吕秀乾1,齐丽璟1,张瑞萍1,姚佳人2,林莎莎1

(1.青岛兰石重型机械设备有限公司,青岛 266426;2.上海材料研究所,上海 200437)

摘 要:对不同堆焊工艺及不同热处理工艺下,12Cr2Mo1R 钢板上带极堆焊镍基276(NiCrMo- 4钢)的化学成分、晶间腐蚀性能、力学性能、显微组织等进行了分析,研究了镍基276的最佳堆焊 工艺及热处理工艺。结果表明:先在12Cr2Mo1R 钢板上堆焊309L钢(过渡层)/NiCrMo-3钢(中 间层),然后对其进行(690±14)℃,32h的模拟焊后热处理,最后堆焊表层镍基276,可以使钢板 获得较低的腐蚀速率、较好的力学性能和显微组织。

关键词:12Cr2Mo1R钢;镍基276;带极堆焊;工艺性能

中图分类号:TG161 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)09-0020-0

近年来,石化及煤化行业的发展逐渐趋于大型 化、重型化,因带极堆焊技术具有堆焊焊道平整光 滑、熔深浅且均匀、稀释率低、熔敷速率高等优点,而 被广泛应用于压力容器的制造中。PTA(精对苯二 甲酸)加氢反应器的工作介质通常具有很强的腐蚀 性,因此要求在钢板上带极堆焊镍基合金,以满足设 备的使用要求。从 PTA 加氢反应器腐蚀介质的温 度、腐蚀特性、抗裂因素以及成本设计等方面考虑, 带极堆 焊 镍 基 合 金 通 常 选 用 镍 基 276(NiCrMo-4 钢)[1-4]。 目前对带极堆焊镍基276的研究较少,笔者对 不同热处理工艺及不同堆焊工艺下,镍基276的化 学成分、腐蚀速率、力学性能、显微组织进行分析,研 究了镍基276的最佳热处理工艺及堆焊工艺,为设 备的制造工艺提供了参考依据。

1、试验方案

1.1 堆焊工艺方案

在12Cr2Mo1R钢板上采用埋弧焊+电渣带极 堆焊的方法堆焊镍基 276,堆焊试样的尺寸(长 × 宽×高)为400mm×300mm×50 mm。镍基276 的化学成分与基材 12Cr2Mo1R 钢相差较大,直接 在基材上堆焊镍基合金会造成堆焊层的化学成分严 重稀释,且镍基合金的线膨胀系数较大,直接堆焊容易产生较大的焊接应力,使接合面上形成裂纹,严重 时甚至会形成堆焊层剥离,因此需在基材和镍基合 金之间先堆焊一层或两层作为过渡。选择镍基276 表层,309L钢为过渡的第一层(过渡层),具体堆焊 工艺方案如表1所示。

1.2 热处理工艺方案

根 据 PTA 加 氢 反 应 器 的 制 造 要 求, 12Cr2Mo1R 钢 板 在 焊 后 需 要 模 拟 最 小 程 度 (MinPWHT)和最大程度(MaxPWHT)的焊后热处 理,以消除焊接应力。模拟焊后热处理工艺参数为 (690±14)℃,8h(MinPWHT)和 (690±14)℃, 32h( 所示。 M( 所示。 MaxPWHT)。具体 热 处 理 工 艺 方 案 如 表 2

