圖 1HDS65焊絲堆焊層的宏觀形貌及PT探傷形貌
Figure 1.Macromorphology and PT inspection morphology of HDS65 wire surfacing layer: (a) single-pass surfacing layer； (b) pipe row surfacing layer and (c) pipe row surfacing layer after PT inspection
0. 引言
循環流化床鍋爐（CFB）具有煤種燃料適應性廣、燃燒效率高、脫硫高效、負荷調節范圍大、爐膛截面積小等優點,能夠實現經濟有效的低污染燃燒[1-2]。由磨損導致的CFB“四管”爆管泄露事故在CFB鍋爐總爆管事故中占28%~45%,成為制約電站CFB安全運行的首要因素[3-6]。通常通過在易嚴重磨損部位堆焊耐磨材料來防止磨損,焊接材料熔覆金屬耐磨性能的優劣決定著防磨效果。近年來,一些在煤礦機械、礦山設備等其他耐磨領域應用廣泛的焊絲如D517合金、YD9352合金、YD490合金、TP-NM50合金、HC-W55合金焊絲等被推廣應用到CFB四管的磨損防護上。但是,這些焊絲堆焊在CFB易磨損部位存在焊接工藝性差、飛濺嚴重以及堆焊層成形性很差、硬度偏低、易產生裂紋等問題,給堆焊層的施工及防護應用造成質量隱患。目前,針對CFB鍋爐領域工況特定場景定制化開發堆焊合金材料的研究鮮有報道。現有CFB鍋爐堆焊材料以鐵基合金為主,在此類合金體系的基礎上,通過對合金成分進行設計和優化,可以在保證合金良好淬透性、耐磨性和熱強性的同時提高其他性能。在鐵基合金焊絲中添加鎳能改善合金韌性及工藝性能；添加鈦和鈮等合金元素可以控制氣孔和熱裂紋,并產生細晶強化和彌散強化作用[7]；適量硼、硅的添加可以降低合金熔點,形成較寬的固液相溫度區間,從而改善工藝性[8]；錸有利于細化合金組織和晶粒,且能提高韌性；此外,鉬、鈦等強碳化物形成元素易與合金中的碳形成合金碳化物,有利于進一步提高材料的硬度和耐磨性。基于此,作者研發出一種新型鐵基合金體系堆焊藥芯焊絲（HDS65焊絲）,研究了焊絲的焊接工藝性以及堆焊層的成形質量、顯微組織和高溫摩擦磨損行為,擬為解決目前CFB鍋爐用堆焊合金材料存在的問題,提升防磨堆焊層質量提供參考。
1. 試樣制備與試驗方法
堆焊材料為自主研制的HDS65藥芯焊絲,直徑為1.6mm,藥芯的名義成分（質量分數/%）為0.3C,8.5Cr,2.0Mo,1.2Ni,0.5Ti,0.3Nb,1.5Mn,1.0B,1.5Si,0.2Re,余Fe；藥芯粉末的粒徑在50~200μm,焊絲外皮為H08A冷軋鋼帶,焊絲的粉芯填充率為29%。采用松下CO2氣體保護焊機在外徑為60mm、內徑為50mm的20G鋼管排上進行單層多道堆焊,根據CFB鍋爐管排的結構特點,采用自動化立式向下焊接方式,搭接率在30%~50%,堆焊厚度為2.5~3.0mm,堆焊電流為230~260A,堆焊電壓為22~26V,氣體流量為15~18L·min−1,堆焊速度為50~53mm·s−1,下行速度為6~10mm·s−1,擺幅寬度為10~14mm,槍距小于10mm,焊接角度為90°。
