核电用新型镍基合金焊丝熔敷金属组织研究

核电用新型镍基合金焊丝熔敷金属组织研究郭

枭1袁2袁徐

锴1袁陈

波2袁陈佩寅2袁霍树斌2袁王

猛2

（1.哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江哈尔滨150028；2.哈尔滨威尔焊接有限责任公司，黑龙江哈尔滨150028）

采用OM、SEM、EDS等方法针对试制的新型镍基合金焊丝GTAW熔敷金属开展组织、凝固偏析摘要：

行为等研究，结果表明：1#、2#焊丝熔敷金属金相组织较为相似，主要为柱状晶，在枝晶间存在偏析区域，不同的是2#焊丝熔敷中未发现Laves相+酌共晶组织；Nb、Ta、Mo的初凝平衡分配系数小于1，在结晶过程中更倾向于分配在残余液相，Fe的初凝平衡分配系数大于1，倾向于分配在固相中，Ni、Cr基本为固液平均分配；2#焊丝中Ta加入对各元素的初凝平衡分配系数影响不明显，但对组织有显著影响，避免了低熔点Laves相+酌共晶组织的形成，减小了熔敷金属的结晶温度区间。核电；镍基合金；焊丝；钽关键词：

TG42；TM623A中图分类号：文献标志码：

10.7512/j.issn.1001-2303.2019.04.20阅韵陨：

员园园员原圆猿园猿（圆园员9）04原园116-05文章编号：

2GUOXiao1，，XUKai1，CHENBo2，CHENPeiyin2，HUOShubin2，WANGMeng2（1.HarbinWeldingInstituteCo.，Ltd.，Harbin150028，China；2.HarbinWellWeldingCo.，Ltd.，Harbin150028，China）

Researchonmicrostructureofdepositedmetalofnewtypenickelalloyweldingwirefor

nuclearpowerindustry

粤遭泽贼则葬糟贼：MicrostructureandsegregationbehaviorduringsolidificationinGTAWdepositedmetalofnewtypenickelalloywelding

wireareinvestigatedbyOM，SEMandEDS.Theresultsshowthatbothmetallographicstructureofdepositedmetalofweldingwire1#

and2#issimilarcolumnarcrystalwithinterdendriticsegregationzone,butnoLaves+酌eutecticstructureexistsin2#depositedmetal.solidphase.NiandCrtendtoevenlydistributebetweenliquidandsolidphase.AddingTainweldingwire2#hasnoobviousmeltingpointLaves+酌eutecticstructureandthenshortensthecrystallizingtemperatureinterval.

ThepartitioncoefficientsofNb，Ta，Moatthebeginningofsolidificationarelessthan1，whichinclinetodistributeinresidualliquidphaseduringcrystallizing.ThepartitioncoefficientsofFeatthebeginningofsolidificationisover1，whichinclinestodistributeininfluenceonpartitioncoefficientsofotherelements，whilehassignificanteffectonmicrostructure，whichavoidstheformationoflownuclearpower；nickelbasealloy；weldingwire；tantalum运藻赠憎燥则凿泽：0前言

凭借着优异的抗主回路水应力腐蚀开裂性能（PWSCC），Inconel690镍基合金已经取代Inconel

600合金被广泛应用于核电关键敏感设备的制造，但Inconel690合金焊缝裂纹敏感性较高。在镍基合金焊接材料中需要加入一定量的Nb，通过在晶

收稿日期院2019-03-19；修回日期：2019-04-12

基金项目院国家科技重大专项资金项目（2018ZX06004001）作者简介院郭枭（1988—），男，在读博士，工程师，主要从事核岛主设备用镍基合金焊接材料的研制工作。E-mail：guoxiaogarden@163.com。

窑窑116耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻核电焊接郭枭，等：核电用新型镍基合金焊丝熔敷金属组织研究第4期界析出一定数量的碳化物使晶界足够蜿蜒，进而增但在散热较差、加焊缝抵抗高温失塑裂纹的能力[1]，

拘束度较大的特殊焊接条件下，仍难以彻底避免高温失塑裂纹。同时，由于Nb元素的偏析倾向较大，随着Nb含量的升高，焊缝结晶裂纹敏感性会增加，单纯靠Nb元素难以同时解决Inconel690镍基合金焊缝高温失塑裂纹与结晶裂纹的难题。2015版ASME规范第域卷C篇SFA-5.14/SFA-5.14M中新纳入ERNiCrFe-13系列焊材，相比于目前国内核电站装备制造用ERNiCrFe-7、ERNiCrFe-7A焊材，其主要变化体现在Nb、Ta、Mo等含量方面，目前国外针对该焊材的相关研究成果[2-3]表明其不仅能够显著提升DDC抗力，而且可以保证足够低的结晶裂纹敏感性，国内相关研究成果相对缺乏。针对Inconel

