CN109848609A - 一种低膨胀性镍基焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低膨胀性镍基焊丝，属于金属焊接材料领域，该焊丝按重量百分比由以下成分制备而成：Fe≤1.5％，Cr：14‑18％，Al：1.4‑1.5％，Ti：1.4‑1.5％，Mo：1.5‑2.5％，W：0.5‑1％，Si≤0.05％，Mn≤0.5，Cu≤0.1，C≤0.05％，B≤0.004％，Zr≤0.02％，其余为Ni。本发明焊丝形成的焊缝区基体是无序面心结构的奥氏体γ相，沉淀强化相为γ′(Ni₃(Al,Ti))相，晶间分布着碳化物相。在不影响合金结构稳定性和高温强度的基础上，不添加稀土元素以降低成本。与现有技术比较，具有较低的热膨胀系数、优异的高温强度，尤其用于高温、高压、超临界水蒸汽条件下部件的焊接时，其工艺焊接性(焊接热裂纹敏感性)优于现有镍基或镍钴基高温合金焊丝。

Description

一种低膨胀性镍基焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种低膨胀性Ni-Cr系沉淀强化镍基高温合金焊丝。

背景技术

由于金属(合金)材料的热膨胀是由晶格点阵的非协调振动所致，故普通金属材料的体积是随温度的上升而几乎呈线性膨胀，在20～800℃时，Ni基高温合金线膨胀系数α通常为12～16×10^-6/℃，但某些具有特殊成分配比的合金具有反常的低膨胀，称为低膨胀合金材料。从最早的商用低膨胀Invar合金(Fe-36％Ni)，到美国Inconel 738、Haynes 242和日本USC 141Ni-Co系列低膨胀合金，人们一直通过调整合金成分来研发能满足在不同温度下所需的各种低膨胀合金。近来，随着700℃先进超超临界电站技术的推进，促进了低膨胀高温合金在这一领域的大量应用，但在其焊接技术领域，由于高温合金材料的特性以及局部的高温导致焊接热应力的急剧增大给焊接带来了巨大的挑战。

以往的研究表明，在镍基焊丝中，提高合金Co/Ni比例可以进一步降低其热膨胀系数，而Co/Ni比例的提高则带来成本的大幅提升，例如美国Inconel 783材料及其焊丝的Co/Ni比例进一步增加到约1.2，Co元素在焊丝中的含量已超过Ni，大幅增加了合金的成本。γ基体中固溶热膨胀系数大的合金元素，则合金热膨胀系数增大；反之，固溶热膨胀系数小的合金元素，热膨胀系数减小。固溶的合金元素含量越高，则影响越大。添加Fe元素会增加焊丝的热膨胀系数，而添加Mo、W、Al、Ti元素将显著降低热膨胀系数。其中，Mo和W元素是主要的固溶强化元素，通过降低晶格振动而降低热膨胀系数；Ti和Al元素是γ′相形成元素，γ′相的形成及体积分数的增加亦会降低合金的热膨胀系数，且γ′相的稳定性越好，合金的热膨胀系数越小。但是，W、Al、Ti元素含量的增加又会导致焊接性的下降。目前，为满足700℃先进超超临界发电领域的需求，研发出具有较低高温热膨胀系数和较高高温强度的焊丝仍是一项十分艰巨的工作。

发明内容

本发明的目的是针对现有的高温合金焊丝存在的热膨胀系数大、价格昂贵等缺点，提供了一种成分设计合理，性价比高的高温低膨胀镍基焊丝。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种低膨胀性镍基焊丝，该焊丝按重量百分比由以下成分制备而成：Fe≤1.5％，Cr：14-18％，Al：1.4-1.5％，Ti：1.4-1.5％，Mo：1.5-2.5％，W：0.5-1％，Si≤0.05％，Mn≤0.5，Cu≤0.1，C≤0.05％，B≤0.004％，Zr≤0.02％，其余为Ni。

本发明进一步的改进在于，该焊丝在25℃-750℃之间的平均线膨胀系数不大于15×10^-6/℃。

本发明进一步的改进在于，该焊丝在750℃时的屈服强度大于550MPa。

本发明进一步的改进在于，焊丝母合金使用真空炉冶炼，经过常规的锻造、轧制、冷拉及退火后，最终形成焊丝。

本发明进一步的改进在于，该焊丝规格为Φ2.4mm，采用手工或半自动填丝钨极惰性气体焊，层间温度不高于150℃；焊后热处理为750-800℃/4-8小时/空冷。

本发明进一步的改进在于，该焊丝形成的焊缝熔敷金属为双相结构，基体是无序面心结构的奥氏体γ相，奥氏体中弥散分布着有序结构的强化相γ′(Ni₃(Al,Ti))，γ′相的体积分数为15～20％，尺寸为60～110nm；在20～700℃之间的平均线膨胀系数不大于15×10^-6/℃；在700℃时的屈服强度大于550MPa。

