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鎳基合金與不銹鋼焊接工藝評定研究分析

Fri, 18 Sep 2020 17:21:11 +0800

鎳基合金材料具有熱裂紋敏感性高，液態金屬流動性差，焊縫熔深淺，易氧化等焊接特點，通過選取合適焊材、采用工裝堆焊出符合要求的試板、制定工藝避免熱裂紋產生等措施，保證了鎳基合金與不銹鋼的焊接質量，順利完成鎳基合金與不銹鋼工藝評定,焊縫未出現裂紋、未熔合、未焊透及夾渣等缺陷，焊接質量滿足工藝評定要求，為類似鎳基合金的焊接工藝評定實施提供借鑒與參考。

三門AP1000核電單個機組共有8道鎳基合金管嘴焊口，分布在蒸汽發生器、穩壓器、正常余熱排出泵上。這些設備屬于核級設備，也是AP1000核電站的關鍵設備，因此保證鎳基合金設備管嘴的焊接質量至關重要，直接關系到整座核電站的安全運行。正常余熱排出泵上分布有4個鎳基合金管嘴，由馬氏體不銹鋼管嘴本體堆焊鎳基材料ERNiCr-3制作而成，屬于核三級焊口，蒸汽發生器和穩壓器上的鎳基合金管嘴材料為鎳基合金UNS N06690，屬于核一級焊口；與鎳基合金管嘴相連的是奧氏體不銹鋼管道。

一、焊接工藝評定難點

焊接工藝評定是針對特定的鋼材、結構，選用的焊接材料、焊接工藝方法、焊后熱處理等措施；在與實際工程焊接施工一致的條件下，按照規定的步驟，進行試驗性的焊接。焊接后按照規定的程序、檢驗檢測手段進行檢測試驗驗證，根據規定的標準進行評判；試驗測試結束后，編制完整的焊接試驗報告，對整套焊接工藝方案作出最終的評定、認可。進而，根據焊接工藝評定試驗的結果，編制焊接工藝規程，指導焊接生產。

1. 焊材選用困難

奧氏體不銹鋼與鎳基合金焊接選材時，需通盤考慮焊縫強度、線膨脹系數、焊材對熱裂紋、氣孔的敏感性等因素，選取合適焊材困難。

2. 試板制作困難

進行工藝評定材質為ERNiCr-3與奧氏體不銹鋼。而市場無ERNiCr-3材質板材，只能通過焊材堆焊。堆焊過程中，焊縫多次受熱，焊接質量不易控制，難以堆焊出符合要求的試板。

3. 焊接難度大

鎳和鐵的二元共晶物中有較多低熔點的金屬共晶物和非金屬共晶物。特別是硫、磷共晶物熔點比鎳鐵低很多(Ni-S為645℃、Ni-P為880℃)，在焊縫結晶時低熔點共晶物的液態膜殘留在晶界區，同時鎳及鎳合金線脹系數大，焊接時易產生較大的應力，焊縫結晶時低熔點共晶物的液態膜在收縮應力作用下易產生開裂。另外，焊接坡口及其兩側的污物清理不干凈、焊縫表面凸凹不平等也會產生裂紋。其次，收弧時如果沒有填滿弧坑和電流衰減時間較短，收弧處熔敷金屬量少出現弧坑其強度比較薄弱，在相變應力和拘束應力的作用下產生收弧處微裂紋。

二、焊接工藝評定實施

1. 焊材選用

通過對ERNiCrFe-7和ERNiCr-3的化學成分和力學性能對比分析，得出ERNiCrFe-7和ERNiCr-3力學性能相似、線膨脹系數相近，選用ERNiCrFe-7作為工藝評定用焊材。

2. 試板制作

采用在SA240 304L板材上堆焊ERNiCr-3形成鎳基合金堆焊層最終制備成工藝評定用試板。故選用基體板材SA240 304L不銹鋼，板材規格為δ14mm，并采用鎳基焊材ERNiCr-3堆焊，堆焊厚度為10mm。焊接方法手工鎢極氬弧焊GTAW；焊接保護氣體采用Ar99.99%。

由于鎳及其合金易氧化，且容易和P、S、Pb等元素形成低熔點共晶，加劇焊接熱裂紋傾向，故焊前清理很有必要。焊前應用專用砂輪或不銹鋼鋼絲刷清理或丙酮清洗坡口及周圍至少30mm范圍內的氧化層，油污，水以及其他雜質，并應清理焊絲表面，以降低氣孔和熱裂紋傾向。

采用在板材SA240 304L上堆焊ERNiCr-3形成工藝評定用試板，但是在堆焊過程中由于層間清理不到位，堆焊層中有夾渣，每層堆焊完成之后都用砂輪或不銹鋼鋼絲刷清理并用丙酮清洗層間以消除夾渣。

對于微裂紋的消除采用圖1的工裝，將SA240 304L試板置于水箱中，只暴露出堆焊層，堆焊完成一層則將試板下面的薄墊板抽取一層，這樣試板會一直處于室溫30℃左右。

ERNiCr-3堆焊完成后，根據ASMEⅢNB-分卷1998＆2000進行射線檢測，無超標缺陷，符合標準要求。

3. 焊接過程

由于鎳及鎳基合金的流動性差，在焊接變形、效率等條件允許的情況下，盡量選用適當的可以實現擺動焊的坡口角度，以便焊接時可以擺動，提高焊縫金屬的流動性，使熔池充分熔合，同時促進氣體逸出，避免氣孔、咬邊，保證良好的焊縫成形。

