Effect of Heat Treatment Regime on Microstructure and Properties of Ni₃Al and Stellite6 Surfacing Layers

热处理制度对Ni 3 Al和Stellite6堆焊层组织及性能的影响 Effect of Heat Treatment Regime on Microstructure and Properties of Ni 3 Al and Stellite6 Surfacing Layers 1 2 first-author 刘金湘（1990—），硕士，工程师，主要从事焊接材料开发、焊接工艺研发等工作。 刘金湘（1990—），硕士，工程师，主要从事焊接材料开发、焊接工艺研发等工作。 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 浙江省华光新型绿色钎焊材料重点企业研究院,浙江 杭州 311100 浙江省华光新型绿色钎焊材料重点企业研究院,浙江 杭州 311100 Hua Guang Novel Eco-Friendly Brazing Materials Research Institute, Hangzhou 311100, China Hua Guang Novel Eco-Friendly Brazing Materials Research Institute, Hangzhou 311100, China 杭州华光焊接新材料股份有限公司,浙江 杭州 311100 杭州华光焊接新材料股份有限公司,浙江 杭州 311100 Hua Guang Advanced Welding Materials Co., Ltd., Hangzhou 311100, China Hua Guang Advanced Welding Materials Co., Ltd., Hangzhou 311100, China 司太立合金因其优异的高温耐磨性和抗氧化性，在核泵、阀门、汽轮机等产品中得到广泛应用，但该合金属于战略资源，价格昂贵，且易活化成强辐射元素。采用自主研制的Ni 3 Al堆焊焊丝，与常用的Stellite6粉末进行焊接工艺性及性能对比，尤其针对650 ℃×4 h和870 ℃×4 h两种常用的热处理制度，研究两种堆焊层所发生的组织及性能变化。在304奥氏体不锈钢基材表面进行堆焊时，Ni 3 Al焊丝和Stellite6粉末均具有良好的焊接工艺性。Ni 3 Al堆焊层硬度高于Stellite6合金。随着热处理温度由650 ℃提高到870 ℃，Ni 3 Al堆焊层的硬度呈下降趋势，而Stellite6的硬度呈上升趋势。经870 ℃×4 h热处理后，Ni 3 Al堆焊层的硬度依然比Stellite 6堆焊层的硬度高68 HV2，对于该材料后续工程应用具有很好的参考价值。 Because of its excellent high temperature wear resistance and oxidation resistance, Stellite alloy is widely used in the nuclear pumps, valves, steam turbine, and other products, but it is the strategic resources, expensive, and easily activate into intense radiation elements. Use the independent development of Ni 3 Al surfacing welding wire, and compare welding manufacturability and performance with the commonly used Stellite6 powder. Especially for the two commonly used heat treatment regimes of 650 ℃×4 h and 870 ℃×4 h, the microstructure and property changes of the two kinds of surfacing layer were studied. It is found that both Ni 3 Al wire and Stellite6 powder have good welding performance when surfacing on 304 austenitic stainless steel. The hardness of Ni 3 Al surfacing layer is higher than