等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研
究夏厚福
Document number：BGCG-0857-BTDO-0089-2022
犬il硿-大莩
DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
颀士莩位坨文
MASTERAL DISSERTATION
等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研究
学科专业———材料加工工程
作者姓名
指导教师M_一
答辩日期2014年6月
硕士学位论文
等离子堆悍碳化钨强化镍基合金
组织与性能研究
Microstructure and Wear Behavior of Ni-based Hardfacing Reinfored With Tungsten Carbides by PTAW
作者
姓名:
夏厚福
学科、
专业:
材料加工工程
学
号:
指导
教师:
邓德伟
完成
曰期:
2014年5月
式远理工夫嗲
Dalian University of Technology
大连理工大学学位论文独创性声明
作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究
工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,
本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请
学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献
均巳在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。
学位论文题目:M HiSf扉柳tMM观_fl
作者签名: 夏谣搞日期:TWf年/月夕日
大3理工大学硕士学位论文
摘要
为了提高材料表面耐磨性,通常在其表面堆焊耐磨合金,有时为了获得特殊的性能,
如高的耐应力磨损性能,可添加硬质合金粒子进行强化。对镍基合金而言,常添加的硬
质粒子为碳化钨。其原因为:一方面碳化钨具有高的耐腐蚀性、高硬度、高熔点、可焊
性好、具有一定的塑性变形等特点;躬一方面镍基合金与碳化钨颗粒之间有较好的润湿
性。本课题选用等离子堆焊技术,其原因为:等离子堆焊技术具有稀释率和变形小、焊
道平整、工艺稳定、冶金结合好、致_无缺陷、易于实现自动化等优点。
本文来用等离子堆焊技术在奥氏体不锈钢钢板表面堆焊碳化钨强化镍基耐磨合金,
使用光学显微镜(0M)、带能谱分析的扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线
衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱分析伩(XRF)、红外碳硫分析伩、显微硬度计、磨损试验
机等设备研宄合金堆焊层的显微组织和耐磨性能。
研究了堆焊电流对镍基合金堆掉层组织与性能的影响。结果表明.随着堆焊
电流的
增大’堆焊层中的枝晶组织变得越来越不明显,堆焊层中依次出现鱼骨状组织、羽毛状
组织和点状群落组织,并且硬度也随之降低。
研究了添加不同含量和形状碳代钨强化镍基合金堆焊层组织与性能。在显微组织方
面,随着碳化钨含量的增加,堆焊肩中出现了针状、块状、条状及骨架状组织,并且均
含有W元素;在耐磨性能方面,随着1碳化钨添加量增大,合金堆焊层的耐磨
性能也随之
提高,且球形碳化钨的强化效果优予不规则碳化钨。
研宄了堆焊电流对碳化钨强化镍基合金堆焊层组织与性能的影响。堆焊电流不同,
元素凝固时扩散程度也不同,最终导致堆焊层中出现不同形态的组织。在耐
磨性能方面,
堆焊层的耐磨性并不是堆焊电流的单调函数,它与电流及试验载荷大小相关。同时,在
堆焊层中观察到了不同程度溶解的破化钨,这些溶解的碳化钨进入到镍基合金基体中,
与基体中元素进行反应,形成各种不同形状的复杂化合物,并且随着堆辉电流的增大,
碳化钨溶解现象越来越明显。
关键词:等离子堆焊;镍基耐磨合金;碳化钨;显微组织:耐磨性
等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研宄
Studies on Microstructure and Properties of Ni-based Hardfacing
Reinforeced With Tungsten Carbides by PTAW
Abstract
In order to improve the surface wear resistance, the abrasion-resistant alloy was
deposited on the surface of material. Sometimes for special performance, such as high stress
abrasion resistance, it can be adding carbide particle in it. For the Ni-based hardfacing, the
carbide particle usually was tungsten carbides. There are some reasons for this. On the one
hand, the tungsten carbides has high corrosion resistance, high hardness, high melting point,
good weldability and plastic deformation. On the other hand, the Ni-based alloy has good
wettability with tungsten carbides. It adopts plasma transferred arc welding (PTAW) in this
paper, the reason is that it has lower dilution and deformation, good weld formation, process
stability, easy to realize automation, excellent bonding with substrate and dense and
defect-free deposits.
The Ni-based hardfacings reinforeced with tungsten carbides were deposited on
austenitic stainless steel substrate by plasma transferred arc welding (PTAW). The optical
microscope (OM),scanning electron microscope (SEM) with Energy Disperse Spectroscopy
(EDS), electron probe microanalyzer (EPMA), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence
spectrum analyzer (XRF), infrared carbon sulfur analyzer, microhardness tester and sliding
wear tester were employed to analysis the microstrcture and wear resistance.
The influence of current on microstructure and wear resistance of Ni-based hardfacing
was studied. The results indicated that dendrites constituents was becoming more and more
unconspicuous, the herringbone, feathery and dot community structure were appeared in
coatings and the microhardness was decreased with the increase of the current.
The microstructure and wear resistance of the Ni-based alloy reinforced with different
content and shape of tungsten carbide were researched. In the aspect of microstructure,with the
increasing content of tungsten carbides, in the shape of acicular constituent, block tissue, long
flake and skeleton structures, which including element of W, were precipitated in coatings. In
terms of wear resistance, the wear resistance of coatings increased, with the increasing content of
tungsten carbides. At the same time, the reinforcement effect of spherical tungsten carbide was
better than the irregular tungsten carbides.
The influence of current on microstructure and wear resistance of
Ni-based hardfacing
reinforced with tungsten carbides were researched. In different welding current, the diffusion
rate of element was different during the solidification of coatings, leading to various forms of
ii
organization appeared in the coatings. In terms of wear resistance, the wear resistance of coating
was not monotonic function of current, it related to the current and the size of the test load. The
dissolved tungsten carbides with different degree were found in coatings. They reacted with the
elements of Ni-based alloys to form low melting eutectics, which precipitated in different shapes.
What is more, the dissolved phenomenon of tungsten carbides was more obviously with the
increase of the current.
