20Cr32Ni1Nb高温合金焊接接头组织及力学性能研究

前言

耐热合金能够在高温环境（一般 650~1 315 ℃范围内）服役时仍能保持其原有力学性能，能够在较长时间内承受高温氧化腐蚀侵害，不会过快出现疲劳、蠕变、断裂和腐蚀等失效［1］。因此，耐热合金在石油化工、冶金制造、航天航空、国防军工等行业有着广泛应用。按照合金化学成分分类，耐热合金可以分成 Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe-Ni-Cr 和 Ni-Fe-Cr四个体系。其中，Fe-Ni-Cr 系耐热合金的 Ni 元素含量为23%~41%，Cr元素含量为15%~28%；其主要由稳定的奥氏体构成，具备高抗热循环和热应力以及高抗氧化和热腐蚀性能；同时具备良好的抗渗碳性，特别适用于制备高温烃裂解炉炉管［2］。炉管工作环境恶劣，以乙烯裂解炉为例，炉管外壁温度可达1 000 ℃以上，炉管内介质温度约为850 ℃；炉管内的烃类反应产物会造成其内外壁氧化、硫化和渗碳；除此之外，炉管还要承受内部压力、自身重量、温度差异引起的疲劳和热冲击作用［3］。近年来，20Cr32Ni1Nb铸造耐热合金凭借其良好的高温抗拉强度、抗蠕变性能、抗高温氧化、腐蚀、渗碳性能以及良好的经济性，成为烃类裂解炉炉管理想的备选材料［4-5］。根据行业标准 SH/T 3417《石油化工管式炉高合金炉管焊接工程技术条件》规定，20Cr32Ni1Nb 铸造耐热合金炉管一般采用高镍合金焊丝SNi6082焊接，其Ni元素含量高达70%，具有良好的焊接工艺性，但其高温抗拉强度低，且成本较高。

从焊材成分相匹配角度来看，与母材成分匹配的焊材既能实现与母材力学性能的匹配，又可兼顾经济性；因此，该类型焊材具有更好的应用前景。

本研究采用高镍和低镍两种焊丝分别进行20Cr32Ni1Nb 铸造耐热合金炉管的焊接，表征分析这两种焊接接头的显微组织，常温、高温力学性能，探讨焊材成分对焊接接头组织和性能的影响。

1 、试验材料与方法

1.1 试验材料

母材选用国内某公司离心铸造的高温承压炉管（ZG 20Ni32Cr20Nb），尺寸为 212 mm（直径）×150 mm（长度）×11 mm（壁厚），其化学成分如表1所示，符合标准 HGT2601《高温承压用离心铸造合金炉管》的相关要求。焊材分别选用高镍和低镍氩弧焊丝，直径均为2.4 mm，其化学成分如表2所示。

1.2 工艺参数

试验采用钨极氩弧焊，坡口形式如图1所示，工艺参数如表 3 所示。焊接前，使用砂纸打磨待焊坡口，并用酒精擦拭后烘干，除去其表面的氧化膜和油污。焊接过程中，根部焊道背面通氩气保护以保证其成形质量，层间温度控制在 150 ℃内。焊接结束后，分别采用渗透（PT）和 X 射线（RT）探伤，确保焊接接头无表面和内部缺陷。

1.3 测试方法

采用光学显微镜（Axio Lab.A1）观察焊接接头不同区域的显微组织，取样位置如图 2a 所示；观察前，采用王水（浓硝酸∶浓盐酸=1∶3）作为腐蚀试剂，对打磨抛光后的焊接接头进行腐蚀，腐蚀反应时间约为8 s。

采用显微硬度计（HV-1000A）测试焊接接头不同区域的显微硬度，如图2b所示；测试过程中，施加载荷为0.2 kg，持续时间为10 s。采用微机控制万能拉伸试验机（E45）进行常温拉伸、高温短时拉伸和高温持久试验。常温拉伸试样标距长度 50 mm，直径 10 mm。高温短时拉伸试样标距长度 50 mm，直径5 mm，测试温度900 ℃。高温持久拉伸试样标距长度50 mm，直径5 mm，测试温度900 ℃，拉伸应力设置为40 MPa。

