HAYNES282镍基合金的平衡析出相及焊缝微观组织

余 勇，冷进明，熊建坤，董 军，徐 健，王东力

（东方汽轮机有限公司，四川德阳618000）

HAYNES282镍基合金的平衡析出相及焊缝微观组织

余 勇，冷进明，熊建坤，董 军，徐 健，王东力

（东方汽轮机有限公司，四川德阳618000）

利用热力学软件JMatPro分析700℃等级汽轮机焊接转子材料HAYNES282的合金元素对平衡相析出行为的影响，在此基础上分析研究焊缝微观组织。结果表明，282合金的热力学平衡析出相为γ、γ′、MC、M6C、M23C6、M3B2、σ、μ，各析出相的含量与温度具有一定的规律性，元素含量的变化对平衡态的析出相有直接影响。从微观组织可以看出，固溶后的焊缝出现栅状组织，在焊缝一次枝晶内沿枝晶生长方向线性排列，但取向各异。焊缝组织析出相主要为（Cr、Fe、Mo）23C6、（Mo，Co，Fe）6C。

HAYNES282；M23C6；析出相；碳化物

0 前言

煤炭在我国能源消费总量中约占70%，且大部分的煤炭资源用于火力发电。当前我国超超临界电厂的主蒸汽温度达到600℃，成为全球600℃超超临界燃煤发电机组运用最多的国家[1]。但火力发电行业目前面临两方面的问题，一方面市场竞争的加剧需要降低发电成本，提高发电效率；另一方面社会对全球环境问题日益关注，要求电厂降低二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、CO2等的排放量，以满足环保要求。国家能源局于2010年成立了国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟，组织我国700℃超超临界燃煤发电技术研发工作。在发展700℃等级A-USC的过程中，高温转子材料的选择焊接、焊接接头性能及高温蠕变性能评估至关重要。

HAYNES282合金为时效强化型变形高温合金，由于高温蠕变强度、高温热稳定性好以及较好的热加工性能，被选择700℃先进超超临界火电机组汽轮机转子候选材料之一[2]。目前对HAYNES282镍基合金的研究主要集中在材料的成分性能、微观组织、热处理机制等方面[3]，但对HAYNES282镍基合金的平衡析出相及焊接机理方面的研究几乎为空白。

1 实验材料和分析方法

实验采用20 mm的HAYNES282镍基合金，其标准热处理制度为：固溶处理后经两次时效处理，分别为1 121℃~1 149℃/2 h/OC+1 010℃/2 h/AC+ 788℃/8 h/AC[4]。其化学成分和材料力学性能分别如表1所示。

采用热力学软件JMatPro对282合金进行热力学平衡相图计算，使用GTAW方法进行试板焊接，工艺参数如表2所示。采用ZEISS 40MAT光学显微镜观察分析焊缝的微观组织，通过扫描电镜分析焊缝微区和析出物。282焊接接头力学性能如表3所示。

表1 282合金的化学成分%

表2 282焊接工艺参数

表3 282焊接接头力学性能

2 实验结果和讨论

2.1 282合金的热力学平衡析出相

在计算合金的平衡状态时，不同温度可能存在不同的平衡相，平衡相的析出量也不尽相同[5]。采用表1中的化学成分（w（Fe）=0.4%，w（Mn）=0.12%，w（Si）=0.06%）进行热力学平衡相计算，得出282合金中各平衡相析出量与析出温度的关系曲线如图1所示。

图1 282合金平衡态热力学相图

由图1可知，282合金的热力学平衡析出相主要有γ、γ′、MC、M6C、M23C6、M3B2，此外也可能析出σ和少量的μ。基体γ在1 349℃以上为液相，固液两相共存的温度范围为1 259℃~1 349℃。随着温度的降低，依次析出MC、M3B2、M6C、M23C6、γ′、σ、μ，平衡态主要相的初始析出温度见表4。平衡相中的M3B2、M23C6、γ′、σ、μ析出量随着温度的降低而逐渐升高；而MC和M6C的析出温度范围范围分别为1 051℃~1 288℃和814℃~1 175℃，最大析出量分别为0.21%和1.99%，说明合金中MC和M6C高温稳定性较好，能在较高的温度下存在。

