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摘要：某重型装备制造厂在接管密封面镍基合金堆焊后的UT探伤时发现堆焊层出现大面积开裂，为研究镍基堆焊层开裂现象的产生原因，对堆焊试板进行了化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析，结果表明：在堆焊过程中，镍基堆焊层的晶界处产生Ni2Nb共晶薄膜及杂质元素堆积，在残余应力的作用下，该处形成结晶裂纹并扩展。
关键词：NiCrFe7堆焊层；结晶裂纹；Ni2Nb共晶；残余应力
NiCrFe7镍基合金堆焊层在650～1000℃高温下具有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能，广泛应用核电、军工等领域，是适于高温、高压并伴有各种苛刻腐蚀环境的理想金属结构材料[1]。某重型装备制造厂为了提高筒节产品的耐腐蚀性能，设计将其密封面由不锈钢堆焊层改为NiCrFe7镍基合金堆焊层，但在试板焊接试验后UT探伤时发现，35mm厚的镍基合金堆焊层出现大面积开裂。为分析镍基堆焊层开裂现象的产生原因，笔者对其进行了理化检验及分析，并提出了改进建议。
1 理化检验
1.1 化学成分分析
用ARL4460型火花直读光谱仪对堆焊层熔敷金属进行了化学分析，结果如表1所示，化学成分符合EQNiCrFe7的技术要求。
表1EQNiCrFe7堆焊层熔敷金属的化学成分（质量分数）
1.2 金相检验
在堆焊层UT缺陷处处截取并制备金相试样，置于GX71光学显微镜下观察，堆焊层的金相组织为奥氏体+碳化物，试样的检测面发现多处沿晶裂纹，裂纹附近及两侧未发现异常组织，走向均与一次结晶方向一致，见图1。
图1试样裂纹的金相照片2（200×）
1.3 扫描电镜分析
利用EVO 18扫描电镜对金相试样表面形貌进行观察，裂纹总体上分两大类，第一类裂纹内部存在大量杂质，第二类裂纹两侧有大量的附着物，如图2所示。对第一类裂纹内杂质利用INCA X-MAX型能谱仪进行成分分析，其中碳化物为NbC，颗粒状物质主要为Cr、Ni的氧化物。第二类裂纹两侧附着物的主要成分是Ni、Nb的共晶化合物，按照原子比例看应为Ni2Nb，在堆焊层未开裂位置也发现了同样的Ni2Nb共晶，如图3所示。
图2堆焊层两类裂纹SEM照片
图3Ni、Nb共晶形态
2 分析与讨论
从综合结果来看，裂纹主要是沿一次结晶的晶界扩展，产生的主要途径有两类，一类是由于焊接过程中形成晶界或晶内偏析，后凝固的晶界处由于堆积了大量的杂质元素及硬质碳化物，在焊接拉应力的作用下形成结晶裂纹，裂纹在大厚度堆焊产生的残余应力下快速扩展，形成宏观裂纹；另一类是由于镍基合金中Ni含量较高，在焊接过程中会致使富Ni的Ni2Nb共晶相在晶界及亚晶界处的偏析严重，Ni2Nb熔点较低[2]，平衡条件下仅为1175℃。共晶相使焊缝金属的成分过冷度增大，实际结晶温度区间变宽，促使柱状晶粒长大，晶界光滑平直，当焊缝金属中大部分已结晶完成后，晶界及亚晶界处的残留低熔点液相趋向于以液态薄膜的形态铺展，成为焊缝金属中的薄弱地带，在焊缝结晶过程中产生的拉应力作用下，薄膜铺展处产生开裂，而此时的液相含量非常少使之无法填塞愈合裂纹，从而裂纹将萌生并沿着平直的晶界扩展。
对裂纹产生的预防应向三方面入手，一是减少堆焊层成分偏析，二是减少堆焊层内部共晶产物，三是降低堆焊及结构产生的残余应力。镍基高温合金的凝固顺序与凝固时的温度有关，温度从高到低由γ→（γ+NbC）→（γ+Ni2Nb）转变[3]，而（γ+Ni2Nb）是非平衡共晶相，可通过调整焊接参数和冷却速度使之降低甚至消除。另外建议采用搅拌熔池的方式进行堆焊，焊后及时进行消应力热处理。
3 结论及建议
3.1 镍基堆焊层裂纹为结晶裂纹，由晶界及亚晶界处的Ni2Nb共晶薄膜及杂质元素导致。
3.2 大厚度堆焊使焊接残余应力过高，使结晶微裂纹快速扩展。
3.3建议调整焊接参数和冷却速度，减少L→γ+Ni2Nb转变，采用搅拌熔池的方式进行堆焊，并及时进行堆焊后热处理消除残余应力。
参考文献：
[1]中国焊接协会焊接材料分会.中国焊接协会焊接材料行业综述报告[J].机械制造文摘（焊接分册） ，2012.03
[2]莫文林，张旭等.Nb含量对NiCrFe-7焊缝金属组织、缺陷和力学性能的影响[J]金属学报 ， 2015.02
