媒介

耐热合金可能在高温环境（通常 650~1 315 ℃领域内）服役时仍能维持其原有力学机能，可能在较长功夫内接受高温氧化侵蚀侵害，不会过快出现委顿、蠕变、断裂和侵蚀等失效［1］。。因而，耐热合金在石油化工、冶金制作、航天航空、国防军工等行业有着宽泛利用。。依照合金化学成分分类，耐热合金能够分成 Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe-Ni-Cr 和 Ni-Fe-Cr四个别系。。其中，Fe-Ni-Cr 系耐热合金的 Ni 元素含量为23%~41%，Cr元素含量为15%~28%；；；其重要由不变的奥氏体组成，具备高抗热循环和热应力以及高抗氧化和热侵蚀机能；；；同时具备优良的抗渗碳性，出格合用于制备高温烃裂解炉炉管［2］。。炉管工作环境恶劣，以乙烯裂解炉为例，炉管外壁温度可达1 000 ℃以上，炉管内介质温度约为850 ℃；；；炉管内的烃类反映产品会造成其内外壁氧化、硫化和渗碳；；；除此之外，炉管还要接受内部压力、自身重量、温度差距引起的委顿和热冲击作用［3］。。近年来，20Cr32Ni1Nb铸造耐热合金凭借其优良的高温抗拉强度、抗蠕变机能、抗高温氧化、侵蚀、渗碳机能以及优良的经济性，成为烃类裂解炉炉治梦想的备选资料［4-5］。。凭据行业尺度 SH/T 3417《石油化工管式炉高合金炉管焊接工程技术前提》划定，20Cr32Ni1Nb 铸造耐热合金炉管通常选取高镍合金焊丝SNi6082焊接，其Ni元素含量高达70%，拥有优良的焊接工艺性，但其高温抗拉强度低，且成本较高。。

从焊材成分相匹配角度来看，与母材成分匹配的焊材既能实现与母材力学机能的匹配，又可两全经济性；；；因而，该类型焊材拥有更好的利用远景。。

本钻研选取高镍和低镍两种焊丝别离进行20Cr32Ni1Nb 铸造耐热合金炉管的焊接，表征分析这两种焊接接头的显微组织，常温、高温力学机能，探求焊材成分对焊接接头组织和机能的影响。。

1 、试验资料与步骤

1.1 试验资料

母材选用国内某公司离心铸造的高温承压炉管（ZG 20Ni32Cr20Nb），尺寸为 212 mm（直径）×150 mm（长度）×11 mm（壁厚），其化学成分如表1所示，切合尺度 HGT2601《高温承压用离心铸造合金炉管》的有关要求。：：覆谋鹄胙∮酶吣偷湍不『杆浚本毒2.4 mm，其化学成分如表2所示。。

1.2 工艺参数

试验选取钨极氩弧焊，坡口大局如图1所示，工艺参数如表 3 所示。：：附忧埃褂蒙爸酱蚰ゴ钙驴冢⒂镁凭潦煤蠛娓桑テ淅砺鄣难趸ず陀臀。：：附庸讨校亢傅辣趁嫱财；；；ひ员Ｕ掀涑尚沃柿浚慵湮露冉谥圃 150 ℃内。：：附邮迪趾螅鹄胙∪∩耄≒T）和 X 射线（RT）探伤，确：：附咏油肺蘩砺酆湍诓咳钡。。

1.3 测试步骤

选取光学显微镜（Axio Lab.A1）观察焊接接头分歧区域的显微组织，取样地位如图 2a 所示；；；观察前，选取王水（浓硝酸∶浓盐酸=1∶3）作为侵蚀试剂，对打磨抛光后的焊接接头进行侵蚀，侵蚀反映功夫约为8 s。。

选取显微硬度计（HV-1000A）测试焊接接头分歧区域的显微硬度，如图2b所示；；；测试过程中，施加载荷为0.2 kg，持续功夫为10 s。。选取微机节制全能拉伸试验机（E45）进行常温拉伸、高温短时拉伸和高温悠久试验。。常温拉伸试样标距长度 50 mm，直径 10 mm。。高温短时拉伸试样标距长度 50 mm，直径5 mm，测试温度900 ℃。。高温悠久拉伸试样标距长度50 mm，直径5 mm，测试温度900 ℃，拉伸应力设置为40 MPa。。