Key Words: Plasma transferred arc welding; Nickel-base alloy; tungsten carbides;
Microstructure; Wear resistance
-in-
等离子堆舰化钨强化镍基合金组织与性能研宄
目录
m ^ I
Abstract II
1
1
镍基合金
1
镍基合金的分类
1
合金元素对镍基合金的影响
3
碳化钨
4
碳化钨的分类及优点
4
碳化鹤的应用
5
摩擦磨损
5
磨损的分类
5
磨损机理
6
影响磨损的因素
7
等离子弧堆挥
8
课题研究意义及主要内容
9
2实验部分10
实验材料
10
焊前准备与焊后热处理
11
试样的制备
11
显微组织分析
12
摩擦磨损试验
12
3电流对等离子堆焊Ni40合金组织与性能的影响13
实验材料
13
合金堆焊层显微组织分析
13
合金堆焊层硬度分析
23
本章小结
24
4碳化钨的含量及形状对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响25
不同含量球形碳化钨对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响25
实验材料
25
-IV -
合金堆焊层显微组织分析
26
合金堆焊层摩擦磨损性能分析
32
不同含量不规则碳化钨对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响 (36)
实验材料
36
合金堆焊层显微组织分析
37
合金堆焊层摩擦磨损性能分析
44
本章小结
47
5电流对等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响48
电流对等离子堆焊球形碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响48
实验材料
48
合金堆焊层显微组织分析
48
合金堆辉层摩擦磨损性能分析
57
电流对等离子堆焊不规则碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响 (60)
实验材料
60
合金堆焊层显微组织分析
61
合金堆焊层摩擦磨损性能分析
65
本章小结
67
^ it 69
参考文献70
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
76
Sfc if 77
大连理工大学学位论文版权使用授权书
78
:工大学硕士学位论文
1绪论
镜基合金
镍基合金是指在高温下具有较高强度与一定抗氧化腐烛能力等综合性能的一类合
金,它广泛应用于海洋、石油、化工、核电等行业,解决一般不锈钢和其它金属、非金
属材料无法解决的工程问题⑴。其强化机制为:一方面可以通过合金元素固溶强化,另
一方面还能产生沉淀强化[2]。
镍基合金的分类
镍基合金的分类方法通常有两种,一种是按照其化学成分进行分类,另一种是按照
其主要性能特点进行分类,常用的分类方法如图U所示⑴。下面将对镍基耐热合金、镍
基耐蚀合金和镍基耐磨合金作简单的介绍。
镍基合金
I I I I
按化学成分特点I
I按性能特点
ip
^ ^ ^ Jn r-^ r~*~i 丄丨‘
镍迪镍镇镍媒镍镍镍镍镍合
22银责铬铬络铬基基基基基金
55铁2铁相银银耐耐耐精形
金金金金金金合合合合合合记
金金金金金金忆
图镍基合金的分类
Fig. 1 1 The classification of the Ni-based alloy
(1)镍基耐热合金
镍基耐热合金又称为镍基高温合金,它具有组织均句、有害相少和耐氧化腐蚀能力
强等优点,同时,能在高温较大应力条件下工作[3]。它的合金粉末在制造航空发动机润
轮盘上有重要的应用
由于镍基高温合金在工业上应用广泛,众多的学者对镍基高温合金进行了研究。钢
铁研究总院的国为民等人[力对镍基粉末高温合金的组织、性能与成型及热处理工艺关系
进行了研究,他们发现冶金工艺、热处理工艺及内部缺陷都对镍基粉末高温合金组织与
性能产生直接的影响。中国矿业大学王会阳等人【8]对镍基高温合金材料的研宄进展进行
了阐述,主要从力学性能、氧化行为、疲劳行为和高温蠕变行为这几个方面进行了研究。
-1 -
等离子堆挥碳化妈强化镇基合金组织与性能研宄
北京科技大学吴凯等人对镍基高温合金的高温蠕变及固溶冷却速度和前处理对线基
粉末高温合金组织与硬度影响进行了研宄。关于蠕变,他们认为if变阻力是影响铸造镍
基高温合金螺变机制的重要因素。关于固溶冷却速度和前处理,他们认为冷却速度越快,
合金硬度越高,失效后硬度增高越多。钢铁研究总院的张室等人对镇基粉末高温合
金的缺陷进行了分析研究,认为镜基高温合金粉末中的夹杂物、空心、包裹粉、氧化污
染粉等异常颗粒是成型后合金中缺陷的隐患。山东大学的杜劲等人对镍基粉末高温合-
金的铁削加工进行了研究,得到了镍基粉末合金的统削力和统削温度的经验公式。
(2)镍基耐独合金、
镍基耐烛合金在工业上应用广泛,其优点如图所示,现对常用的镇铜合金和镜铬
合金这两种耐烛合金作简单介绍⑴。在国内,常用的两种镍铜合金牌号分别为
Ni68Cu28Fe和Ni68Cu28Al。对Ni68Cu28Fe镍铜耐烛合金而言,其组织结构为典型的单
相奥氏体组织,没有金属间相析出,不存在由于复相合金不同相间电偶反应而引起的腐
烛。在大气中,它具有极高的耐烛性,在天然水和蒸馆水中,其耐烛性也是极佳的,在
有空烛-磨烛条件下,其耐烛性更显优越性,可用于制造螺旋奖、泵轴、冷凝器传热管