[3]A.J Ramirez，J.CLippold. High temperature behavior of Ni-base weld metal[J]. Materials Science & Engineering A . 2004 （1）
关键词：NiCrFe7堆焊层；结晶裂纹；Ni2Nb共晶；残余应力
NiCrFe7镍基合金堆焊层在650～1000℃高温下具有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能，广泛应用核电、军工等领域，是适于高温、高压并伴有各种苛刻腐蚀环境的理想金属结构材料[1]。某重型装备制造厂为了提高筒节产品的耐腐蚀性能，设计将其密封面由不锈钢堆焊层改为NiCrFe7镍基合金堆焊层，但在试板焊接试验后UT探伤时发现，35mm厚的镍基合金堆焊层出现大面积开裂。为分析镍基堆焊层开裂现象的产生原因，笔者对其进行了理化检验及分析，并提出了改进建议。
1 理化检验
1.1 化学成分分析
用ARL4460型火花直读光谱仪对堆焊层熔敷金属进行了化学分析，结果如表1所示，化学成分符合EQNiCrFe7的技术要求。
表1EQNiCrFe7堆焊层熔敷金属的化学成分（质量分数）
1.2 金相检验
在堆焊层UT缺陷处处截取并制备金相试样，置于GX71光学显微镜下观察，堆焊层的金相组织为奥氏体+碳化物，试样的检测面发现多处沿晶裂纹，裂纹附近及两侧未发现异常组织，走向均与一次结晶方向一致，见图1。
图1试样裂纹的金相照片2（200×）
1.3 扫描电镜分析
利用EVO 18扫描电镜对金相试样表面形貌进行观察，裂纹总体上分两大类，第一类裂纹内部存在大量杂质，第二类裂纹两侧有大量的附着物，如图2所示。对第一类裂纹内杂质利用INCA X-MAX型能谱仪进行成分分析，其中碳化物为NbC，颗粒状物质主要为Cr、Ni的氧化物。第二类裂纹两侧附着物的主要成分是Ni、Nb的共晶化合物，按照原子比例看应为Ni2Nb，在堆焊层未开裂位置也发现了同样的Ni2Nb共晶，如图3所示。
图2堆焊层两类裂纹SEM照片
图3Ni、Nb共晶形态
2 分析与讨论
从综合结果来看，裂纹主要是沿一次结晶的晶界扩展，产生的主要途径有两类，一类是由于焊接过程中形成晶界或晶内偏析，后凝固的晶界处由于堆积了大量的杂质元素及硬质碳化物，在焊接拉应力的作用下形成结晶裂纹，裂纹在大厚度堆焊产生的残余应力下快速扩展，形成宏观裂纹；另一类是由于镍基合金中Ni含量较高，在焊接过程中会致使富Ni的Ni2Nb共晶相在晶界及亚晶界处的偏析严重，Ni2Nb熔点较低[2]，平衡条件下仅为1175℃。共晶相使焊缝金属的成分过冷度增大，实际结晶温度区间变宽，促使柱状晶粒长大，晶界光滑平直，当焊缝金属中大部分已结晶完成后，晶界及亚晶界处的残留低熔点液相趋向于以液态薄膜的形态铺展，成为焊缝金属中的薄弱地带，在焊缝结晶过程中产生的拉应力作用下，薄膜铺展处产生开裂，而此时的液相含量非常少使之无法填塞愈合裂纹，从而裂纹将萌生并沿着平直的晶界扩展。
对裂纹产生的预防应向三方面入手，一是减少堆焊层成分偏析，二是减少堆焊层内部共晶产物，三是降低堆焊及结构产生的残余应力。镍基高温合金的凝固顺序与凝固时的温度有关，温度从高到低由γ→（γ+NbC）→（γ+Ni2Nb）转变[3]，而（γ+Ni2Nb）是非平衡共晶相，可通过调整焊接参数和冷却速度使之降低甚至消除。另外建议采用搅拌熔池的方式进行堆焊，焊后及时进行消应力热处理。
3 结论及建议
3.1 镍基堆焊层裂纹为结晶裂纹，由晶界及亚晶界处的Ni2Nb共晶薄膜及杂质元素导致。
3.2 大厚度堆焊使焊接残余应力过高，使结晶微裂纹快速扩展。
3.3建议调整焊接参数和冷却速度，减少L→γ+Ni2Nb转变，采用搅拌熔池的方式进行堆焊，并及时进行堆焊后热处理消除残余应力。
参考文献：
[1]中国焊接协会焊接材料分会.中国焊接协会焊接材料行业综述报告[J].机械制造文摘（焊接分册） ，2012.03
[2]莫文林，张旭等.Nb含量对NiCrFe-7焊缝金属组织、缺陷和力学性能的影响[J]金属学报 ， 2015.02
[3]A.J Ramirez，J.CLippold. High temperature behavior of Ni-base weld metal[J]. Materials Science & Engineering A . 2004 （1）