2、 试验了局与会商

2.1 显微组织

高镍焊丝焊接接头金相组织如图 3 所示，观察区域别离为母材、焊缝和熔合线地位。。图3a为母材的金相组织，由柱状奥氏体晶：：屯淳Ы缱槌；；；高 Cr 和 Ni 含量是形成奥氏体基体的重要原因，其由 γ 相、γ'相（Ni3AlTi）、γ''相（Ni3Nb）和碳化物相组成；；；网状晶界则是碳化物相，其通常由NbC和M23C6组成［6-7］。。图 3b 是焊缝的金相组织，其由藐小的柱状奥氏体晶：：脱鼐Ы缟⒉嫉牧醋椿蛘呖樽刺蓟镒槌；；；焊缝柱状晶由熔池边缘向中心成长，这是由于在熔池的凝固过程中，熔池边缘和熔池中心会形成较高的温度梯度，受温度梯度的驱动，熔池由边缘向中心非均匀形核，凝固天生柱状晶［8］。。图3c、图 3d 别离为焊接接头表层和根部熔合线区域的金相组织。。由图可见，焊缝金属和母材熔合优良，无未熔合和裂纹缺点；；；热影响区仍维持为“奥氏体柱状晶+网状晶界”结构，然而，受焊接热输入影响，奥氏体基体中析出颗粒状的二次碳化物［9］。。同时，能够观察到网状晶界的宽度增长，这是由于晶界区域的析出碳化物造成该区域 C 浓度降低，在奥氏体基体和晶界之间形成了 C 浓度梯度，驱动 C 原子由基体向界面扩散，而焊接热输入加快了 C 原子扩散和二次碳化物天生。。

图 4 是低镍焊丝焊接接头的金相组织，观察区域别离为母材、焊缝和熔合线。。与图3对比可知，两种焊接接头各区域的金相组织特点类似。：：附咏油啡扔跋烨慕鹣嘧橹招┮恢拢馐怯捎诹街趾附咏油分票秆∮昧艘谎暮附庸ひ詹问涠匀扔跋烨挠跋煜招┮谎。。与高镍焊丝焊接接头的有区此外是，低镍焊丝接头焊缝的柱状晶组织更为粗壮，这重要是受焊丝化学成分影响造成的。。

2.2 显微硬度

两种焊接接头的显微硬度测试了局如图 5 所示，测试区域蕴含母材、热影响区和焊缝。。由图 5a可知，对于高镍焊接接头，母材的均匀显微硬度约为 220 HV0.2；；；热影响区的均匀显微硬度较母材略有降落，约为200 HV0.2，这是由于受焊接热输入影响，热影区的晶粒产生粗化［11］；；；而焊缝的均匀显微硬度有所提升，约为 235 HV0.2。。对于低镍焊接接头，如图 5b 所示，其硬度散布法规与高镍焊接接头类似；；；所分歧的是，低镍焊接接头的焊缝均匀显微硬度更靠近于母材，约为 220 HV0.2。。也就是说，低镍焊接接头的显微硬度变动更为平缓，这更有利于提升焊接接头的整体力学机能。。

2.3 拉伸力学机能

凭据GB/T228《金属资料室温拉伸试验步骤》和GB/T4338《金属资料高温拉伸试验步骤》别离测试高镍和低镍焊接接头的拉伸力学机能。。

两种焊接接头的常温拉伸应力应变曲线如图6所示。。两种焊接接头的拉伸应力应变曲线状态根基一致。。在图6平别离读取两种焊接接头的常温屈服强和抗拉强度，如表4所示。。由表4可知，高镍焊接接头的常温屈服强度为 294 MPa，抗拉强度为540 MPa，断裂在焊缝地位；；；低镍焊接接头的常温屈服强度和抗拉强度略有提升，别离为 313 MPa 和550 MPa，同样断裂在焊缝地位。。图 7 是两种焊接接头的高温（900 ℃）拉伸应力-应变曲线。。两种焊接接头的高温拉伸应力应变曲线状态根基一致。。在图7别离读取两种焊接接头的高温屈服强和抗拉强度，如表 5 所示。。由表 5 可知，高镍焊接接头的高温屈服强度（104.5 MPa）略低于低镍焊接接头（108 MPa）；；；但是，两者的高温抗拉强度一样（140 MPa），且均在焊缝地位断裂。。

