鎳中間層增強Stellite堆焊層力學性能研究

王 東， 蔣寸才， 王從亦， 肖 騰， 王仲強， 史秋映

1. 河南工業大學 機電工程學院，河南 鄭州 450001 2. 河南省鍋爐壓力容器檢驗技術科學研究院，河南 鄭州 450041

0 引言

Stellite 合金具有良好的耐腐蝕、耐磨損、耐沖蝕和耐高溫性能，因此，Stellite 合金經常被堆焊在汽輪機閥門基體鋼表面［1-2］。在超超臨界條件下，閥體鋼中的Fe元素會向Stellite合金中產生長程擴散，過多的Fe 含量導致Stellite 中α-Co 發生共析反應，生成σ-CrCo 和α-FeCo兩種脆性相，在高速汽流的沖刷和震動作用下，Stellite堆焊層容易產生裂紋或發生剝落，這導致了汽輪機組不可逆的損壞［3-4］。

鎳基合金具有良好的耐腐蝕、耐高溫性能，以及優異的抗拉強度和沖擊韌性，廣泛用于石油化工和電力等領域。例如，Ni625 合金作為緩沖層熔覆在9Cr-1Mo鋼和外側硬質層之間，延緩了界面高硬度熱影響區的形成速率，并降低了外側硬質層中裂紋發生的概率［5］。研究發現ENiCrFe-3中間層能夠減弱基體鋼中Fe元素向Stellite 21硬質層中的擴散速率，緩沖9CrMoV鋼/Stellite 21硬質層界面硬度上的突變，最終減輕外來載荷的沖擊能力［6］。近年來，研究者對F91 鋼表面不同的堆焊層進行了時效實驗，研究發現相比F91 鋼/Stellite 鈷合金，F91 鋼/鎳基合金界面組織更加穩定，且在組織中不會生成σ-CrCo等脆性相［7］。

本研究利用焊條電弧焊在COSTE 鋼/Stellite6合金板中間堆焊ENiCrFe-3合金，作為對比，采用同樣的方法把Stellite6 合金直接堆焊在COSTE 鋼上。研究ENiCrFe-3 合金對堆焊板成分、組織和沖擊性能的影響，闡釋堆焊板沖擊性能發生變化的機理，為今后耐熱鋼表面堆焊層的替換工作提供實驗數據和理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 樣品制備

試驗采用的材料是COST 耐熱鋼、ENiCrFe-3鎳合金和Stellite6 鈷合金，其中COSTE 耐熱鋼作為基體材料，ENiCrFe-3鎳合金作為中間堆焊層，Stel‐lite6 合金作為外側堆焊層，上述材料的具體化學成分如表1所示。

表1 COSTE鋼、ENiCrFe-3和Stellite6合金的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of COSTE， ENiCrFe-3and Stellite 6 alloy （wt.%）

試驗采用焊條電弧焊（SMAW）方法進行多層多道堆焊，在COST 鋼表面分別堆焊鎳中間層和鈷基硬質層，焊接電壓16～20 V，焊接電流120～180 A，焊接速度15 cm/min，焊條直徑4.0 mm。為了提高焊接質量，焊前在基體COSTE 鋼表面開一個坡度45o的U型槽，焊接板結構如圖1所示。

圖1 不同堆焊試樣的結構Fig.1 Structure diagram of the different surfacing samples

首先，基體COSTE鋼在保溫爐中加熱至120 ℃，保溫30 min。然后利用SMAW方法在COSTE鋼表面堆焊ENiCrFe-3 中間層，再在ENiCrFe-3 中間層上繼續堆焊Stellite 6合金，其堆焊板結構如圖1b所示。采用相同的焊接方法和焊接工藝，在COSTE鋼表面直接堆焊Stellite 6 合金（見圖1a），對比堆焊板中的組織和力學性能。在堆焊過程中，各堆焊層之間的溫度差小于350 ℃，堆焊結束后，堆焊板在空氣中冷卻至80～120 ℃，保溫2 h。最后，堆焊板加熱至710 ℃，并保溫12 h，以釋放其內應力。

