固溶温度对GH3625接头组织及性能影响研究.pdf

窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.02.013固溶温度对 GH3625 接头组织及性能影响研究固溶温度对 GH3625 接头组织及性能影响研究第一作者简介院 郭建 渊1986-冤袁 男袁 本科袁 工程师袁 毕业于西华大学材料成型及控制工程专业袁 主要从事核电设备采购质量监督工作遥郭建1袁 张其先1袁 刘勇2袁 熊健强3袁 管红亮3渊1.中广核工程有限公司袁 广东 深圳袁 518124曰 2.东方电气 渊武汉冤 核设备有限公司袁 湖北 武汉袁 430223曰3.二重 渊德阳冤 重型装备有限公司袁 四川 德阳袁 618000冤摘要院对 GH3625 合金等离子焊接接头进行不同温度固溶处理袁使用光学显微镜尧扫描电镜尧万能拉伸试验机和维氏硬度计等设备研究固溶温度对 GH3625 合金接头组织与力学性能影响遥 研究结果表明 GH3625 合金等离子焊接接头焊核组织为树枝晶袁熔合线为粗大胞状晶袁母材为奥氏体等轴晶曰固溶处理后接头各部分组织和析出第二相会随固溶温度升高而变化袁在固溶温度为 1 100 益时袁焊缝处树枝晶和 Leaves 相几乎完全溶解于基体中袁且此时母材奥氏体晶粒开始出现长大现象袁温度升高至 1 150 益后袁焊缝处胞状晶和母材奥氏体晶均出现异常长大现象曰在固溶温度为 1 100益时袁接头力学性能最佳袁抗拉强度为 742.3 MPa袁与焊态 765.1 MPa 相当袁延伸率达到 42.8%为焊态 137.2%袁试样断裂方式为断裂于母材侧的韧性断裂遥关键词院GH3625 合金袁固溶温度袁显微组织袁力学性能中图分类号院TG166文献标识码院A文章编号院1674-9987渊2023冤02-00缘圆-0远Study on Effect of Solid Solution Temperature onOrganization and Properties of GH3625 JointsGUO Jian1袁 ZHANG Qixian1袁 LIU Yong2袁 XIONG Jianqiang3袁 GUAN Hongliang3渊1.China Nuclear POWER Engineering Company ltd.,Shenzhen Guangdong,518124;2.Dongfang Electric(Wuhan)Nuclear Equipment Co.,Ltd.,Wuhan Hubei,430223;3.Erzhong(Deyang)Heavy Equipment Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000冤Abstract院 Solid solution treatment of GH3625 alloy welded joints at different temperatures,the use of optical microscopy,scanningelectron microscopy,external energy tensile testing machine and Vickers hardness tester and other equipment to study the solid so鄄lution temperature on the GH3625 alloy joint organization and performance effects.The results show that GH3625 alloy plasmawelded joints weld nucleus organization for the dendrite,fusion line for the coarse cellular crystal,the base material for austenite i鄄sometric crystal;solid solution treatment of the various parts of the joint organization and precipitation of the second