一种焊缝熔敷金属可再结晶的镍基合金焊丝

摘要

本发明属于超超临界电站焊接材料领域，具体为一种具有高塑性的固溶强化型镍基合金焊丝，适用于超超临界锅炉过热器/再热器管的焊接，过热器及再热器管与锅炉集气联箱(包括接管座)的焊接，其主要特征在于使用该焊丝在TIG焊(钨极氩弧焊)焊接后，焊缝熔敷金属在1000℃及以上焊后热处理可发生再结晶，消除原焊缝内的树枝晶和柱状晶组织；焊后焊缝区硬度为300HV，再结晶处理后硬度降为210HV；消除焊缝残余应力和成分偏析，在组织形貌上和母材基本一致。该镍基合金焊丝的化学成分(重量％)为，Fe＜3％，Cr：14-18％，Al+Ti≤0.45％且Ti/Al＜0.9，Nb：1.0-1.5％，Mo：7.0-9.8％，W＜0.4％，Si≤1.0％，Mn：0.5-1.0％，C≤0.1％，B：0.003-0.005％，Zr≤0.03％，其余为Ni，其他杂质元素总和＜0.1％。

说明书

技术领域：

本发明属于超超临界电站焊接材料领域，具体涉及一种焊缝熔敷金属可再 结晶的镍基合金焊丝。

背景技术：

随着火力发电技术的发展，发展600℃及以上超超临界燃煤发电技术，对我 国节约能源、降低污染物和二氧化碳排放具有十分重要的战略意义和实际应用 价值。电站高温材料的焊接一直是电站建设和生产的关键技术环节，而蒸汽参 数地不断提高，所使用高温材料的合金化程度不断提高，奥氏体不锈钢和镍基 合金大量使用，使得焊接技术难度亦随之增大。

传统的焊缝组织由于熔敷金属没有控轧和形变热处理的机会,带有方向性 的柱状(树枝)晶不可能由此获得细化；同时又由于焊缝冷却速度快，合金元 素偏析严重，且熔敷金属中的Nb、V等在凝固冷却过程中难以呈微细的碳化物、 氮化物析出，故焊缝的综合力学性能远不及母材、且存在各向异性。随着焊接 接头服役时间的延长，焊缝力学性能(尤其是韧性)衰减显著，使用寿命缩短； 同时由于焊接残余应力，易发生应力腐蚀(SCC)，成为整个(焊接)部件的薄 弱环节，影响电站的安全运行。

针对该类焊缝存在的问题，且国内现有的焊材体系中，还未发现有此类镍 基合金焊丝，也未发现相关的技术报导。对该焊接材料的焊缝熔 敷金属具有如下技术要求：焊缝熔敷金属经过焊后再结晶处理，原焊缝组织内 的带有明显方向性的柱状(树枝)晶全部转变为等轴晶，硬度由290～310HV下 降到200～220HV，同时最大程度地消除成分偏析和焊接残余应力，使焊缝组织 和母材具有一致性。

固溶强化镍基合金焊材热稳定性好，基体无固相相变。通过合金元素对基 体的作用机制来提高材料的热膨胀系数和塑性，从而在焊接过程中产生大的热 (膨胀)应力使熔敷金属高温下发生塑性变形；同时由于奥氏体基体良好的塑 性，避免了在较大的焊接残余应力和变形量下发生开裂。由于焊缝凝固及冷却 速度很快，焊缝熔敷金属残余变形量和塑性变形的畸变能存留下来，在随后的 焊后热处理中，焊缝熔敷金属在再结晶温度以上发生了(静态)再结晶。

焊接热应力引起的焊缝熔敷金属塑性变形，超过其再结晶的临界变形量ε_cr， 且小于其最大塑性变形量δ_max。

即，ε_cr<ε_焊缝<δ_max

Mn、B元素的添加减弱了合金的因瓦特性，会增大合金的热膨胀系数。Ti 和Al均为有序结构的强化相′(Ni₃(Al,Ti))的形成元素，作为固溶强化的合金 焊材，应尽量降低Ti和Al元素的含量，可避免焊后热处理再热裂纹的产生；同时 要控制Ti/Al比，Ti/Al比过高时会降低高温时的组织稳定性，发生脆性η(Ni₃Ti) 相转变，降低合金的高温塑性。严格控制W和Zr元素含量，以避免焊接性发生劣 化。