1.2 檢驗分析

圖2 夏比缺口沖擊實驗中的堆焊試樣Fig.2 The surfacing specimen in Charpy notch impact experiment

2 實驗結果分析

COSTE 鋼/Stellite6 合金堆焊板界面的微觀組織如圖3a所示，COSTE鋼與Stellite6合金堆焊層之間有一條明顯的熔合線，且COSTE鋼/Stellite6合金界面冶金結合良好，并無氣孔等缺陷出現。Stellite6堆焊層近界面的微觀組織主要為胞狀晶，區域寬度約100～200 μm，Stellite6 堆焊層基體中的微觀組織主要為樹枝晶，其主軸方向垂直于熔合線。圖3b、3c 為COSTE 鋼/ENiCrFe-3/Stellite6 堆焊板界面的微觀組織，其中圖3b 為COSTE 鋼/ ENiCrFe-3 界面的微觀組織，COSTE鋼與ENiCrFe-3合金之間有一條明顯的熔合線，ENiCrFe-3 近界面處的組織主要為胞狀晶，遠界面處組織主要為樹枝晶。圖3c 是ENiCrFe-3合金與Stellite6合金界面的微觀組織，兩者之間也有一條明顯的熔合線，界面冶金結合良好，無氣孔等缺陷出現，在ENiCrFe-3合金一側出現大量白色組織。ENiCrFe-3 與Stellite6 的一次樹枝晶主軸方向一致，都垂直于熔合線方向，且ENi‐CrFe-3合金中有一些晶界延伸到Stellite6合金中。

圖3 堆焊層界面處的SEM微觀組織Fig.3 The SEM microstructure across coating interface

圖4 是試樣的XRD 分析結果，COSTE 鋼/ENi‐CrFe-3/Stellite6 堆焊板中主要是α-Fe、α-Co、γ-Ni和碳化物MC相。沿著COSTE鋼/Stellite6和COSTE鋼/ENiCrFe-3 界面的法線方向分別進行了EDS 線掃描，圖5為Co、Ni、Fe和Cr等主要合金元素的分布情況。在COSTE 鋼/Stellite6 堆焊板中，從COSTE鋼一側到Stellite6 合金一側，Fe 含量逐漸降低，Co和Cr 含量逐漸增加；在COSTE 鋼/ENiCrFe-3/Stel‐lite6堆焊板中，從COSTE鋼一側到ENiCrFe-3合金一側，Fe含量逐漸降低，Ni含量在界面處急劇增加，Cr含量基本保持不變。

圖4 COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6堆焊板的XRD分析結果Fig.4 XRD analysis result of the COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6 surfacing plate

圖5 通過堆焊層界面的線掃描Fig.5 EDS line scanning map across the surfacing interface

COSTE/Stellite6 和COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6堆焊試樣分別進行了夏比缺口沖擊實驗，實驗結果如圖6所示。COSTE/Stellite6堆焊試樣的沖擊功平均值為28 J，COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6 堆焊試樣的沖擊功平均值為55 J，ENiCrFe-3 中間層大大提高了COSTE/Stellite6 堆焊試樣的沖擊功。為了進一步解釋堆焊試樣沖擊功升高的原因，觀察試樣斷面的SEM 微觀組織。圖7 為不同堆焊試樣沖擊測試后的斷面組織，COSTE/Stellite6 斷口中出現了河流花樣形貌，斷裂模式為解理斷裂，是典型的脆性斷裂模式（見圖7a）。圖7b為ENiCrFe-3/Stellite6界面附近的斷口組織，ENiCrFe-3和Stellite6展現出了不同的斷口形貌特征，其中Stellite6 堆焊層斷口展現了河流花樣形貌，而對于ENiCrFe-3 中間層斷口形貌表現較為平整，放大后是典型的脈狀韌窩組織，韌窩直徑大約在5～20 μm范圍，在韌窩底部有顆粒脫落的痕跡。

圖6 COSTE/Stellite6與COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6試樣的沖擊功Fig.6 Impact energy of COSTE/Satellite6 and COSTE/ENiCrFe-3/Satellite6 specimens

圖7 沖擊測試后試樣斷面的組織Fig.7 The microstructure of the fractured Charpy test specimens

利用Abaqus 有限元軟件模擬了COSTE/Stel‐lite6和COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6兩種試樣界面的殘余內應力。Stellite6鈷合金、ENiCrFe-3鎳合金和COSTE鋼試樣分別取純鈷、鎳和鎳鉻耐熱鋼的熱膨脹系數和泊松比［6］。試樣中的殘余內應力的分布情況如圖8所示，在COSTE/Stellite6 界面出現了超過600 MPa 的殘余內應力，而COSTE/ENiCrFe-3 和Stellite6/ENiCrFe-3 界面的殘余內應力都不超過400 MPa，明顯低于COSTE/Stellite6 界面處的殘余內應力值。

