镍中间层增强Stellite堆焊层力学性能研究

王 东， 蒋寸才， 王从亦， 肖 腾， 王仲强， 史秋映

1. 河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450001 2. 河南省锅炉压力容器检验技术科学研究院，河南 郑州 450041

0 引言

Stellite 合金具有良好的耐腐蚀、耐磨损、耐冲蚀和耐高温性能，因此，Stellite 合金经常被堆焊在汽轮机阀门基体钢表面［1-2］。在超超临界条件下，阀体钢中的Fe元素会向Stellite合金中产生长程扩散，过多的Fe 含量导致Stellite 中α-Co 发生共析反应，生成σ-CrCo 和α-FeCo两种脆性相，在高速汽流的冲刷和震动作用下，Stellite堆焊层容易产生裂纹或发生剥落，这导致了汽轮机组不可逆的损坏［3-4］。

镍基合金具有良好的耐腐蚀、耐高温性能，以及优异的抗拉强度和冲击韧性，广泛用于石油化工和电力等领域。例如，Ni625 合金作为缓冲层熔覆在9Cr-1Mo钢和外侧硬质层之间，延缓了界面高硬度热影响区的形成速率，并降低了外侧硬质层中裂纹发生的概率［5］。研究发现ENiCrFe-3中间层能够减弱基体钢中Fe元素向Stellite 21硬质层中的扩散速率，缓冲9CrMoV钢/Stellite 21硬质层界面硬度上的突变，最终减轻外来载荷的冲击能力［6］。近年来，研究者对F91 钢表面不同的堆焊层进行了时效实验，研究发现相比F91 钢/Stellite 钴合金，F91 钢/镍基合金界面组织更加稳定，且在组织中不会生成σ-CrCo等脆性相［7］。

本研究利用焊条电弧焊在COSTE 钢/Stellite6合金板中间堆焊ENiCrFe-3合金，作为对比，采用同样的方法把Stellite6 合金直接堆焊在COSTE 钢上。研究ENiCrFe-3 合金对堆焊板成分、组织和冲击性能的影响，阐释堆焊板冲击性能发生变化的机理，为今后耐热钢表面堆焊层的替换工作提供实验数据和理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 样品制备

试验采用的材料是COST 耐热钢、ENiCrFe-3镍合金和Stellite6 钴合金，其中COSTE 耐热钢作为基体材料，ENiCrFe-3镍合金作为中间堆焊层，Stel‐lite6 合金作为外侧堆焊层，上述材料的具体化学成分如表1所示。

表1 COSTE钢、ENiCrFe-3和Stellite6合金的化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of COSTE， ENiCrFe-3and Stellite 6 alloy （wt.%）

试验采用焊条电弧焊（SMAW）方法进行多层多道堆焊，在COST 钢表面分别堆焊镍中间层和钴基硬质层，焊接电压16～20 V，焊接电流120～180 A，焊接速度15 cm/min，焊条直径4.0 mm。为了提高焊接质量，焊前在基体COSTE 钢表面开一个坡度45o的U型槽，焊接板结构如图1所示。

图1 不同堆焊试样的结构Fig.1 Structure diagram of the different surfacing samples

首先，基体COSTE钢在保温炉中加热至120 ℃，保温30 min。然后利用SMAW方法在COSTE钢表面堆焊ENiCrFe-3 中间层，再在ENiCrFe-3 中间层上继续堆焊Stellite 6合金，其堆焊板结构如图1b所示。采用相同的焊接方法和焊接工艺，在COSTE钢表面直接堆焊Stellite 6 合金（见图1a），对比堆焊板中的组织和力学性能。在堆焊过程中，各堆焊层之间的温度差小于350 ℃，堆焊结束后，堆焊板在空气中冷却至80～120 ℃，保温2 h。最后，堆焊板加热至710 ℃，并保温12 h，以释放其内应力。