和叶轮等。然而,在亚硫酸中,它容易受到腐烛,不能用于处理亚硫酸溶液和造纸工业
中的亚硫酸!。对Ni68Cu28A丨镍铜耐烛合金来说,相对于第一种镇铜耐烛合金而言,它
具有更高的强度和硬度,主要是由于该合金存在金属间化合物沉淀,能起到沉淀强化作
用。该镍铜耐烛合金主要用于泵轴、叶轮、输送器刮刀、油井钻环、弹性部件和阀塾等。
当Ni中添加10%以上的Cr时,便得到了耐烛性和抗氧化性较好的镜铬合金。根据Cr
的添加量不同,可对镜铭耐烛合金进行分类。常用的镍络耐烛合金的牌号有:
0Crl5Ni75Fe、0Cr23Ni63Fel4Al、0Cr20Ni65Ti3AlNb、O0Cr3ONi6OFelO、
0Cr35Ni65等
合金。0Crl5Ni75Fe镜铬合金具有较好的耐烛、耐热、抗氧化、加工及烟接等性能特点,
广泛应用于化学等工业中,例如用于制造加热器、蒸发器、蒸馆塔、冷凝器等设备上,
它也是轻水堆核电厂的重要结构材料;0Cr23Ni63Fel4Al镍络合金在氧化性酸中具有较
好的耐烛性,同时也具有较好的抗氧化性能和抗硫化性能,它主要用于加热设备、化学
工业、航空航天以及动力工业中;0Cr20Ni65Ti3AlNb镍基耐烛合金主要特点是在氧化性
介质中具有良好的耐烛性和耐磨性,主要用于耐烛条件下,例如制造有稀硝酸腐烛并有
振动、撞击条件的计量栗截止球阀;0OCr30Ni6OFel0镍铬合金是一种专用合金,主要用
于轻水反应堆核电站制造蒸发器传热管,以解决不锈钢等材料出现的应力腐她问题;
0Cr35Ni65镇基合金最大特点在于既耐强氧化性酸的腐烛,也耐高温气体的热腐烛,它
一般用于制造耐HN03、HN03+HF混酸的容器、管道、塔和槽等,也用于核化工工业中。
-2 -
一 : ^"&女f白勺而寸t虫十生含巨
坛入其,付合强度高、塑朝性好
金的悦点r~i冶炼和铸造性能好
H冷热变形和加工能力强
图镍基耐烛合金的优点
Fig. The advantages ofNi-based corrosion resistant alloy
(3)镇基耐磨合金
镍基耐磨合金通常是以涂层的形式应用于工业上,制备耐磨镜基合金涂层的常用方
法有电键、化学键、激光溶敷、等离子堆煌、真空溶结和喷烤等手段。由于等离子堆燥
和激光溶敷母材稀释率小、界面成型好、生产效率高和易于实现自动化,故常用来制造
镍基耐磨合金堆燥层。
镍基耐磨合金具有较好的耐磨性能,这是由镍基合金的显微组织决定的。镍基合金
的微观组织主要由枝晶组织和枝晶间组织构成,枝晶间组织主要是一些富铬硼化物和富
铬碳化物,它们都具有很高的硬度。等人[15]釆用等离子堆燥技术在304L不诱钢
表面堆煌镍基耐磨合金,在富含大量针状组织的碳络化合物区域,硬度高达700VHN。
等人对镇基的高温磨损性能进行了研究,发现随着测试温度的提高,镇基
耐磨合金的耐磨性能提高了,在823K的温度下,堆燥层的耐磨性能最好。
等人[17]对激光馆敷镍基合金的耐磨性能进行了研宄,发现在不同的载荷作用下堆烤层的
磨损机制不一样,低载荷的磨损机制为氧化磨损,高载荷的磨损机制为粘着磨损和氧化
磨损。
合金元素对镜基合金的影响
在钢铁中加入合金元素,能改变材料的工艺性能和使用性能。这是因为添加合金元
素后,合金元素与钢中其它元素发生相互作用,改变了钢中各相的稳定性,并产生了许
多新相,从而改变了原有组织[18]。在镍基合金中加入合金元素,也能改变镜基合金的诸
■
多性能,下面简单介绍主要合金元素对镇基合金的影响
(1)钴、铁、猛。它们在一定的温度范围均能与镇形成彼此无限连续固溶体相,均能
-
提高镍的热电势。钻提高镍的硬度及热稳定性。铁、猛能显着降低镍的膨胀系数,铁还
可以通过置换部分镍,降低成本和提高废料利用率,猛能消除硫和碳的有害影响。
(2)络。络在镍中的固溶度可达40%,是许多耐烛及高温镍基合金的重要元素。在耐
烛性方面,它能改进在氧化性腐烛介质中的耐独性,提高耐局部腐t虫性能。在提高高温
-3 -
等离子堆燥碳化鹤强化镇基合金组织与性能研究
性能方面,它能显着提高镜的热强性与热稳定性,并大大提高镍的电阻系数,降低电阻
温度系数。
(3)绍、I太、娃。它们在镍中的溶解度不大。销能提高镍在高温下的抗氧化能力及热
强性。铁能改善燥接热影响区和耐晶间腐烛的性能,并且能显着提高镍的热强性、电阻
系数、热电动势及再结晶温度。提高硅含量(>4%)能提高镍基合金的耐氧化性矿物酸、
硫酸和硝酸腐她的性能,还能提高镍的硬度、强度、电阻系数与耐热性,但含量过高则
会降低塑性。
(4)碳、硼。碳和硼的含量能显着影响碳化物和硼化物的析出量,少量的碳能偏聚于
晶界,形成细小二次相,能有效降低裂纹形成倾向,但碳含量过高,易使得晶界变脆,
裂纹易于扩展,降低合金性能;少量硼对合金的塑性和螺变强度有利,并且能够显着减
小持久缺口敏感性,硼含量过高易降低合金塑性和高温持久性。
碳化销
在表面堆辉技术中,为了进一步提高合金堆燥层的耐磨性,通常在堆煌合金中加入
一定量的硬质粒子,被选用的硬质粒子要求在基体中有较小的溶解度,并且溶点比基体
合金要高,由于碳化鹤具有众多的优点,故通常作为硬质粒子加入到镍基合金和钴基合
金中[2卜26)。
碳化铭的分类及优点
根据碳化妈的获得方法不同,可将其分为铸造碳化鹤、烧结碳化鹤和单晶碳化妈三
类[27_29];根据碳化销的形态不同,又可将其分为球形碳化鹤和不规则碳化鹤两类[21]。图
表示碳化鹤作为硬质粒子的一些优点,正是由于碳化鹤具有这些优点,碳化销才作为
一种硬质粒子广泛添加到其它合金粉末中
碳化鹤
的点
i —丨—I ‘ I I ~~ j i
if 丨可 ^ n Q D mWi ftS"
烛i伟3 S当S有塑被湿