that of Stellite 6 alloy. With the increase of heat treatment temperature from 650 ℃ to 870 ℃, the hardness of Ni 3 Al surfacing layer decreased, while that of Stellite6 surfacing layer increased. After heat treatment at 870 ℃×4h, the hardness of Ni 3 Al surfacing layer was still 68 HV2 higher than that of Stellite 6 surfacing layer which has a good reference value for the subsequent engineering application of the material. 耐磨堆焊 Ni 3 Al堆焊层 Stellite6堆焊层 代钴材料 wear resistance surfacing Ni 3 Al surfacing layer Stellite6 surfacing layer instead of Co-based materials 前言 1 随着航空航天、石油化工、电力工业的迅速发展，对耐高温、高压、抗强腐蚀零件的需求量越来越大。Stellite合金（钴铬钨硬质合金）以其优异的高温耐磨性和抗氧化性广泛应用于核泵、阀门、汽轮机等产品中。由于该合金以国内稀有元素Co为主要原料，Co属于战略物资，需要大量进口，且价格不断上涨，所以成本昂贵。另一方面，Co容易活化成Co60，它是一种穿透力很强的高毒性核辐射元素，半衰期长达5.27年。从20世纪80年代起，技术人员已经开始研制用于高温耐磨堆焊领域的代钴材料 ［ 1 1 - 4 4 1-4 ］ 。如哈尔滨焊接研究院研制的以C、Cr、W、Si等元素强化的NDG-2#镍基合金，曾用于上海阀门厂微启式安全阀阀座堆焊；苏州大学刘双 ［ 5 5 ］ 等进行了核阀密封面无钴镍基合金涂层材料及熔覆工艺的研究；魏宏璞 ［ 6 6 ］ 等进行了核阀密封面无钴铁基合金及激光涂层性能的研究。国外几种典型的认为性能优异的传统高温耐磨材料的设计思路均是在高强韧金属基体中加入弥散分布的硬质增强相颗粒，增强相主要承担磨损应力，基体主要起联结支撑增强相、协调变形和承受冲击应力的作用。如Stellite6合金由Co-Cr-W基体和13%富铬M 7 C 3 硬质相组成 ［ 7 7 ］ ，BKHA-2M合金是一种Ni 3 Al基合金，含有40%NiAl和2%MC硬质相 ［ 8 8 ］ 。此外，经典的金属基复合材料设计原则还要求基体相和增强相之间具有良好的热力学共容性（相互之间不发生剧烈的化学反应）、物理性能共存性（相近的热膨胀系数和比重）、润湿性和强界面结合力 ［ 9 9 ］ 。 依据高温耐磨材料和金属基复合材料的设计原则，自主研发了一种新型的高温耐磨Ni 3 Al堆焊材料，该堆焊材料相比传统的司太立连铸直条焊丝或者焊粉，可以做成连续盘状药芯焊丝，既可用于熔化极气体保护电弧堆焊，也可用TIG进行堆焊。司太立粉末采用等离子方法进行堆焊时，实际利用率只有60%~80%，且焊接过程中还容易出现堵粉和送粉不均匀的问题。Ni 3 Al焊丝采用自动TIG堆焊研发，既能保证堆焊层性能满足要求，还能提高材料利用率，提高自动化水平，彻底解决粉末堆焊过程中堵粉和送粉不均匀的问题。 实际产品在堆焊完成后均须对工件进行消除应力热处理，以避免在运行过程中因焊接残余应力积累导致堆焊层开裂、剥离或脱落，造成不可估量的后果。文中将Ni 3 Al堆焊层与司太立堆焊层经不同热处理制度后进行对比试验，研究焊后热处理制度对堆焊层组织及性能的影响。 试样制备 1 堆焊层焊接 2 试验用母材为304奥氏体不锈钢，其化学成分和力学性能见 表1 表1 、 表2 表2 。Ni 3 Al焊丝直径1.2 mm。采用手工钨极氩弧焊（TIG）工艺，焊接设备为北京时代WSE-315型交直流脉冲氩弧焊机。Ni 3 Al焊丝熔敷金属化学成分见 表3 表3 ，堆焊工艺参数见 表4 表4 ，共堆焊3层，堆焊层厚度约4 mm，堆焊面积约60 cm 2 ，焊道外观照片如 图1 图1 所示。由 图1 图1 可知，Ni 3 Al堆焊层焊道表面光滑、均匀、呈银白色，焊缝成形良好。 注： 表中未列出范围的单一要求值是最大值。 元素 C Si Mn S P Cr Ni N 要求值 0.08 0.75 2.00 0.020 0.035 18.0~20.0 8.0~10.5 0.10 实际值 0.03 0.23 1.06 0.001 0.012 18.66 9.10 0.04 抗拉强度 R m /MPa 屈服强度 R p0.2 /MPa 断后伸长率 A /% 要求值 ≥520 ≥205 ≥40 实测值 650 286 44 注： 表中未列出范围的单一要求值是最大值。 