表4 282合金主要析出相的初始析出温度

表5和图2为282合金700℃平衡态析出相中各元素含量和析出相含量，γ相为282合金的基体相，占比达70.27%，主要由Ni、Cr、Co、Mo元素组成，此外还含有微量的Al和Ti。M3B2中主要富集Mo、Cr元素，一般存在于晶界。M23C6中主要富集Cr、Mo元素，并含有少量的Ni和Co，在晶界呈链状分布，可大大提高晶界结合力，少量分布在晶内。γ′相为合金的重要强化相，化学式为Ni3（Al，Ti），占比达19.66%，主要由Ni、Al和Ti组成，少量的Cr、Co和微量Mo元素进入到γ′相中可提高强化相的高温稳定性，不同时效温度下的含量会有微量变化。

图2 282合金700℃平衡态析出相含量

表5 282合金700℃平衡态析出相中各元素含量%

在700℃平衡态时，合金会析出σ相，而不会析出μ相。σ相主要由Cr、Mo、Ni、Co元素组成，而且平衡态析出含量较高，σ相的形成会降低基体和强化相中固溶强化元素的含量。在目标使用温度范围内，合金中有σ相析出；但由于热力学计算结果均为稳定的平衡相，因此σ相可能会在合金长期使用后才会逐渐析出[6]。

2.2 焊缝的微观组织

HAYNES 282合金时效后，母材的微观组织照片如图3所示，晶界上析出大量碳化物，碳化物连续呈链状晶界分布，碳原子的大量消耗导致晶界附近碳化物越来越少。

图3 时效后母材的微观组织照片

焊缝中网络状的碳化物和母材晶界上连续分布的碳化物EDS分析结果如图4所示[7]，结果表明晶界上富Cr的M23C6型碳化物与富Mo的M6C型碳化物共存。

焊缝中的栅状组织沿着焊缝枝晶一次晶轴的生长方向呈线性排列，还有少量存在于热影响区。形状大小不一的栅状组织类似于树枝状的生长，其一次晶轴方向随机分布，没有规律性，如图5所示。组织中的析出相对长时间高温下合金的组织性能尤其是稳定性和韧脆性影响很大，因此分析焊缝析出相是研究合金高温性能的基础。在透射电镜下获得析出的碳化物及基体的衍射斑如图6所示。

利用软件分析图多晶M23C6碳化物，化学成分为：w（Cr）=66.84%，w（Mo）=14.83%，w（Fe）=6.76%。表明该碳化物为多个取向不同的晶粒组成的多晶体，少量Mo、Fe原子取代了Cr原子形成（Cr、Fe、Mo）23C6碳化物。M6C碳化物中，Mo3Co3C晶格常数最接近[8]，W原子也可对Mo和Co原子进行位置取代。

2.3 讨论

M23C6中大部分的铬主要固溶在γ相中，大约有10%进入γ′相，还有少量的铬会形成碳化物来强化晶界。此外，铬的另一个重要作用是形成致密的Cr2O3氧化膜，它有较低的阳离子空位浓度，能阻止金属元素的向外扩散和O、N、S等元素的向内扩散，起到防止合金腐蚀的作用。

M6C碳化物中，W、Mo两种元素主要进入γ相中，这两种元素的原子均比镍原子大，它们可以在高温合金基体中引起晶格明显膨胀，产生较大的长程应力场，阻止位错的运动。

W和Mo同时又是碳化物形成元素，可以形成延晶界分布的颗粒状M6C碳化物从而提高合金的高温持久性能。此外，W、Mo都是促进TCP相形成的元素，随着含量的增加，TCP相的沉淀趋势明显上升，同时W含量的增加使γ相和γ′相的晶格错配度增加，影响了合金的组织稳定性及高温持久性能。

