低温镍基焊条焊接的LNG储罐用9Ni钢接头的力学性能

罗 震，武钰栋，马成勇，齐彦昌，张 禹

低温镍基焊条焊接的LNG储罐用9Ni钢接头的力学性能

罗 震1, 2，武钰栋1, 2，马成勇3，齐彦昌3，张 禹1, 4

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300350；2. 天津市现代连接技术重点实验室，天津 300350；3. 钢铁研究总院，北京 100081；4.清华大学机械工程系，北京 100084)

采用3种药皮成分不同焊条对LNG储罐用9Ni钢进行焊接，利用多元热动力学相图计算软件JMatPro的Scheil模型配合镍基合金材料数据库对相应焊缝熔敷金属进行偏析计算，通过光学显微镜(OM)分析熔敷金属的组织，并利用IPP软件观测枝晶间距．此外，通过硬度、拉伸和低温冲击等试验评定熔敷金属的力学性能．结果表明，Nb为正偏析元素，3种焊条的熔敷金属组织均由奥氏体树枝晶和析出相组成．OK92.55型焊条的熔敷金属具有更小的枝晶宽度和枝晶间距，这是由于Nb元素的偏析作用，形成的碳化物有抑制枝晶长大的作用，这促使其熔敷金属具有更大的断后延伸率和断面收缩率，具有良好的塑性．3种焊缝在热影响区的硬度最大，这是因为焊接热循环的作用．3种焊条熔敷金属的拉伸断口形貌均为韧窝和解理两种断裂方式相结合的形貌，说明它们既有塑性断裂，还有脆性断裂，但OK92.55型焊条熔敷金属的韧窝占比更高，证明其拉伸塑性较好．3种焊条的熔敷金属的低温冲击断口均为韧窝形貌，OK92.55型焊条熔敷金属的韧窝更深更小，表现出更好的低温韧性．

LNG储罐用钢；镍基焊条；枝晶间距；塑性；韧性

液化天然气(LNG)作为一种清洁高效的能源，在被发现并利用之后，就得到了各国的重视[1]．基于LNG的快速发展，LNG储罐的研发成为各国的重点课题之一．9Ni钢因其优良的低温冲击韧性和较低的脆性转变温度，满足－196℃下的服役条件，成为了各国的LNG储罐的首选材料[2]．目前，各国服役状态的LNG储罐材料为热处理后的9Ni钢[3]．众多学者已经对9Ni钢的强韧机理进行了研究[4-7]，研究表明热处理后的9Ni钢中奥氏体对低温韧性起到关键性作用，合金元素起到了固溶强化、细晶强化、沉淀强化等作用．在LNG储罐产业链中，焊接是非常重要的一道工序[8-10]．

由于9Ni钢储罐的焊接工序往往需要在室外进行，气体保护焊难以施展．鉴于其特殊的服役环境，LNG储罐的焊接接头成为制约其服役性能的关键环节．焊条电弧焊适用于多种材料和多位置的焊接，是焊接9Ni钢储罐的常用手段[11]．为保证低温韧性，焊材通常选择Ni基型焊材．Ni基型焊材不仅具有优良的低温韧性，而且与母材有相近的热膨胀系数，避免了接头处的应力集中．

我国已经能自主生产LNG储罐用9Ni钢，但是对9Ni钢配套焊材的研制有所落后，成为制约行业发展的瓶颈．文中采用国产的焊条和进口焊条的对比试验，研究了不同药皮配方(保密)焊条的焊缝金属的力学性能．通过分析焊材的熔敷金属的微观组织，分析合金元素影响塑性和韧性的机理，为镍基焊材国产化提供理论依据和试验支撑．

1 试验方法

试验所采用的母材为国产9Ni钢，热处理状态为QT态，显微组织为板条状低碳回火马氏体，板材大小为500mm´200mm´20mm，表1为化学成分，表2是力学性能．试验采用手工电弧焊，采用3组不同的ENiCrMo-6型焊条进行对比试验，其中第1、2组分别为国产焊条HQN-6a和HQN-6b，第3组采用OK92.55．板材开30°坡口，根部间隙为13mm．焊接时使用WSME-500P型号的焊机，使用交流电进行焊接，焊接参数如表3所示，采用8层30道的焊接方式．焊后截取3组焊接试样的焊接接头进行试验，利用NACIS/C等化学法对熔敷金属中的各元素进行测量，试验结果如表4所示．制备金相试样时，在研磨抛光后，采用10%铬酸腐蚀剂在电压3V、电流1A的条件下将试样电解腐蚀1min，洗净吹干．利用奥林巴斯GX51型光学显微镜进行金相观察和采集．利用扫描电镜(SEM)及其附带能谱(EDS)观察分析熔敷金属组织及夹杂物的形貌与成分．按照GB/T 2651—2008标准，利用WE-300液压万能拉伸机对制备好的熔敷金属进行拉伸试验．按照GB/T 2650—2008标准，利用JBZ-300自动冲击试验机在－196℃对制备好的熔敷金属标准样进行冲击试验，将冲断的试件清洗后在EVO型扫描电镜(SEM)及其附带能谱(EDS)下分析断口形貌及析出物成分．利用维氏硬度计对焊接接头的硬度进行测量．采用多元热动力学相图计算软件JMatPro配合镍基合金材料数据库对相应焊缝熔敷金属进行偏析计算．考虑到焊接过程凝固速率较快，采用Scheil模型进行计算．