本发明进一步的改进在于，该焊丝适用于700℃超超临界燃煤发电锅炉高温关键部件用高温合金焊接的填充材料。

本发明进一步的改进在于，700℃超超临界燃煤发电锅炉高温关键部件包括过/再热器、集箱的焊接接头。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种低膨胀性镍基焊丝，该焊丝不含有价格较高的贵金属元素钴，钼和钨的含量也很低；该焊丝低的铁元素含量进一步降低热膨胀性；该焊丝严格控制B、Zr等晶界强化元素的含量，避免焊接(结晶)热裂纹；该焊丝利用Ti和Al元素在奥氏体基体中形成弥散分布的有序强化相γ′(Ni₃(Al,Ti))相来提高焊缝的高温强度。

进一步，本发明焊丝不需要特殊工艺进行生产，采用常规镍基焊丝生产方法即可，无需附加的复杂工艺：即焊丝母合金使用真空炉冶炼，经过常规的锻造、轧制、冷拉及退火后，最终形成焊丝。

进一步，本发明提供的低热膨胀性镍基焊丝适用于700℃超超临界(A-USC)燃煤发电锅炉高温关键部件用高温合金焊接的填充材料，如过/再热器、集箱的焊接接头等。

综上所述，本发明焊丝形成的焊缝区基体是无序面心结构的奥氏体γ相，沉淀强化相为γ′(Ni₃(Al,Ti))相，晶间分布着碳化物相。在不影响合金结构稳定性和高温强度的基础上，不添加稀土元素以降低成本。与现有技术比较，具有较低的热膨胀系数、优异的高温强度，尤其用于高温、高压、超临界水蒸汽条件下部件的焊接时，其工艺焊接性(焊接热裂纹敏感性)优于现有镍基或镍钴基高温合金焊丝。

附图说明

图1为表1中W1成分的焊丝示意图。

图2为采用图1焊丝的INCONEL 740H合金焊接接头电镜图。

图3为采用图1焊丝的焊缝内γ′相扫描电镜图。

图4为表1中W2成分的焊丝示意图。

图5为采用图4焊丝的HAYNES 282合金焊接接头电镜图。

图6为采用图4焊丝的焊缝内γ′相扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种低膨胀性镍基焊丝，该焊丝按重量百分比由以下成分制备而成：Fe≤1.5％，Cr：14-18％，Al：1.4-1.5％，Ti：1.4-1.5％，Mo：1.5-2.5％，W：0.5-1％，Si≤0.05％，Mn≤0.5，Cu≤0.1，C≤0.05％，B≤0.004％，Zr≤0.02％，其余为Ni。

实施例1：

参见表1和图1～3，使用图1中焊丝(表1中W1成分)采用手工TIG焊，对INCONEL740H镍钴基高温合金锅炉管进行焊接，焊后进行800℃/5h热处理，无焊接裂纹等缺陷产生，焊缝内γ′相平均尺寸95nm(图3所示)。焊丝热膨胀系数为14.89×10^-6/℃，700℃屈服强度为621MPa。

实施例2：

参见表1和图4～6，使用图4中焊丝(表1中W2成分)采用手工TIG焊，对HAYNES 282镍基合金锅炉管进行焊接，焊后进行788℃/8h热处理，无焊接裂纹等缺陷产生，焊缝内γ′相平均尺寸为103nm(图6所示)。焊丝热膨胀系数为14.82×10^-6/℃，700℃屈服强度为607MPa。

表1实施例焊丝实测化学成分

Claims (8)

1.一种低膨胀性镍基焊丝，其特征在于，该焊丝按重量百分比由以下成分制备而成：Fe≤1.5％，Cr：14-18％，Al：1.4-1.5％，Ti：1.4-1.5％，Mo：1.5-2.5％，W：0.5-1％，Si≤0.05％，Mn≤0.5，Cu≤0.1，C≤0.05％，B≤0.004％，Zr≤0.02％，其余为Ni。

2.根据权利要求1所述的一种低膨胀性镍基焊丝，其特征在于，该焊丝在25℃-750℃之间的平均线膨胀系数不大于15×10^-6/℃。

3.根据权利要求1所述的一种低膨胀性镍基焊丝，其特征在于，该焊丝在750℃时的屈服强度大于550MPa。

4.根据权利要求1所述的一种低膨胀性镍基焊丝，其特征在于，焊丝母合金使用真空炉冶炼，经过常规的锻造、轧制、冷拉及退火后，最终形成焊丝。

5.根据权利要求1所述的一种低膨胀性镍基焊丝，其特征在于，该焊丝规格为Φ2.4mm，采用手工或半自动填丝钨极惰性气体焊，层间温度不高于150℃；焊后热处理为750-800℃/4-8小时/空冷。

6.根据权利要求5所述的一种低膨胀性镍基焊丝，其特征在于，该焊丝形成的焊缝熔敷金属为双相结构，基体是无序面心结构的奥氏体γ相，奥氏体中弥散分布着有序结构的强化相γ′(Ni₃(Al,Ti))，γ′相的体积分数为15～20％，尺寸为60～110nm；在20～700℃之间的平均线膨胀系数不大于15×10^-6/℃；在700℃时的屈服强度大于550MPa。

7.根据权利要求1所述的一种低膨胀性镍基焊丝，其特征在于，该焊丝适用于700℃超超临界燃煤发电锅炉高温关键部件用高温合金焊接的填充材料。

8.根据权利要求7所述的一种低膨胀性镍基焊丝，其特征在于，700℃超超临界燃煤发电锅炉高温关键部件包括过/再热器、集箱的焊接接头。