性性S 1 I f 一性合
if ifj ^ Q n H ^
图碳化鹤的优点
Fig. The advantages of tungsten carbides
—4 -
碳化鹤的应用
在表面改性激光堆扞和等离子堆'焊过程中,碳化鹤通常作为硬质粒子添加到合金堆
辉层中,目前研宄比较多的都是向镍基合金和钴基合金中加入碳化鹤硬质颗粒,这是由
于镍基合金和钴基合金对碳化鹤有良好的润湿性,在磨损过程中,碳化鹤在基体中起抗
磨作用,基体能防止碳化鹤裂纹扩展和承受一定的冲击载荷作用[34]本课题也是基于此
而展开研宄的。
1.1Inconel600镍基合金焊接方案 本工程中有Inconel600镍基合金管道36.8m，数量不多，但焊接要求严格。 由于气化装置是把煤转化水煤气等过程，整个系统是在较高温度和压力下操作，工艺介质中含有CO、CO2、H2S、H2、COS、NH2等可燃性、有毒介质，所以对管道材质要求较高。因此，我们特编写了镍合金管道的焊接方案，具体施工时将根据设计说明及技术要求再对本方案进一步的修改和补充。 1.1.1编制依据： 1) 《青海中浩60万吨/年甲醇项目建筑安装工程施工招标文件》； 2）《石油化工鉻镍奥氏体钢、铁镍合金和镍合金管道焊接规程》SH/T3525-199； 3）《现场设备、工业管道焊接工程施工验收规范》GB50236-1998； 4）《石油化工剧毒、可然介质管道工程施工及验收规范》SH3501。 1.1.2材料验收 焊接材料应有出厂质量证明书，其中焊条应符合《镍及镍合金焊条》GB/T13814的规定，焊丝应符合《镍及镍合金焊丝》GB/T15620的规定。 焊接材料应进行验收。验收合格后，应作好标示，入库储存。 焊接材料的储存、保管应符合下列规定： 焊材库必须干燥通风，库房内不得有有害气体和腐蚀介质。 焊接材料应存放在架子上，架子离地面的高度和墙壁的距离均不得小于300mm。 焊接材料应按种类、牌号、批号、规格和入库时间分类放置，并应有标示。 焊材库内应设置温度计和湿度计，保持库内温度不抵于5℃，相对湿度不大于60%。 焊接用的氩气纯度不应低于99.6%。 1.1.3焊前准备 管子切割及坡口加工宜采用机械方法，若采用等离子切割，应清理其加工面。 坡口加工后应进行外观检查，坡口表面不得有裂纹、分层等缺陷。
镍基合金INCONEL 625的焊接 引言：在石油化工建设工程中，常会遇到镍基合金这种材料，因这种材料具有耐活泼性气体、耐苛性介质、耐还原性酸介质腐蚀的良好性能，又具有强度高、塑性好、可冷热变形和可加 工成型及可焊接的特点，广泛应用于石油化工中。例如：在安徽铜陵六国化工合成氨装置 气化工段中，就有这种材料，它的具体名称为INCONEL 625，用于输送氧气介质。 关键词：镍基合金焊接热裂纹 1 镍基合金INCONEL 625的化学成分及对焊接性能的影响 为了研究INCONEL 625的焊接，我们有必要对这种材料的化学成分进行了解。镍基合金INCONEL 625的化学成分见表1： 在Ni中添加Al、Cr、Fe、Mo、Ti能引起较强的固溶强化，Mo可改善镍基合金的高温强度，Nb 则可以稳定组织，细化晶粒，改善材料性能，Cr在Ni中的固溶范围约为35%～40%，而Mo在Ni中的固溶范围大约为20%。Cr、Mo等合金材料的添加不但增加其耐蚀性，而且对材料的焊接性能没有不利影响。添加Ti、Mn、Nb则可提高材料的抗热裂纹和减少气孔。Si在钢中是脱氧剂和抗氧化剂。而C的含量很小，因Ti和Nb的存在一般不会产生晶间腐蚀。 镍基合金的焊接性对S则较为敏感，S不溶于Ni，在焊接凝固时可形成低熔点的共晶体，易产生热裂纹。P在镍基合金中也会增加裂纹的敏感性。 2 镍基合金INCONEL 625的焊接特点 2.1 焊接热裂纹镍基合金INCONEL 625在焊接时具有较高的热裂纹敏感性。热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹。结晶裂纹最容易发生在焊道弧坑，形成火口裂纹。结晶裂纹多半沿焊缝中心线纵向开裂。液化裂纹则易出现在紧靠融合线的热影响区中，有的还出现在多层焊的前层焊缝中。高温失塑裂纹既可能出现在热影响区中，也可能发生在焊缝中。各种热裂纹有时是宏观裂纹，或宏观裂纹伴随微观裂纹，也有时仅仅是微观裂纹。热裂纹发生在高温状态，常温下不再扩展。2.2 污染物的影响焊件表面的清洁性是保证镍基合金INCONEL 625焊接质量的一个关键。焊件表面的污染物主要是表面氧化皮和引起脆化的元素。镍基合金INCONEL 625表面氧化皮的熔点比母材高得多，常常可能形成夹渣或细小的不连续的氧化物，S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb及As等凡是能和Ni形成低熔点共晶体的元素都是有害元素。这些有害元素大大增加了镍基合金焊接时的热裂纹倾向。这些元素常常存在于预制过程中使用的材料中，例如：油脂、油漆、测温笔和记号笔的墨水常含有这些元素。因此，在焊接前，必须彻底清除，包括坡口外50mm范围内均属于清除范围。 清除方法取决于污染物的种类，对于油脂类物质，可采用蒸汽脱脂，或用丙酮清洗。对于油漆类物质，可采用氯甲烷、碱液、甲醇清洗，也可采用打磨的方法清除。 2.3 焊接热输入的影响采用高热输入会使焊缝接头产生一定程度的退火，并伴随晶粒长大，而使组织发生相变，降低材料的机械性能。此外，高热的输入，还可能使晶相组织产生过度的偏析，碳化物沉淀并析出，从而引起热裂纹，并降低耐蚀性。 在选择焊接方法和焊接工艺时，必须考虑到这一点，因此，在实际操作时采用小电流，窄焊道，多层焊较为合理。 需要指出的是，有些镍基合金焊接加热后对靠近热影响区的焊缝组织会产生不良影响。例如Ni-Mo合金焊接后需通过退火处理来消除这种影响，恢复其耐蚀性。但对于INCONEL 625这种合金来说属于Ni-Cr-Mo合金, 象奥氏体不锈钢一样，镍基合金的显微组织也是奥氏体，固态情况下不发生相变，母材和焊缝金属的晶粒不能通过热处理细化，因此，镍基合金INCONEL 625不需要进行热
