汽轮机转轴表面CMT修复层微观组织及力学性能对比研究.pdf

针对汽轮机 Cr12NiWMoV 转轴在高温环境下的磨损失效问题，对失效部位进行堆焊修复。方法方法 选用 Inconel 625 合金和 316L 不锈钢 2 种材料，利用冷金属过渡（CMT）技术在汽轮机转轴表面进行堆焊修复再制造。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、维氏硬度计和万能试验机等手段，对 2 种堆焊修复材料和母材的结合情况进行测试和分析，探究其微观组织和力学性能的差异。结果结果 光学显微镜结果表明，Inconel 625 合金和 316L 不锈钢的熔覆层与基体具有良好的冶金结合，修复试样无缺陷。316L 不锈钢修复层组织为奥氏体+-铁素体，而-铁素体的形成会导致修复层硬度降低、塑性下降；Inconel 625 合金修复层的微观组织以奥氏体为基体，具有典型的柱状晶结构，且在枝晶间区域观察到 Nb、Mo 元素的大量偏聚，这会导致不规则形状的 Laves 相和细小的 MC 碳化物在枝晶间区域大量析出。Laves 相为脆性相，在室温拉伸过程中易成为裂纹的主要形核点，造成裂纹的产生与扩展，使修复层的延伸率降低。结论结论 与 316L 不锈钢相比，Inconel 625 合金修复层具有更高的强度和硬度，更适合成为汽轮机转轴表面的堆焊修复材料。关键词：Inconel 625；316L 不锈钢；汽轮机转轴；修复再制造；CMT DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.012 中图分类号：TG455 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09-0099-09 Comparative Study of Microstructure and Mechanical Properties in CMT Repair Layers on Surface of Steam Turbine Rotor SHAO Guang-hui1,YANG Ke2,ZOU Xiao-dong2*,YI Jiang-long2,LIU Jun-jian1(1.Datang Boiler and Pressure Vessel Inspection Centre Co.,Ltd.,Hefei 231200,China;2.Guangdong Key Laboratory of Modern Welding Technology,China-Ukraine Institute of welding,Guangdong Academy of Science,Guangzhou 510650,China)ABSTRACT:The work aims to address the issue of high-temperature wear of Cr12NiWMoV steam turbine rotors by surfacing of the failure part.Inconel 625 alloy and 316L stainless steel were used as raw materials for repairing and remanufacturing on the surface of steam turbine rotors by cold metal transfer(CMT)arc surfacing.Optical microscope,scanning electron micro-scope,Vickers hardness tester and universal testing machine were employed to test and analyze the bonding status between the 100 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 base metal and the two surfacing repair materials,to explore the variations in their microstructure and mechanical properties.The results revealed that both the Inconel 625 and 316L stainless steel repair layers were free from defects and flawlessly bonded with the substrate.Furthermore,the microstructure of the 316L stainless steel repair layer consisted of austenite and a large