响基体的力学性能。因此，在镍基合金焊材的研制过程中，应尽量避免这些第二相在熔敷金属中的形成。

2.3 熔敷金属力学性能分析

镍基合金焊丝主要用于核电反应堆压力容器径向支撑块和蒸汽发生器管板堆焊以及接管安全端上，設备长期处于高温高压环境。为保证所研制的焊丝在核电工程上的安全应用，TIG焊熔敷金属的力学性能需满足以下要求：室温拉伸强度Rm≥585 MPa，350 ℃高温拉伸强度Rm≥505 MPa，室温屈服强度RP0.2≥310 MPa，350 ℃高温屈服强度RP0.2≥190 MPa，室温断后伸长率A≥30%，室温单个冲击功Ak≥60 J。

焊丝拉伸性能试验结果如表5所示。可以看出，1#、2#焊丝均满足核电设备制备要求，其室温拉伸强度和350℃高温拉伸强度远高于要求的585 MPa和505 MPa，裕量较大;室温屈服强度和350℃高温屈服强度也都远高于要求值;室温下1#焊丝和2#焊丝的断后伸长率虽满足要求值，但裕量较小。1#、2#焊丝熔敷金属冲击性能试验结果如表6所示。1#焊丝的冲击性能远高于要求的60 J，裕量较大;相比之下，2#焊丝的冲击性能较差，存在试验结果不满足≥60 J的要求的情况。由此可见，2#焊丝的室温冲击性能较差，分析认为可能与2#焊丝熔敷金属存在较多的硬脆相有关。综合来看，1#焊丝熔敷金属的力学性能优于2#焊丝。

3 结论

文中针对两种符合ASME标准的ERNiCrFe-13焊丝（1#焊丝为高Ta低Nb，2#焊丝为高Nb低Ta），研究其熔敷金属的金相组织与力学性能，结果如下：

（1）两种焊丝的熔敷金属组织均为柱状树枝晶，均存在偏析带，在偏析带上存在析出物。其中1#焊丝偏析带的析出物主要为碳化物和Laves相，2#焊丝的偏析带除了碳化物和Laves相外，还存在γ/Laves相共晶组织和σ相。

（2）1#焊丝的力学性能满足核电设备的制备要求，各性能与要求值相比裕量较大，具备在核电工程制造应用的条件;2#焊丝除冲击性能较差外，基本满足要求。总体上看，1#焊丝熔敷金属的力学性能优于2#焊丝。

（3）熔敷金属中的Laves相和σ相会耗尽Nb、Mo、Ta强化元素，严重影响基体的力学性能，在镍基合金焊丝的研制过程中，应尽量减少熔敷金属中的Laves相和σ相的形成。

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