堆焊工藝對鎳基276帶極堆焊晶間腐蝕的影響規律

馮 偉，鄒力維 ，韓 宇,陳 波,徐 鍇

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，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、煤化工等領域中，在高溫、高壓、臨氫條件下運行的壓力容器設備，為了避免由于脫硫反應產生的大量硫化氫氣體對反應器內壁腐蝕，一般在反應器內壁堆焊不銹鋼耐蝕材料。但在很多環境苛刻的裝置中，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系固溶強化型鎳基耐蝕合金，具有單相面心立方結構，即奧氏體組織結構。合金所含元素種類多，通過嚴格控制C,Si等有害雜質元素含量，得到良好的力學性能，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境[5-6]。

近幾年，對容器內壁堆焊276合金的要求有所增加，但有關帶極堆焊276合金的研究報道較少。容器內壁堆焊鎳基276合金，一般采用帶極電渣堆焊方法，其主要優勢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。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，為實際工程應用提供數據參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

鎳基焊帶采用H625(型號EQNiCrMo-3)、H276(型號EQNiCrMo-4)，焊帶規格0.5 mm×60 mm，配合電渣型焊劑SJ86B和SJ82B進行組合堆焊。試驗母材為SA-516Gr70板材，尺寸為300 mm×300 mm×40 mm，母材及焊帶化學成分如表1所示。

表1 母材及焊帶化學成分

1.2 試驗方法

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

表2 焊接工藝參數

表3 堆焊工藝方案

2 試驗結果及分析

2.1 堆焊金屬化學成分

堆焊金屬化學成分取自表面以下2 mm位置。分析結果如表4所示。

表4 堆焊金屬化學成分

2.2 堆焊金屬彎曲性能

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，針對不同的堆焊工藝方案進行彎曲測試，在熱處理條件下研究裂紋的敏感性,其結果如表5所示。

表5 彎曲試驗數據

2.3 堆焊金屬晶間腐蝕性能

研究不同組合堆焊工藝對晶間腐蝕性能的影響規律。晶間腐蝕試驗采用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 晶間腐蝕數據

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，在晶粒內部的擴散速度較慢，來不及向晶界擴散，晶界發生貧Cr現象，致使靠近晶界的晶粒表面一個薄層嚴重缺Cr，當有腐蝕介質的作用時，這一區域將產生明顯的腐蝕。對于鎳基合金Ni-Cr-Mo合金，由于從高溫冷卻經敏化區時，同時會在晶界析出M6C,M2C,M23C6等碳化物，這些高Cr相、高Mo相的析出，進一步產生貧Cr和貧Mo區域，增加腐蝕傾向[7-9]。碳化鉻和碳化鉬的析出是產生貧鉻區和貧鉬區的主要原因，對于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，它會促進鈍化膜的生成，這層鈍化膜阻止腐蝕的進程；同時Mo元素與鉻類似，對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，也會對鈍化膜的生成產生影響[10-14]；同時降低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，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別(C≤0.03%)。根據ASME SFA5.14《鎳和鎳合金光填充絲和焊絲》標準要求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

(a)堆焊金屬 (b)熔合區

(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；熔合區金相形貌見圖3(b)，過熱區組織為鐵素體+碳化物，熔合線附近存在不連續馬氏體帶，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；熔合區金相形貌見圖4(b)，過熱區組織為鐵素體+碳化物，焊縫側組織為γ固溶體+析出物，熔合線附近存在不連續馬氏體帶，平均厚度約為1.0 μm。

2.4.2 腐蝕形貌觀察

使用SEM顯微鏡對腐蝕之后材料的腐蝕形貌進行分析觀察，并利用EDS能譜儀對腐蝕之后的殘余相進行成分分析，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

能譜分析結果如表7所示，通過對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，Fe，O含量較低。高Cr,Mo對晶間腐蝕性能有利，其中單獨的Mo元素，沒有Cr元素對晶間腐蝕作用明顯，方案2的腐蝕結果要低于方案1的腐蝕結果。因此，對于帶極堆焊鎳基276材料，為了達到更好的腐蝕效果，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果

3 結論

(1)通過對鎳基276合金帶極堆焊材料的研究，不同的堆焊組合工藝，對晶間腐蝕的性能影響較大，堆焊金屬成分的變化是導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，Fe，O含量較低，其中高Cr,Mo對晶間腐蝕性能有利。

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