amount of-ferrite.The formation of-ferrite led to a decrease in the hardness and ductility of 316L stainless steel repair layer.The microstructure of the Inconel 625 repair layer exhibited a typical columnar structure based on austenite.In addition,the segregation of Nb and Mo elements occurred in the interdendritic region,resulting in the precipitation of a large number of irregularly shaped Laves phase and some fine MC carbides.It was well-known that Laves phases were easy to break up and they were the main nucleation points for the formation of microscopic holes during the room temperature tensile process,leading to a reduction in the ductility of the repair layer.In comparison with the 316L stainless steel repair layer,Inconel 625 alloy repair layer has higher hardness and strength,making it more suitable for repairing the surface of steam turbine rotors.KEY WORDS:Inconel 625;316L stainless steel;steam turbine rotor;repairing and remanufacturing;CMT Cr12NiWMoV 钢作为 Cr12 型（Cr 的质量分为12%）马氏体耐热不锈钢，具有高强度、高硬度、耐高温等特点，广泛应用于汽轮机的叶片、阀杆和转轴等高温紧固件中。汽轮机的工作环境恶劣，高温部件在长期使用过程中可能会出现疲劳、点蚀、应力腐蚀开裂、磨损等失效问题，将直接影响汽轮机的正常运行，引发安全事故。由于高温部件的制造成本较高、用量大，因此，采用合适的再制造材料与技术修复汽轮机高温紧固件具有显著的经济效益和重大的社会意义。修复再制造技术是一种利用堆焊、手工电弧焊、激光熔覆等方法对磨损零部件进行修复制造而不需要更换零部件的修复方式，这种技术可以降低生产成本，减少废弃物的数量以及对环境的负面影响1。与其他修复再制造方法相比，冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）堆焊技术2-3具有较低的热输入和稳定的电弧，可以保证修复再制造过程的稳定性。Nkki4分别采用激光熔覆和 CMT技术在不锈钢表面堆焊 Inconel 625 合金，研究发现，CMT 的热输入量仅为激光熔覆的 1/6，且熔覆层无缺陷、稀释率低。Lorenzin 等5研究表明，CMT 修复层的稀释率较低，成形效果良好，可用于模式水冷壁和外壁的堆焊修复。因此，CMT 技术可作为一种汽轮机高温紧固件堆焊修复的新型高效技术6。镍基高温合金（如 Inconel 625、Inconel 718）7以及奥氏体不锈钢（如 304L、316L）因具有优异的高温耐腐蚀性、抗氧化性及力学性能，在火力发电、航空航天、石油化工、汽车等领域零部件的制造与修复中得到了广泛应用8。316L 不锈钢为 Fe-Cr-Ni 系合金，与 Cr12NiWMoV 基体有良好的润湿性和冶金结合性，因此，316L 不锈钢常作为原材料修复汽轮机的零部件。郭洋等9采用 316L 不锈钢修复汽轮机轴承，发现修复层与基体结合良好，修复层处和热影响区均无裂纹等缺陷。但 316L 不锈钢硬度低、耐磨性不足，当面对服役在严重磨损环境下的零部件时，常采用硬度更高的 Inconel 625 合金进行再制造修复。Keienburg 等10采用 Inconel 625 合金对汽轮机表面进行了堆焊修复，结果表明，修复后的汽轮机性能良好、无缺陷。目前，较少有研究对比分析汽轮机转轴表面316L 不锈钢和 Inconel 625 堆焊修复层的微观组织和力学性能。本文选取 316L 不锈钢和 Inconel 625 合金作为修复原材料，利用 CMT 技术在 Cr12NiWMoV 汽轮机转轴表面进行修复再制造，对比分析 2 种修复层与基体的冶金结合情况以及基体的变形程度，探究 2 种修复层微观组织及力学性能的差异，并评估使用 2 种材料修复受损零部件的可行性，以期为今后的修复工作提供依据。