1.3 试样制备

将3种堆焊工艺方案和两种热处理工艺方案组 合制备4组试样,分别编号为1A,2A,2B,3B。 2 理化检验及结果分析 2.1 化学成分分析

在4组试样距堆焊层表面约3mm 处分别取样, 进行堆焊表层的化学成分分析,结果如表3所示。

2.2 晶间腐蚀性能测试

在4组试样距堆焊层表面约3 mm 处分别取 样,依据 ASTM G28—2015 《锻制高镍铬轴承合金 晶间腐蚀敏感性检测的标准试验方法》中的 A 法对试样进行晶间腐蚀试验,结果如表4所示。从表4 可 知:当 堆 焊 工 艺 相 同,热 处 理 状 态 分 别 为 MaxPWHT,MinPWHT 时,焊 态 对 应 的 腐 蚀 速 率 依次递减,因为镍基276在650~1090 ℃时对晶间 腐蚀特别敏感,对于焊接试样,尤其是堆焊试样,敏 化时间越长,腐蚀速率就越高;组合方案2A 和组合 方案 1A 相 比,多 堆 焊 了 中 间 层 (镍 基 276),在 MaxPWHT 状态下,腐蚀速率由64.87mm/a变为 33.72mm/a,表明在过渡层与表层中间多堆焊一层 中间层,有利于腐蚀速率的降低;组合方案2B与组 合方案2A 相比,都堆焊了过渡层、中间层和表层, 但热处理工艺不同,组合方案2A 试样的腐蚀速率 为33.72 mm/a,组 合 方 案 2B 试 样 的 腐 蚀 速 率 为 19.42mm/a;组合方案3B 与组合方案2B 相比,都 堆焊了过渡层、中间层和表层,且热处理工艺一致, 只是中间层的材料由镍基276换成 NiCrMo-3钢, 腐蚀速率由19.42mm/a降至4.48mm/a。从上述 结果可以看出,组合方案3B 的堆焊工艺和热处理 工艺最佳。

2.3 晶间腐蚀性能差异分析

“ 晶 贫 间 铬 腐 理 蚀 论 性 ”是 能 被 差 普 异 遍 分 认 析 可的解释晶间腐蚀的主 要理论。当 金 属 的 碳 含 量 (质 量 分 数,下 同)大 于 0.02%时,C 元素与 Cr元素能形成碳化物 Cr23C6, 这些碳化物以固溶态溶于奥氏体中,此时Cr元素均 匀分布在合金中,使合金各部分的Cr元素含量均在 钝化所需的12%以上。这种过饱和固溶体是不稳 定的,当合金加热到敏化温度范围内时,碳化物就会 沿晶界析出,Cr元素便从晶粒边界的固溶体中分离 出来,因Cr元素的扩散速率较慢,晶粒内部的Cr元 素来不及向晶界扩散,故造成了晶粒边界“贫铬区”。 当有腐蚀 介 质 存 在 时,该 区 域 将 产 生 明 显 的 腐 蚀 现象。

在敏 化 温 度 范 围 内,镍 基 276 不 仅 会 析 出 M6C,M2C,M23C6 等碳化物,而且有可能产生金属 间化合物μ相(Co2Mo6 型),使材料的抗晶间腐蚀性能进一步下降。Cr元素和 Mo元素含量高对合 金的耐腐蚀性有利,但 Mo元素的作用不如 Cr元素 明显。Ni元素的主要作用是保持高铬高钼合金的 稳定性,使之获得单一的奥氏体组织结构。堆焊试 样的焊接时间较长,稀释率较大,基层母材会造成堆 焊层的 Fe元素含量增加,而较高含量的 Fe元素会 降低其他合金元素的含量(比如 Ni元素),进而降低 合金的稳定性,使材料的抗晶间腐蚀性能下降[5-7]。 在所有的工艺方案中,组合方案3B 中 Cr,Ni元素 含量最高,Mo元素含量也比较高,Fe元素含量最 低,所以它的抗晶间腐蚀性能最好。

2.4 力学性能测试

为进一步验证组合方案3B 试样的工艺性能, 分别对其进行弯曲测试和维氏硬度测试,结果如表 5,6所示。

2.5 金相检验

在组合方案3B 试样垂直焊道的截面处取样, 并对其进行金相检验,结果如图1所示。由图1可 知 :试样表层和中间层的组织均为γ固溶体+析出物,呈枝晶特征,晶内和晶界处均可见析出物,中间 层的析出物比表层多,这可能与过渡层和基层元素 的迁移有关;过渡层为γ奥氏体+δ铁素体组织,呈 典型的树枝晶特征;基层为贝氏体组织,熔合线附近 存在不连 续 的 黑 色 马 氏 体 带,符 合 堆 焊 熔 合 区 特 性[8]。表明试样的显微组织正常,未见微观裂纹和 其他微观缺陷。

3 结论

(1)敏化时间对镍基276带极 堆 焊 材 料 的 抗 晶间腐蚀 性 能 影 响 较 大,敏 化 时 间 越 长,腐 蚀 速 率越高。 (2)在12Cr2Mo1R钢板上堆焊镍基276时,堆 焊过渡层和中间层有利于降低表层材料的腐蚀速 率,另外堆焊过程中热处理工艺也对材料的腐蚀性 能产生较大影响。 (3)先堆焊309L钢(过渡层)/NiCrMo-3钢(中 间层),然后进行(690±14)℃,32h的模拟焊后热 处理,最后再堆焊表层镍基276,能获得较低腐蚀速 率、较好力学性能和显微组织的试样。

文章来源：材料与测试网