根據母材性能、厚度、擺動等因素采用單面焊雙面成型焊接工藝，加工V型60°無鈍邊坡口。

焊前應用專用砂輪或不銹鋼鋼絲刷清理或丙酮清洗坡口及周圍至少30mm范圍內的氧化層，油污，水以及其他雜質，并應清理焊絲表面，以降低氣孔和熱裂紋傾向。

焊接試板組對預留一定的防變形角度，組對詳圖見圖。確定組對間隙約為4-5mm，定位焊的起頭和結尾處為圓滑過渡。

焊接坡口及焊道分布圖見圖，焊接過程中控制層間溫度在30℃-92℃之間，并且控制最大熱輸入。

4. NDE檢測

a. 根據ASME NB-5350 1998＆2000add.進行滲透檢測，沒有缺陷顯示，符合標準要求。

b. 根據ASMEⅢNB-分卷1998＆2000add.進行射線檢測，無超標缺陷，符合標準要求。

5. 理化檢測

理化檢測類型及試樣數量見表。

a. 取樣

根據ASMEⅨQW-463的要求（如圖4所示），截取試樣。

b. 檢測結果及分析

側彎: 彎曲180°后，受拉面和熱影響區無裂紋，無因氣孔、夾渣等引起的缺口。

c. 縮斷面拉伸: 縮斷面拉伸試驗結果見表。

從表中可以看出，接頭拉伸性能滿足技術條件要求，且有足夠的裕度。

三、結論

該工藝評定所有理化試驗全部合格，因此該焊接工藝全部滿足ASME IX標準要求的各項指標，但在評定過程中出現背面焊縫成形較差和焊接殘余變形大的問題，針對此問題，解決措施如下：背面焊縫成形較差，易出現焊接凹坑。焊前熟悉焊接工藝，焊接時，應選用合適的焊接速度,并配合適當的送絲速度和送絲量，在母材和焊絲熔滴成形的瞬間電弧前行，依次循序漸進，同時盡量勻速焊接，保證焊縫焊透和焊縫致密性，并采取適當措施保證焊縫背面金屬的保護，如背保充氣裝置的設置、保護氣體純度流量等。

1. 對于Ni-Cr-Fe合金焊接，焊前清理是獲得優質焊接接頭的前提，一般不需要預熱，但可適當進行加熱，以干燥接頭周圍，降低氣孔傾向。

2. 鎳基合金液態金屬流動性差，故焊接時應盡量采用擺動焊，同時采用大角度坡口，在擺動極限位置處稍作停頓，以保證熔池邊緣的完全熔合，避免咬邊。焊接時，保證熔合良好的前提下，應盡量采用小的焊接線能量、短弧焊，避免造成焊縫及熱影響區晶粒粗大，影響其性能。

3. 組對時根據板材厚度等預留適當的反變形，以使焊接過程中材料能自由變形，降低焊縫的應力，避免應力集中。

高合金耐熱鋼的性質和和各成分對性質的影響

Sat, 18 Apr 2020 21:18:53 +0800

高溫合金可分為鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金、鎳鐵高溫合金。在這幾種合金中，鎳基合金最為復雜，使用的溫度也是最高的，在受熱部件應用上應用最為廣泛，也是研宄最多的一類高溫合金。鈷基高溫合金、鐵基高溫合金、鎳鐵高溫合金，雖然研宄不是很多，但是由于其結構簡單，基體組織成分和性質比較單一，所以相對而言，其研宄成果少，但是變化不大。從另一角度而言，涉及本論文這么高的鎳、鉻含量的高合金鋼，這方面研宄在我國文獻資料研宄中是很少的。

如果從微觀角度而言，應從材質UNS 08811著手，高溫合金的性質由不同組織類型的不銹鋼在舍夫勒圖中的位置，材質UNS 08811中，根據計算：鉻當量＝％Cr＋％Mo＋1.5× ％Si＋0.5× ％Nb＝20.26＋0＋1.5× 0.27＋0.5×0＝20.66 , 鎳當量＝％Ni＋30× ％C＋0.5ｘ％Mn＝31.13＋30× 0.08＋0.5× 0.96=34.01 。從舍夫勒圖中，可以看出材質UNS 08811的組織狀態是奧氏體形式存在。

高合金耐熱鋼通常是指以鉻鎳元素為基，為承受相當嚴酷的機械應力和常常要求具有良好表面穩定性的環境下進行高溫服役，而研制的一種合金，常簡稱為高合金耐熱鋼，它是耐熱鋼的一種。高溫合金大多隸屬于奧氏體耐熱鋼。與其他種類的大量工業冶金材料相比，高合金耐熱鋼被應用于跟接近與其實際熔點的溫度。高合金耐熱一般用于蒸汽鍋爐、蒸汽輪機、燃氣渦輪、潛水艇、噴氣發動機以及火箭，原子能裝置的構件和零件，以及石油化工設備。這些合金構件在600℃-1100℃條件下工作，與髙溫空氣、蒸汽和燃氣在靜載、疲勞或沖擊條件相互接觸，表面要發生高溫氧化或腐蝕破壞。高合金耐熱鋼要在高溫下承受各種負荷力的作用，具備優良的的熱穩定性和熱強性。其中高合金耐熱鋼在高溫下抗氧化和抗高溫介質腐蝕的能力稱其為熱穩定性，而在高溫和載荷長時間作用下抵抗蠕變和斷裂的能力稱其成為高溫耐熱鋼的熱強性。一般高溫耐熱鋼的熱穩定性由單位時間內、單位面積上氧化物重量的增減量來量度，我們可以通過控制金屬表面的氧化膜的致密牢固程度來提高金屬的熱穩定性。而高溫耐熱鋼的熱強性由蠕變極限和持久強度來量度，取決于原子的結合力和鋼的組織結構狀態有關。如果通過往基體鋼中加入合金元素形成固溶體？，或者通過熱處理和形變熱處理，取得合適晶粒大小，促進碳化物的彌散分布，調整基體和強化相成分，細化基體亞結構等，都有助于提高鋼的熱強性。

