HAYNES282鎳基合金的平衡析出相及焊縫微觀組織

余 勇，冷進明，熊建坤，董 軍，徐 健，王東力

（東方汽輪機有限公司，四川德陽618000）

HAYNES282鎳基合金的平衡析出相及焊縫微觀組織

余 勇，冷進明，熊建坤，董 軍，徐 健，王東力

（東方汽輪機有限公司，四川德陽618000）

利用熱力學軟件JMatPro分析700℃等級汽輪機焊接轉子材料HAYNES282的合金元素對平衡相析出行為的影響，在此基礎上分析研究焊縫微觀組織。結果表明，282合金的熱力學平衡析出相為γ、γ′、MC、M6C、M23C6、M3B2、σ、μ，各析出相的含量與溫度具有一定的規(guī)律性，元素含量的變化對平衡態(tài)的析出相有直接影響。從微觀組織可以看出，固溶后的焊縫出現(xiàn)柵狀組織，在焊縫一次枝晶內沿枝晶生長方向線性排列，但取向各異。焊縫組織析出相主要為（Cr、Fe、Mo）23C6、（Mo，Co，F(xiàn)e）6C。

HAYNES282；M23C6；析出相；碳化物

0 前言

煤炭在我國能源消費總量中約占70%，且大部分的煤炭資源用于火力發(fā)電。當前我國超超臨界電廠的主蒸汽溫度達到600℃，成為全球600℃超超臨界燃煤發(fā)電機組運用最多的國家[1]。但火力發(fā)電行業(yè)目前面臨兩方面的問題，一方面市場競爭的加劇需要降低發(fā)電成本，提高發(fā)電效率；另一方面社會對全球環(huán)境問題日益關注，要求電廠降低二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、CO2等的排放量，以滿足環(huán)保要求。國家能源局于2010年成立了國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術創(chuàng)新聯(lián)盟，組織我國700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術研發(fā)工作。在發(fā)展700℃等級A-USC的過程中，高溫轉子材料的選擇焊接、焊接接頭性能及高溫蠕變性能評估至關重要。

HAYNES282合金為時效強化型變形高溫合金，由于高溫蠕變強度、高溫熱穩(wěn)定性好以及較好的熱加工性能，被選擇700℃先進超超臨界火電機組汽輪機轉子候選材料之一[2]。目前對HAYNES282鎳基合金的研究主要集中在材料的成分性能、微觀組織、熱處理機制等方面[3]，但對HAYNES282鎳基合金的平衡析出相及焊接機理方面的研究幾乎為空白。

1 實驗材料和分析方法

實驗采用20 mm的HAYNES282鎳基合金，其標準熱處理制度為：固溶處理后經(jīng)兩次時效處理，分別為1 121℃~1 149℃/2 h/OC+1 010℃/2 h/AC+ 788℃/8 h/AC[4]。其化學成分和材料力學性能分別如表1所示。

采用熱力學軟件JMatPro對282合金進行熱力學平衡相圖計算，使用GTAW方法進行試板焊接，工藝參數(shù)如表2所示。采用ZEISS 40MAT光學顯微鏡觀察分析焊縫的微觀組織，通過掃描電鏡分析焊縫微區(qū)和析出物。282焊接接頭力學性能如表3所示。

表1 282合金的化學成分%

表2 282焊接工藝參數(shù)

表3 282焊接接頭力學性能

2 實驗結果和討論

2.1 282合金的熱力學平衡析出相

在計算合金的平衡狀態(tài)時，不同溫度可能存在不同的平衡相，平衡相的析出量也不盡相同[5]。采用表1中的化學成分（w（Fe）=0.4%，w（Mn）=0.12%，w（Si）=0.06%）進行熱力學平衡相計算，得出282合金中各平衡相析出量與析出溫度的關系曲線如圖1所示。

圖1 282合金平衡態(tài)熱力學相圖

由圖1可知，282合金的熱力學平衡析出相主要有γ、γ′、MC、M6C、M23C6、M3B2，此外也可能析出σ和少量的μ。基體γ在1 349℃以上為液相，固液兩相共存的溫度范圍為1 259℃~1 349℃。隨著溫度的降低，依次析出MC、M3B2、M6C、M23C6、γ′、σ、μ，平衡態(tài)主要相的初始析出溫度見表4。平衡相中的M3B2、M23C6、γ′、σ、μ析出量隨著溫度的降低而逐漸升高；而MC和M6C的析出溫度范圍范圍分別為1 051℃~1 288℃和814℃~1 175℃，最大析出量分別為0.21%和1.99%，說明合金中MC和M6C高溫穩(wěn)定性較好，能在較高的溫度下存在。