表 6 是两种焊接接头的高温悠久拉伸测试了局，测试温度为900 ℃，拉伸应力为40 MPa。。由表6可知，高镍焊接接头经历 191 h 拉伸后在焊缝地位断裂；；；而低镍焊接接头的高温拉伸悠久功夫则大幅提升至744 h，同样也在焊缝地位断裂。。

综合分析上述了局可知，两种焊接接头拉伸力学机能指标均满足焊接评定尺度要求，即常温抗拉强度≥450 MPa，高温（900 ℃）抗拉强度≥102MPa，高温（900 ℃，40 MPa）拉伸悠久功夫≥100 h。。两种焊接接头的凹凸温短时拉伸力学机能根基一样，但低镍焊接接头的高温拉伸悠久功夫远超高镍焊接接头，前者是后者的3.9倍。。因而，低镍焊接接头的高温力学机能优于高镍焊接接头。。别的，值妥贴心的是两种焊接接头断裂地位均为焊缝，注明焊缝是高温合金焊接接头的幽微区域。。

由图 3、图 4 可知，母材显微组织是由柱状奥氏体晶：：脱鼐Ы缟⒉嫉墓羌茏刺蓟镒槌傻；；；而焊缝组织则是由藐小的针状或者柱状奥氏体晶：：脱鼐Ы缟⒉嫉牧醋椿蛘呖樽刺蓟镒槌傻。。当焊接接头受到拉伸作用时，首先是晶粒变形，而后是晶界荟萃，天生大量微孔，进而诱导位错荟萃形成位错环，最终导致断裂［12］。。由于母材的晶粒尺寸较大，其晶粒变形比焊缝组织吸收更多的能量；；；因而，占有更好的拉伸力学机能。。奥氏体相是耐热钢抗蠕变的底子，Ni是推进奥氏体相形成元素，Ni/Cr比例决定了奥氏体相的形成。。结合舍夫勒相图推算可知，两种焊材的Ni/Cr比别离为3.0和1.7，因而，无论是高镍含量还是低镍含量，两种焊缝金属均由奥氏体相组成，这为其高温力学机能奠定了优良基础。。别的，现有的钻研批注焊缝金属的高温悠久强度与二次碳化物的析出亲昵有关，析出的碳化物能够故障晶界滑移和位错荟萃，增长资料的抗蠕变机能［12］。。高镍焊接接头的C含量仅为0.016%，远低于低镍焊接接头（0.16%）；；；其在高温测试的初始阶段过程中更容易析出二次碳化物 M23C6或者 NbC，故障晶界滑移，大幅提升其高温悠久功夫。。

3、 结论

别离选取高镍和低镍两种焊丝焊接20Cr32Ni1Nb铸造耐热合金炉管，表征分析两种焊接接头的显微组织和力学机能，得到如下结论：：

（1）金相观察了局批注，母材组织由柱状奥氏体晶：：屯淳Ы缱槌；；；焊接接头的热影响区仍为柱状晶组织，但焊接热输入推进了该区域的晶粒长大和二次碳化物天生；；；焊缝组织由藐小的针状或者柱状奥氏体晶：：脱鼐Ы缟⒉嫉牧醋椿蛘呖樽刺蓟镒槌傻。。

（2）显微硬度测试了局批注，高温合金焊接接头热影响区出现软化景象，其显微硬度较母材降落20 HV0.2，这重要是晶粒粗化造成的；；；低镍焊缝的显微硬度低于高镍焊缝，与母材硬度更为匹配，约为220 HV0.2，这有利于提升焊接接头的整体力学机能。。

（3）拉伸测试了局批注，两种焊接接头拉伸力学机能指标均满足焊接评定要求，其短时拉伸力学机能根基一样，这是由于两种焊接接头均重要由奥氏体相组成，具备相近的力学机能基础。。但是，低镍焊接接头的高温悠久拉伸力学机能大幅提高，约为高镍焊接接头 3.9 倍，这是由于低镍合金焊缝更容易析出碳化物，故障晶界滑移和位错荟萃。。两种焊接接头断裂地位均为焊缝，焊缝区域是焊接接头的幽微环节；；；这是由于在拉伸过程中，较大尺寸的母材晶粒变形必要吸收更多的能量。。

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