高溫合金鋼的強化都隸屬于奧氏體高溫合金固溶強化，這不僅與基體奧氏體結構和性能有關，同時也與熱處理或形變熱處理等對材料的強度、蠕變和疲勞性能影響有關。工業用的高溫合金鋼通過加入不同的成分，并同時在不同的條件下進行固溶處理，可以形成不同組織成分，也可以改進鋼種的表面性能。例如：

1. 加入鉻、鋁、硅，可以生成致密的氧化膜組織Cr2O3、Al2O3、FeO、FeOAl2O3、FeOSiO4等，阻止鐵離子和氧原子的擴散，同時提高氧化鐵形成溫度，因而使鋼具有抗氧化性。

2. 加入鎳，30％以上的鎳元素在鐵碳相圖中可以擴大Ｙ相區，在常溫下可以形成奧氏體，改善工藝性能，提高熱強性。

3. 加入鎢、鉬、鉻、錳、釩、鈦、鈮等強化元素，鋼能形成各種性能碳化物或金屬件化合物的沉淀相。例如Mo2C、V4C3、VC、Nb 可以與基體形成共格可或半共格的結構，阻礙位錯的擴展，以致于提高基體熱強效果。如果在晶界加入活潑元素等鈦、鋯、鈮，可以填充晶界空位，阻礙晶界原子的擴散，提高蠕變性能，同時還具有與磷、硫等低熔點雜質形成穩定的難溶化合物。

宏盛特鋼哈氏合金Hastelloy C276應用及焊接性能研究

Wed, 15 Apr 2020 14:51:54 +0800

電站設備在腐蝕環境下性能及壽命均受到較大影響，增強耐蝕性成為一大技術難關。哈氏合金Hastelloy C276為美國合金牌號，具有良好的力學性能和耐腐蝕性能，但其焊接性能較差。文章系統介紹了哈氏合金在電站設備抗腐蝕方面的應用以及該合金的化學成分、力學性能、焊接工藝特點、焊材選擇等，供工程技術人員參考。

一、哈氏合金Hastelloy C276應用場合

中國承建的沙特拉比格2×660MW亞臨界燃油電廠地處沙特紅海海岸，機組設備所處氣候及環境腐蝕嚴重。以風機為例，其輪轂材質15MnV，強度級別等同Q390，屬于普通低合金高強度鋼，在現場工況下#1機組風機輪轂機械磨損和介質腐蝕嚴重。為解決此問題，經分析，#2機組采取如下改良技術方案：將3mm哈氏合金Hastelloy C276襯板滾型、曲型后包覆于風機輪轂之上，襯板沿周向均勻開孔并以塞焊形式連接至輪轂，襯板對接接頭及襯板與輪轂邊槽處開坡口焊接，形成穩固抗磨耐腐蝕隔離層。經#1、#2機組工程實踐對比，該方案很好地解決了風機輪轂易損問題。該方案技術難點是涉及哈氏合金的接頭焊接，包括C276對C276和C276對15MV接頭。

二、哈氏合金Hastelloy C276化學成分和力學性能

在ASTM B575規范中規定了合金N10276化學成分（max，%）：碳：≤0.010%；鈷：≤2.5%；鉻：14.5%～16.5%；鐵：4.0%～7.0%；錳：≤1.0%；鉬：15.0%～17.0%；磷：≤0.04%；硫：≤0.03%；硅：≤0.08%；釩：≤0.35%；鎢：3.0%～4.5%；鎳：余量。力學性能（min，MPa）：抗拉強度690，屈服強度：283；斷后延伸率（min，%）：40。為確保改良方案所用合金成分和性能符合要求，公司委托權威檢測機構（SGS）做產品復檢分析。化學成分：碳：0.001%；鈷：1.37%；鉻：15.28%；鐵：5.18%；錳：0.57%；鉬：15.39%；鎳：57.83%；磷：0.006%；硫：0.002%；硅：0.002%；釩：0.01%；鎢：3.42%。力學性能（#1/#2試樣）（MPa）：抗拉強度：796/783，屈服強度：420/409；斷后延伸率（%）：63.5/60.5。由測試結果可知：合金符合ASTM材料規范要求，且其強度、韌性均明顯優于輪轂材質15MnV。

三、哈氏合金Hastelloy C276焊接性能

1. 焊材選擇

哈氏合金Hastelloy C276合金應用較少，要研究美標材料的焊接性能，首先就應確定母材的焊接性能分組P-No號，和焊材的焊接性能分組F-No號。查閱ASME鍋爐壓力容器規范第IX卷QW-422，可知B-575 UNS-No.N10276組別Nominal composition：54Ni-16Mo-15Cr，P-No.43。據此成分組別查閱QW-432，可確定適合的焊材為F-No.43，若采用手工電弧焊（SMAW），則焊條為ASME SFA-5.11規定牌號ENiCrMo-4，主要成分（%）：Ni基體、Fe：4.0～7.0、Cr：14.5～16.5、Mo：15.0～17.0、W：3.0～4.5、Co：2.5、V：0.35；若采用氣保焊（GTAW/GMAW），則焊絲為ASME SFA-5.14規定牌號ERNiCrMo-4，主要成分（%）：Ni基體、Fe：4.0～7.0、Cr：14.5～16.5、Mo：15.0～17.0、W：3.0～4.5、Co：2.5、V：0.35。此種焊材在多種侵蝕介質中都表現出了優異的耐蝕性能，特別是耐點蝕和裂隙腐蝕的能力，并且可用于異種鋼焊接。