表4 282合金主要析出相的初始析出溫度

表5和圖2為282合金700℃平衡態(tài)析出相中各元素含量和析出相含量，γ相為282合金的基體相，占比達70.27%，主要由Ni、Cr、Co、Mo元素組成，此外還含有微量的Al和Ti。M3B2中主要富集Mo、Cr元素，一般存在于晶界。M23C6中主要富集Cr、Mo元素，并含有少量的Ni和Co，在晶界呈鏈狀分布，可大大提高晶界結合力，少量分布在晶內。γ′相為合金的重要強化相，化學式為Ni3（Al，Ti），占比達19.66%，主要由Ni、Al和Ti組成，少量的Cr、Co和微量Mo元素進入到γ′相中可提高強化相的高溫穩(wěn)定性，不同時效溫度下的含量會有微量變化。

圖2 282合金700℃平衡態(tài)析出相含量

表5 282合金700℃平衡態(tài)析出相中各元素含量%

在700℃平衡態(tài)時，合金會析出σ相，而不會析出μ相。σ相主要由Cr、Mo、Ni、Co元素組成，而且平衡態(tài)析出含量較高，σ相的形成會降低基體和強化相中固溶強化元素的含量。在目標使用溫度范圍內，合金中有σ相析出；但由于熱力學計算結果均為穩(wěn)定的平衡相，因此σ相可能會在合金長期使用后才會逐漸析出[6]。

2.2 焊縫的微觀組織

HAYNES 282合金時效后，母材的微觀組織照片如圖3所示，晶界上析出大量碳化物，碳化物連續(xù)呈鏈狀晶界分布，碳原子的大量消耗導致晶界附近碳化物越來越少。

圖3 時效后母材的微觀組織照片

焊縫中網(wǎng)絡狀的碳化物和母材晶界上連續(xù)分布的碳化物EDS分析結果如圖4所示[7]，結果表明晶界上富Cr的M23C6型碳化物與富Mo的M6C型碳化物共存。

焊縫中的柵狀組織沿著焊縫枝晶一次晶軸的生長方向呈線性排列，還有少量存在于熱影響區(qū)。形狀大小不一的柵狀組織類似于樹枝狀的生長，其一次晶軸方向隨機分布，沒有規(guī)律性，如圖5所示。組織中的析出相對長時間高溫下合金的組織性能尤其是穩(wěn)定性和韌脆性影響很大，因此分析焊縫析出相是研究合金高溫性能的基礎。在透射電鏡下獲得析出的碳化物及基體的衍射斑如圖6所示。

利用軟件分析圖多晶M23C6碳化物，化學成分為：w（Cr）=66.84%，w（Mo）=14.83%，w（Fe）=6.76%。表明該碳化物為多個取向不同的晶粒組成的多晶體，少量Mo、Fe原子取代了Cr原子形成（Cr、Fe、Mo）23C6碳化物。M6C碳化物中，Mo3Co3C晶格常數(shù)最接近[8]，W原子也可對Mo和Co原子進行位置取代。

2.3 討論

M23C6中大部分的鉻主要固溶在γ相中，大約有10%進入γ′相，還有少量的鉻會形成碳化物來強化晶界。此外，鉻的另一個重要作用是形成致密的Cr2O3氧化膜，它有較低的陽離子空位濃度，能阻止金屬元素的向外擴散和O、N、S等元素的向內擴散，起到防止合金腐蝕的作用。

M6C碳化物中，W、Mo兩種元素主要進入γ相中，這兩種元素的原子均比鎳原子大，它們可以在高溫合金基體中引起晶格明顯膨脹，產(chǎn)生較大的長程應力場，阻止位錯的運動。

W和Mo同時又是碳化物形成元素，可以形成延晶界分布的顆粒狀M6C碳化物從而提高合金的高溫持久性能。此外，W、Mo都是促進TCP相形成的元素，隨著含量的增加，TCP相的沉淀趨勢明顯上升，同時W含量的增加使γ相和γ′相的晶格錯配度增加，影響了合金的組織穩(wěn)定性及高溫持久性能。

