高溫合金GH2132表面堆焊鈷基合金工藝研究

陳道鳳, 任　曉, 鐘成山

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

GH2132合金是Fe-25Ni-15Cr基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼綜合強(qiáng)化。該合金在650 ℃以下具有高的屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，并且具有較好的加工塑性和令人滿意的焊接性能，可用于生產(chǎn)各種形狀的產(chǎn)品，如盤件、鍛件、板、棒、絲和環(huán)形件等。因此，在國外該合金在電力行業(yè)和航空工業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，但目前在國內(nèi)該合金還主要應(yīng)用于航空工業(yè)，如在650 ℃以下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、渦輪盤、承力環(huán)、機(jī)匣、軸類、緊固件和板材焊接承力件等[1-4]。

在超超臨界百萬機(jī)組閥芯技術(shù)文件中，很多關(guān)鍵零部件也采用GH2132合金材料制造，且涉及到鈷基合金堆焊等表面處理技術(shù)，而國內(nèi)在這些方面較少采用此合金。因此，結(jié)合目前產(chǎn)品的市場(chǎng)化需求，有必要對(duì)GH2132合金材料表面堆焊鈷基合金工藝進(jìn)行深入研究。

等離子轉(zhuǎn)移弧(PTA)堆焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料表面強(qiáng)化技術(shù)，具有能堆焊各種合金粉末材料，堆焊層致密且稀釋率低，堆焊過程生產(chǎn)效率高、合金材料消耗少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在提高材料表面抗腐蝕、抗磨損、耐高溫性能、延長使用壽命方面受到越來越多的重視，因此其應(yīng)用也日益廣泛[5]。

1　堆焊工藝試驗(yàn)

1.1 試板材料及其尺寸

按ISO/TR 15608—2013 《焊接 金屬材料分類體系指南》，選用的母材GH2132屬于8.1類，w(Ni)<31%、w(Cr)<19%的奧氏體不銹鋼。GH2132材料的化學(xué)成分見表1。

表1　GH2132試件的化學(xué)成分　%

端面環(huán)形槽試件的堆焊工藝是將規(guī)格為d=60 mm的GH2132合金棒材加工成d=50 mm、δ=100 mm的圓柱，并在其一端面加工外圓直徑d=40 mm、內(nèi)圓直徑d=20 mm，槽深為4 mm的端面環(huán)形槽(見圖1)，在端面環(huán)形槽處進(jìn)行PTA堆焊。

圖1　端面環(huán)形槽PTA堆焊試件示意圖

1.2 堆焊材料

PTA堆焊采用的鈷基合金粉末是Stellite No.6，其化學(xué)成分見表2。

表2StelliteNo.6合金粉末的化學(xué)成分%

鈷基合金具有良好的高溫性能，優(yōu)異的熱強(qiáng)性、耐腐蝕性及耐疲勞性能，特別是在熱態(tài)下具有優(yōu)越的抗擦傷性能[6]。利用PTA堆焊技術(shù)將鈷基合金粉末堆焊在普通材料表面，以提高材料耐磨損、耐腐蝕及高溫性能，延長使用壽命，同時(shí)節(jié)省貴重材料，降低產(chǎn)品的成本。另外，Stellite No.6是最具有代表性應(yīng)用最廣泛的鈷基合金，廣泛用于各類閥門的密封面和導(dǎo)向面的堆焊，焊接工藝也很成熟，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，成品率較高。

2　工藝要求

根據(jù)電力行業(yè)相關(guān)堆焊技術(shù)文件，PTA堆焊后堆焊層測(cè)試驗(yàn)收要求如下：

(1) 堆焊面機(jī)加工后表面無缺陷，滲透檢測(cè)(PT)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的4級(jí)要求。

(2) 接觸面堆焊層鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于20%，滑動(dòng)面堆焊層鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于25%。

(3) 堆焊面表面硬度應(yīng)在375HV30～500HV30，熱影響區(qū)硬度應(yīng)不大于350HV30，中間層硬度應(yīng)不大于250HV30。

(4) 金相檢測(cè)在試件120°均布的三個(gè)方向上分別進(jìn)行。

依據(jù)上述技術(shù)要求，結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在試件上進(jìn)行多次試堆焊后(無中間層)，實(shí)際堆焊過程中，焊接工藝參數(shù)見表3，其他工藝參數(shù)如下：

