CN110788507B - 时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法 - Google Patents

时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，属于时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接连接技术领域。本发明的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，母材一的材质为时效强化型镍基高温合金，母材二的材质为耐热钢，母材一为固溶态，包括以下步骤：步骤1、采用固溶型高温合金焊材一施焊母材一的焊接坡口，形成过渡层；步骤2、对母材一进行时效热处理；步骤3、采用固溶型高温合金焊材二施焊母材一的过渡层与母材二，使之相连形成焊接接头；步骤4、对焊接接头进行去应力热处理。采用本发明时，时效强化型镍基高温合金与耐热钢之间的焊接接头基本没有缺陷，焊接接头各区域组织和性能更佳。

Description

时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法
技术领域
本发明涉及一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，属于时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接连接技术领域。
背景技术
当汽轮机的蒸汽温度提高到650℃甚至更高时，对转子材料的抗氧化腐蚀性能、热稳定性、高温持久强度性能要求极为严格，传统的铁素体合金钢与新型奥氏体钢已不能满足使用要求，必须使用镍基高温合金。
采用整锻镍基高温合金转子，无论从镍基高温合金的铸锻造工艺(高温合金的冶炼和锻造吨位存在技术瓶颈)考虑，还是从机组的经济性考虑，都是不适合或者是无法实现的。目前国外最新的研究表明：650℃及以上等级超超临界汽轮机高压和中压转子均采用焊接转子，高温段基本采用时效强化型镍基高温合金，中低温段采用新型的耐热钢，采用镍基焊材进行焊接。
时效强化型镍基高温合金主要以富含Al、Ti的γ’和特定碳化物等作为强化相，焊接接头具有较高的结晶裂纹和应变时效裂纹敏感性，尤其是热影响区易形成γ-γ’低熔点共晶物，在焊接热应力下形成微裂纹，且焊后热影响区组织需要时效处理以到达最佳的材料状态，但其时效温度又与耐热钢焊后去应力温度不一致，故而难以一次性获得性能完整且无焊接缺陷的焊接接头。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，采用本发明时效强化型镍基高温合金与耐热钢之间的焊接接头基本没有缺陷，焊接接头各区域组织和性能更佳。
本发明采用的技术方案如下：
一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，母材一的材质为时效强化型镍基高温合金，母材二的材质为耐热钢，母材一为固溶态，包括以下步骤：
步骤1、采用固溶型高温合金焊材一施焊母材一的焊接坡口，形成过渡层；
步骤2、对母材一进行时效热处理，以使母材一变为时效态；
步骤3、采用固溶型高温合金焊材二施焊母材一的过渡层与母材二，使之相连形成焊接接头；
步骤4、对焊接接头进行去应力热处理。
采用上述技术方案时，在开始步骤1之前，材质为时效强化型镍基高温合金的母材一是处于固溶态的，由于母材一不是时效态，使得在进行步骤1时，能够避免过渡层的热影响区形成γ-γ’低熔点共晶物；步骤2对母材一进行时效热处理，使得母材一变为时效态，以满足使用要求；步骤3然后对母材一、二施焊形成焊接接头，使得母材一、二相连，得益于过渡层的设计，使得步骤3的母材一侧的焊接热影响区处于过渡层上，而不在时效态的母材一上，那么母材一上便不会形成γ-γ’低熔点共晶物；再经过步骤4对焊接接头进行去应力热处理，使得耐热钢处于去应力态，使得最终形成的焊接接头性能满足要求，焊接接头各区域组织和性能均到达最佳状态。具体的，步骤2的时效热处理的温度大于步骤4的去应力热处理的温度。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的母材一在固溶态下进行焊接形成过渡层，降低了热影响区液化裂纹倾向(无γ-γ’低熔点共晶物)；