phase willchange with the increase in solid solution temperature,the solid solution temperature of 1 100 益,the weld at the dendrite andLeaves phase almost completely dissolved in the matrix,and at this time the base material austenite grains began to After the tem鄄perature rises to 1 150 益,the weld at the cellular crystal and the base material austenite crystal are abnormal growth phenomenon;in the solid solution temperature of 1 100 益,the best mechanical properties of the joint,tensile strength of 742.8 MPa,and the weldstate 765.3 MPa equivalent,elongation reached 43.1%for the weld state 135%,the specimen fracture mode for fracture in the basematerial side of the ductile fracture.Key words院 GH3625 alloy,solid solution temperature,metallographic organization,mechanical properties52窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期GH3625 合金是国家钢铁研究总院研制的一种以镍为基体尧 Nb尧 Mo 等元素为强化元素的 Ni-Cr系合金1-2袁 在 600900 益高温环境下仍具有良好的耐蚀性尧 耐氧化性以及优异的力学性能袁 被广泛应用于核电尧 火电和航空航天等领域3-5遥 但该合金中含有大量 Nb尧 Cr 等易偏聚元素袁 在对其进行焊接尧 轧制以及锻造等热循环工艺过程后袁 常会出现元素偏析现象袁 析出有害第二相袁严重影响其各项性能6-8遥因此袁GH3625 合金热处理工艺成为该合金重点研究方向之一遥目前袁 已有许多国内外学者对镍基高温合金热处理工艺做出了相应研究遥 Sukumaran9等研究了固溶温度对 Inconel625 合金组织与性能影响袁研究发现由于碳化物的溶解和奥氏体晶粒再结晶与长大现象袁 Inconel625 合金强度和硬度会随固溶温度升高而降低袁 延伸率会随温度升高而增大遥丁雨田10等对 GH3625 合金板材进行不同温度固溶处理实验袁 结果表明合金在固溶处理后晶粒呈现等轴状袁 且内部存在大量退火孪晶袁 在固溶温度高于 1 130 益时袁 合金内析出碳化物几乎完全回融于基体遥 曹永清11等研究了固溶温度对 SLM 成形GH3625 合金组织影响袁 发现脆硬相 Leaves 相会随固溶温度升高而逐渐溶解遥 Kim12等人对堆焊Inconel625 合金进行热处理实验研究袁 发现热处理后堆焊 Inconel625 合金组织为奥氏体遥 袁晓静13等研究了固溶温度对等离子弧增材制造 Inconel625构件力学性能影响袁 结果表明在固溶温度为 1 150益时构件综合力学性能最佳遥本文以 GH3625 合金等离子焊接接头为研究对象袁 对其进行不同温度固溶处理袁 研究固溶温度对 GH3625 等离子焊接接头的显微组织尧 抗拉强度尧 冲击功以及硬度等力学性能的影响规律遥1试验材料与方法试验使用等离子焊机对 4 mm 厚 GH3625 合金板材进行自融化焊接袁 试验板材具体化学成分见表 1遥焊接参数见表 2遥 焊接完成后袁 对接头进行固溶处理袁 其固溶处理工艺如图 1 所示遥 固溶处理完成后袁 利用电火花线切割机截取相应试样进行力学性能测试与金相组织观察袁 金相试样在经过打磨抛光处理后使用王水 渊浓 HCl院 浓 