热处理制度对Ni3Al和Stellite6堆焊层组织及性能的影响

刘金湘，唐卫岗，陈 融，罗寿根，黄世盛，罗良良

1.浙江省华光新型绿色钎焊材料重点企业研究院，浙江 杭州 311100

2.杭州华光焊接新材料股份有限公司，浙江 杭州 311100

0 前言

随着航空航天、石油化工、电力工业的迅速发展，对耐高温、高压、抗强腐蚀零件的需求量越来越大。Stellite合金（钴铬钨硬质合金）以其优异的高温耐磨性和抗氧化性广泛应用于核泵、阀门、汽轮机等产品中。由于该合金以国内稀有元素Co为主要原料，Co属于战略物资，需要大量进口，且价格不断上涨，所以成本昂贵。另一方面，Co容易活化成Co60，它是一种穿透力很强的高毒性核辐射元素，半衰期长达5.27年。从20世纪80年代起，技术人员已经开始研制用于高温耐磨堆焊领域的代钴材料［1-4］。如哈尔滨焊接研究院研制的以C、Cr、W、Si等元素强化的NDG-2#镍基合金，曾用于上海阀门厂微启式安全阀阀座堆焊；苏州大学刘双［5］等进行了核阀密封面无钴镍基合金涂层材料及熔覆工艺的研究；魏宏璞［6］等进行了核阀密封面无钴铁基合金及激光涂层性能的研究。国外几种典型的认为性能优异的传统高温耐磨材料的设计思路均是在高强韧金属基体中加入弥散分布的硬质增强相颗粒，增强相主要承担磨损应力，基体主要起联结支撑增强相、协调变形和承受冲击应力的作用。如Stellite6合金由Co-Cr-W基体和13%富铬M7C3硬质相组成［7］，BKHA-2M合金是一种Ni3Al基合金，含有40%NiAl和2%MC硬质相［8］。此外，经典的金属基复合材料设计原则还要求基体相和增强相之间具有良好的热力学共容性（相互之间不发生剧烈的化学反应）、物理性能共存性（相近的热膨胀系数和比重）、润湿性和强界面结合力［9］。

依据高温耐磨材料和金属基复合材料的设计原则，自主研发了一种新型的高温耐磨Ni3Al堆焊材料，该堆焊材料相比传统的司太立连铸直条焊丝或者焊粉，可以做成连续盘状药芯焊丝，既可用于熔化极气体保护电弧堆焊，也可用TIG进行堆焊。司太立粉末采用等离子方法进行堆焊时，实际利用率只有60%～80%，且焊接过程中还容易出现堵粉和送粉不均匀的问题。Ni3Al焊丝采用自动TIG堆焊研发，既能保证堆焊层性能满足要求，还能提高材料利用率，提高自动化水平，彻底解决粉末堆焊过程中堵粉和送粉不均匀的问题。

实际产品在堆焊完成后均须对工件进行消除应力热处理，以避免在运行过程中因焊接残余应力积累导致堆焊层开裂、剥离或脱落，造成不可估量的后果。文中将Ni3Al堆焊层与司太立堆焊层经不同热处理制度后进行对比试验，研究焊后热处理制度对堆焊层组织及性能的影响。

1 试样制备

1.1 堆焊层焊接

试验用母材为304奥氏体不锈钢，其化学成分和力学性能见表1、表2。Ni3Al焊丝直径1.2 mm。采用手工钨极氩弧焊（TIG）工艺，焊接设备为北京时代WSE-315型交直流脉冲氩弧焊机。Ni3Al焊丝熔敷金属化学成分见表3，堆焊工艺参数见表4，共堆焊3层，堆焊层厚度约4 mm，堆焊面积约60 cm2，焊道外观照片如图1所示。由图1可知，Ni3Al堆焊层焊道表面光滑、均匀、呈银白色，焊缝成形良好。