2. 焊前準備

焊前建立安全的工況條件，焊工做好焊接防護，焊接空間要足夠通風；施焊金屬表面及臨近區域焊前必須清潔無污，去油、去脂、去氧化物及雜質；對哈氏合金襯板與輪轂基體貼合面金屬進行磨光處理，避免電化學腐蝕；焊條嚴格按照AWS規定執行烘焙，焊絲必須保持清潔，必要時用丙酮徹底清除。值得注意的是，哈氏合金屬于中溫敏化金屬（600℃～1200℃），下料及坡口制備須采用機械加工，禁用氧乙炔熱切割。襯板下料后根據實際尺寸進行滾型、曲型。輪轂采用機加工方式制備坡口，并達到襯板組裝時尺寸要求。

3. 焊接工藝特點

哈氏合金具有較強的熱裂紋敏感性，為避免晶粒長大及碳化物析出，必須采用較小的焊接熱輸入。但同時，由于鎳基合金金屬流動性差，易造成未焊透，線能量也不宜過小。故根據經驗需采用中等電流并結合較高焊接速度的施焊方式。推薦焊接時保持90A左右電流，22～24V電壓，短弧以控制層間溫度（小于93℃），收弧時填滿弧坑以防止弧坑裂紋。因示例哈氏合金襯板僅3mm厚，故推薦使用相對柔和的焊接冶金方式GTAW/GMAW。焊絲前端必須處于氣體保護中，杜絕斷續送絲以保證保護氣氛，避免用焊絲攪拌熔池，填滿弧坑后滯后幾十秒停氣以防熱裂紋。在保證保護氣氛和完好熔合的前提下，焊接速度不能過慢以防金屬元素過度燒損，破壞了Hastelloy C276合金本來的耐蝕性。

4. 熱處理

如上所述Hastelloy C276合金屬中溫敏化金屬，為避免敏化傾向加劇晶間腐蝕，不推薦600℃～700℃左右的消應力熱處理。固溶Ni-Cr-Mo抗腐蝕合金，可做固溶退火+迅速空冷處理，以強化其抗腐蝕相的彌散分布，也可做時效處理。

5. 焊縫檢驗

哈氏合金的主要焊接缺陷即裂紋，焊后可做著色滲透檢驗，若發現缺陷按上述要求細節，清除缺陷并返修。

在工程實踐中，金屬材料的耐磨耐腐蝕性能一直是特殊工況下設備服役壽命的關鍵影響因素，通過沙特電廠風機輪轂改良技術方案的實施，我們基本掌握了哈氏合金Hastelloy C276的應用及焊接性能，很好地解決了風機輪轂易損問題，為后續工程積累了寶貴的經驗。

00Cr21Ni40Mo13（Narloy3）耐蝕合金化學成分那耐蝕性能介紹

Sat, 04 Apr 2020 22:26:16 +0800

00Cr21Ni40Mo13是1967年由日本發展的耐點蝕合金，稱為Narloy3合金。此合金在易產生點蝕的環境中，例如，在含Fe3+的H2SO4中，在沸騰H3PO4和70℃HCl中，在含Fe3+的HCl中，在氯介質中，其耐蝕性一般均超過0Cr16Ni60Mo16W4(Hastelloy C)。

一、化學成分和組織特點

00Cr21Ni40Mo13合金的化學成分
合金牌號	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Fe
00Cr21Ni40Mo13 Narloy 3	≤0.03	≤1.5	≤2.0	17～25	35～45	10～15	余

00Cr21Ni40Mo13合金組織結構與0Cr20Ni43Mo13相似，即在1200℃固溶其組織應為奧氏體+少量σ相+少量的M6C碳化物。中溫加熱此合金極易析出σ相，最易析出σ相的溫度為950℃，此種金屬間化合物的存在使合金的耐蝕性能和力學性能惡化，在設備和部件制造過程中應極力避免和減少這種有害相的析出，一旦出現，應在1200℃高溫固溶處理予以消除。由于此合金的含碳量較低，其M6C碳化物含量和析出敏感性低于0Cr20Ni43Mo13。

二、耐腐蝕性能

1.全面腐蝕

由于此合金含鉬、鉻較高，并有足夠的鎳含量，因此在一些還原性酸介質中耐全面腐蝕性能與一些鎳基耐蝕合金相當，在某些條件下甚至由于0Cr16Ni60Mo16W4合金（Hastelloy C)。

a. 磷酸 00Cr21Ni40Mo13合金在各種濃度的沸騰H3PO4中的耐蝕性受合金中鉻含量支配，隨鉻含量提高耐蝕性提高，因此鉻含量高的00Cr21Ni40Mo13的耐H3PO4腐蝕性能優于0Cr16Ni60Mo16W4(Hastelloy C),此合金在沸騰溫度，濃度直到70%的H3PO4中具有極好的耐蝕性。

b. 鹽酸此合金在室溫HCl中具有良好的耐蝕性，在高溫的HCl中，耐蝕性不佳，在70℃的HCl中，當HCl濃度為10%時，其腐蝕速率達到峰值，約為3g/(M2·h),其后隨濃度的增高耐蝕性增加。與Ni-Cr-Mo耐蝕合金Hastelloy C 比較，在低于20%的HCl中其耐蝕性低于Hastelloy C 合金。在含氧化劑的HCl和濕氯環境中，00Cr21Ni40Mo13合金的耐蝕性顯著優于Hastelloy C 合金，具有極好的耐蝕性，合金中的鉻對其耐蝕性的提高具有重要的作用。

c. 硫酸在高溫中等濃度H2SO4中，此合金的耐蝕性不如Hastelloy C（0Cr16Ni60Mo16W4)合金。在含氧化劑的高溫H2SO4中，00Cr21Ni40Mo13的耐蝕性顯著優于典型的Ni-Cr-Mo耐蝕合金，耐蝕性提高近10倍。