表1 9Ni钢的化学成分

Tab.1 Chemical composition of 9Ni steel   %

表2 9Ni钢的力学性能

Tab.2 Mechanical properties of 9Ni steel

表3 焊接工艺试验参数

Tab.3 Weldingprocessparameters

表4 不同焊条熔敷金属的化学成分

Tab.4 Chemicalcompositionof the metal deposited with different electrodes %

2 试验结果与讨论

2.1 金相及硬度分析

图1(a)、(b)为HQN-6a焊条熔敷金属的金相形貌，图1(c)、(d)为HQN-6b焊条熔敷金属的金相形貌，图1(e)、(f)为OK92.55焊条熔敷金属的金相形貌．可以发现，3种焊条的熔敷金属的显微组织都是奥氏体枝晶，枝晶间伴有第2相和析出物．分析图1(a)、(c)和(e)所示的HQN-6a、HQN-6b和OK92.55焊条熔敷金属的显微组织三维金相图，并使用IPP软件测量各个类型焊条的平均枝晶宽度和枝晶间距．OK92.55熔敷金属形成的树枝晶宽度较小，为15.3μm，一次枝晶间距较小，为14.9μm．而图1(a)所示的HQN-6a熔敷金属形成的树枝晶宽度较大，为28.5μm，一次枝晶间距也较大，为21.41μm. HQN-6b熔敷金属形成的树枝晶宽度以及枝晶间距介于两者之间，如图1(c)所示，树枝晶宽度为22.5μm，一次枝晶间距为20.1μm．同时由三维金相图的正视图可以发现，3种焊条的熔敷金属都产生了凝固裂纹，但是OK92.55焊条熔敷金属的裂纹较少，且裂纹长度和宽度都较小；而HQN-6a焊条熔敷金属的裂纹分布较密集，且尺寸更大．这是由于OK92.55焊条熔敷金属中较多的NbC的析出，阻碍了裂纹的扩展[12]．

图1 不同焊条熔敷金属的显微组织金相图

由于试验采用多层多道焊方式，取相邻两道焊缝部位进行观察，如图1(b)、(d)和(f)．前焊道与后焊道存在明显的界面．在界面处，后焊道的枝晶间距较小，前焊道的枝晶间距较大．这是因为后焊道焊接作业时对前焊道有热处理的作用，导致前焊道的枝晶熟化，具体表现为二次枝晶臂消失．HQN-6a熔敷金属的前焊道和后焊道的树枝晶宽度差异较大，OK92.55熔敷金属前后焊道形成的树枝晶宽度差异较小，得到了较好的过渡．

图2为3种焊条焊接接头的硬度分布．可以发现，3种焊条在母材区以及热影响区的硬度分布都比较接近．母材区硬度约为230HV，热影响区的硬度约为310HV．热影响区的硬度明显高于母材焊缝，这是因为多层多道焊的热循环作用导致热影响区形成大量的淬硬的马氏体相[13-14]．焊缝区的硬度都有波动，HQN-6a熔敷金属的硬度相比较小，HQN-6b较大．

图2 焊接接头的硬度分布

2.2 合金元素对枝晶细化的作用

枝晶形成的主要成因为凝固界面前沿液相由于偏析产生成分过冷．此时固液相界面若产生扰动，在成分过冷的作用下会放大，破坏原来的平面推进凝固模式，形成枝晶凝固模式．在这一过程中，溶质偏析的程度与枝晶间距关系较大[15]．图3所示为相应焊缝部位熔敷金属各合金元素的偏析曲线计算结果，其中横坐标由左至右表示凝固的进程．可以看出，Fe、Cr元素表现为反偏析，而Nb、Mn表现为正偏析．此外，W、Mo元素的偏析现象不明显．通过对比试验所用3种焊条的成分发现，由于熔敷金属的Nb含量差异显著，该元素在凝固过程中在剩余液相中的富集程度为OK92.55＞HQN-6b＞HQN-6a．一方面，Nb元素富集会在凝固时枝晶前沿形成富溶质边界层，对其进一步生长起阻碍作用；另一方面，Nb会与碳元素形成化合物，起到细化晶粒的作用[15]．这即是产生对应图1枝晶间距的差异机理．

图3 偏析曲线

2.3 力学性能

表5为3种焊条熔敷金属的力学性能．HQN-6a、HQN-6b、和OK92.55这3种焊条形成的熔敷金属的屈服强度较为接近，-196℃冲击功也近似. OK92.55熔敷金属的抗拉强度相比较大．但是在塑性指标上，HQN-6a、HQN-6b有明显的不足．OK92.55的断后延伸率为43%，而HQN-6a的断后延伸率只有14%，约为OK92.55的1/3．HQN-6b的断后延伸率也只有OK92.55的1/2左右．OK92.55的断面收缩率也较大，约为HQN-6a和HQN-6b的2倍. OK92.55焊条所形成的熔敷金属具有优良的塑性，这是因为其熔敷金属的显微组织具有较小的枝晶宽度和枝晶间距．枝晶细化促使熔敷金属具有更加出色的力学性能．