HNO3=3:1冤对其进行浸泡腐蚀至抛光面呈雪花状袁 随后使用光学显微镜和扫描电镜进行组织与第二相观察遥按照 GB/T 228-2010 进行拉伸试样截取袁 使用万能拉伸试验机 渊拉伸速度 1 mm/min冤尧 冲击试验机渊10 mm伊55 mm伊2.5 mm 小型冲击试样冤 以及维氏硬度仪对试样进行力学性能测试遥表 2等离子焊接工艺参数2结果与分析2.1组织与第二相图 2 为不同状态下接头各区域显微组织袁 从左往右依次为母材尧 热影响区以及焊缝组织遥 如图 2 所示袁 焊态下母材组织为奥氏体等轴晶袁 奥氏体等轴晶内部含有大量以穿晶孪晶为主的孪晶组织遥 焊态下接头组织由焊核区树枝晶和垂直于Cr21.50Ti0.11Nb3.27Fe4.56Mo8.76Al0.15Si0.025Mn0.18P+S0.01Cu0.13W+C0.045NiBal表 1GH3625 合金化学成分wt%焊接电流袁I/A98焊接速度/渊mm 窑 s-1冤2.0焊接电压袁U/V30.8等离子气体流量/渊L 窑 min-1冤3.0保护气流量/渊L 窑 min-1冤8.0图 1固溶处理工艺1 050 益尧1 100 益1 050 益1 h时间/h53窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期熔合线方向生长粗大胞状晶组成遥 热影响区奥氏体晶粒相较于母材未发生明显长大袁相应研究报告表明在对 GH3625 进行钨极氩弧焊14和激光焊接15时出现过相似情况遥渊a冤焊态渊b冤1 050 益渊c冤1 100 益渊d冤1 150 益图 2不同状态下接头各区域显微组织对接头进行 1 050 益固溶处理后袁 接头各区域组织未发生明显变化遥 当固溶温度进一步升高至1 100 益后袁 母材奥氏体晶粒出现明显长大现象袁焊核区树枝晶融化为粗大胞状晶遥 在固溶温度进一步升高到 1 150 益后母材奥氏体晶粒出现快速长大现象袁 焊核区的树枝晶完全融化成胞状晶袁 且此时胞状晶相较于固溶温度为 1 100 益时发生明显长大现象遥 上述现象表明固溶温度对 GH3625 合金母材奥氏体晶粒和焊缝组织具有显著影响遥渊a冤1 050 益渊b冤1 100 益渊c冤1 150 益图 3不同固溶温度下焊核区 SEM 图表 3各析出相 EDS 能谱结果wt%图 3 和表 3 分别为不同固溶温度下接头焊核区域扫描电镜图和各相 EDS 能谱结果遥 从图中可知接头在经过 1 050 益固溶处理后袁 焊核中心存在不规则形状尧 大块状和点状 3 种不同形态析出相遥结合表 3 各相 EDS 能谱结果和文献16可知其中不规则第二相为富 Nb尧Mo 的脆性 Leaves 相袁 而其中的大块状和点块状析出相分别为 MC 碳化物渊Ni袁Ti冤C 和 M23C6型碳化物 Cr23C6遥 相关文献17-18表明袁在对 GH3625 合金焊接时袁 高温液态下的 GH3625合金在凝固过程中会发生一系列复杂的相变和组织转变过程遥 在 GH3625 合金凝固时首先会有奥氏体 酌 相析出袁 随着合金温度降低袁 在成分过冷度作用下焊缝区金属逐渐凝固形成树枝晶袁Nb尧Ti等元素在焊缝区枝晶间偏析发生 L寅酌+MC 共晶反应袁合金温度进一步降至 Laves 相共晶温度点后袁合金发生 L寅酌+Laves 共晶反应遥 相关研究16,19表明焊接接头在进行较低温度或较短时间固溶处理后袁焊缝中心树枝晶和 Leaves 相仍会有所残留袁故接头在经过 1 050 益固溶温度处理后焊核区会有 Leaves相尧MC 型碳化物和 M23C6型碳化物存在遥如图 3渊b冤所示袁 在固溶温度升高至 1 100 益后袁 焊核中心脆性第二相 Leaves 相完全回融于基体袁 MC 和 M23C6型碳化物进一步发生溶解遥 当固溶温度升高至 1 150 益后袁 焊核处仅剩少许 MC 型碳化物存在袁 如图 3渊c冤所示遥2.2力学性能测试图 4 所示为不同状态下 GH3625 接头试样宏观断裂图片和应力-应变图遥 从图 4渊a冤试样宏观断裂图片可知袁 除固溶温度 1 100 益时拉伸试样断裂于母材处袁 其他试样均在焊缝处发生断裂遥 试样在断裂位置处均发生了不同程度的颈缩现象袁 且断口约为 45毅方向袁 断裂方式为韧性断裂遥 造成这一现象的主要原因为院 