焊接粉末Stellite No.6；

保護(hù)氣體及流量 99.9%Ar, 1.0 m3/min；

噴槍至工件距離10 mm；

送粉氣體及流量99.9%Ar, 130 L/h；

送粉噴嘴尺寸4.8 mm；

等離子氣體及流量99.9%Ar, 145 L/h；

預(yù)熱溫度≥350 ℃；

鎢極類型及直徑WCe-20， 4.0 mm；

層間溫度≤500 ℃；

焊后熱處理(700±10) ℃/16 h(爐冷)。

表3　端面環(huán)形槽PTA堆焊過程工藝參數(shù)

3　試驗(yàn)分析

3.1 PT探傷

圖2為磨削后試件的PT探傷圖片。

圖2　端面環(huán)形槽PTA堆焊試件PT探傷照片

將堆焊試件在磨床上磨削至熔覆層一定厚度后進(jìn)行PT探傷檢驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔等可記錄缺陷。由于等離子弧能量集中，熔池溫度高，焊材熔化充分，不需要復(fù)雜的前處理，沒有人為因素的干擾，因此堆焊層質(zhì)量比較穩(wěn)定，很少出現(xiàn)裂紋和氣孔缺陷[7]。

3.2 宏觀檢驗(yàn)

經(jīng)PT探傷后按圖3對(duì)堆焊試件進(jìn)行金相取樣，三個(gè)試樣編號(hào)分別為PTA04-M1、PTA04-M2和PTA04-M3。圖4是三個(gè)試樣的宏觀金相照片，三個(gè)試樣上堆焊層表面均未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、夾渣、未熔合和未焊透等缺陷，焊接熔合良好。

圖3　端面環(huán)形槽試件PTA堆焊取樣圖

圖4　宏觀金相照片

3.3 稀釋率分析

在PTA堆焊過程中，局部溫度較高，部分基體材料和焊層發(fā)生了互熔擴(kuò)散，即通常所說的稀釋作用。稀釋率越大，焊層金屬熔入基體越多，對(duì)焊層的性能影響也越大。通過測(cè)量磨削后鈷基合金表面鐵含量的多少可以評(píng)判稀釋率的大小。根據(jù)對(duì)鈷基合金堆焊層的相關(guān)技術(shù)要求，磨削后Stellite No.6合金堆焊層表面鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)：接觸面<20%，滑動(dòng)面<25%。

通過對(duì)堆焊層表面光譜分析可知，堆焊層表面平均鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.68%，這表明稀釋率很低，測(cè)試結(jié)果也說明在GH2132合金堆焊層表面鐵含量滿足相關(guān)技術(shù)文件要求。采用上述PTA堆焊工藝參數(shù)在高溫合金GH2132表面堆焊Stellite No.6合金完全可以滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求。

3.4 顯微組織

在Stellite No.6合金堆焊試件上取樣，對(duì)堆焊層試樣截?cái)嗝孢M(jìn)行粗磨→細(xì)磨→拋光→侵蝕后，然后利用Leica DMI3000M金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

圖5是堆焊層截面的顯微組織照片。由圖5可以看出：母材區(qū)是晶粒較為粗大的奧氏體組織，堆焊層織是由先析出的鈷基共晶樹枝晶和枝晶間碳化物組成的，焊縫區(qū)晶粒細(xì)小，熔合區(qū)有一定寬度，組織較為復(fù)雜，這是由于基材的稀釋和后續(xù)堆焊層的熱影響導(dǎo)致的。

圖5　PTA堆焊Stellite No.6焊縫顯微組織

3.5 顯微硬度

對(duì)試件上所取三個(gè)試樣的截面利用402MVD顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，測(cè)試區(qū)域包括母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)，各區(qū)的測(cè)量結(jié)果已標(biāo)記在各測(cè)量點(diǎn)處，見圖6。從表4中各區(qū)域顯微硬度測(cè)試結(jié)果可看出，PTA堆焊焊縫硬度符合相關(guān)工藝文件的技術(shù)要求。

4　結(jié)語

通過選擇合理的焊接工藝參數(shù)，利用PTA堆焊工藝在高溫合金GH2132表面環(huán)形槽處堆焊了鈷基合金耐磨層。通過對(duì)堆焊試件的堆焊層進(jìn)行滲透檢測(cè)、宏觀檢驗(yàn)、稀釋率分析、顯微組織觀察和顯微硬度測(cè)試，結(jié)果顯示各項(xiàng)性能均滿足相關(guān)技術(shù)文件的要求。這說明采用的堆焊工藝參數(shù)合理，可直接將該工藝用于相關(guān)行業(yè)關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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