2.點腐蝕

00Cr21Ni40Mo13合金是一種典型的耐蝕合金，在各種點蝕環境中具有極好的耐點腐蝕性能，與Hastelloy C（0Cr16Ni60Mo16W4)對比試驗后，發現不論是母材，還是焊后經1200℃處理的00Cr21Ni40Mo13，在各種條件下均不產生點蝕，相比之下，Ni-Cr-Mo合金在苛刻的點蝕環境下處于不穩定狀態。

三、冷熱加工及成型性能

N00Cr21Ni40Mo13耐蝕合金是一種難于熱變形的合金，熱變形過程中應特別小心。實驗室試驗和生產實踐證明，合金錠開胚的加熱溫度為1150～1170℃,鍛胚加熱溫度可提高到1180～1200℃,停鍛溫度≥950℃.合金的冷加工類似于0Cr18Ni60Mo17,故合金易于冷作硬化，在成型操作時應選用適宜的成型設備。

四、熱處理性能

為了得到力學性能和耐蝕性的最佳配合，00Cr21Ni40Mo13耐蝕合金的熱處理制度為1200℃固溶水冷，保溫時間視材料的截面尺寸而定。固溶處理溫度對合金的力學性能和耐蝕性能有很重要的影響。此合金在冷、熱成型后，為了獲得最佳力學性能和耐蝕性以在1200℃固溶處理為宜。冷加工過程的中間退火溫度也以1200℃為宜。

五、應用

00Cr21Ni40Mo13耐蝕合金的板、管、絲、帶、鍛件和各種鑄件主要應用于化工、有色冶煉廠點蝕環境中的各種設備，如反應釜、泵、閥門及聯結件等

常見的鎳鐵鉻鉬銅耐蝕合金有哪些牌號

Sat, 04 Apr 2020 22:22:07 +0800

鎳鐵鉻鉬銅耐蝕合金是鐵-鎳基耐蝕合金的重要組成部分。它相當于在Ni-Fe-Cr-Mo合金基礎上用適量的銅予以合金化所形成的一類系列合金。加入銅以后，使鎳鐵鉻鉬合金在還原性酸中的耐蝕性得以改善，特別是顯著提高了在熱硫酸中的耐蝕性。由于這類合金均含有較高的鉻和適量的鉬，因此也具有良好的耐氧化性介質腐蝕的能力，且兼備良好的耐應力腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕等性能。近來，氮作為重要的合金元素，開始在一些Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金中應用，引起了國內外廣泛關注。由于受到熱加工性的限制，可變形鎳基耐蝕合金中的鎳鉻鉬銅型耐蝕合金牌號很少而鐵鎳基Ni-Fe-Cr-Mo-Cu型合金中的牌號很多，而且與鎳基合金中的一些Ni-Cr-Mo-Cu耐蝕合金比較，在某些介質中的耐蝕性相當或稍優，并且由于含鎳量低，其價格更加低廉。價格低和性能好的綜合優勢使Fe-Ni基Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金成為耐蝕合金系列中牌號多，用途也廣的重要原因。

常見的鎳鐵鉻鉬銅耐蝕合金有：00Cr25Ni35Mo3CuTi又稱Fe-Ni基新2號耐蝕合金、0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2 Hastelloy G 、 00Cr22Ni48Mo7Cu2Nb2 Hastelloy G3 、 00Cr30Ni43Mo5.5W2.5Cu2Nb2 Hastelloy G30 、00Cr27Ni31Mo3Cu Sanicro 28 Nicrofer 3127LC 、0Cr21Ni42Mo3Cu2Ti Incoloy 825 、0Cr20Ni35Mo3Nb Carpenter 20Cb-3 NS 143 、 00Cr27Ni31Mo7CuN Nicrofer 3127hMo 、 00Cr33Ni31MoCuN0.5 Nicrofer 33 、 0Cr15Ni40Mo5Cu3Ti3Al эп543

高鉻耐熱合金鋼的失效與退化研究分析報告

Sat, 04 Apr 2020 02:39:17 +0800

數十年來，高鉻耐熱合金鋼廣泛應用于熱電廠的高溫高壓蒸汽管線、電機轉子、鍋爐等其它主要部件，成為熱電廠用材首選。由于材料長期處于高溫、高壓等復雜的惡劣環境條件下，材料性能退化和失效是不可避免的。根據不同材料本身成分和性能的特殊性，為確保及延長設備的設計壽命和使用安全，在材料加工、熱處理和使用過程中應嚴格遵循相關加工工藝和操作規程．一般地，熱電廠許多因設備失效造成的事故正是由于在建設階段或運行過程中違反有關要求所引起的。

由于制造或使用的原因，造成爆管等嚴重事故的報道時有所見，而且含12%Cr左右的耐熱鋼部件由于性能的特殊性更容易出現問題。如七、八十年代在丹麥F12鋼主蒸汽管線有數次爆管事故發生，而且這些管道運行工況正常，實際運行時間僅有數萬小時，甚至更短。又如1998～99年間，德國一電廠對運行工況為535℃／22MPa、運行時間為十二萬小時的主蒸汽管線上56個彎管普查發現，有23個存在問題，其中6個損傷嚴重，并立即進行了更換。損傷原因的研究表明都是由于熱處理不當引起的。由于上面提到的相轉變的特點，X20鋼的高含鉻量使其蠕變強度對熱處理條件十分敏感，不當的熱處理或熱處理不嚴格執行工藝條件要求，會嚴重降低材料的蠕變強度．特別是彎管制作時，固溶處理溫度不夠，沒有完全奧氏體化，或奧氏體化后在沒有完全轉化為馬氏體組織的條件下就進行回火處理，最終得到的是非正常的組織結構。實驗研究顯示，熱處理不當所得到的組織的具體表現為非完全馬氏體組織，鐵晶粒粗大，易于形成在固溶處理中NluC未溶解，組織中H23C6球化嚴重，從而顯著影響材料的蠕變強度。需要強調的是，經不當的熱處理后，材料的力學性能當時仍能滿足相關的標準要求，這需要對材料進行顯微組織分析才能發現問題。同樣，P91/T91也存在因熱處理不當致使材料失效所引起的事故，在西方已有報道。