元素 C Si Mn W Fe Cr Ni Co Al Ni 3 Al 1.37 — 0.08 — 2.52 8.54 余 — 8.08 Stellite6 1.21 1.29 0.026 4.34 1.90 29.35 1.68 余 — 焊接 方法 预热 温度 T /℃ 焊接 电流 I /A 焊接 电压 U /V 焊接速度 v /（mm·min -1 ） 摆动 频率 f /Hz 摆动 幅度 /mm TIG 300±20 150~170 14~16 100~120 — — PTA 300±20 180~190 18~22 70~90 80~100 15~18 司太立合金粉末Stellite6规格100~250目，采用等离子堆焊工艺，焊接设备为上海肯纳STARWELD 3型等离子粉末堆焊设备。焊粉熔敷金属化学成分见 表3 表3 ，堆焊工艺参数见 表4 表4 ，共堆焊3层，堆焊层厚度约4 mm，堆焊面积约60 cm 2 ，焊道外观照片如 图2 图2 所示。由 图2 图2 可知，Stellite6等离子堆焊层焊道表面呈暗灰色，焊缝成形良好，焊道周边存在少许焊粉飞溅。 堆焊层热处理 2 堆焊完成后两种材料均垂直于焊接方向取3件试样，尺寸20 mm×10 mm×10 mm，在3种不同的热处理状态下进行金相及显微硬度对比试验。根据司太立耐磨堆焊产品热处理特点，确定了650 ℃×4 h和870 ℃×4 h两种热处理制度，升降温速度均满足≤50 ℃/h要求，另1件为焊后状态。 试验结果及分析 1 热处理制度对堆焊层金相组织的影响 2 试样热处理后经研磨及抛光，采用FeCl 3 +HCl腐蚀液擦拭腐蚀后，用Leica DM6M金相显微镜进行观察。 图3 图3 为Ni 3 Al堆焊层焊态宏观金相照片，能明显看出试样共堆焊了3层，其中第1层3道，第2层2道，第三层1道。堆焊层总厚度约4 mm，熔深约1 mm。 图4 图4 为Ni 3 Al堆焊层焊态试样顶部区域金相组织，能明显看出堆焊层平均晶粒尺寸约为10 μm，组织较为细密，晶界分布均匀。Ni 3 Al堆焊层金相组织由γ'-Ni 3 Al相+MC型及M 23 C 6 型碳化物组成。 图5 图5 为Ni 3 Al堆焊层经650 ℃×4 h热处理后试样顶部区域金相组织，能明显看出部分晶粒尺寸存在长大的趋势，组织均匀性与焊态比稍有区别。 图6 图6 为Ni 3 Al堆焊层经870 ℃×4 h热处理后试样顶部区域金相组织，能明显看出组织中碳化物颗粒开始溶入基体，碳化物数量开始减少，部分晶粒尺寸变大。 图7 图7 为Stellite6堆焊层焊态试样顶部区域金相组织，能明显看出其金相组织为柱状晶形式，碳化物呈条状析出，金相组织为奥氏体基体+WC析出物。 图8 图8 为Stellite6堆焊层经650 ℃×4 h热处理后试样顶部区域金相照片，碳化物析出数量与焊态相比明显增多，由条状开始转变为网状，晶粒尺寸约为25 μm。 图9 图9 为Stellite6堆焊层经870 ℃×4 h热处理后试样顶部区域金相组织照片，能明显看出组织中碳化物析出数量更多，单条厚度更大。 热处理制度对堆焊层硬度的影响 2 对两种材料3种不同热处理制度的试样进行硬度检测。采用QATM Master 10+全自动显微维氏硬度仪，沿堆焊层厚度方向在距离熔合线不同位置进行硬度检测，间隔0.4 mm，载荷为2 kg。硬度检测位置点照片如 图10 图10 所示。 两种材料堆焊层在焊态、650 ℃×4 h热处理、870 ℃×4 h热处理三种状态下距离熔合线不同位置的硬度实测数据如 表5 表5 所示。 3 距离熔合线 d /mm 6 硬度值/HV2 3 Ni 3 Al 3 Stellite6 焊态 650 ℃ 870 ℃ 焊态 650 ℃ 870 ℃ 0.8 404 381 363 337 334 336 1.2 450 412 407 362 370 373 1.6 473 433 419 369 383 388 2.0 506 475 451 378 392 397 2.4 518 505 475 384 403 411 2.8 534 512 486 396 417 425 3.2 542 528 502 407 423 434 将 表5 表5 中数据绘制成曲线，如 图11 图11 所示。由 表5 表5 及 图11 图11 可以看出，Ni 3 Al堆焊层在距离熔合线不同位置的硬度值均高于Stelite6。距离熔合线越远，堆焊层稀释率逐步降低，硬度逐渐升高。其中Ni3Al在焊态的硬度要高于热处理状态，且随着热处理温度升高，堆焊层硬度下降。