在焊态和固溶温度为 1 050Ni50.92.448.2Cr18.82.418.5Nb19.923.13.6C0.117.817.9Fe3.10.13.4Ti1.254.10.5Mo6.00.17.9元素不规则状大块状点状第二相100 滋m100 滋m100 滋m100 滋m100 滋m100 滋m100 滋m100 滋m100 滋m5 滋m100 滋m100 滋m100 滋m5 滋m5 滋m54窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期益时袁 焊缝处仍有第二相 Leaves 相存在袁 而Leaves 相为脆性第二相袁 在试样进行拉伸试验时几乎不会承受塑性变形袁 会成为试样断裂时裂纹源袁 并且焊缝处融合线附近组织为粗大胞状晶袁力学性能较差袁 所以在焊态和固溶温度为 1 050 益时袁 拉伸试样于焊缝区融合线附近发生断裂遥 而在固溶温度升高至 1 100 益后袁 焊缝区脆性第二相Leaves 相完全溶解袁 焊缝处树枝晶溶解为胞状晶袁并且母材处奥氏体晶粒出现明显长大现象袁 所以此时试样断裂于母材侧遥 但当固溶温度达到 1 150益后袁 焊缝处胞状晶快速长大袁 焊缝区粗大的胞状晶成为接头薄弱区域袁 试样断裂于焊缝处遥渊a冤拉伸宏观试样渊b冤应力-应变曲线图 4不同状态下试样宏观断裂与应力-应变图表 4 为不同状态下接头抗拉强度遥 从表 4 中可知袁 在固溶温度为 1 050 益时袁 焊缝处 Leaves相开始溶解袁 接头抗拉强度相较于焊态有所降低袁断后延伸率有所上升遥 当固溶温度升高至 1 100 益后袁 虽然试样断裂于母材处袁 但此时母材奥氏体晶粒出现快速长大现象袁 接头抗拉强度进一步降低袁 延伸率明显上升遥 在固溶温度达到 1 150 益后袁 接头抗拉强度和延伸率较固溶温度 1 100 益时都明显下降袁 因为此时焊缝中心组织为粗大的胞状晶袁 该组织力学性能较差遥表 4各试样接头抗拉强度图 5 为不同状态下拉伸试样宏观断口 SEM图遥 从图中可以看出在焊态和固溶温度 1 050 益时袁 试样断口特征相似均为大量韧窝袁 且韧窝附近存在明显撕裂脊遥 固溶温度为 1 050 益试样断口与焊态下断口相比而言袁 断口处撕裂脊更加密集突出袁 表现出更加优良的韧性袁 与表 3 中结果相符遥 在固溶温度达到 1 100 益和 1 150 益后袁 试样断口发生明显变化袁 此时试样断口处韧窝大而深袁附近伴随着许多小韧窝袁 与 1 050 益时断口相比表现出更加优异的断裂塑性遥 对试样进行较高固溶温度处理后进行拉伸试验时袁 材料内部会分离形成空洞袁 空洞会因为滑移而逐渐变大袁 相邻空洞互相连接便形成了大而深的韧窝20遥渊a冤焊态渊b冤1 050 益渊c冤1 100 益渊d冤1 150 益图 5不同状态下拉伸试样断口 SEM 形貌图焊态1 050 益1 100 益1 150 益应变80070060050040030020010000.00.10.20.30.40.5焊态1 100 益1 150 益1 050 益状态焊态1 050 益1 100 益1 150 益屈服强度/MPa435.0428.3416.3408.2抗拉强度/MPa765.1757.8742.3720.8断后延伸率/%31.235.642.840.3断裂位置焊缝焊缝母材焊缝55窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期图 6 为焊态和固溶温度 1 100 益下接头各区域冲击功遥 从图 6 中可知袁 接头在经过 1 100 益固溶处理后袁 各区域冲击功均明显提高袁 焊缝处冲击功由 29 J 提高至 35 J遥 这主要是因为接头在通过1 100 益固溶处理后袁 焊缝处脆性第二相 Leaves 相几乎完全回融于基体袁 所以在经过 1 100 益固溶处理后袁 接头冲击功明显上升遥渊a冤冲击宏观图渊b冤冲击功图 6焊态和固溶温度 1 100 益下接头各区域冲击功图 7 为焊态和固溶温度 1 100 益下各冲击试样断口 SEM 图袁 由左至右依次为母材尧 焊缝以及热影响区冲击断口 SEM 图遥 焊态和 1 100 益固溶后接头各区域冲击试样断口均存在大量韧窝袁 为韧性断裂遥 与焊态相比经过 1 100 