图4 晶界碳化物EDS分析结果

图5 栅状组织显微照片

图6 透射电镜照片

3 结论

（1）282合金的热力学平衡析出相主要有γ、γ′、MC、M6C、M23C6、M3B2、σ、μ，在700℃平衡态时不会析出M6C和μ相，与实际试验结果较为吻合。

（2）元素含量的变化对析出相的影响规律特别明显。Co和Mo元素主要固溶到基体γ中，剩余的则析出形成γ′和σ相，σ相的析出量随Co的增加几乎呈线性递增；Al和Ti主要影响γ′相的析出总量，其中Al的影响尤其明显；C和B是析出形成碳化物和硼化物的关键核心元素。

（3）焊缝固溶后出现栅状组织，在焊缝一次枝晶内沿枝晶生长方向线性排列，但取向各异，热影响区晶内也存在栅状组织。焊缝组织析出相主要为（Cr、Fe、Mo）23C6、（Mo，Co，Fe）6C。

[1]Phil Maziasz.Materials for Advanced[A].Ann.Conf.on Fossil Energy Materials Ultra-Supercritical Steam Service -Turbines[C].2012.

[2]Viswanathan R，Henry J F，Tanzosh J，et al.US program on materials technology for ultra-supercritical coal power plants[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2005，14（3）：281-292.

[3]FUJITA T.Twenty-Iirst Century Electricity Veneration Plants and Materials International Workshop Development oI Advanced Heat Resisting Steels[C].Japan：NIMS，1999.

[4]K A Ellison，Lowden Liburdi.Powder Metallurgy Repair of Turbine Components[C].ASME International Gas Turbine &Aeroengine Conference，1992.

[5]Wang Gang，Zhang Binggang，Feng Jicai，et al.Interface structure of electron beam brazing Ni-base superalloy Joint [C].Materials of international VII Russia-China Symposium "Modern materials and technologies"，2007：66-69.

[6]Li H X，HE P，LIN T S，et al.Microstructure and shear strength of reactive brazing joints of TiAl/Ni-based alloy[J].Transaction of Nonferrous Metals Society of China，2012，22（2）：324-329.

[7]THEADGILL P L.Metallurgical aspects of joining titanium aluminide-alloys[J].Proc Int Symp on Intermetallic Compounds(JIMIS-6)JIM，1991（10）：1021-1025.

[8]Threadgill P L，Dance B G I.Joining of intermetallic alloys -further studies[J].The TEI Journal，1997，6（2）：257-316.

Balance precipitated phase and microstructures of weld of HAYNESS 282 nickel-base alloy

YU Yong，LENG Jinming，XIONG Jiankun，DONG Jun，XU Jian，WANG Dongli
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

By using thermodynamic analysis software JMatPro 700 grade turbine rotor welding materials HAYNES282 to balance the influence of the phase separation behavior of chemical elements，On the basis of the analysis of its weldability and welding mechanism research Results indicate that，282 alloy thermodynamic equilibrium of the precipitated phase of gamma，gamma and MC，M6C and M23C6，M3B2，sigma，mu，the content of the precipitated phase and the temperature has a certain regularity，the change of elements content of equilibrium precipitated phase has a direct impact.As can be seen from the microstructure，the microstructure of the welded joint after the solid fusion is in a linear arrangement along the dendrite growth direction，but the orientation is different.The main phase of the weld microstructure is(Cr，Fe，Mo)23C6，(Mo，Co，Fe)6C.

HAYNES282；M23C6；pecipitated phase；carbon

TG401

A

1001－2303（2017）02－0036-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.07

2016-10-09；

2016-11-10

余 勇（1969—），男，四川德阳人，学士，主要从事焊接方面的新材料、新工艺、新技术的研发和推广应用工作。

献

余勇，冷进明，熊建坤，等.HAYNES282镍基合金的平衡析出相及焊缝微观组织[J].电焊机，2017，47（02）：36-40.