表5 不同焊条熔敷金属的力学性能

Tab.5 Mechanical properties of the metal deposited with different electrodes

2.4 断口分析

图4(a)、(b)、(c)分别是HQN-6a、HQN-6b和OK92.55焊条熔敷金属的冲击断口纤维区处SEM形貌，3种焊条熔敷金属的冲击断口形貌为韧窝和解理两种断裂方式相结合的形貌，说明它们既有塑性断裂，还有脆性断裂，而且图4(a)、(b)、(c)中的韧窝占比在不断增大．图4(d)、(e)、(f)分别是HQN-6a、HQN-6b和OK92.55焊条熔敷金属的拉伸断口SEM形貌，可见3种焊条熔敷金属的拉伸断口形貌也为韧窝和解理两种断裂方式相结合的形貌，说明它们既有塑性断裂，还有脆性断裂．HQN-6a焊条更趋向于脆性断裂，如图4(d)所示，脆性断裂的形貌所占比例较大，说明其拉伸塑性较差．对于OK92.55焊条，如图4(f)所示，韧窝形貌占比较大，其塑性较好，拉伸性能好．与图4(f)相比，图4(e)断口的韧窝较少，这也说明了HQN-6b焊条形成的熔敷金属的拉伸性能较OK92.55焊条差．

图4 不同焊条熔敷金属的断口SEM形貌

3 结 论

(1) 3种Ni基焊材形成的熔敷金属的显微组织都是奥氏体树枝晶，枝晶间伴有第2相和析出物．在母材、热影响区和熔敷金属处，它们三者的硬度都相近．与HQN-6a和HQN-6b焊条相比，OK92.55焊条形成的奥氏体枝晶具有更小的枝晶宽度和更小的枝晶间距．

(2) OK92.55焊条形成熔敷金属具有更优良的塑性和韧性．这是因为OK92.55焊条熔敷金属中有较多的NbC的析出，不仅可以细化树枝间宽度，减小枝晶间距，还阻碍了裂纹的扩展．

(3) 3种试样的冲击断口均观察到韧窝形貌，它们都发生塑性断裂，其中OK92.55焊条形成熔敷金属的断口有更深更小的韧窝．3种试样的拉伸断口为塑性和脆性相结合，其中OK92.55焊条韧窝形貌占比较大，其拉伸性能较好．

(4) 合金元素对于镍基焊条熔敷金属的力学性能有很重要的影响．国产焊条可以通过添加适量的Nb元素来提高其塑性和低温韧性．

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Mechanical Properties of 9Ni Steel Joints for LNG Storage Tanks Welded with a Low Temperature Nickel-Based Electrode

Luo Zhen1, 2，Wu Yudong1, 2，Ma Chengyong3，Qi Yanchang3，Zhang Yu1, 4

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China；3. General Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China；4. Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

9Ni steel was welded with three electrodes to produce a LNG storage tank with different coating compositions. The Scheil model in a multiple thermodynamic phase diagram calculation software, JMatPro, and a nickel-based alloy material database were used to perform a segregation calculation of the cladding metal of corresponding welds. The microstructure of the deposited metal was analyzed by optical microscopy (OM) and the dendrite spacing was observed. In addition, the mechanical properties of the deposited metals were evaluated by hardness, tensile and low temperature impact tests. The results show that Nb is a positive segregation element, and the microstructure of the deposited metal of the three electrodes is composed of austenite dendrites and precipitates. The deposited metal of the OK92.55-type electrode has a smaller dendrite width and dendrite spacing due to the segregation of the Nb element and the formed carbide can inhibit the growth of dendrite, which promotes greater elongation of the deposited metal after fracture and shrinkage of the section due to the good plasticity. The hardness of the three welds is highest in the heat-affected zone due to the effect of the welding heat cycle. The tensile fracture morphology of the deposited metals of the three electrodes is a combination of dimple and fracture modes, indicating both plastic and brittle fracture characteristics. However, the proportion of dimples in the deposited metals of the three electrodes is higher, which proves that the tensile plasticity is good. The low-temperature impact fracture of the deposited metals of the three electrodes is a dimpled morphology, and the dimpled metal of the OK92.55 electrode is deeper and smaller, showing better low-temperature toughness.

LNG storage tank steel；nickel-based electrode；dendrite spacing；plasticity；toughness

the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFB0305005)，the China Postdoctoral Science Foundation(No.2018M641340).

TG401

A

0493-2137(2020)08-0771-06

10.11784/tdxbz201906026

2019-06-12；

2019-07-24.

罗 震（1967—  ），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

罗 震，lz@tju.edu.cn.

国家重点研发计划资助项目(2017YFB0305005)；中国博士后科学基金资助项目(2018M641340).

(责任编辑：田 军)