1.2 检验分析

图2 夏比缺口冲击实验中的堆焊试样Fig.2 The surfacing specimen in Charpy notch impact experiment

2 实验结果分析

COSTE 钢/Stellite6 合金堆焊板界面的微观组织如图3a所示，COSTE钢与Stellite6合金堆焊层之间有一条明显的熔合线，且COSTE钢/Stellite6合金界面冶金结合良好，并无气孔等缺陷出现。Stellite6堆焊层近界面的微观组织主要为胞状晶，区域宽度约100～200 μm，Stellite6 堆焊层基体中的微观组织主要为树枝晶，其主轴方向垂直于熔合线。图3b、3c 为COSTE 钢/ENiCrFe-3/Stellite6 堆焊板界面的微观组织，其中图3b 为COSTE 钢/ ENiCrFe-3 界面的微观组织，COSTE钢与ENiCrFe-3合金之间有一条明显的熔合线，ENiCrFe-3 近界面处的组织主要为胞状晶，远界面处组织主要为树枝晶。图3c 是ENiCrFe-3合金与Stellite6合金界面的微观组织，两者之间也有一条明显的熔合线，界面冶金结合良好，无气孔等缺陷出现，在ENiCrFe-3合金一侧出现大量白色组织。ENiCrFe-3 与Stellite6 的一次树枝晶主轴方向一致，都垂直于熔合线方向，且ENi‐CrFe-3合金中有一些晶界延伸到Stellite6合金中。

图3 堆焊层界面处的SEM微观组织Fig.3 The SEM microstructure across coating interface

图4 是试样的XRD 分析结果，COSTE 钢/ENi‐CrFe-3/Stellite6 堆焊板中主要是α-Fe、α-Co、γ-Ni和碳化物MC相。沿着COSTE钢/Stellite6和COSTE钢/ENiCrFe-3 界面的法线方向分别进行了EDS 线扫描，图5为Co、Ni、Fe和Cr等主要合金元素的分布情况。在COSTE 钢/Stellite6 堆焊板中，从COSTE钢一侧到Stellite6 合金一侧，Fe 含量逐渐降低，Co和Cr 含量逐渐增加；在COSTE 钢/ENiCrFe-3/Stel‐lite6堆焊板中，从COSTE钢一侧到ENiCrFe-3合金一侧，Fe含量逐渐降低，Ni含量在界面处急剧增加，Cr含量基本保持不变。

图4 COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6堆焊板的XRD分析结果Fig.4 XRD analysis result of the COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6 surfacing plate

图5 通过堆焊层界面的线扫描Fig.5 EDS line scanning map across the surfacing interface

COSTE/Stellite6 和COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6堆焊试样分别进行了夏比缺口冲击实验，实验结果如图6所示。COSTE/Stellite6堆焊试样的冲击功平均值为28 J，COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6 堆焊试样的冲击功平均值为55 J，ENiCrFe-3 中间层大大提高了COSTE/Stellite6 堆焊试样的冲击功。为了进一步解释堆焊试样冲击功升高的原因，观察试样断面的SEM 微观组织。图7 为不同堆焊试样冲击测试后的断面组织，COSTE/Stellite6 断口中出现了河流花样形貌，断裂模式为解理断裂，是典型的脆性断裂模式（见图7a）。图7b为ENiCrFe-3/Stellite6界面附近的断口组织，ENiCrFe-3和Stellite6展现出了不同的断口形貌特征，其中Stellite6 堆焊层断口展现了河流花样形貌，而对于ENiCrFe-3 中间层断口形貌表现较为平整，放大后是典型的脉状韧窝组织，韧窝直径大约在5～20 μm范围，在韧窝底部有颗粒脱落的痕迹。

图6 COSTE/Stellite6与COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6试样的冲击功Fig.6 Impact energy of COSTE/Satellite6 and COSTE/ENiCrFe-3/Satellite6 specimens

图7 冲击测试后试样断面的组织Fig.7 The microstructure of the fractured Charpy test specimens

利用Abaqus 有限元软件模拟了COSTE/Stel‐lite6和COSTE/ENiCrFe-3/Stellite6两种试样界面的残余内应力。Stellite6钴合金、ENiCrFe-3镍合金和COSTE钢试样分别取纯钴、镍和镍铬耐热钢的热膨胀系数和泊松比［6］。试样中的残余内应力的分布情况如图8所示，在COSTE/Stellite6 界面出现了超过600 MPa 的残余内应力，而COSTE/ENiCrFe-3 和Stellite6/ENiCrFe-3 界面的残余内应力都不超过400 MPa，明显低于COSTE/Stellite6 界面处的残余内应力值。