镍基合金焊接材料 镍及镍合金焊条
产品名称：镍及镍基合金焊材 产品说明: Ni102镍及镍合金焊条型号GB/T：ENi-0 说明：钛钙型药皮的纯镍焊条，具有较好的力学性能及耐热、耐腐蚀性，交、直流两用，采用直流反接。 用途：用于化工设备、食品工业，医疗器械制造中镍基合金和双金属的焊接，也可用作异种金属的过渡层焊条，具有良好的熔合性和抗裂性。 熔敷金属化学成份/% C≤0.03 Mn 0.6-1.1 Si≤1Ni≥92Fe≤0.5 Ti 0.7-1.2 Nb 1.8-2.3 S≤0.015P≤0.015 Ni112镍及镍合金焊条型号GB/T：ENi-0 相当于AWS：ENi-1 说明：钛钙型药皮的纯镍焊条，具有较好的力学性能及耐热、耐腐蚀性，交、直流两用，采用直流反接。 用途：用于化工设备、食品工业，医疗器械制造中镍基合金和双金属的焊接，也可用作异种金属的过渡层焊条，具有良好的熔合性和抗裂性。 熔敷金属化学成份/% C≈0.04Mn≈1.5Ni≥92Fe≈3Ti≈0.5Nb≈1S≤0.015P≤0.015 Ni202镍及镍合金焊条型号GB/T：ENiCu-7 相当于AWS：ENiCu-7 说明：钛钙型药皮的Ni70Cu30蒙乃尔合金焊条，含适量的锰、铌，具有较好的抗裂性，焊接时电弧燃烧稳定，飞溅小，脱渣容易，焊接成形美观，采用交流或直流反接，采用直流反接。用途：用于镍铜合金与异种钢的焊接，也可用作过渡层堆焊材料。 熔敷金属化学成份/% C≤0.15 Mn≤4Si≤1.5 Ni 62-69 Fe≤2.5Ti≤1Nb≤2.5 S≤0.015 P≤0.02Al≤0.75 Cu余量 Ni207镍及镍合金焊条型号GB/T：ENiCu-7 相当于AWS：ENiCu-7 说明：低氢型蒙乃尔合金焊条，具有良好的抗裂性和焊接工艺性能。 用途：用于焊接蒙乃尔合金焊条或异种钢，也可用作过渡层堆焊材料。 熔敷金属化学成份/% C≤0.15Mn≤4Si≤1.5 Ni 62-69 Fe≤2.5Ti≤1Nb≤2.5S≤0.015 P≤0.02 Cu余量 Ni307镍及镍合金焊条型号GB/T：ENiCrMo-0
第31卷第6期 皮也洗| V ol.31, No. 62017 年 11 月 PO W E R E Q U IP M E N T Nov. 2017核电技术]; 核电设备中的镍基合金堆焊工艺 李双燕，张茂龙 (上海电气核电设备有限公司，上海201306) 摘要：从堆焊工艺原理、焊接设备、焊接材料、焊接参数方面介绍了四种不同核电蒸汽发生器管板堆焊 方法，并对四种不同堆焊工艺进行了对比分析。结果表明：在管板镍基合金堆焊方式的选择上，双热丝等离 子堆焊更具有优势；C dc I 690镍基合金双热丝等离子堆焊技术，可应用于核电设备的产品堆焊。 关键词：核电设备"镍基合金"堆焊 中图分类号：TM 623. 91; TL 353. 13 文献标志码：A 文章编号！671-086X(2017)06-0411-05 ApplicationofNickd-basedAlloyCladdingTechnology in Manufacture of Nuclear Power Equipment Li Shuangyan，Zhang Maolong (Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co .，Ltd .，Shanghai 201306，China) Abstra c t ： A comparative analysis was conducted on four different cladding technologies for nuclear steam generator with tube-tubesheet joints from the aspects of welding technology ， welding equipment，welding consumables and welding parameters. Results show that the dual-hot wires g metal plasma arc c ladding technology is prevailing in the welding of nickel-based alloy tube-tubesheet joints，which can be used in actual cladding of nuclear power equipment products made of Inconel 6 90 nickel-based alloy.K ey word s ： nuclear power equipment ； nickel-based alloy ； cladding 核电站设备蒸汽发生器管板一回路侧长期 接触带 性和腐蚀性的载热剂介质，若在表 面 面积堆焊镍基合金，可以保 的耐腐 蚀性。管板表面镍合金堆焊层的质量优劣关 系到U 形管与管板接头的焊 量。 ，管板堆焊工艺的选择至关重要，一方面需要考虑管板 堆焊的生产效率及堆焊层质量，另一方面需要考 堆焊层的纯净度，以便后面工序 管子管 板接头焊缝的返修率。 Incon e l 690镍基合金材料焊接性比较差，热 裂纹敏感性高，堆焊金属润湿性差[1]，对氧化、高 温 （DDC )敏感。目前 在蒸汽发生器管板的大面积镍基合金堆焊 ，常采用的堆焊工艺 热丝惰性气体 保护堆焊 (T I G 堆焊$带极电渣堆焊、带 弧堆焊，但镍基合金热丝等离子堆焊的研究较少。1堆焊方法介绍1.1带极埋弧堆焊图1为带 弧堆焊的原理示意图。图1带极埋弧堆焊原理 收稿日期！017-02-14;修回日期！017-02-22 作者简介：李双燕（1978%)，男，工程师，主要从事核电设备和化工压力容器焊接与热处理技术工作。 E-mail ： lishy@shanghai-electric. com
