Inconel 600 热电偶套管焊接的组织和性能研究

杨子威　余进　洪浩源　高健　汪海

摘要：采用等离子和TIG分别对Inconel 600 热电偶套筒进行焊接，研究不同焊接方法对Inconel 600 显微组织及其性能的影响。母材为全奥氏体组织，主要由γ、γ′（Ni3Al）以及Cr23C6碳化物组成，夹杂着些许氧化物颗粒。结果表明，等离子接头中析出的碳化物Cr23C6多于TIG焊接头，热影响区碳化物Cr23C6含量减少。焊缝显微硬度均低于母材，但等离子接头的焊缝显微硬度略大于TIG焊焊缝。

关键词：Inconel 600;等离子焊;TIG焊

中图分类号：TG457.2 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0099-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.20

0 前言

Inconel 600合金是镍-铬-铁基固溶强化合金，具有良好的耐高温腐蚀和抗氧化性能、优良的冷热加工和焊接性能，在700 ℃以下具有满意的热敏感性和高塑性[1-2]。它主要应用于侵蚀气氛中的热电偶套管、氯乙烯单体生产、腐蚀性碱金属的生产和使用、核反应堆、石油化工生产中的催化再生器等各个领域[3]。零部件在高温服役环境中会产生一定程度的损伤及缺陷，需及时对其进行修复或更换，但当损坏区域较小时，更换整个零部件不仅会增加成本，同时还会增加耗时，降低生产效率[4]。因此研究Inconel 600热电偶套管的焊接性，对于实际工程具有重要的实用价值。

1 试验材料及方法

Inconel 600合金的化学成分及力学性能分别如表1、表2所示。焊前采用机械清理和化学清理相结合的方法对Inconel 600热电偶套管进行清理。首先选用合适的细砂纸打磨套管，以去除氧化皮。然后采用丙酮超声清洗套管30 min，经清水和去离子水冲洗干净后放入烘箱进行烘干待焊。

1.2 焊接方法

采用等离子和TIG两种焊接方法对Inconel 600热电偶套管进行焊接，保护气均为高纯度氩气（纯度99.99%），气流量1 L/min，等离子的离子气流量为1 L/min，具体工艺参数如表3所示。

焊后用机械加工方法切取试样，经400#、600#、800#、1000#平磨、抛光后，采用5 g CuCl2+100 mL HCL+100 mL无水乙醇腐蚀后制成金相试样。采用日本Olympus生产的GX41倒置及Quanta 250F场发射环境扫描电镜对接头进行表征。

2 结果讨论

2.1 接头界面形貌

热电偶套筒示意如图1所示，去掉损坏的热电偶端部，连接上新热电偶端部，既能提高生产效率，还能降低成本。

等离子和TIG焊接头的截面形貌如图2所示，手工TIG焊接头的焊缝晶粒明显比等离子接头焊缝晶粒粗大。

2.2 接头显微组织分析

Inconel 600母材及XRD分析如图3所示，Inconel 600 镍基合金具有典型的全奥氏体组织，存在大量孪晶，其XRD谱显示Inconel 600主要有由γ、γ′（Ni3Al）以及Cr23C6碳化物相组成。其中γ′（Ni3Al）相是在γ基体上共格析出，它又是镍基高温合金中最重要的强化相。同时Ti等活泼金属均与N有很强的亲和力，容易生成TiN等夹杂物，如图4所示。C易向晶界扩散，同时为了降低系统的自由能与Cr形成碳化物，以Cr23C6为主，如图5所示。

根据凝固学原理，液态金属凝固是形核和长大的过程，主要为异质形核。焊接熔池附近的母材处于半熔化状态，与凝固形成的新相晶体结构相似，形核所需形核功最小，可以作为形核的良好基地。焊接熔池在形核过程中总是优先依附于这些处于半熔化状态的母材晶粒表面，在熔合线处与母材形成共同晶粒，即所谓的交互結晶、外延生长，如图6a、图7a所示。熔池外形近似于半球状曲面，即为液态金属结晶的等温面，由晶体结晶理论可知，晶体的最优生长方向与熔池散热最快方向（即最大温度梯度方向）一致时，晶粒优先垂直于等温面向焊缝中心生长，该方向上焊缝边缘柱状晶优先长大，如图6b所示。等离子焊接接头中存在少量等轴晶，这是因为在凝固后期，中心温度均匀，表层晶粒沉降、生长中碎断晶枝冲入并以其为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。图7b为TIG焊接接头焊缝组织，可以看出焊缝由柱状晶构成，由于TIG采用手工电弧焊，熔池加热时间长、冷却速度慢，因此晶粒有充分时间长大，构成了全柱状晶的焊缝组织。晶界处的碳化物稳定，在高温时会发生长大粗化，晶粒内部的碳化物是不稳定的，在高温时会发生溶解[6]。由图6a、图7a可知，焊接热影响区的析出物Cr23C6含量明显下降，Ye的研究表明[7]M23C6的溶解是一种扩散过程，高温状态下M23C6溶解后导致晶粒内部 Cr和Mo等合金元素和C元素含量升高。C原子半径小，在奥氏体内部通过间隙扩散的方式运动到晶界。Lipnitskii等[8]研究表明，合金元素在晶界更容易富集沉淀。在高温时晶粒内部 M23C6溶解产生的 Cr、Mo和C元素会向晶界富集，造成晶界处碳化物的长大粗化。

2.3 Inconel 600热电偶套筒焊接接头的显微硬度

Inconel 600 TIG接头及等离子接头的显微硬度如图8所示。由于TIG焊缝析出物Cr23C6较少，基本溶解，失去了对基体的沉淀硬化作用，合金此时主要以固溶强化和境界强化为主[9]。根据Hall-Petch关系可知，随着焊缝晶粒尺寸的增大，强度下降，而硬度与强度近似成正比，因此可得出TIG焊缝硬度低于等离子焊缝。

3 结论

（1）对Inconel 600 热电偶套筒选取合适TIG焊和等离子焊工艺参数，得到TIG焊接头的热影响区大于等离子焊接头的热影响区，其中TIG焊接头热影响区大小为250～300 μm，等离子焊接头热影响区为200 μm。

（2）Inconel 600熱电偶套筒等离子和TIG焊缝金属的相组成与母材的相组成类似，由奥氏体基体 γ 相、γ′（Ni3Al）以及碳化物相（Cr23C6）组成，但等离子相对于TIG焊缝，析出相较多。

（3）焊缝热影响区由于受到焊接热循环作用，晶粒内部碳化物Cr23C6溶解，晶界碳化物粗化。

（4）TIG焊焊缝及等离子焊缝的显微硬度均低于母材，但TIG焊缝的析出物较少且焊缝晶粒粗大，因此等离子焊缝的显微硬度略高于TIG焊缝。

参考文献：

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