2、 试验结果与讨论

2.1 显微组织

高镍焊丝焊接接头金相组织如图 3 所示，观察区域分别为母材、焊缝和熔合线位置。图3a为母材的金相组织，由柱状奥氏体晶粒和网状晶界构成；高 Cr 和 Ni 含量是形成奥氏体基体的主要原因，其由 γ 相、γ'相（Ni3AlTi）、γ''相（Ni3Nb）和碳化物相构成；网状晶界则是碳化物相，其一般由NbC和M23C6构成［6-7］。图 3b 是焊缝的金相组织，其由细小的柱状奥氏体晶粒和沿晶界分布的链状或者块状碳化物构成；焊缝柱状晶由熔池边缘向中心生长，这是因为在熔池的凝固过程中，熔池边缘和熔池中心会形成较高的温度梯度，受温度梯度的驱动，熔池由边缘向中心非均匀形核，凝固生成柱状晶［8］。图3c、图 3d 分别为焊接接头表层和根部熔合线区域的金相组织。由图可见，焊缝金属和母材熔合良好，无未熔合和裂纹缺陷；热影响区仍保持为“奥氏体柱状晶+网状晶界”结构，然而，受焊接热输入影响，奥氏体基体中析出颗粒状的二次碳化物［9］。同时，可以观察到网状晶界的宽度增加，这是因为晶界区域的析出碳化物造成该区域 C 浓度降低，在奥氏体基体和晶界之间形成了 C 浓度梯度，驱动 C 原子由基体向界面扩散，而焊接热输入加速了 C 原子扩散和二次碳化物生成。

图 4 是低镍焊丝焊接接头的金相组织，观察区域分别为母材、焊缝和熔合线。与图3对比可知，两种焊接接头各区域的金相组织特征相似。焊接接头热影响区的金相组织几乎一致，这是因为两种焊接接头制备选用了相同的焊接工艺参数，其对热影响区的影响几乎相同。与高镍焊丝焊接接头的有区别的是，低镍焊丝接头焊缝的柱状晶组织更为粗大，这主要是受焊丝化学成分影响造成的。

2.2 显微硬度

两种焊接接头的显微硬度测试结果如图 5 所示，测试区域包括母材、热影响区和焊缝。由图 5a可知，对于高镍焊接接头，母材的平均显微硬度约为 220 HV0.2；热影响区的平均显微硬度较母材略有下降，约为200 HV0.2，这是因为受焊接热输入影响，热影区的晶粒发生粗化［11］；而焊缝的平均显微硬度有所提升，约为 235 HV0.2。对于低镍焊接接头，如图 5b 所示，其硬度分布规律与高镍焊接接头相似；所不同的是，低镍焊接接头的焊缝平均显微硬度更接近于母材，约为 220 HV0.2。也就是说，低镍焊接接头的显微硬度变化更为平缓，这更有利于提升焊接接头的整体力学性能。

2.3 拉伸力学性能

根据GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T4338《金属材料高温拉伸试验方法》分别测试高镍和低镍焊接接头的拉伸力学性能。

两种焊接接头的常温拉伸应力应变曲线如图6所示。两种焊接接头的拉伸应力应变曲线形状基本一致。在图6中分别读取两种焊接接头的常温屈服强和抗拉强度，如表4所示。由表4可知，高镍焊接接头的常温屈服强度为 294 MPa，抗拉强度为540 MPa，断裂在焊缝位置；低镍焊接接头的常温屈服强度和抗拉强度略有提升，分别为 313 MPa 和550 MPa，同样断裂在焊缝位置。图 7 是两种焊接接头的高温（900 ℃）拉伸应力-应变曲线。两种焊接接头的高温拉伸应力应变曲线形状基本一致。在图7分别读取两种焊接接头的高温屈服强和抗拉强度，如表 5 所示。由表 5 可知，高镍焊接接头的高温屈服强度（104.5 MPa）略低于低镍焊接接头（108 MPa）；但是，两者的高温抗拉强度相同（140 MPa），且均在焊缝位置断裂。