圖4 晶界碳化物EDS分析結果

圖5 柵狀組織顯微照片

圖6 透射電鏡照片

3 結論

（1）282合金的熱力學平衡析出相主要有γ、γ′、MC、M6C、M23C6、M3B2、σ、μ，在700℃平衡態(tài)時不會析出M6C和μ相，與實際試驗結果較為吻合。

（2）元素含量的變化對析出相的影響規(guī)律特別明顯。Co和Mo元素主要固溶到基體γ中，剩余的則析出形成γ′和σ相，σ相的析出量隨Co的增加幾乎呈線性遞增；Al和Ti主要影響γ′相的析出總量，其中Al的影響尤其明顯；C和B是析出形成碳化物和硼化物的關鍵核心元素。

（3）焊縫固溶后出現(xiàn)柵狀組織，在焊縫一次枝晶內沿枝晶生長方向線性排列，但取向各異，熱影響區(qū)晶內也存在柵狀組織。焊縫組織析出相主要為（Cr、Fe、Mo）23C6、（Mo，Co，F(xiàn)e）6C。

[1]Phil Maziasz.Materials for Advanced[A].Ann.Conf.on Fossil Energy Materials Ultra-Supercritical Steam Service -Turbines[C].2012.

[2]Viswanathan R，Henry J F，Tanzosh J，et al.US program on materials technology for ultra-supercritical coal power plants[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2005，14（3）：281-292.

[3]FUJITA T.Twenty-Iirst Century Electricity Veneration Plants and Materials International Workshop Development oI Advanced Heat Resisting Steels[C].Japan：NIMS，1999.

[4]K A Ellison，Lowden Liburdi.Powder Metallurgy Repair of Turbine Components[C].ASME International Gas Turbine &Aeroengine Conference，1992.

[5]Wang Gang，Zhang Binggang，F(xiàn)eng Jicai，et al.Interface structure of electron beam brazing Ni-base superalloy Joint [C].Materials of international VII Russia-China Symposium "Modern materials and technologies"，2007：66-69.

[6]Li H X，HE P，LIN T S，et al.Microstructure and shear strength of reactive brazing joints of TiAl/Ni-based alloy[J].Transaction of Nonferrous Metals Society of China，2012，22（2）：324-329.

[7]THEADGILL P L.Metallurgical aspects of joining titanium aluminide-alloys[J].Proc Int Symp on Intermetallic Compounds(JIMIS-6)JIM，1991（10）：1021-1025.

[8]Threadgill P L，Dance B G I.Joining of intermetallic alloys -further studies[J].The TEI Journal，1997，6（2）：257-316.

Balance precipitated phase and microstructures of weld of HAYNESS 282 nickel-base alloy

YU Yong，LENG Jinming，XIONG Jiankun，DONG Jun，XU Jian，WANG Dongli
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

By using thermodynamic analysis software JMatPro 700 grade turbine rotor welding materials HAYNES282 to balance the influence of the phase separation behavior of chemical elements，On the basis of the analysis of its weldability and welding mechanism research Results indicate that，282 alloy thermodynamic equilibrium of the precipitated phase of gamma，gamma and MC，M6C and M23C6，M3B2，sigma，mu，the content of the precipitated phase and the temperature has a certain regularity，the change of elements content of equilibrium precipitated phase has a direct impact.As can be seen from the microstructure，the microstructure of the welded joint after the solid fusion is in a linear arrangement along the dendrite growth direction，but the orientation is different.The main phase of the weld microstructure is(Cr，F(xiàn)e，Mo)23C6，(Mo，Co，F(xiàn)e)6C.

HAYNES282；M23C6；pecipitated phase；carbon

TG401

A

1001－2303（2017）02－0036-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.07

2016-10-09；

2016-11-10

余 勇（1969—），男，四川德陽人，學士，主要從事焊接方面的新材料、新工藝、新技術的研發(fā)和推廣應用工作。

獻

余勇，冷進明，熊建坤，等.HAYNES282鎳基合金的平衡析出相及焊縫微觀組織[J].電焊機，2017，47（02）：36-40.