2、本发明对母材一施焊形成过渡层后，然后进行时效热处理，使得最终形成的母材一处于时效态，满足使用要求，由于在母材一与母材二焊接前就进行了时效热处理，那么就避免了耐热钢承受不必要的时效热处理的过高温度，使得耐热钢的性能不被影响；
3、本发明选择的固溶型高温合金焊材一、二在时效热处理和去应力热处理过程中性能不受影响；
4、本发明所进行的时效热处理与去应力热处理是按照温度由高至低的先后顺序进行，后序热处理对前序热处理材料状态无影响；
5、本发明实现整个焊接接头各区域组织和性能均到达最佳状态，基本没有缺陷，甚至没有缺欠。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是经步骤1得到的过渡层的示意图，其中，母材一为固溶态的时效强化型镍基高温合金；
图2是经步骤2得到的母材一的示意图，其中，母材一为时效态的时效强化型镍基高温合金；
图3是经步骤4得到的焊接接头的示意图，其中，母材一为时效态的时效强化型镍基高温合金，母材二为去应力态的耐热钢；
图4是经步骤4得到的无缺陷的焊接接头，其中，母材一为时效态的时效强化型镍基高温合金，母材二为去应力态的耐热钢。
图中标记：1-母材一、2-母材二、3-过渡层、4-焊接接头。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本实施例的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，母材一的材质为时效强化型镍基高温合金，母材二的材质为耐热钢，母材一为固溶态，包括以下步骤：
步骤1、采用固溶型高温合金焊材一施焊母材一的焊接坡口，形成过渡层；
步骤2、对母材一进行时效热处理，以使母材一变为时效态；
步骤3、采用固溶型高温合金焊材二施焊母材一的过渡层与母材二，使之相连形成焊接接头；
步骤4、对焊接接头进行去应力热处理。
采用上述技术方案时，在开始步骤1之前，材质为时效强化型镍基高温合金的母材一是处于固溶态的，由于母材一不是时效态，使得在进行步骤1时，能够避免过渡层的热影响区形成γ-γ’低熔点共晶物；步骤2对母材一进行时效热处理，使得母材一变为时效态，以满足使用要求；步骤3然后对母材一、二施焊形成焊接接头，使得母材一、二相连，得益于过渡层的设计，使得步骤3的母材一侧的焊接热影响区处于过渡层上，而不在时效态的母材一上，那么母材一上便不会形成γ-γ’低熔点共晶物；再经过步骤4对焊接接头进行去应力热处理，使得耐热钢处于去应力态，使得最终形成的焊接接头性能满足要求，焊接接头各区域组织和性能均到达最佳状态。具体的，步骤2的时效热处理的温度大于步骤4的去应力热处理的温度。
母材一的材质为时效强化型镍基高温合金，如Haynes 282；母材二的材质为耐热钢，如1Cr10Mo1NiWVNbN。
母材一与母材二之间的焊接坡口型式不限，比如为U型坡口型式、V型坡口型式、Y型坡口型式、X型坡口型式、I型坡口型式等。
焊接接头形式不限，比如对接接头、T形接头、角接接头、搭接接头等。
步骤1或步骤3的焊接方法不限，比如焊接方法MIG、TIG、SMAW或SAW等。
步骤1的固溶型高温合金焊材一与步骤3的固溶型高温合金焊材二优选是同材质的高温合金焊材，比如都是焊丝(如ERNiCoCrMo-1)或都是焊条(如ENiCrCoMo-1)；当然步骤1可以是焊丝(如ERNiCoCrMo-1)，而步骤2是焊条(如ENiCrCoMo-1)，这也可以认为是“同材质”，焊接技术领域的技术人员能够理解，氩弧焊丝、焊条、埋弧焊焊丝等是具有等同替换的“同材质”关系。当然也可以是步骤1、3所选取的焊材材质也可以不同，只要能够满足工艺设计要求的固溶型高温合金焊材皆可。
可供选择的，在其中一实施例中，在步骤1之前，母材一的交货状态为固溶态。母材一的交货状态为固溶态，那么可以直接进行步骤1。
可供选择的，在另一实施例中，在步骤1之前，母材一的交货状态为时效态，首先对母材一进行固溶处理，以使母材一为固溶态后再进行步骤1。母材一的交货状态为时效态，那么需要对母材一进行固溶处理，使得母材一变为固溶态后才能进行的步骤1。
可供选择的，母材二为马氏体耐热钢或珠光体耐热钢。
优选的，固溶型高温合金焊材一、二的高温强度不低于耐热钢的高温强度。本设计的目的在于，使得焊接接头强度在高温工况下的高温强度有一定的保证，至少能满足设计对母材的要求。
可供选择的，时效热处理的次数为1次或2次。根据实际情况，时效热处理的次数可以为1次，也可以为2次，或者更多次。明显的，时效热处理也不宜过多。
进一步的，步骤2中，时效热处理为整体时效热处理。