ICS 点击此处添加中国标准文献分类号 团体标准 T/CNEA XXXX—XXXX 压水堆承压部件焊接第10部分： 镍基合金堆焊用焊带焊剂 Welding for pressure-retaining components of PWR-Part 10： Nickel-alloy strip and fluxex for cladding 点击此处添加与国际标准一致性程度的标识 （征求意见稿） （本稿完成日期：） XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施中国核能行业协会发布
T/CNEA XXXX—XXXX 目次 前言................................................................................ II 引言............................................................................... III 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 4 型号 (1) 5 技术要求 (2) 6 试验方法 (4) 7 检验规则 (6) 8 包装、标志和质量证明文件 (7) I
T/CNEA XXXX—XXXX II 前言 本文件按照GB/T 1.1—2020的规定起草。 T/CNEA ××××《压水堆承压部件焊接》与T/CNEA ××××《压水堆承压部件设计与制造》、T/CNEA ××××《压水堆承压部件材料》、T/CNEA ××××《压水堆承压部件无损检测》和T/CNEA ××××《压水堆承压部件设备设计制造》共同构成支撑《压水堆承压部件》团体标准体系。 本文件是T/CNEA ××××《压水堆承压部件焊接》的第10部分。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国核能行业协会提出并归口，技术支持单位为上海核工程研究设计院有限公司、核工业标准化研究所、苏州热工研究院有限公司。 本文件起草单位：上海核工程研究设计院有限公司、哈尔滨焊接研究院有限公司、宝武特种冶金有限公司、上海电气核电设备有限公司、东方电气（广州）重型机器有限公司、中广核工程有限公司、中国核动力研究设计院、苏州热工研究院有限公司、宝山钢铁股份有限公司。 本文件主要起草人：谷雨、姚俊俊、左波、余燕、陈佩寅、徐长征、张敏、吴东球、金亮、黄敏、陈忠兵、吴巍。 本文件为首次发布。
镍基合金NO6600的焊接工艺 摘要：本文根据镍基合金NO6600材料的特点，针对有害气体对镍基材料焊接时的影响、焊缝金属流动性差、焊接熔深浅等分析该材料的焊接性能，论述镍基合金N06600管道的焊接工艺。 关键词：镍基合金N06600；焊接性能分析；焊接工艺 一．概述 我单位承建的四川维尼纶厂30万吨/年醋酸乙烯项目整合甲醇装置中，氧气管道、天然气管道采用镍基合金N06600材料，管道的主要规格有：φ325×17.5、φ114×6.0、φ89×11.0、φ48×10等。针对镍基合金N06600材料焊接难度大，合格率偏低的现象，进行焊接性能分析、制定出焊接工艺并指导焊接作业。 二．材料特性 镍基合金N06600材料是Inconel系列中的Ni-Cr-Fe固溶强化耐蚀合金，在化学、石油、湿法冶金、航天等许多领域广泛应用。其特点是熔点高、耐热、耐腐蚀、强度高，具有良好的抗氧化性能、力学性能和加工性能；象奥氏体不锈钢一样，镍基合金N06600材料显微组织也是奥氏体，固态没有相变，母材和焊缝金属的晶粒不能通过热处理细化。其化学成分见表1，力学性能见表2。 表1 NO6600材料的化学成分（质量分数）（％） C Mn S Si Ni Cr Cu Fe ≤0.15 ≤1.0 ≤0.015 ≤0.5 ≥72 14～17 ≤0.5 6～10 表2 NO600材料的力学性能 屈服强度/MPa 抗接强度/MPa 延伸率δ 355 695 32 三．焊接性分析 镍基合金N06600材料焊接时，有害气体对焊缝金属性能有很大的的影响，焊件表面的污染物质对焊缝金属性能有很大的的影响，容易产生焊接热裂纹；限制热输入，熔池流动性差和熔深较浅等，给焊接带来不利因素。
（译文仅供参考翻译：凌张庆审核：陈娟） S3700 碳钢和低合金钢上的镍基合金堆焊 在下列规定的条件下，S3600中的要求也适用于这类堆焊。 S3710 评定的有效范围 遵照S3610的规定。 S3711 车间 遵照S3611的规定。 S3712 母材：牌号 遵照S3612的规定。 S3713 母材：形状和尺寸 遵照S3613的规定。 S3714 焊接方法 遵照S3614的规定。 S3715 焊接填充材料和保护气体 遵照S3615的规定，并应满足：对在b)段中所规定的第二层上所使用的焊条直径应不超过第一层所使用的焊条直径不做要求。 S3716 堆焊层数和堆焊顺序 遵照S3616的规定。 S3717 焊接位置和方向 遵照S3617的规定。 S3718 焊接工艺和参数 遵照S3618的规定。 S3719 热处理 遵照S3619的规定。 S3720试件的制备 遵照S3620的规定。 S3730评定试件的检验和试验 S3731 概述 ――所有试样都应在试件经过根据评定文件规定的整体热处理和无损检验