表1 母材化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of base metal（wt.%）

表2 母材力学性能Table 2 Mechanical properties of base metal

图1 Ni3Al堆焊层焊道Fig.1 Ni3Al Surfacing layers

司太立合金粉末Stellite6规格100～250目，采用等离子堆焊工艺，焊接设备为上海肯纳STARWELD 3型等离子粉末堆焊设备。焊粉熔敷金属化学成分见表3，堆焊工艺参数见表4，共堆焊3层，堆焊层厚度约4 mm，堆焊面积约60 cm2，焊道外观照片如图2所示。由图2可知，Stellite6等离子堆焊层焊道表面呈暗灰色，焊缝成形良好，焊道周边存在少许焊粉飞溅。

表3 两种焊材熔敷金属化学成分（质量分数，%）Table 3 Chemical composition of two kinds of surfacing layers（wt.%）

表4 堆焊工艺参数Table 4 Surfacing parameters

图2 Stellite6堆焊层焊道照片Fig.2 Stellite6 surfacing layers

1.2 堆焊层热处理

堆焊完成后两种材料均垂直于焊接方向取3件试样，尺寸20 mm×10 mm×10 mm，在3种不同的热处理状态下进行金相及显微硬度对比试验。根据司太立耐磨堆焊产品热处理特点，确定了650℃×4 h和870℃×4 h两种热处理制度，升降温速度均满足≤50℃/h要求，另1件为焊后状态。

2 试验结果及分析

2.1 热处理制度对堆焊层金相组织的影响

试样热处理后经研磨及抛光，采用FeCl3+HCl腐蚀液擦拭腐蚀后，用Leica DM6M金相显微镜进行观察。图3为Ni3Al堆焊层焊态宏观金相照片，能明显看出试样共堆焊了3层，其中第1层3道，第2层2道，第三层1道。堆焊层总厚度约4 mm，熔深约1 mm。

图3 Ni3Al堆焊层宏观金相Fig.3 Macrostructures of Ni3Al surfacing layers

图4为Ni3Al堆焊层焊态试样顶部区域金相组织，能明显看出堆焊层平均晶粒尺寸约为10 μm，组织较为细密，晶界分布均匀。Ni3Al堆焊层金相组织由γ'-Ni3Al相+MC型及M23C6型碳化物组成。图5为Ni3Al堆焊层经650℃×4 h热处理后试样顶部区域金相组织，能明显看出部分晶粒尺寸存在长大的趋势，组织均匀性与焊态比稍有区别。图6为Ni3Al堆焊层经870℃×4 h热处理后试样顶部区域金相组织，能明显看出组织中碳化物颗粒开始溶入基体，碳化物数量开始减少，部分晶粒尺寸变大。

图4 Ni3Al堆焊层焊态金相组织Fig.4 Microstructures of Ni3Al surfacing layers as welded

图5 Ni3Al堆焊层650℃热处理后金相组织Fig.5 Microstructures of Ni3Al surfacing layers after 650℃heat treatment

图6 Ni3Al堆焊层870℃热处理后金相组织Fig.6 Microstructures of Ni3Al surfacing layers after 870℃heat treatment

图7为Stellite6堆焊层焊态试样顶部区域金相组织，能明显看出其金相组织为柱状晶形式，碳化物呈条状析出，金相组织为奥氏体基体+WC析出物。图8为Stellite6堆焊层经650℃×4 h热处理后试样顶部区域金相照片，碳化物析出数量与焊态相比明显增多，由条状开始转变为网状，晶粒尺寸约为25 μm。图9为Stellite6堆焊层经870℃×4 h热处理后试样顶部区域金相组织照片，能明显看出组织中碳化物析出数量更多，单条厚度更大。

图7 Stellite6堆焊层焊态金相组织Fig.7 Microstructures of Stellite6 surfacing layers as welded

图8 Stellite6堆焊层650℃热处理后金相照片Fig.8 Microstructures of Stellite6 surfacing layers after 650℃heat treatment

图9 Stellite6堆焊层870℃热处理后500 X金相照片Fig.9 Microstructures of Stellite6 Surfacing layers after 870℃heat treatment

2.2 热处理制度对堆焊层硬度的影响

对两种材料3种不同热处理制度的试样进行硬度检测。采用QATM Master 10+全自动显微维氏硬度仪，沿堆焊层厚度方向在距离熔合线不同位置进行硬度检测，间隔0.4 mm，载荷为2 kg。硬度检测位置点照片如图10所示。