可供选择的，步骤4中，去应力热处理为整体去应力热处理；或者为焊接接头的局部去应力热处理。
进一步的，在步骤3之前还包括以下步骤：对过渡层进行无损检测。采用本设计时，可以是在进行步骤1之后进行无损检测，或者，也可以是在进行步骤2之后进行无损检测，或者，还可以在进行步骤1、步骤2之后都分别进行无损检测。进一步的，所述无损检测为UT、RT、PT或/和MT。
进一步的，在步骤3之后还包括以下步骤：对焊接接头进行无损检测。采用本设计时，可以是在进行步骤3之后进行无损检测，或者，也可以是在进行步骤4之后进行无损检测，或者，还可以在进行步骤3、步骤4之后都分别进行无损检测。进一步的，所述无损检测为UT、RT、PT或/和MT。
在其中一实施例中，本发明更加以具体的实施例来解释说明本发明。如图1至图4所示，一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，母材一1的材质为Haynes 282的时效强化型镍基高温合金，母材二2的材质为1Cr10Mo1NiWVNbN的耐热钢，母材一为固溶态，包括以下步骤：
步骤1、采用型号为ERNiCoCrMo-1的固溶型高温合金焊丝施焊母材一的焊接坡口，形成过渡层3，过渡层的厚度不低于3mm；如图1所示；
步骤2、对母材一进行2次时效热处理，以使母材一变为时效态，其中，第一次时效热处理温度为1010℃，热处理时间为2h，第二次时效热处理温度为790℃，热处理时间为8h；如图2所示；
步骤3、采用型号为ENiCrCoMo-1的固溶型高温合金焊材条施焊母材一的过渡层与母材二，使之相连形成焊接接头4；参见图3、4所示；
步骤4、对焊接接头4进行去应力热处理，其中，去应力热处理温度为670℃，热处理时间为8h。如图3、4所示。
综上所述，采用本发明的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，时效强化型镍基高温合金与耐热钢之间的焊接接头基本没有缺陷，焊接接头各区域组织和性能更佳。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，母材一的材质为时效强化型镍基高温合金，母材二的材质为耐热钢，其特征在于：母材一为固溶态，包括以下步骤：
步骤1、采用固溶型高温合金焊材一施焊母材一的焊接坡口，形成过渡层；
步骤2、对母材一进行时效热处理，以使母材一变为时效态；
步骤3、采用固溶型高温合金焊材二施焊母材一的过渡层与母材二，使之相连形成焊接接头；
步骤4、对焊接接头进行去应力热处理；
其中，步骤2中的时效热处理的温度大于步骤4的去应力热处理的温度。
2.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：在步骤1之前，母材一的交货状态为固溶态。
3.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：在步骤1之前，母材一的交货状态为时效态，首先对母材一进行固溶处理，以使母材一为固溶态后再进行步骤1。
4.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：母材二为马氏体耐热钢或珠光体耐热钢。
5.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：固溶型高温合金焊材一、二的高温强度不低于耐热钢的高温强度。
6.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：时效热处理的次数为1次或2次。
7.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：步骤2中，时效热处理为整体时效热处理。
8.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：步骤4中，去应力热处理为整体去应力热处理；或者为焊接接头的局部去应力热处理。
9.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：在步骤3之前还包括以下步骤：对过渡层进行无损检测。
10.如权利要求1所述的一种时效强化型镍基高温合金与耐热钢的焊接与热处理方法，其特征在于：在步骤3之后还包括以下步骤：对焊接接头进行无损检测。
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