Nb、625、718等其他镍基合金的研究结果[4-8]表明，

材料w（C）Ta、Mo等合金元素对镍基合金焊缝凝固结晶、组织

有重要影响。基于此，本文开展了核电用ERNiCrFe-13新型镍基合金焊丝熔敷金属组织研究。

1试验材料与方法

试验用材料为实验室试制的2种镍基合金气体保护焊丝，规格为φ1.2mm，1#、2#焊丝化学成分如表1所示，最显著的区别在于1#不含Ta，2#焊丝含有1.46%的Ta，尽管1#、2#在C、Si含量也存在一定区别，但含量均较低，在后续研究中未考虑C、Si元素对组织的影响。

试验用母材采用Q235钢板，规格300mm伊200mm伊30mm。采用GTAW焊，堆焊尺寸约为200mm伊100mm伊30mm的熔敷金属，焊接工艺参数如表2所示。

%

2.1~4.0——3.0~5.052.0~62.028.5~31.04.14.057.753.829.729.2w（Ni）w（Cr）w（Fe）Bal.Bal.Bal.表1焊丝化学成分

——ASMESFA5.14ERNiCrFe-13臆0.03臆0.501#焊丝2#焊丝0.0140.021表2

电流电压220I/A13.5U/Vv1/mm·min120焊接速度-1w（Si）w（Mn）w（Nb）w（Ta）w（Mo）（Nb+Ta）w0.150.06臆1.000.900.912.461.99<0.011.46焊接工艺参数保护气体纯Ar层温控制臆150T/益v2/mm·min1150送丝速度-12.1

2试验结果与分析

金相组织

在堆焊熔敷金属切取试样，通过磨制、抛光和

腐蚀制成熔敷金属横截面金相试样。利用OLYMPUSGX51型光学显微镜观察熔敷金属金相组织，利用ZEISSEVO18型扫描电子显微镜进一步放大观察试样表面微观组织结构，并配合OX-FORDINCA能谱仪进行成分分析。

采用光学显微镜观察堆焊熔敷金属金相组织，结果如图1所示。200倍下1#、2#焊丝熔敷金属组织区别不大，典型形貌以柱状晶为主，在枝晶间存在一定宽度的灰白色偏析区域，在偏析区域芯部存在黑色的微小析出相，晶内也存在微小的析出相。

2.2SEM-EDS分析结果

为探究微观组织各相组成以及主要元素在焊

a1#焊丝

图1

GTAW熔敷金属金相组织

b2#焊丝

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻窑窑117核电焊接

第源9卷

缝冷却凝固过程中的分配规律，利用SEM及X射线能谱仪对熔敷金属金相试样进行微观组织观察

与分析。1#焊丝熔敷金属SEM-EDS分析结果如图2、表3所示。

a低倍典型形貌b高倍典型形貌1

c高倍典型形貌2

图2

表3典型相枝晶干基体酌相偏析带Laves相+酌共晶Laves相碳化物dEDS线扫描结果

1#焊丝熔敷金属SEM-EDS结果

%4.34.53.53.62.42.41.51.40.91.71#焊丝熔敷金属各典型相EDS分析结果1.51.26.120.520.344.043.554.635.94.84.13.65.75.38.811.511.12.12.57.80.20.10.20.20.20.30.420.320.50.357.258.553.854.345.444.825.927.611.621.931.731.029.530.421.923.416.215.810.016.9（Cr）w（Fe）（Ti）w（Ni）ww（Nb）w（Mo）w由图2、表3可知，1#焊丝熔敷金属在枝晶间存

在宽度约4~6滋m白灰色偏析带，相比于灰黑色枝

窑窑118耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻晶干，白灰色偏析带Nb、Mo元素含量较高，Fe含量

较低，Cr、Ni含量相当。偏析带芯部存在不同形态的析出物。一类析出物为岛链状分布的组织，其中不规则块状形态为Laves相，其Nb含量约为42%~44%，Mo含量约为10%~12%，见图2b、2c中，穿过图2c中Laves相的EDS线扫描结果见图2d，Laves相对应位置Nb、Mo含量大幅升高。由于共晶组织熔点较低，（Laves相+酌）共晶组织的存在表明熔敷金属在凝固结晶过程中终凝温度较低，结晶温度区间较宽。另一类析出物为复合型碳化物，EDS结果见表3。尽管EDS结果含有一定量的Mo，但考虑一方面相比于Mo，Nb、Ti更易与C形成碳化物，另一方面，碳化物尺寸较小，EDS分析结果可能会带有基体成分信息，因此认为该碳化物为（Nb，Ti）C复合碳化物。

核电焊接郭枭，等：核电用新型镍基合金焊丝熔敷金属组织研究第4期表4~642#色滋所m示焊白。丝灰2#熔色焊敷偏丝金析熔属带敷SEM-EDS，相比在枝分析结果如图3、

于晶灰间黑色同样枝存晶在干宽，度约Ni偏部不存含析量带相Nb、Ta、Mo元素含量较高，Fe含量较低白，Cr灰、在（当Laves。但不相同+于酌）共1#晶焊组丝织熔，敷不金规属则，形偏析状带的芯析出物呈分散或聚集分布，结合表4中EDS分析结果可Ta知小（含为Nb量约富Nb、Ta的Laves相，其Nb含量约为32%，，Ta，为Ti）12%C复。合型此外碳化物，在晶内。