之后进行。 ――如果试件是由几种焊接方法焊成的，则所取试样，应尽可能代表每种焊接方法所具有的特性。 ――力学性能试样应取在无损检验显示的质量最好的区域。 另一方面，宏观和/或微观检验试片，应取在无损检验的缺陷显示合格区。 ――检验应说明所涉及的所有基本焊接位置的特性，并通过试件对其进行评定（见S3717），在每一相应区域中应作一组试验。 S3732 无损检验 评定试件应经过为评定产品堆焊件所规定的所有无损检验，并且必须满足1级要求。其表面状态应与产品堆焊表面的最不利状态相似。 S3733 破坏性试验 试样类型及试验方法按附录SI的规定。 a) 弯曲试验 根据附录SI（SI 230），应取4个侧弯试样，其中两个试样垂直于焊接方向，另两个试样平行于焊接方向。 b) 化学分析 化学分析用的金属试样，是从堆焊层的焊态表面磨掉0.5mm后在深度2mm范围内取得。应检验的化学元素含量有：碳、硅、硫、磷、锰、镍、氮、钴、铁、铌、钽、铜、钛等。 另外，在管板堆焊镍基合金的情况下，应对与管子焊接有关的堆焊层再进行化学分析。为此，应从这些堆焊层表面以下2mm范围内取化学分析试样。 c) 金相检验 金相检验取样条件按下述规定： ――一个试样应取在垂直于焊接方向，并应涉及第一层和以后几层焊道（最后一层最少含三个叠加区）。 ――另一个试样应取在平行于焊接方向，当采用高能自动焊时，试样应取在S3622规定的焊接中断和重新开始的母材和熔敷金属区。 上述检验应按照附录SI（SI 400）要求进行。
第九章堆焊 随着科学技术的进步，各种产品、机械装备正向大型化、高效率、高参数的方向发展，对产品的可靠性和使用性能要求越来越高。材料表面堆焊作为焊接技术的一个分支，是提高产品和设备性能、延长使用寿命的有效技术手段。 堆焊是用焊接方法在金属材料或零件表面上熔敷一层有特定性能的材料的工艺过程。 第一节堆焊的特点及应用 一、堆焊的特点 堆焊的物理本质、热过程、冶金过程以及堆焊金属的凝固结晶与相变过程，与一般的焊接方法相比是没有什么区别的。然而，堆焊主要是以获得特定性能的表层、发挥表面层金属性能为目的，所以堆焊工艺应该注意以下特点： 1.根据技术要求合理地选择堆焊合金类型 被堆焊的金属种类繁多，所以，堆焊前首先应分析零件的工作状况，确定零件的材质。根据具体的情况选择堆焊合金系统。这样才能得到符合技术要求的表面堆焊层。 2.以降低稀释率为原则，选定堆焊方法 由于零件的基体大多是低碳钢或低合金钢，而表面堆焊层含合金元素较多，因此，为了得到良好的堆焊层，就必须减小母材向焊缝金属的熔入量，也就是稀释率。 3.堆焊层与基体金属间应有相近的性能 由于通常堆焊层与基体的化学成分差别很大，为防止堆焊层与基体间在堆焊、焊后热处理及使用过程中产生较大的热应力与组织应力，常要求堆焊层与基体的热膨胀系数和相变温度最好接近，否则容易造成堆焊层开裂及剥离。 4.提高生产率 由于堆焊零件的数量繁多、堆焊金属量大，所以应该研发和应用生产率较高的堆焊工艺。 总之，只有全面考虑上述特点，才能在工程实践中正确选择堆焊合金系统与堆焊工艺，获得符合技术要求的经济性好的表面堆焊层。
二、堆焊的应用 堆焊工艺是焊接领域中的一个重要分支，它在矿山、电站、冶金、车辆、农机等工业部门的零件修复和制造中都有广泛的使用。其主要用途有以下两个方面： 1.零件修复 由于零件常因为磨损而失效，例如石油钻头、挖掘机齿等，可以选择合适的堆焊材料对其进行修复，使其恢复尺寸和进一步提高其性能。而且用堆焊技术进行修复比制造新零件的费用低很多，使用寿命也较长，因此堆焊技术在零件修复中得到广泛。 2.零件制造 堆焊工艺可以采用不同的基体，在这些基体上使用不同的堆焊材料使表面达到我们所需要的性能，如耐磨性、耐蚀性、耐热性等等。利用这一工艺不仅能保证零件的使用寿命而且还避免了贵金属的消耗，使设备的成本降低。 三、堆焊金属的使用性能 不同的工作条件要求堆焊金属要有不同的使用性能，其主要的使用性能包括耐磨性、耐蚀性、耐高温性和耐气蚀性等。 1.耐磨性 磨损是材料在使用过程中表面被液体、气体或固体的机械或化学作用而造成的破坏现象。磨损是一个很复杂的微观破坏过程，它是金属材料本身与它相互作用的材料以及工作环境综合作用的结果。磨损有五个基本类型：粘着磨损、磨料磨损、冲击浸蚀、疲劳磨损和微动磨损。下面我们介绍一下前面两类。 （1）粘着磨损它是由于材料之间相对移动，两接触面之间凹凸不平，个别接触点之间发生焊合、变形而造成撕裂或转移结合到另一表面上，而产生的表面被破坏的现象。这种磨损有三类，当载荷很小时，由于摩擦热产生氧化膜，阻止滑动的焊合现象，为氧化磨损。当载荷很大，滑动面产生的焊合为金属磨损。擦伤（包括撕脱和咬死）是第3类磨损形式。 粘着磨损多发生在滑动摩擦的结构件润滑不良或不进行润滑的时候，比如轴、轴承、高压阀门的阀座、切削刀具等零件的工作中。
