CN105925925B - 抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件的焊接后热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件的焊接后热处理方法，属于金属材料热处理技术领域。该方法包括：步骤1、固溶热处理：将完成焊接的焊接结构件加热至1150~1180℃后保温；步骤2、时效处理：当固溶热处理保温时间结束，直接以200℃/h~220℃/h的冷却速度冷至860℃±10℃后保温，保温时间为6±0.1h；或者冷却至760℃±10℃后保温，保温时间为90±0.1h；步骤3、分段冷却：当时效处理结束后，以50~55℃/h的冷却速度冷至400℃，然后自然冷却至室温。本发明还公开了一种抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件。本发明能够使焊接接头中的类共晶碳化物发生球化，在保持其强度水平不降低的同时，可显著提高焊接接头的塑性和持久寿命，降低焊接接头的残余应力。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，尤其涉及一种抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件的焊接后热处理方法。
背景技术
第四代核反应堆-熔盐堆因其具有固有安全性及高效等优点，成为了未来核电领域的重要发展方向。该反应堆运行温度为600℃～700℃，采用腐蚀性强的熔盐作为冷却剂，以抗熔盐腐蚀的镍基高温合金(例如美国橡树岭实验室开发的Hastelloy N合金或我国科研单位开发的GH3535合金)作为结构材料。
抗熔盐腐蚀镍基高温合金为奥氏体型镍基合金，主要为熔盐堆研发，具有非常好的抗熔盐腐蚀性能(在700℃高温氟盐中的平均腐蚀速率≤25μm/year)，作为熔盐堆主要的结构材料，在核设备制造过程中，会大量用到焊接连接方式，焊接接头的组织和性能直接影响熔盐堆的安全性和可靠性。
抗熔盐腐蚀镍基高温合金属于固溶强化高温耐蚀Ni-Mo-Cr合金，基体由单一γ相和链状M6C碳化物组成。但在焊接过程中，由于焊接热循环的作用，靠近熔合线的区域，基体中一次M6C碳化物消失，会出现类共晶碳化物，该碳化物主要呈现层片状或骨骼状，该类共晶碳化物较脆，在应力作用下容易发生断裂，成为裂纹源。因此，有必要转变抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接热影响区和焊缝中的类共晶碳化物。
如果采用镍基高温合金手册上的标准热处理工艺进行固溶热处理，通过充分固溶处理使得类共晶碳化物分解，碳元素溶解进入基体，随着温度降低，碳的固溶度下降，过饱和的碳以M6C的形式析出，虽然类共晶碳化物发生转变，但在固溶温度长时间的保温，使晶粒粗化，进而导致力学性能大幅下降。因此，有必要优化焊接后热处理工艺，以保证抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接接头的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的焊接接头力学性能下降的问题，提供一种抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件的焊接后热处理方法，能够有效改善抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接接头中的类共晶碳化物形貌，使之发生球化，在保持其强度水平不降低的同时，可显著提高焊接接头的塑性和持久寿命，降低焊接接头的残余应力。
本发明的抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件的焊接后热处理方法，包括以下步骤：
步骤1、固溶热处理：将完成焊接的焊接结构件加热至1150～1180℃后保温；
步骤2、时效处理：当固溶热处理保温时间结束，直接以200℃/h～220℃/h的冷却速度冷至860℃±10℃后保温，保温时间为6±0.1h；或者，当固溶热处理保温时间结束，直接以200℃/h～220℃/h的冷却速度冷至760℃±10℃后保温，保温时间为90±0.1h；
步骤3、分段冷却：当时效处理结束后，以50～55℃/h的冷却速度冷至400℃，然后自然冷却至室温。
进一步地，所述固溶热处理的保温时间T按照以下经验公式确定：
T＝λ×D×0.5
式中，D表示所述焊接结构件焊接接头处的厚度，单位为mm；λ为取值范围0.8～1.5的系数，其单位为min/mm。
为了减少热处理过程中焊接接头的表面脱碳和氧化，优选地，所述固溶热处理与时效处理均在真空环境下进行。或者采用以下技术方案：在焊接后热处理之前，先在所述焊接结构件焊接接头表面涂覆耐1100～1200℃高温氧化的防脱碳剂；所述固溶热处理与时效处理均在空气气氛下进行。
优选地，所述抗熔盐腐蚀镍基高温合金为Ni-Mo-Cr合金。
优选地，所述抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件使用熔化焊方法焊接而成。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件，其特征在于，所述焊接结构件在完成焊接后，经过以上任一技术方案所述方法进行焊接后热处理。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明针对抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构，对焊接后结构件进行热处理，通过严格控制固溶热处理温度和保温时间，使焊接接头中类共晶碳化物发生球化，并保持其强度水平不降低。