或枝晶间还存在微a低倍典型形貌1

b高倍典型形貌1

c高倍典型形貌2

图3

2#焊丝熔敷金属SEM形貌

表42#焊丝熔敷金属各典型相EDS分析结果%分析区域w（Nb）w（Ta）w（Mo）w（Ti）w（Ni）w初酌相凝1.010.130.1252.5951.9731.31（Cr）w（30.9910.059.80Fe）灰白色1.031.16偏析带4.541.273.743.8132.914.582.913.015.475.450.110.1347.987.89Laves相31.1912.366.3054.0811.986.120.1248.1229.8128.218.103.8553.0122.0621.08—0.1323.1919.14碳化物MC—8.0024.5220.119.107.368.137.043.756.141.461.522.3元素偏析行为及结晶路径讨论

镍基合金熔敷金属的凝固行为、结晶路径受控

于溶质再分布行为。镍基合金中合金元素的溶质再分布规律估算常用Scheil为元素的有效kc公式

cs=（分配01-fs）

k-1式中k系数；c；f0为溶质元素平均含量s为已凝固的相体积分数。随着元素分配系数的提高，元素的偏析越来越低。随着合金中元素含量的升高，分配系数k的有所增大，偏析应有所降低。忽略凝固过程k值随温度降低可能发生变化，以凝固开始时的k为元素偏析倾向的评价指标，即初凝平衡分配系数，初凝固相质量分数（枝晶干芯部）/名义平均成分，计算结果如表5所示。

表5

初凝平衡分配系数k计算结果%1#项目w（Nb）w（Ta）w（Mo）w（Ni）w（Cr）w（Fe）2#焊焊丝丝0.530.530.79—0.930.940.990.981.061.071.241.21由表5可知，1#焊丝熔敷金属凝0.99平衡分配系数k中各元素的初

素0.79的，k，初1-Cr凝=1.06，

k分别为，k2#1-Nb焊丝熔敷1-Mo1-Fe=1.24=0.53，

金=0.93属中，k各1-Ni元=按照k平衡分配系数分别为k2-Nb2-Mo=0.94=0.53，k2-Ta=初凝平，k衡2-Ni分配=0.98系，k数1-Cr评=1.07价元，素k1-Fe偏=1.21析倾。

向，熔敷Mo金k较为接，1#属、各2#元近焊素。丝偏2#熔析焊敷倾丝金向中的属从各大Ta元到素小依次为：Nb>Ta>的初加入凝平对衡各分配元素系的数初凝平衡分配系数影响不明显。

由SEM及EDS分析结果可推测1#焊丝熔敷金Laves属结晶路径为L→L+酌→L+酌+MC→Laves+→从液相（L+中酌+Laves酌+MC+Laves+（酌+Laves）共晶L+→酌酌+MC++MC+析出，）在共初晶凝。在固结液晶相初界始面阶段Nb、，Mo初凝倾向酌相于

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻窑119窑核电焊接

在Cr残行，在余固固液液液相界界中面面分配不接断近，而Fe倾向于在固相中分配，Ni、推平进衡，Nb分配、Mo。随在着残结余晶液过程的相中不进断富Nb集行，、残Mo，随余等着液含微相量区中较高成分Nb时波、Mo，Laves动、能进一相析量起伏，当局部成分步富出集。，随凝着固结点晶下的降进。终凝阶段时发生L→酌+Laves的共晶反应。

由SEM及EDS分析结果可推测2#焊丝熔敷金Laves属结凝时未→晶发酌+MC+Laves路径为L→生L→酌+Laves。不L+同酌→的于L+共晶反1#酌焊+MC应丝，熔→Ta敷L+的金酌+MC+加入属，终改变了熔敷金属的结晶路径。

3结论

（1）试制的1#、2#焊丝熔敷金属金相显微组织

均为典型的柱状树枝晶，在枝晶间存在偏析区域，偏析区域芯部存在析出相。SEM及EDS分析结果表明，二者组织及成分存在差异，相比于1#焊丝熔敷金属，2#焊丝熔敷金属不存在Laves相+酌共晶组织。

（2）1#、2#焊丝熔敷金属各元素初凝平衡分配系数k较为接近，其中Nb、Ta、Mo为易偏析元素，按照初凝平衡分配系数评价的元素偏析倾向顺序为Nb>Ta>Mo，Ni、Cr初凝平衡分配系数均约为1，凝固结晶过程中在固液界面接**衡分配，而Fe初凝平衡分配系数大于1，凝固结晶过程中在固液界面倾向于在固相中分配。

TaLaves复（合型3）2#相共Laves焊丝中晶组织相Ta的形的形态加入成为，颗粒对组减小状织熔，有显著影响，Nb、敷并金避属免的了低熔结晶点温

120窑耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻第源9卷

度区间。同时含Ta型Laves相的析出温度高于只含Nb型Laves相。2#焊丝中的Ta的加入对各元素的初凝平衡分配系数影响不明显。

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