高鉻耐熱鋼主蒸汽管道經長期運行后，質材會發生一定的損傷，所表現的特征及性能的退化和材料鉻含量多少相關，這方面已有一些專論和報道．總的來看,這些材料經長期高溫使用后，會出現不同程度的脆化傾向，在常溫下表現為脆性。由于成分和熱處理工藝的差異，蠕變試驗及經長期服役后測試結果顯示，不同的9～12%Cr耐熱鋼材料的性能和顯微組織也表現出一定的差異。不少耐熱鋼經長期使用后，室溫條件下明顯脆化。F12鋼經十余萬小時以上運行后，室溫下韌性只有原始材料的30%左右，但材料的硬度沒有明顯變化．沒有表現出一般耐熱鋼經長期高溫時效后常見的軟化現象，如12CrMoVNb和9%Cr耐熱鋼經長期高溫時效后會出現不同程度的軟化。造成這一現象的可能原因還不是十分清楚。相應的組織退化明顯，表現為由于位錯的滑移或攀移所構成的發達的亞結構和粗化的碳化物．12%Cr耐熱合金鋼材料在長期高溫服役后出現的脆化傾向可能是由于馬氏體合金鋼一般所具有的熱脆現象。而這一現象造成的原因一般認為是和有害元素在晶界偏聚相關，諸如P、Sn、As等在晶界的偏聚會降低晶界的結合強度。由于以上的原因，一般電力行業常規的金屬監督方法之一一硬度檢查法，對該系列材料顯然是不適當的。

一般地，9～12%Cr耐熱合金鋼經長期高溫服役，材料力學性能發生不同程度的退化與相應的顯微組織結構變化密切相關，諸如材料基體的位錯密度下降，第二相碳化物粗化。顯微結構方面最明顯的變化是不穩定的細小彌散的沉淀強化相如NIX、MzX等碳氮化合物溶解，晶界碳化NI23C粗化，合金元素在碳化物中的可能富集等．另外，還有金屬間化合物Laves相產生．而且隨時效的溫度提高，沉淀的Laves相顯著增多。Laves相的存在，雖具有強化作用，但降低材料的蠕變強度，有的由于硫、磷等雜質元素含量相對較高體現出明顯地有害作用或因偏聚而弱化晶界.

細小彌散的亞穩態的MX、M2X碳氮化合物是合金鋼中主要的二次強化相。在長期的高溫時效條件下，很容易集聚長大，并會溶解和向其它結構碳化物轉化，而失去應有的強化作用。顯微組織的觀察顯示，在馬氏體板條內細小彌散的強化相大多消失或溶解，同時碳化物K23C粗化或球化。粗化的碳化物M23C6由于其晶格常數和基體a-Fe間差異顯著，不可能有共格關系存在，也就不可能具有很好的強化作用。二次強化相lAX、MzX消失，材料的強度和蠕變強度主要依賴于合金元素的固溶強化；隨著碳化物粗化，基體的合金元素也一定程度上產生貧化；以及雜質元素對晶界弱化的共同作用等，造成材料的強度和蠕變強度明顯下降，縮短材料的使用壽命。如對高強度的12CrMoV和12CrMoVNb鋼的顯微組織的研究，發現材料的蠕變斷裂是和材料的顯微組織退化相關的。材料在550℃經10萬小時的使用，其力學性能顯現明顯的軟化現象。其原因是材料中在晶界出現逆轉奧氏體；在晶界和亞晶界出現粗大的M23C6沉淀，相應地，材料中彌散細小強化相MzX和A{X溶解，造成材料蠕變強度顯著下降。對12CrMoV鋼及其使用進行了較好的總結。在歐洲，12CrMoV普遍應用于蒸汽管道、渦輪機鑄造、轉子等，甚至用于反應堆、高溫反應器制造等，在電力工業中有不斷用于取代低合金材料的趨勢。該合金使用狀態為回火馬氏體組織，可能有少量的鐵，但不應存在球化的碳化物存在。嚴格控制熱處理溫度和處理工藝過程是關鍵。

需要強調的是，高鉻耐熱合金鋼經十萬小時以上運行后，雖室溫性能明顯脆化，但在沒有出現常見的材料損傷現象如蠕變空洞等之前，僅憑這一現象不足以認為材料已經失效而對設備判廢，因為材料的高溫性能基本尚好，沒有顯著的性能退化，微觀組織結構的觀察也沒有明顯的損傷出現。這需要根據運行工況的具體實際、材料顯微組織結構分析和工程技術分析等角度進行綜合評價。而對熱電廠中由高鉻耐熱合金鋼構造的主要部件的相關技術監督，也有必要探索符合實際的評價方法和分級標準。另外，高鉻耐熱合金鋼的良好性能也只是在高溫條件下體現出來，常溫條件下的使用性能并不比其它一般不銹鋼優越，而且該鋼易受環境腐蝕。由于管材儲存和運輸不當，或成型設備因試壓介質殘留等原因造成的腐蝕穿孔事故已多次發生，這可能是和材料的晶粒度較大，晶界因粗大的碳化物沉淀而寬化，所以易受晶間腐蝕。