圖8 不同堆焊試樣中的殘余應力Fig.8 The residual stress of different deposited specimens

3 結果討論

本文采用焊條電弧焊法在COSTE 耐熱鋼表面堆焊硬質合金，在堆焊前期，由于COSTE 鋼基體散熱效果較好，COSTE 鋼/Stellite6 合金界面具有較大的正向溫度梯度，固-液界面前沿的成分過冷度較窄，這有利于胞狀晶體的生長［8］。隨著胞狀晶向前推進，Stellie 6 堆焊層中的溫度梯度逐漸減小，成分過冷度變大，導致了界面組織由胞狀晶向樹枝晶的轉變（見圖2a）。由于堆焊層的散熱方向垂直于試樣界面，這個方向上的溫度梯度最大，所以Stellite6堆焊層中樹枝晶的主軸方向也垂直于試樣界面，這與ENiCrFe-3 中間層界面處的情況類似。由于Co原子和Ni 原子有相似的晶體結構和晶格常數［9-10］，所以它們之間能夠無限互溶，在堆焊過程中ENi‐CrFe-3/Stellite 6 合金界面展現出良好的冶金結合，甚至熔液凝固后ENiCrFe-3中間層中的晶界外延到Stellite6（見圖2b）。圖4中的XRD分析顯示COSTE鋼/ENiCrFe-3/Stellite6試樣中主要相為α-Fe、α-Co、γ-Ni 和碳化物MC 相，這與COSTE 鋼、ENiCrFe-3和Stellite 6 材料中的相一致，說明ENiCrFe-3 中間層并沒有在COSTE/Stellite 6堆焊試樣中引入新相，不會對堆焊試樣造成不確定影響。

COSTE/Stellite 6 界面的EDS 線掃描表明部分Fe 原子熔融到Stellite 6 堆焊層中，而ENiCrFe-3 中間層能夠阻止Fe原子向Stellite堆焊層中的擴散，較低的Fe 元素能防止堆焊層脆性相的生成［11］。ENi‐CrFe-3 合金的韌性好于Stellite6 合金，ENiCrFe-3中間層吸收了施加在堆焊試樣的能量，提高了COSTE 鋼/Stellite6 試樣的沖擊功［12］。堆焊試樣的夏比缺口沖擊實驗后，ENiCrFe-3 中間層的斷裂模式為韌性斷裂，Stellie6堆焊層的斷裂模式為脆性斷裂，這也進一步解釋了上述沖擊功升高的原因（見圖7）。由于中間層ENiCrFe-3的硬度、膨脹系數和泊松比介于COSTE 鋼和Stellite6 合金之間，所以ENiCrFe-3中間層減緩了COSTE鋼和Stellite6合金界面的殘余內應力，較低的殘余應力有利于提高COSTE鋼/Stellite6堆焊試樣的沖擊性能。

4 結論

本文采用SMAW 方法在耐熱鋼表面堆焊硬質層，研究ENiCrFe-3 鎳中間層對COSTE/Stellite6 堆焊試樣成分、組織和沖擊性能的影響，主要結論為：

（1）COSTE/Stellite6堆焊試樣的沖擊功為28 J，ENiCrFe-3中間層把COSTE/Stellite6堆焊試樣的沖擊功提高到55 J。夏比缺口沖擊實驗后，Stellite6的斷裂模式為脆性斷裂，ENiCrFe-3 的斷裂模式為韌性斷裂。

（2）ENiCrFe-3 中間層與COSTE 鋼和Stellite6合金具有良好的冶金結合，ENiCrFe-3 中間層并沒有在堆焊試樣中引入新的脆性相，有限元分析顯示COSTE/ENiCrFe-3 和ENiCrFe-3/Stellite6 界面的殘余應力值都小于COSTE鋼/Stellite6。

（3）在高溫時效條件下，ENiCrFe-3 中間層對COSTE/Stellite6堆焊試樣組織和性能的影響尚有待進一步研究。