采用滲透檢測（PT）探傷方法對堆焊層進行裂紋缺陷檢測。用線切割機從堆焊的20G鋼管排上截取金相試樣,經研磨、拋光后,用王水（濃鹽酸和濃硝酸體積比為3∶1）腐蝕,采用BX51M型光學顯微鏡觀察堆焊層的顯微組織。采用PANaly型X射線衍射儀（XRD）分析堆焊層的物相組成,采用銅靶,Kα射線,掃描范圍為10°~90°,掃描速率為10（°）·min−1。采用HV-1000SPTA型維氏硬度計測試截面顯微硬度,載荷為1.96N,保載時間為10s,從堆焊層表面向基體方向每隔0.25mm取點測試,相同深度測3個點取平均值。利用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機在不同溫度下測試堆焊層和20G鋼的摩擦磨損行為,試樣尺寸為?30mm×8mm,施加的載荷為4.9N,摩擦半徑為5mm,對磨副為Al2O3陶瓷球,磨損時間為30min,試驗溫度分別為25,350,600℃,采用P-7型輪廓膜厚示廓儀測定磨損體積。在自主研制的GW/CS-MS型高溫沖蝕磨損試驗裝置上進行高溫沖蝕磨損試驗,該裝置根據鍋爐的工況環境設計,磨粒為粒徑在1.0~1.6mm的金剛砂,試驗溫度分別為25,350,600℃,沖蝕角度為60°,空氣壓力為0.65MPa,沖蝕時間為30min,測3個平行試樣。相對耐磨性為對比材料的沖蝕磨損量與HDS65焊絲堆焊層沖蝕磨損量的比值,對比材料為CFB常用防磨材料YD490焊絲堆焊層。
2. 試驗結果與討論
2.1 焊絲的焊接工藝性及堆焊層宏觀形貌
由圖1可以看出,堆焊層的表面潔凈,焊道紋路清晰,均勻飽滿,連續性好,不間斷,焊道成形美觀,僅在筋板附近存在個別熔滴,說明在焊接過程中幾乎不產生飛濺。堆焊層無漏焊、缺焊現象,PT探傷結果顯示整個堆焊層內外均無氣孔和裂紋缺陷。由此可見,HDS65焊絲制備的堆焊層具有良好的裂紋抵抗能力。從堆焊層的外觀質量來看,焊接過程中煙氣較小,送絲順暢,無卡滯、黏導電嘴等現象,且焊絲熔滴流動平鋪性較好；研制的HDS65焊絲的焊接工藝性良好。
2.2 堆焊層的物相組成及顯微組織
由圖2可以看出,堆焊層主要由α-Fe相和以金屬間化合物FeCr為溶劑的固溶體組成,未檢出明顯的奧氏體相。
圖 2HDS65焊絲堆焊層表面的XRD譜
Figure 2.XRD spectrum of surface of HDS65 wire surfacing layer
由圖3可以看出,堆焊層組織主要由網狀分布的包狀晶及其內部的板條馬氏體、FeCr基固溶體及不連續分布的細小黑色碳化物組成,組織較細小均勻。試驗用堆焊材料基于鐵基合金體系的馬氏體型固溶體進行設計優化,鉻、碳和鉬等含量較高,合金的淬透性很高,同時由于焊接時冷卻速率較快,堆焊層中形成了馬氏體組織。
圖 3HDS65焊絲堆焊層的顯微組織
Figure 3.Microstructure of HDS65 wire surfacing layer: (a) at low magnification and (b) at high magnification
焊絲藥芯中加入了適量的鉻、鈮、鉬、釩、鈦等元素,當熔池中液態金屬凝固結晶時,會形成TiC、NbC等高熔點碳化物。這些碳化物由于熔點高會首先形核長大,均勻分布于液相中,為熔池結晶提供了形核質點,從而提高了形核率；同時碳化物顆粒還可能存在于晶界處,阻礙晶粒長大。因此,堆焊層組織細小均勻,這種組織有利于降低堆焊層的裂紋敏感性[7-8]。
2.3 堆焊層的顯微硬度
由圖4可以看出：HDS65焊絲堆焊層的顯微硬度較高,在630~690HV,高于目前應用的耐磨材料的硬度要求（436HV）,且硬度分布較均勻；隨著深度的增加,堆焊層硬度總體呈略微降低的趨勢,這可能是因為焊接熔池的結晶過程是由基體向堆焊層表面進行的,后結晶部位的液相中溶質原子通常更密集,馬氏體中固溶的碳含量或形成的碳化物含量更高；熱影響區的硬度隨著深度的增加基本呈線性降低。
圖 4HDS65焊絲堆焊層的截面顯微硬度分布
Figure 4.Cross-section microhardness distribution of HDS65 wire surfacing layer
2.4 堆焊層的耐沖蝕磨損性能