GH1015固溶強化型變形高溫合金成形性能及熱處理工藝

Fri, 03 Apr 2020 12:09:01 +0800

GH1015是鐵鎳鉻基固溶強化型變形高溫合金，使用溫度在950℃以下，合金以加入鉻、鎢和鉬等元素進行固溶強化。GH1015高溫合金具有較高的塑性、中等的持久和蠕變強度、良好的抗冷熱疲勞性能，以及良好的加工和焊接性能，及組織穩定性。主要產品有冷軋薄板、棒材、絲材和鍛件。

一、GH1015高溫合金工藝性能

1.成形工藝與性能

GH1015高溫合金工藝參數下表。當冷變形量為30%時，板材的開始再結晶溫度為800℃，完成再結晶溫度為950℃。

加工類型	加熱溫度	開鍛（軋）/終鍛（軋）溫度
鍛造開坯	≤ 700℃裝爐，1160℃±10℃	開鍛≥1000℃ ；終鍛≥900℃
熱軋棒材	≤ 700℃裝爐，1150℃±10℃	開軋≥1050℃±10℃ ；終軋≥980℃
軋制板坯、板材	1150℃～1170℃	停軋≥900℃
冷軋板	總壓下率為30%～40%。多次成形制造的零件，每次冷成形后均需進行固溶處理。成形前板材表面涂以硝基清漆

2.工藝性能

GH1015高溫合金供應狀態板材在深沖、翻邊和壓窩時的極限系數見表

成形方法	深沖	翻邊	壓窩
極限系數K極限	2.05～2.06	＞1.745	0.328（r陽=8mm)
注：δ1.5mm冷軋板，經標準熱處理。

GH1015高溫合金零件在極限翻邊系數時厚度的最大減薄量為24%，零件在極限壓窩系數時厚度的最大減薄量為30%。用90°單角帶校正直角邊的模具彎曲時，板材的最小彎曲半徑小于0.5δ板厚，彎曲后的回彈量與材料方向無關。

二、GH1015高溫合金零件熱處理工藝

GH1015高溫合金制造火焰筒高溫段零件時，固溶溫度多為1150℃±10℃；而對一些工作溫度較低的火焰筒零件，則可采用1080℃±10℃作為最終固溶溫度。以多次深沖方法制造零件時的中間熱處理溫度為1080℃±10℃，消除焊接應力的固溶溫度為1000℃或更高些。熱處理后可根據零件形狀進行空冷或水冷。對于火焰筒零件，需要噴涂琺瑯涂層時，涂層的焙燒溫度不應超過1160℃。GH1015高溫合金零件表面的氧化皮可用吹砂方法或酸洗方法消除。用酸洗法清除氧化皮時，可采用氫氟酸-硫酸-硝酸水溶液的單一酸洗工藝，也可以采用氫氧化鈉-硝酸鈉和硫酸-氯化鈉水溶液的復合堿酸洗工藝。

三、GH1015高溫合金組織結構

GH1015高溫合金板材經過標準熱處理后的組織，奧氏體晶粒度為ASTM 5～8級，晶界和晶內有一次NbC,ω(NbC)約占合金的0.37%。此外還有微量細小的M6C型碳化物，ω（M6C）約占合金的0.17%。GH1015高溫合金經長期時效后析出M6C和Laves相。經550℃×400h后，ω（M6C）增至0.19%，進一步提高時效溫度后M6C數量顯著增加，主要分布于晶界。Laves相首先在NbC周圍析出，隨時效溫度升高和增長，Laves相長成竹葉狀、棒狀和塊狀，主要分布于晶內。合金經800℃、67MPa、5765h應力時效后，相組成未變，而大部分析出相呈顆粒狀在晶內普遍析出 www.lshstg.com

GH1015高溫合金化學成分熱處理制度與應用概況及特性

Fri, 03 Apr 2020 12:02:50 +0800

GH1015是鐵鎳鉻基固溶強化型變形高溫合金，使用溫度在950℃以下，合金以加入鉻、鎢和鉬等元素進行固溶強化。GH1015高溫合金具有較高的塑性、中等的持久和蠕變強度、良好的抗冷熱疲勞性能，以及良好的加工和焊接性能，及組織穩定性。主要產品有冷軋薄板、棒材、絲材和鍛件。

一、化學成分

GH1015高溫合金化學成分摘自 GB/T14992
元素	C	Cr	Ni	W	Mo	Fe	Nb
質量分數 %	≤0.08	19.0～22.0	34.0～39.0	4.80～5.80	2.50～3.20	余	1.10～1.60
元素	B	Ce	Mn	Si	P	S	Cu
質量分數 %	≤0.010	≤0.050	≤1.50	≤0.60	≤0.020	≤0.015	≤0.250

二、應用概況及特性

GH1015高溫合金已用于制造航空發動機燃燒室和加力筒體等板材結構件和其他高溫部件。GH1015高溫合金合金在700℃～900℃長期工作時有一定的時效硬化現象，使室溫塑性下降；GH1015高溫合金合金在700℃以上長期工作時有沿晶界氧化的傾向，可采用琺瑯涂層進行有效保護。在1000℃以上的高溫抗氧化性能比同類用途的鎳基合金稍差。該合金可作為GH2039、GH3030、GH3044和GH3536合金的代用料。