因为经过870 ℃热处理后，Ni 3 Al晶界析出了Cr 23 C 6 的碳化物，造成晶界附近及晶粒内部Cr 3 C 2 碳化物总数量变少，因此堆焊层的整体硬度下降。Stellite6堆焊层焊态的硬度要低于热处理状态，且随着热处理温度逐步升高，堆焊层硬度逐步升高。因为Stellite6经过870 ℃热处理后，Cr 3 C 2 等碳化物的尺寸比原来更大，数量比原来更多，原来的网状分布开始呈现分散趋势，沉淀相析出更多，堆焊层硬度逐步升高，经870 ℃×4 h热处理后，Ni 3 Al堆焊层的硬度依然比Stellite6堆焊层高68 HV2。 试样扫描电镜分析 2 显微硬度检测完成后，采用Oxford 牛津扫描电镜对Ni 3 Al堆焊层的焊态试样及经870 ℃×4 h热处理后的试样进行对比分析。从 图12 图12 和 图13 图13 的对比照片能够明显看出，经过870 ℃热处理后，Ni 3 Al晶界附近上出现了局部Cr含量很高的点，但晶界大部分区域出现了明显的Cr含量降低的现象。这是因为晶界析出了Cr 23 C 6 的碳化物，造成晶界附近及晶粒内部Cr 3 C 2 碳化物总数量变少，因此堆焊层的整体硬度下降。热处理前，枝晶形貌更加分散，沉淀强化相弥散分布在各个区域。热处理后，枝晶边界更加明显，晶界与晶粒内部出现明显的成分扩散现象。 将Stellite6堆焊层的焊态试样及经870 ℃×4 h热处理后的试样进行扫描电镜对比分析，由 图14 图14 、 图15 图15 能够明显看出，经过870 ℃热处理后，Cr 3 C 2 等碳化物的尺寸比原来更大，数量比原来更多，原来的网状分布开始呈现分散趋势，沉淀相析出更多，堆焊层硬度逐步升高。 结论 1 （1）在304奥氏体不锈钢基材表面进行堆焊时，Ni 3 Al焊丝和Stellite6粉末均具有良好的焊接工艺性，焊缝成形美观，波纹细密。 （2）相同热处理制度下Ni 3 Al堆焊层在距离熔合线相同位置的硬度均高于Stellite6合金。随着热处理温度由650 ℃提高到870 ℃，Ni 3 Al堆焊层的硬度呈下降趋势，Stellite6堆焊层的硬度呈上升趋势，且经870 ℃×4 h热处理后，Ni 3 Al堆焊层的硬度依然比Stellite 6堆焊层的硬度高68 HV2。 （3）不同热处理制度对Ni 3 Al和Stellite6堆焊层耐磨性能和耐腐蚀性能的影响尚有待进一步试验研究。 参考文献 陈庆文 . 核级阀门密封面材料与焊接技术研究 ［D］. 黑龙江 ： 哈尔滨工程大学 ， 2013 . 核级阀门密封面材料与焊接技术研究 Chen Q W . Research on Sealing Surface Material and Welding Technology of the Nuclear Level Valve ［D］. Heilongjiang ： Harbin Engineering University ， 2013 . Research on Sealing Surface Material and Welding Technology of the Nuclear Level Valve Bhaduri A K ， Indira R ， Albert S K ， et a1 . Selection of Hardfacing Material for Components of the Indian Prototype Fast Breeder Reactor ［J］. Journal of Nuclear Material ， 2004 ， 334 ： 109 - 114 ． Selection of Hardfacing Material for Components of the Indian Prototype Fast Breeder Reactor 高清宝 . 阀门堆焊技术 ［M］. 北京 ： 机械工业出版社 ， 1994 . 阀门堆焊技术 程华 ， 印有胜 . 我国阀门密封面堆焊合金现状及发展 ［J］. 沈阳工业大学学报 ， 2001 ， 23 （ 5 ）： 379 - 381 . 我国阀门密封面堆焊合金现状及发展 Cheng H ， Yin Y S . Surfacing welding alloy's status quo and development of valve seal ［J］. Journal of Shenyang Polytechnic University ， 2001 ， 23 （ 5 ）： 379 - 381 . Surfacing welding alloy's status quo and development of valve seal 刘双 ， 刘秀波 ， 傅戈雁 ， 等 . 激光熔覆技术及其在核电阀门中的研究进展 ［J］. 