在25,350,600℃條件下,HDS65焊絲堆焊層的沖蝕磨損量分別為0.92,1.13,1.42mg·cm−2,對比材料YD490焊絲堆焊層的沖蝕磨損量分別為1.29,1.81,2.98mg·cm−2,HDS65焊絲的相對耐磨性分別為1.4,1.6,2.1。可見：HDS65焊絲堆焊層的沖蝕磨損量小于YD490焊絲堆焊層,說明其耐沖蝕磨損性能優于YD490焊絲堆焊層；隨著溫度的升高,HDS65焊絲堆焊層的沖蝕磨損量增大,耐沖蝕磨損性能變差,但是其磨損量增加速率較YD490焊絲堆焊層低。HDS65焊絲堆焊層中存在大量馬氏體組織,同時藥芯中含有碳、硼、鉻、鉬等元素,這些元素一方面易溶于基體相產生固溶強化效果,并提高淬透性[9],另一方面形成高熔點碳化物為熔池結晶提供形核質點,凝固后若存在于晶界處則可以阻礙晶粒長大,從而起到彌散強化和細晶強化作用[10]；此外,鉻、碳和硼還可能形成化合物,分布于馬氏體基體中,從而增加位錯能,對基體中的位錯產生釘扎作用,阻礙位錯運動,提高堆焊層的抗變形能力,從而提高堆焊層的耐沖蝕磨損性能[11-12]。
2.5 堆焊層的高溫摩擦磨損行為
由圖5可以看出,不同溫度摩擦磨損時HDS65焊絲堆焊層的摩擦因數均隨時間的延長先急劇增大后在一定范圍內穩定波動。這是由于在摩擦開始階段,對磨球與堆焊層表面為點接觸,此時接觸應力大,導致摩擦因數波動大；隨著摩擦的進行,對磨球深入堆焊層中,與堆焊層的接觸面積增大,摩擦更加劇烈,摩擦因數迅速增大,最終摩擦因數達到一個相對平穩的波動狀態[13]。隨溫度升高HDS65焊絲堆焊層的摩擦因數降低,600℃時在0.2~0.3,遠低于20G鋼基材。溫度升高會導致材料表面發生軟化和熱膨脹,使得摩擦接觸面的接觸壓力降低,摩擦磨損時的摩擦力減小,從而導致摩擦因數降低。此外,在較高溫度下磨損表面可能會形成完整連續的氧化膜,起到潤滑作用,從而穩定磨損過程并降低摩擦因數[14]。
圖 5不同溫度摩擦磨損時HDS65焊絲堆焊層和20G鋼基材的摩擦因數曲線
Figure 5.Friction factor curves of HDS65 wire surfacing layer and 20G steel matrix during friction and wear at different temperatures
在25,350,600℃條件下,HDS65焊絲堆焊層的磨損體積分別為0.416,0.492,0.628mm3；隨著溫度的升高,堆焊層的磨損體積增大,耐磨性能變差。600℃時堆焊層的體積磨損量僅為20G鋼基材（1.195mm3）的52.6%,堆焊層的耐磨性能遠高于基材。隨著摩擦磨損溫度的升高,堆焊層表面出現熱膨脹,變形抗力降低,表面微觀凸起更容易磨損,并且氧化速率加快,因此耐磨性能降低。HDS65焊絲堆焊層的組織為合金化的馬氏體型固溶體和細小碳化物,具有高硬度和高耐磨性能,同時合金中添加的微量元素,尤其是鈮元素可以起到減摩耐磨的效果[15],因此堆焊層表現出較優異的摩擦磨損行為。
3. 結論
（1）HDS65焊絲的焊接工藝性良好,焊接過程中幾乎不產生飛濺,焊道成形美觀；制備的堆焊層內外均無氣孔和裂紋缺陷,組織主要由板條馬氏體、以金屬間化合物FeCr為溶劑的固溶體及不連續分布的細小黑色碳化物組成。
（2）HDS65焊絲堆焊層硬度較高,在630~690HV,與YD490焊絲堆焊層相比,在350,600℃條件下的沖蝕磨損量均更低,耐沖蝕磨損性能更優；隨著溫度的升高,HDS65焊絲堆焊層的沖蝕磨損量增大,耐沖蝕磨損性能變差,摩擦因數降低,600℃時低至0.2~0.3,遠低于20G鋼基材,磨損體積增大,在600℃時為0.628mm3,僅約為20G鋼的1/2。600℃高溫條件下HDS65焊絲堆焊層也具有良好的摩擦磨損性能。
文章來源——材料與測試網