三、材料技術標準

GB/T14992 高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號

GJB 3165A 航空承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材

HB/Z 140 航空用高溫合金熱處理工藝

HB 5199 航空用高溫合金冷軋薄板

YB/T 5245 普通承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材

四、熔煉工藝

采用電弧爐+電渣重熔、或非真空感應爐+電渣重熔、或真空感應爐+電渣重熔熔煉工藝

五、熱處理制度

摘自 GJB 3165A 、YB/T 5245 、HB 5199 、HB/Z 140，各品種的標準熱處理制度為：

a.冷軋薄板、絲材、板金件及焊接組合件，1130℃～1170℃/AC。其中：δ（d)≤3mm ,保溫 8min～12min；δ（d)3mm～5mm,保溫 12min～16min

b.熱軋和鍛制棒材、鍛件、模鍛件，1140℃～1170℃/AC。

六、品種規格與供應狀態

品種規格：d20mm～300mm棒材；δ0.5mm～6.5mm帶材和冷軋薄板；各種尺寸規格鍛件和模鍛件。

供應狀態：GH1015高溫合金棒材不經熱處理，經磨光或車光后供應；GH1015高溫合金板材經熱處理+精整+去除氧化皮+平整+切邊后供應；鍛件、模鍛件一般不經熱處理供應www.lshstg.com

高溫合金是如何發明的及在航空行業中的應用

Fri, 03 Apr 2020 11:56:37 +0800

人類文明的進步，是同生產技術的發展和新材料的應用分不開的。歷史學家把人類的文明史劃分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代等幾個時代。以制造工具的原材料為標志來劃分時代，是人類發明、創造的記錄，它說明了一個真理：“需要是發明之母”。各種材料都有自己的發展史，高溫合金也不例外。

蒸汽機的發明為人類提供了強大的動力，它翻轉了世界，但成了產業革命。但是，人們并沒有滿足于這一成就，而是繼續前進，努力探索一種結構更簡單、體積更小、重量更輕、效率更高的新的動力機械。蒸汽機問世以后沒有幾年，英國就有人提出了制造蒸汽渦輪機（汽輪機）的設想，也就是利用蒸氣直接去轉動發動機。只是因為找不到現成的能耐高溫的金屬材料可資利用，致使這一設想被束之高閣達好幾十年。到十九世紀后半葉，電學得到了迅速的發展，發電設備迫切需要巨大的高速旋轉的發動機去帶動它們。到了1938年，治金科學的發展為動力設備提供了能耐550℃高溫的金屬材料，這才使結構上更完善的蒸汽輪機和燃氣輪機進入了實用的階段。

航空事業的進步也推動著高溫合金的發展，1939年，螺旋槳飛機創造了755公里／小時的世界紀錄，但想要進一步提高航速就發生了困難。這里的關鍵問題是飛機的“心臟’’——發動機的勁兒不足，需要進一步加強。這樣一種新式的勁兒更大的噴氣發動機就應運而生了。當時，法西斯統治下的德國開始研制噴氣發動機，由于找不到合適的耐高溫材料，只好在冷卻技術上下功夫，噴氣發動機的使用壽命不過三五十個小時，所以沒有取得成功。與此同時，英國人也在研制噴氣式飛機，關鍵自然也是耐高溫合金。他們首先研制成了一種能耐700℃高溫的鎳基合金，這種合金是在鎳鉻電阻合金的基礎上發展起來的，被定名為“尼莫尼克”75鎳鉻系高溫合金。1941年研制成了含有鋁和鈦的“尼莫尼克”80鎳鉻系高溫合金；三年以后往合金中加進硼、鋯，得到“尼莫尼克” 80A合金，耐熱溫度達到820℃。以后又研制成了以鎳為基加進一定量鈷的“尼莫尼克”90，加進一定量鋁的“尼莫尼克，100等高溫合金。噴氣發動機的工作溫度每提高100℃，推力即可提高15%。

1939年美國國際鎳公司發展了鎳鉻鐵系高溫合金，其中除含鎳(超過70%)、鉻、錳、鐵外，還含有少量的硅和碳。在這個基礎上，加進一點鋁和鈦，就得到了一系列的“因科內爾”合金。到1948年，美國研制的鈷基高溫合金已經達到能耐830℃高溫的水平。回顧過去，三十年間高溫合金的耐用溫度提高了300℃，平均每年提高10℃。現在高溫合金的最高使用溫度超過千度，已經達到實用化的高溫合金有四百多種，儼然形成一個“人才濟濟”的大家族了。

Incoloy825合金材料化學成分及應用性能

Thu, 02 Apr 2020 12:56:50 +0800

Incoloy825合金是一種用鈦穩定化的 Ni-Fe-Cr-Mo-Cu 耐腐蝕合金，中國的牌號為GB NS 142 ，美國UNS: N08825 , 德國DIN：NiCr21Mo , W-Nr:2.4858 , 英國BS：NA 16 ，化學成分標號： 0Cr21Ni42Mo3Cu2Ti ，此合金具有良好的耐全面腐蝕和局部腐蝕性能且工藝性能良好，Incoloy825合金耐淡水腐蝕，包括腐蝕性最強的含游離子的CO2、鐵化合物和氯化合物、自然水以及含雜質的各種工業冷卻水，其腐蝕速度通常低于0.0025mm/a，因此，在化學、能源、石油化工，濕法冶金工業中得到廣泛的應用。

Incoloy825合金產品的執行標準：棒材:ASTM B425 ASME SB425 、鍛件：ASTM B564 ASME SB564 、板材：ASTM SB424 ASME SB424 管材：ASTM B423 B163 B704 B705 ASME SB423 SB163

牌號

國別

Incoloy 825合金化學成分表

0Cr21Ni42Mo3Cu2Ti
( NS 142 )

中國

≤0.05

≤0.50

≤1.0

19.5～23.5

38～46

≤0.20

0.60～1.20

1.50～3.0

2.5～3.5

≤0.02

≤0.030

≥22.0

Incoloy 825
( N08825 )

美國