表 6 是两种焊接接头的高温持久拉伸测试结果，测试温度为900 ℃，拉伸应力为40 MPa。由表6可知，高镍焊接接头经历 191 h 拉伸后在焊缝位置断裂；而低镍焊接接头的高温拉伸持久时间则大幅提升至744 h，同样也在焊缝位置断裂。

综合分析上述结果可知，两种焊接接头拉伸力学性能指标均满足焊接评定标准要求，即常温抗拉强度≥450 MPa，高温（900 ℃）抗拉强度≥102MPa，高温（900 ℃，40 MPa）拉伸持久时间≥100 h。两种焊接接头的高低温短时拉伸力学性能基本相同，但低镍焊接接头的高温拉伸持久时间远超高镍焊接接头，前者是后者的3.9倍。因此，低镍焊接接头的高温力学性能优于高镍焊接接头。另外，值得注意的是两种焊接接头断裂位置均为焊缝，说明焊缝是高温合金焊接接头的薄弱区域。

由图 3、图 4 可知，母材显微组织是由柱状奥氏体晶粒和沿晶界分布的骨架状碳化物构成的；而焊缝组织则是由细小的针状或者柱状奥氏体晶粒和沿晶界分布的链状或者块状碳化物构成的。当焊接接头受到拉伸作用时，首先是晶粒变形，然后是晶界聚集，生成大量微孔，进而诱导位错聚集形成位错环，最终导致断裂［12］。由于母材的晶粒尺寸较大，其晶粒变形比焊缝组织吸收更多的能量；因此，拥有更好的拉伸力学性能。奥氏体相是耐热钢抗蠕变的根本，Ni是促进奥氏体相形成元素，Ni/Cr比例决定了奥氏体相的形成。结合舍夫勒相图计算可知，两种焊材的Ni/Cr比分别为3.0和1.7，因此，无论是高镍含量还是低镍含量，两种焊缝金属均由奥氏体相组成，这为其高温力学性能奠定了良好基础。另外，现有的研究表明焊缝金属的高温持久强度与二次碳化物的析出密切相关，析出的碳化物可以阻碍晶界滑移和位错聚集，增加材料的抗蠕变性能［12］。高镍焊接接头的C含量仅为0.016%，远低于低镍焊接接头（0.16%）；其在高温测试的初始阶段过程中更容易析出二次碳化物 M23C6或者 NbC，阻碍晶界滑移，大幅提升其高温持久时间。

3、 结论

分别采用高镍和低镍两种焊丝焊接20Cr32Ni1Nb铸造耐热合金炉管，表征分析两种焊接接头的显微组织和力学性能，得到如下结论：

（1）金相观察结果表明，母材组织由柱状奥氏体晶粒和网状晶界构成；焊接接头的热影响区仍为柱状晶组织，但焊接热输入促进了该区域的晶粒长大和二次碳化物生成；焊缝组织由细小的针状或者柱状奥氏体晶粒和沿晶界分布的链状或者块状碳化物构成的。

（2）显微硬度测试结果表明，高温合金焊接接头热影响区出现软化现象，其显微硬度较母材下降20 HV0.2，这主要是晶粒粗化造成的；低镍焊缝的显微硬度低于高镍焊缝，与母材硬度更为匹配，约为220 HV0.2，这有利于提升焊接接头的整体力学性能。

（3）拉伸测试结果表明，两种焊接接头拉伸力学性能指标均满足焊接评定要求，其短时拉伸力学性能基本相同，这是因为两种焊接接头均主要由奥氏体相组成，具备相近的力学性能基础。但是，低镍焊接接头的高温持久拉伸力学性能大幅提高，约为高镍焊接接头 3.9 倍，这是因为低镍合金焊缝更容易析出碳化物，阻碍晶界滑移和位错聚集。两种焊接接头断裂位置均为焊缝，焊缝区域是焊接接头的薄弱环节；这是因为在拉伸过程中，较大尺寸的母材晶粒变形需要吸收更多的能量。

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