压水堆承压部件焊接第10部分：镍基合金堆焊用 焊带和焊剂 （征求意见稿）编制说明 一、工作简况 1、任务来源 《压水堆承压部件焊接第10部分：镍基合金堆焊用焊带和焊剂》是《压水堆承压部件》系列标准焊接专篇的第10部分，由上海核工程研究设计院有限公司（以下简称“上海核工院”）等单位编制。 该标准经过中国核能行业协会评审并经过公示后予以立项，并由上海核工程研究设计院有限公司与中国核能行业协会签订《中国核能行业协会团体标准制（修）订专项技术服务合同》。 团体标准《压水堆承压部件焊接》系列标准编制周期为18 个月，自2020 年1月1日至2021年6月30日，其中项目的节点要求如下： ?2020年6月30日前，完成项目征求意见稿。 ?2020年10月30日前，完成项目送审稿。 ?2021年2月28日前，完成项目报批稿。 2、主要工作过程 2.1 前期准备（2019年12月-2020年1月） 2019年12月，中国核能行业协会发布了《关于2019年度中国核能行业协会首批团体标准审批通过项目公示的通知》（〔2019〕556号），计划于2020年基本完成核能行业协会首批团体标准工作。 上海核工院消化了吸收中国先进核电标准体系研究重大专项课题的研究成果，收集了ASME BPVC规范、RCC-M标准以及国标（GB）和能源局标准（NB）等核电有关的焊接材料标准，结合中国先进核电标准体系研究（第二阶段）重大专项课题研究任务，对相关标准进行了研究、对比和分析。
2.2 标准起草阶段（2020年1月1日至2020年2月28日） 上海核工院成立了《压水堆承压部件》标准编制小组，分解工作任务、文件收集和调研分析、明确标准编制的进度控制。 在前期准备阶段成立标准编制小组和明确工作任务后，结合中国先进核电标准体系研究（第二阶段）重大专项课题已完成的研究报告，确立编制标准的构架、技术内容以及本标准编制的进度安排。 在上述调研分析的基础上同时结合国内实际情况，起草了本标准的初稿。 2.3 组内讨论阶段 2020年4月26日，上海核工院组织召开了《压水堆承压部件焊接》系列团体标准组内讨论会，各参编单位就标准初稿进行了评审并形成修改意见。上海核工院根据组内评审意见完成标准初稿的修改，主要修改内容如下：（1）修改GB/T15260版本为2016版。 （2）删除焊带供货状态要求。 （3）进一步明确复验试样制备要求，即：在焊接参数保持不变的条件下，在重新制备的试件上可以仅对不合格的试验项目取双倍试样进行复验。 3、主要参加单位和工作组成员及其所作的工作等 本标准由上海核工程研究设计院有限公司主编，哈尔滨焊接研究院有限公司、宝武特种冶金有限公司、上海电气核电设备有限公司、东方电气（广州）重型机器有限公司、中广核工程有限公司、中国核动力研究设计院、苏州热工研究院有限公司、宝山钢铁股份有限公司等单位参编，编制组成员组成如下，详见表1。 表1标准编制组成员名单
1 材料特性及应用 有良好的抗高温氧化和耐氯离子应力腐蚀性能，对各种废气、碱性溶液和大多数有机酸以及化合物有很高的耐蚀性。在高浓度氯化物中和含OHˉ的苛性溶液中以及在含有微量氯化物和氧的热水和高温水中，具有优良的耐应力腐蚀性能。多用于化学和食品加工设备及热处理设备，如制造加热器、换热器、蒸发器、蒸馏塔、脂肪酸处理用冷凝器等。 2 镍及镍基合金的焊接特点和要求 2．1 焊前清理 镍及镍基合金获得成功焊接最重要的是清理，焊前要严格将焊接坡口及两侧30mm范围内清理干净，尤其要去除表面的氧化层。因为焊接过程中Ni能与P、S、Pb、AI或低熔点的物质形成脆化元素。由于氧化物(一般在540℃以上形成)的熔点高(2 040℃)而镍的熔点低为1 400℃，因而易造成未熔合。另外在镍及镍基合金焊接中的主要有害杂质锌( )、硫(S)、碳(C)、铋(Bi)、铅（Pb)、镉(Cd)等能增加镍基合金的焊接裂纹倾向；氧、氢、一氧化碳等气体在熔化的镍中溶解度极大，而在固态下溶解度大大减小，溶解度的变化是在熔化焊中引起气孔的主要原因。 2．2 焊接接头形式 由于镍及镍基合金熔焊与钢相比具有导热性差，粘性强，熔深较浅，焊缝较高，易形成道间和层间熔合不良，为保证熔透，应选用较大的坡口角度和较小的钝边。同时焊接时尽量采取摆动焊(摆动焊缝宽度不大于焊条直径的3倍)，摆动至2边稍停顿使之熔合良好。
2．3 工艺参数的控制 镍及镍基合金焊接时应选用较小的焊接线能量并严格控制层间温度。由于镍及镍基合金导热性差，如果焊接电流过大，电弧电压过高，焊接速度较慢及层间温度过高都易使焊接接头过热，产生粗大的晶粒，在粗大的柱状晶粒边界上，集中了一些低熔点共晶体，他们的强度低，脆性大，在焊接应力的作用下很容易形成裂纹。这些低熔点共晶体主要有Ni—s共晶、Ni—Pb共晶、Ni—NiO和Ni—P共晶等。由此可见，焊缝中氧、硫、铅、磷等杂质对热裂纹倾向有很大的影响。另外产生粗大晶粒也会使焊接接头的机械性能和耐蚀性能下降。因此在保证熔合良好的情况下尽量选用较小的焊接电流，较低的电弧电压和较快的焊接速度，氩弧焊时焊接电流必须衰减，衰减时间4 ～6秒为好。同时应严格控制层间温度在150 ℃以下(必要时100 ℃以下)，避免焊接接头过热产生热裂纹。 2．4 镍及镍基合金焊缝表面成形的控制 镍及镍基合金焊缝应尽量凸起，自然成形，尽量不使焊缝拉平或凹下。由于镍及镍基合金焊缝金属表面张力大，流动性差，粘性大不易成形，和易产生氧化等因素，自然成形的焊缝一般为凸状，如果焊缝是平坦或下凹状就会由于应力的作用产生裂纹。因此在单面焊双面成形时手弧焊背面最好加垫板，氩弧焊时除加强对正面焊缝的气体保护外，氩弧焊背面必须加气体保护装置。 2．5 预热和焊后热处理 镍及镍基合金焊接一般情况下不需预热和热处理，只是在耐蚀堆焊时考虑适当的预热和热处理。 3 常见缺陷产生原因及防止措施 由于镍基具有单相组织，焊接时存在与奥氏体不锈钢相类似的问题，在焊接时比较容易出现焊缝气孔，焊接热裂纹，未熔合，变形量过大，咬边等缺陷。在实际生产中经常遇到且危害较大的是焊缝气孔和焊接热裂纹。