本发明通过合理的时效温度和保温时间、冷却速度，使焊接接头的晶界均匀析出大量弥散的二次碳化物，提高了焊接接头的塑性和持久寿命，使焊接接头的残余应力下降到热处理前的30～40％。
本发明可有效保证抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件的焊接接头的强度、塑性、使用寿命等特性，从而提高熔盐堆运行过程中的安全性、可靠性。
附图说明
图1是GH3535合金母材金相组织；
图2a是钨极氩弧焊GH3535合金焊接热影响区类共晶组织；
图2b是钨极氩弧焊GH3535合金焊缝区类共晶组织；
图3是实施例1和实施例2的焊接后热处理温度曲线；
图4a是根据本发明的实施例1进行热处理的GH3535合金焊接热影响区转变后的碳化物；
图4b是根据本发明的实施例1进行热处理的GH3535合金焊缝区转变后的碳化物；
图5a是根据本发明的实施例1和2进行热处理前后GH3535合金焊接接头垂直焊缝残余应力；
图5b是根据本发明的实施例1和2进行热处理前后GH3535合金焊接接头平行焊缝残余应力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明为了改善抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接接头中碳化物对结构件的性能影响，在完成焊接后进行以下热处理：
步骤1、固溶热处理：将完成焊接的焊接结构件加热至1150～1180℃后保温；
固溶热处理的目的是实现类共晶碳化物球化，控制焊接接头的晶粒尺寸，得到较为均匀的过饱和固溶体。
为了保证热处理效果，在固溶热处理前，需要对焊接接头表面的油污和低熔点物质进行清理。
固溶热处理的保温时间可根据待热处理试件的厚度进行调整，对于厚度较厚的试件，进行较长时间的保温，反之，则可缩短保温时间。为了更精确地对固溶热处理效果进行控制，本发明进一步提出以下经验公式来确定固溶热处理的保温时间T：
T＝λ×D×0.5
式中，D表示所述焊接结构件焊接接头处的厚度，单位为mm；λ为取值范围0.8～1.5的系数，其单位为min/mm。
步骤2、时效处理：当固溶热处理保温时间结束，直接以200℃/h～220℃/h的冷却速度冷至860℃±10℃后保温，保温时间为6±0.1h；或者，当固溶热处理保温时间结束，直接以200℃/h～220℃/h的冷却速度冷至760℃±10℃后保温，保温时间为90±0.1h；
本发明将时效处理温度控制在再结晶温度以下，能较好保持固溶体的晶粒尺寸，进一步调整类共晶碳化物的尺寸，在晶界均匀析出弥散的二次碳化物，提供焊接接头的蠕变和持久性能。
最好将固溶热处理和时效处理作为一个连续热处理过程，采用能控制冷却速度的箱式电炉或其他可控制冷却速度的热处理炉进行连续处理。固溶热处理和时效处理可在真空环境或大气气氛下进行，如采用后者，为了减少热处理过程中焊接接头的表面脱碳和氧化，最好在焊接后热处理之前，先在所述焊接结构件焊接接头表面涂覆耐1100～1200℃高温氧化的防脱碳剂，例如由水玻璃、Al2O3、TiO2、SiC等组成的耐高温防氧化涂层，或者由水玻璃、TiO2、Al2O3、SiO2等组成的自剥落高温防氧化/脱碳涂层等。
时效处理的保温温度优选为860℃±10℃，保温时间为6±0.1h；也可以适当降低热处理温度，同时延长保温时间，同样能达到相同的热处理效果，例如，以200℃/h～220℃/h的冷却速度冷至760℃±10℃后保温90±0.1h。
步骤3、分段冷却：当时效处理结束后，以50～55℃/h的冷却速度冷至400℃，然后自然冷却至室温；
采用上述分段冷却工艺可有效降低焊接接头残余应力。
为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例来对本发明技术方案进行详细说明。这两个实施例中的抗熔盐腐蚀镍基高温合金均为GH3535合金，该合金属于固溶强化高温耐蚀Ni-Mo-Cr合金，其组分按重量百分比为：C：0.04～0.08％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Cu≤0.35％，Co≤0.20％，P≤0.015％，S≤0.020％，Fe≤5.0％，Cr：6.0～8.0％，Mo：15.0～18.0％，Al+Ti≤0.5％，W≤0.5％，V≤0.5％，B≤0.01％，余量为Ni和不可避免的杂质。
实施例1、
采用手工钨极氩弧焊将20mm厚GH3535合金(化学成分重量百分比：70.8Ni，6.96Cr，16.7Mo，4.2Fe，0.35Si，0.053C，0.001S，0.002P，0.002B，0.71Mn，0.014Al,0.011Ti，其它≤0.5)板材焊接成试板，所用焊材为与母材相同成份的的焊丝，焊接规范为：焊接电流140～155A，焊接电压10～14V，焊接速度60～80mm/min，气体流量10～12L/min(99.99％纯氩气保护)，道间温度控制在≤90℃。焊接过程中，由于电弧热作用，靠近焊缝的基体迅速被加热到1300℃以上，导致该区域的一次碳化物开始熔化，在随后的冷却过程中转变为类共晶碳化物。图1为焊接前，母材基体中为M6C型球状碳化物，图2a和图2b分别为焊接完成后，焊接热影响区和焊缝区出现的层片状类共晶碳化物。