此外，稀土元素会降低镍基合金液态的流动性，增大焊缝结晶裂纹敏感性， 故焊丝化学成分中不含稀土元素。

发明内容：

本发明的目的是针对现有的超超临界电站锅炉过热器/再热器管焊接接头残 余应力大、成分偏析严重、焊缝区凝固(铸)态组织明显等问题，提供了一种 焊缝熔敷金属可再结晶的镍基合金焊丝。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现的：

一种焊缝熔敷金属可再结晶的镍基合金焊丝，该镍基合金焊丝由以下成分 按重量百分比制备而成：Fe＜3％，Cr：14-18％，Al+Ti≤0.45％且Ti/Al＜0.9， Nb：1.0-1.5％，Mo：7.0-9.8％，W＜0.4％，Si≤1.0％，Mn：0.5-1.0％，C≤0.1％， B：0.003-0.005％，Zr≤0.03％，其余为Ni，以及其他杂质元素总和＜0.1％。

本发明进一步的改进在于，该镍基合金焊丝使用真空炉冶炼，经过锻造、 轧制、冷拉及退火后，最终形成镍基合金焊丝。

本发明进一步的改进在于，镍基合金焊丝的规格为Φ1.5-2.4mm，采用焊接 工艺为：手工TIG焊或半自动填丝钨极惰性气体焊TIG，焊接电流强度：105-210A， 焊接电弧电压：10.5-18V，焊接速度为：100～150mm/min，电流种类/极性：直 流DC/正接SP，层间温度不高于100℃，保护气体：Ar，气体流量12～16L/min。

本发明进一步的改进在于，使用时，采用钨极氩弧焊焊接，使用Ar作为保 护气体，形成焊缝熔敷金属。

本发明进一步的改进在于，焊缝熔敷金属经过在1000～1100℃热处理30～60 分钟后，空冷，焊缝熔敷金属发生再结晶。

本发明进一步的改进在于，镍基焊丝适用于超超临界锅炉用过热器及再热 器管的焊接，过热器及再热器管与锅炉集气联箱的焊接。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、经实验，本发明适用于超超临界电站锅炉高温部件的焊接，镍基焊丝适 用于超超临界锅炉用过热器及再热器管的焊接，过热器及再热器管与锅炉集气 联箱(包括接管座)的焊接。

2、利用本发明焊丝焊接时，焊缝熔敷金属高温塑性好，不易产生焊接裂纹。

3、本发明焊丝能够实现焊缝的微合金化，得到符合标准要求的焊缝。

4、利用本发明焊丝焊接时，焊缝熔敷金属经过焊后再结晶(热)处理后， 焊缝区凝固态的柱状晶和树枝晶的转变为等轴晶，最大程度地消除焊缝成分偏 析和焊接残余应力，保持和母材组织的一致性。

附图说明：

图1为焊接IN740H镍基合金(母材)焊接接头组织的光学显微镜形貌照片； 其中，图1(a)为焊态组织的光学显微镜形貌照片，图1(b)为焊后再结晶热 处理组织的光学显微镜形貌照片。

图2为焊接GH2984镍铁基合金(母材)焊接接头组织的光学显微镜形貌 照片；其中，图2(a)为焊态组织的光学显微镜形貌照片，图2(b)为焊后再 结晶热处理组织的光学显微镜形貌照片。

具体实施方式：

下面将结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

参见图1，使用该焊丝(Φ1.5mm)采用手工TIG焊，对IN740H镍基合金 进行焊接，焊接电流：140A，焊接电压：13V，焊接速度为：110mm/min，电流 种类/极性：直流DC/正接SP，层间温度不高于100℃，保护气体：Ar，气体流 量13L/min。焊后进行1050℃/1h热处理，焊缝组织由焊后的柱状晶和树枝晶变 为等轴晶，且无焊接裂纹等缺陷产生。焊后焊缝处硬度为310HV，冲击韧性为 22kJ；焊后热处理后，硬度降为215HV，冲击韧性为31kJ。

实施例2：

参见图2，使用该焊丝(Φ2.4mm)采用手工TIG焊，对GH2984镍铁基合 金进行焊接，焊接电流：160A，焊接电压：14V，焊接速度为：120mm/min，电 流种类/极性：直流DC/正接SP，层间温度不高于100℃，保护气体：Ar，气体 流量15L/min。焊后进行1100℃/30min热处理，焊缝组织由焊后的柱状晶和树 枝晶变为等轴晶，且无焊接裂纹等缺陷产生。焊后焊缝处硬度为300HV，冲击 韧性为26kJ；焊后热处理后，硬度降为210HV，冲击韧性为46kJ。