图10 堆焊层显微硬度检测位置Fig.10 Micro-hardness test position of surfacing layers

两种材料堆焊层在焊态、650℃×4 h热处理、870℃×4 h热处理三种状态下距离熔合线不同位置的硬度实测数据如表5所示。

表5 堆焊层硬度数据对比Table 5 Micro-hardness test results comparison of surfacing layers

将表5中数据绘制成曲线，如图11所示。由表5及图11可以看出，Ni3Al堆焊层在距离熔合线不同位置的硬度值均高于Stelite6。距离熔合线越远，堆焊层稀释率逐步降低，硬度逐渐升高。其中Ni3Al在焊态的硬度要高于热处理状态，且随着热处理温度升高，堆焊层硬度下降。因为经过870℃热处理后，Ni3Al晶界析出了Cr23C6的碳化物，造成晶界附近及晶粒内部Cr3C2碳化物总数量变少，因此堆焊层的整体硬度下降。Stellite6堆焊层焊态的硬度要低于热处理状态，且随着热处理温度逐步升高，堆焊层硬度逐步升高。因为Stellite6经过870℃热处理后，Cr3C2等碳化物的尺寸比原来更大，数量比原来更多，原来的网状分布开始呈现分散趋势，沉淀相析出更多，堆焊层硬度逐步升高，经870℃×4 h热处理后，Ni3Al堆焊层的硬度依然比Stellite6堆焊层高68 HV2。

图11 堆焊层硬度分布曲线Fig.11 Micro-hardness distribution of Surfacing layers

2.3 试样扫描电镜分析

显微硬度检测完成后，采用Oxford牛津扫描电镜对Ni3Al堆焊层的焊态试样及经870℃×4 h热处理后的试样进行对比分析。从图12和图13的对比照片能够明显看出，经过870℃热处理后，Ni3Al晶界附近上出现了局部Cr含量很高的点，但晶界大部分区域出现了明显的Cr含量降低的现象。这是因为晶界析出了Cr23C6的碳化物，造成晶界附近及晶粒内部Cr3C2碳化物总数量变少，因此堆焊层的整体硬度下降。热处理前，枝晶形貌更加分散，沉淀强化相弥散分布在各个区域。热处理后，枝晶边界更加明显，晶界与晶粒内部出现明显的成分扩散现象。

图12 Ni3Al堆焊层焊态扫描电镜照片Fig.12 SEM Photo of Ni3Al Surfacing layers as welded

图13 Ni3Al堆焊层经870℃热处理后扫描电镜照片Fig.13 SEM Photo of Ni3Al surfacing layers after 870℃heat treatment

将Stellite6堆焊层的焊态试样及经870℃×4 h热处理后的试样进行扫描电镜对比分析，由图14、图15能够明显看出，经过870℃热处理后，Cr3C2等碳化物的尺寸比原来更大，数量比原来更多，原来的网状分布开始呈现分散趋势，沉淀相析出更多，堆焊层硬度逐步升高。

图14 Stellite6堆焊层焊态扫描电镜照片Fig.14 SEM Photo of Stellite6 Surfacing layers as welded

图15 Stellite6堆焊层经870℃热处理后电镜照片Fig.15 SEM Photo of Stellite6 Surfacing layers after 870℃heat treatment

3 结论

（1）在304奥氏体不锈钢基材表面进行堆焊时，Ni3Al焊丝和Stellite6粉末均具有良好的焊接工艺性，焊缝成形美观，波纹细密。

（2）相同热处理制度下Ni3Al堆焊层在距离熔合线相同位置的硬度均高于Stellite6合金。随着热处理温度由650℃提高到870℃，Ni3Al堆焊层的硬度呈下降趋势，Stellite6堆焊层的硬度呈上升趋势，且经870℃×4 h热处理后，Ni3Al堆焊层的硬度依然比Stellite 6堆焊层的硬度高68 HV2。

（3）不同热处理制度对Ni3Al和Stellite6堆焊层耐磨性能和耐腐蚀性能的影响尚有待进一步试验研究。