采用无水乙醇将焊接试板表面的油污及其他杂质清除干净，然后涂覆含硼砂、水玻璃的防脱碳剂，放入箱式电炉中，在大气气氛下以600℃/h的加热速度进行随炉加热，温度为1170℃±10℃，保温时间10分钟。然后以200℃/h的冷却速度冷至870℃，开始保温进行时效，保温时间为6±0.1h，待时效时间结束，控制冷却速度以55℃/h冷至400℃，最后开炉空冷至室温后出炉；整个焊后热处理过程的温度曲线如图3中的实线曲线所示。
实施例2、
所采用的GH3535材料和焊接工艺与实施例1相同，所采用的热处理工艺如下：
采用无水乙醇将焊接试板表面的油污及其他杂质清除干净，然后涂覆含硼砂、水玻璃的防脱碳剂，放入箱式电炉中，在大气气氛下以600℃/h的加热速度进行随炉加热，温度为1170℃±10℃，保温时间10分钟。然后以200℃/h的冷却速度冷至760℃，开始保温进行时效，保温时间为90±0.1h，待时效时间结束，控制冷却速度以55℃/h冷至400℃，最后开炉空冷至室温后出炉；整个焊后热处理过程的温度曲线如图3中的虚线曲线所示。
通过实施例1热处理后，焊接热影响区和焊缝去转变的碳化物如图4a和图4b所示，热处理前的层片状类共晶碳化物转变为弥散分布的细小碳化物颗粒，这种细小、弥散分布的球状碳化物能在焊接接头变形过程中钉扎位错，提高接头的强度。
对各实施例热处理后的焊接试板进行了室温拉伸测试，为了方便对比热处理前后力学性能变化，也对热处理前的焊接试板按照相同的测试条件进行了室温拉伸测试，测试结果如表1所示(应变速率为0.05/s，延伸率标记段长度40mm)。按照实施例1和2进行热处理后，室温拉伸测试结果表明，抗拉强度相对于热处理前略有上升，但焊接接头的延伸率得到显著的提高，相较于焊接热处理前，延伸率分别提高了66.7％和41.8％。
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 热处理前 | 母材要求值 | |
| 抗拉强度(MPa) | 801 | 790 | 768 | 690 |
| 屈服强度(MPa) | 405 | 447 | 523 | 280 |
| 延伸率(％) | 45.0 | 38.3 | 27 | - |
表2为采用本发明的热处理前后(实施例1、实施例2)的650℃拉伸性能(应变速率为0.05/s，延伸率标记段长度40mm)。按照实施例1和2进行热处理后，650℃拉伸测试结果表明，抗拉强度相对于热处理前略有上升，但焊接接头的延伸率得到显著的提高，相较于焊接热处理前，延伸率分别提高了69.7％和52.3％。
表2
熔盐堆核设备通常服役在高温熔盐环境，除了要求优异的瞬时强度外，高温持久强度也是重要的考虑因素，以实施例1和2和未热处理前的焊接试样分别进行高温持久性能测试。测试温度为650℃，施加的载荷分别为275MPa和220MPa。测试结果如表3所示。采用本发明提供的热处理工艺，GH3535合金焊接接头的持久寿命和断裂延伸率显著提高。
表3
采用X射线衍射法对热处理前以及分别经实施例1、实施例2方法热处理后的试件进行残余应力测量，其结果如图5a和图5b所示。热处理前，垂直焊缝方向的残余应力峰值可达450MPa左右，平行焊缝方向的残余应力峰值接近330MPa，经过本发明提供的热处理工艺，实施例1和实施例2试件的残余应力峰值显著降低，垂直焊缝和平行焊缝方向的残余应力均下降到150MPa以下，使焊接接头的残余应力下降到热处理前的30～40％。
Claims (7)
1.抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件的焊接后热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、固溶热处理：将完成焊接的焊接结构件加热至1150～1180℃后保温；
步骤2、时效处理：当固溶热处理保温时间结束，直接以200℃/h～220℃/h的冷却速度冷至860℃±10℃后保温，保温时间为6±0.1h；或者，当固溶热处理保温时间结束，直接以200℃/h～220℃/h的冷却速度冷至760℃±10℃后保温，保温时间为90±0.1h；
步骤3、分段冷却：当时效处理结束后，以50～55℃/h的冷却速度冷却至400℃，然后自然冷却至室温。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述固溶热处理的保温时间T按照以下经验公式确定：
T＝λ×D×0.5
式中，D表示所述焊接结构件焊接接头处的厚度，单位为mm；λ为取值范围0.8～1.5的系数，其单位为min/mm。
3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述固溶热处理与时效处理均在真空环境下进行。
4.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，在焊接后热处理之前，先在所述焊接结构件焊接接头表面涂覆耐1100～1200℃高温氧化的防脱碳剂；所述固溶热处理与时效处理均在空气气氛下进行。
5.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述抗熔盐腐蚀镍基高温合金为Ni-Mo-Cr合金。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件使用熔化焊方法焊接而成。
7.一种抗熔盐腐蚀镍基高温合金焊接结构件，其特征在于，所述焊接结构件在完成焊接后，经过如权利要求1～6任一项所述方法进行焊接后热处理。
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