益固溶处理后的冲击试样袁 断口处韧窝更大更深袁 表现出更加优良的冲击韧性袁 与图 6 中结果相符遥渊a冤渊c冤焊态渊d冤渊f冤1 100 益图 7焊态和固溶温度 1 100 益下各冲击试样断口 SEM 图图 8 为焊态和固溶温度 1 100 益下接头硬度分布图袁 整体硬度呈中心对称分布袁 母材经 1 100 益固溶处理后袁 硬度由 225 HV 的平均值下降为 195HV袁 焊核处硬度由 270 HV 左右下降至 223 HV遥材料硬度主要和晶粒大小与析出第二相有关15袁 接头在经过 1 100 益固溶处理后袁 母材处晶粒明显长大袁 焊核处析出脆硬第二相与细小树枝晶几乎完全回融于基体袁 所以接头经过 1 100 益固溶处理后袁 硬度整体下降明显遥图 8焊态和固溶温度 1 100 益下接头硬度分布图3结论渊1冤GH3625 合金等离子焊接接头组织由焊核处细小树枝晶与熔合线处粗大胞状晶组成遥 热影响区奥氏体晶粒未发生明显长大现象遥 焊态下接母材焊核热影响区413531332926焊态试样固溶态454035302520151050母材焊核热影响区母材融合线母材固溶 1 100 益焊态距离/mm-12-9-6-303691227026025024023022021020019056窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期头抗拉强度为 765.1 MPa袁 延伸率为 31.2%袁 试样断裂于焊核区遥渊2冤接头处树枝晶和析出 Leaves 相会随着固溶温度升高逐渐发生溶解遥 在固溶温度为 1 100 益时袁 焊缝处树枝晶完全溶解为胞状晶袁Leaves 相几乎完全回融于基体遥 当温度升至 1 150 益后袁 焊处胞状晶明显长大袁 仅有少量 MC 型碳化物存在遥渊3冤在固溶温度为 1 100 益时袁 接头性能明显改善袁 综合力学性能最佳袁 抗拉强度 742.3 MPa为焊态下接头抗拉强度的 97%袁 延伸率显著提高达到焊态下 137.2%遥 接头断裂方式为韧性断裂袁断裂于母材侧遥 接头冲击功为 35 J袁 较焊态下 29J 明显上升遥 焊核处硬度由 270 HV 降为 223 HV遥参考文献1韦家向,苏承龙,何云华.GH3625 合金管坯热挤压温度研究J.特钢技术,2015,21(2):38-39,43,49.2高钰璧,丁雨田,陈建军,等.形变及热处理对 GH3625 合金晶界特征分布的影响 J.稀有金属材料与工程,2019,48(11):3585-3592.3寇金凤,聂义宏,白亚冠,等.GH3625 镍基合金的铸态组织及均匀化处理工艺研究J.大型铸锻件,2021(2):37-40.4张健,楼琅洪.铸造高温合金研发中的应用基础研究J.金属学报,2018,54(11):1637-1652.5熊健强.Inconel625 等离子焊接工艺与接头性能研究D.兰州:兰州理工大学,2022.6L.Thivillon,Ph Bertrand,B.lagert,et al.Potential of directmetaldepositiontechnologyformanufacturingthickfunctionallygradedcoatingsandpartsforreactorscomponentsJ.Journal of Nuclear Materials,2009,385(2):236-241.7丁雨田,马元俊,豆正义,等.固溶处理温度对 GH3625 合金热挤压管材微观组织和力学性能的影响 J.材料导报,2018,32(8):1311-1317.8张忠科,熊健强,初树晟,等.Inconel625 等离子弧焊接头组织与接头性能研究 J.稀有金属材料与工程,2023,52(2):5595679Safarzade Abolfazl,M.Sharifitabar,M.ShafieeAfarani.Effects of heat treatment on microstructure and mechanicalproperties of Inconel 625 alloy fabricated by wire 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