材料导报 ， 2009 ， 23 （ 14 ）： 203 - 205 . 激光熔覆技术及其在核电阀门中的研究进展 Liu S ， Liu X B ， Fu G Y ， et al . Development of Laser Cladding and Application on Nuclear Valve Sealing Surfaces ［J］. Materials Reports ， 2009 ， 23 （ 14 ）： 203 - 205 . Development of Laser Cladding and Application on Nuclear Valve Sealing Surfaces 魏宏璞 . 核阀密封面无钴铁基合金及激光涂层性能研究 ［D］. 江苏 ： 苏州大学 ， 2010 . 核阀密封面无钴铁基合金及激光涂层性能研究 Wei H P . Study on Nuclear Valve Sealing Surface Co-free Fe-based Alloys and Properties of Laser Coating ［D］. Jiangsu ： Suzhou University ， 2010 . Study on Nuclear Valve Sealing Surface Co-free Fe-based Alloys and Properties of Laser Coating 刘玉珍 ， 桂业纬 . 司太立合金的性能及应用（I） ［J］. 机械工程材料 ， 1992 ， 16 （ 5 ）： 1 - 6 . 司太立合金的性能及应用（I） Liu Y Z ， Gui Y W . The Properties and Application of Stellite Alloys （I） ［J］. Materials for Mechanical Engineering ， 1992 ， 16 （ 5 ）： 1 - 6 . The Properties and Application of Stellite Alloys （I） Buntushkin V P ， Kablov E N ， Bazyleva O A ， et al . MetalScience and Heat Treatment ， 1999 ， 41 ： 36 . MetalScience and Heat Treatment 李尚平 ， 骆合力 . 新一代高温耐磨材料的设计与开发 ［J］. 钢铁研究学报 ， 2011 ， 12 ： 553 - 555 . 新一代高温耐磨材料的设计与开发 Li S P ， Luo H L . A New Generation of High Temperature Wear-Resistant Material ［J］. Journal of Iron and Steel Research ， 2011 ， 12 ： 553 - 555 . A New Generation of High Temperature Wear-Resistant Material 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.10.07 TG422.3 A 1001-2303（2022）10-0045-06 刘金湘，唐卫岗，陈融，等.热处理制度对Ni 3 Al和Stellite6堆焊层组织及性能的影响［J］.电焊机，2022，52（10）：45-50. 刘金湘，唐卫岗，陈融，等.热处理制度对Ni3Al和Stellite6堆焊层组织及性能的影响［J］.电焊机，2022，52（10）：45-50. LIU Jinxiang, TANG Weigang, CHEN Rong, et al.Effect of Heat Treatment Regime on Microstructure and Properties of Ni 3 Al and Stellite6 Surfacing Layers[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(10): 45-50. LIU Jinxiang, TANG Weigang, CHEN Rong, et al.Effect of Heat Treatment Regime on Microstructure and Properties of Ni3Al and Stellite6 Surfacing Layers[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(10): 45-50. 2022-09-26 2022-10-20 2022-10-24 电焊机 10 52