图8 不同堆焊试样中的残余应力Fig.8 The residual stress of different deposited specimens

3 结果讨论

本文采用焊条电弧焊法在COSTE 耐热钢表面堆焊硬质合金，在堆焊前期，由于COSTE 钢基体散热效果较好，COSTE 钢/Stellite6 合金界面具有较大的正向温度梯度，固-液界面前沿的成分过冷度较窄，这有利于胞状晶体的生长［8］。随着胞状晶向前推进，Stellie 6 堆焊层中的温度梯度逐渐减小，成分过冷度变大，导致了界面组织由胞状晶向树枝晶的转变（见图2a）。由于堆焊层的散热方向垂直于试样界面，这个方向上的温度梯度最大，所以Stellite6堆焊层中树枝晶的主轴方向也垂直于试样界面，这与ENiCrFe-3 中间层界面处的情况类似。由于Co原子和Ni 原子有相似的晶体结构和晶格常数［9-10］，所以它们之间能够无限互溶，在堆焊过程中ENi‐CrFe-3/Stellite 6 合金界面展现出良好的冶金结合，甚至熔液凝固后ENiCrFe-3中间层中的晶界外延到Stellite6（见图2b）。图4中的XRD分析显示COSTE钢/ENiCrFe-3/Stellite6试样中主要相为α-Fe、α-Co、γ-Ni 和碳化物MC 相，这与COSTE 钢、ENiCrFe-3和Stellite 6 材料中的相一致，说明ENiCrFe-3 中间层并没有在COSTE/Stellite 6堆焊试样中引入新相，不会对堆焊试样造成不确定影响。

COSTE/Stellite 6 界面的EDS 线扫描表明部分Fe 原子熔融到Stellite 6 堆焊层中，而ENiCrFe-3 中间层能够阻止Fe原子向Stellite堆焊层中的扩散，较低的Fe 元素能防止堆焊层脆性相的生成［11］。ENi‐CrFe-3 合金的韧性好于Stellite6 合金，ENiCrFe-3中间层吸收了施加在堆焊试样的能量，提高了COSTE 钢/Stellite6 试样的冲击功［12］。堆焊试样的夏比缺口冲击实验后，ENiCrFe-3 中间层的断裂模式为韧性断裂，Stellie6堆焊层的断裂模式为脆性断裂，这也进一步解释了上述冲击功升高的原因（见图7）。由于中间层ENiCrFe-3的硬度、膨胀系数和泊松比介于COSTE 钢和Stellite6 合金之间，所以ENiCrFe-3中间层减缓了COSTE钢和Stellite6合金界面的残余内应力，较低的残余应力有利于提高COSTE钢/Stellite6堆焊试样的冲击性能。

4 结论

本文采用SMAW 方法在耐热钢表面堆焊硬质层，研究ENiCrFe-3 镍中间层对COSTE/Stellite6 堆焊试样成分、组织和冲击性能的影响，主要结论为：

（1）COSTE/Stellite6堆焊试样的冲击功为28 J，ENiCrFe-3中间层把COSTE/Stellite6堆焊试样的冲击功提高到55 J。夏比缺口冲击实验后，Stellite6的断裂模式为脆性断裂，ENiCrFe-3 的断裂模式为韧性断裂。

（2）ENiCrFe-3 中间层与COSTE 钢和Stellite6合金具有良好的冶金结合，ENiCrFe-3 中间层并没有在堆焊试样中引入新的脆性相，有限元分析显示COSTE/ENiCrFe-3 和ENiCrFe-3/Stellite6 界面的残余应力值都小于COSTE钢/Stellite6。

（3）在高温时效条件下，ENiCrFe-3 中间层对COSTE/Stellite6堆焊试样组织和性能的影响尚有待进一步研究。