1 试验 试验以汽轮机螺栓（Cr12NiWMoV）为基体材料，采用直径为 1.2 mm 的 316L 不锈钢和 Inconel 625 焊丝作为堆焊原材料，相关化学成分如表 1 所示。在进行堆焊之前，用角磨机对基体材料表面进行机械打磨，并利用丙酮将表面清洗干净。堆焊过程采用 CMT Fronius advanced 4000R 作为堆焊电源，使用 KUKAKR 60HA 机器人在汽轮机螺栓转轴基板表面分别进行316L 不锈钢和 Inconel 625 堆焊。在堆焊过程中，层间温度控制在（10010），以 Ar+CO2（体积分数分别为 80%和 20%）为保护气体，气流量为 18 L/min，焊接速度为 0.48 m/min，送丝速度为 9 m/min，焊接电流为 160170 A，焊接电压为 2829 V。利用线切割设备将制备好的堆焊样品沿纵截面切成 10 mm10 mm9 mm 的金相试样，随后使用 SiC金相砂纸进行打磨、抛光。为观察修复层的微观组织，使用王水溶液（HCl+HNO3，体积比为 31）对 Inconel 625 修复层进行腐蚀，腐蚀时间约为 45 s；使用CuSO4+HCl+H2O（体积比为 155）混合溶液对316L 不锈钢修复层进行腐蚀，腐蚀时间约为 40 s。随后利用光学显微镜（OM，Ario Imger.M2m）和扫描电子显微镜（SEM，Gemini SEM 300）观察修复层的表面形貌与微观组织。第 15 卷 第 9 期 邵光辉，等：汽轮机转轴表面 CMT 修复层微观组织及力学性能对比研究 101 表 1 Cr12NiWMoV 钢基体以及 Inconel 625 和 316L 不锈钢化学成分 Tab.1 Chemical compositions of Cr12NiWMoV steel substrate,Inconel 625 and 316L stainless steel wt.%Materials Cr Mo Nb Mn Si N C Ni Fe Cr12NiWMoV 11.23 0.97 0.66 0.24 0.21 0.63 Bal.Inconel625 20.0 8.72 3.23 0.32 0.01 Bal.1.61 316L 19.7 2.5 1.75 0.81 0.042 0.02 11.8 Bal.为了测量修复层样品的力学性能，使用维氏硬度计（WILSON VH1205）以 300 g 的载荷和 10 s 的保压时间分别测量 316L 和 Inconel 625 修复层的维氏硬度。在室温条件下，使用万能试验机（HVS-1000Z）以 1 mm/min 的拉伸速度分别对 316L 和 Inconel 625修复层进行拉伸试验，拉伸试样的切割位置和尺寸如图 1 所示。2 结果与讨论 2.1 微观组织 316L 不锈钢和 Inconel 625 合金 CMT 单层单道堆焊修复层的宏观形貌如图 2 所示。可以看到，修复层和基底之间结合较好，连接紧密，无明显缺陷。利用 Image J 软件测量得到 316L 不锈钢单层修复层的熔宽、余高、熔深、单层修复层面积、基体熔化面积分别为 20.56 mm、5.57 mm、8.12 mm、75.72 mm2、64.19 mm2，Inconel 625 合金单层修复层的熔宽、余高、熔深、单层修复层面积、基体熔化面积分别为19.57 mm、4.43 mm、4.68 mm、54.42 mm2、45.00 mm2。基板对修复层的稀释率 可由公式=S2/(S1+S2)100%（S1、S2分别为单层修复层面积和基体熔化面积）获得，计算可知，316L 不锈钢以及 Inconel 625 合金 修复层的稀释率分别为 45.96%和 45.49%。316L 不锈钢和 Inconel 625 修复层的组织形貌如图 3 所示。可以看到，2 种合金的修复层都由粗大的柱状晶组成，这主要是由于在堆焊过程中，修复层经历了反复的加热与快速冷却，产生了较大的温度梯度，促使晶粒沿着温度梯度方向外延生长，从而导致了柱状晶的形成11。在图 3c 和图 3d 中也观察到，熔池界面层微观组织发生了细化，这是因为 CMT 修复再制造是一个逐层堆积的过程，每层沉积层在受到下一层的电弧加热后，沉积金属的表面可能会因受热而发生重熔或者再结晶，进而导致界面层晶粒细化。当电弧远离熔池后，细小的枝晶沿着温度梯度方向向上生长，呈现出典型的柱状晶形态（见图 3a 和图 3b）。二次枝晶臂间距（SDAS）是评判修复层性能的重要指标12。SDAS 值越小，合金的强度越高13。Inconel 625 合金和 316L 不锈钢修复层的 SDAS 值分别是（8.780.22）m 和（15.110.36）m，可以看到，Inconel 625 合金的 SDAS 值明显小于 316L 不锈钢的。Ling 等14研究发现，堆焊熔池的局部冷却速度与 SDAS 成反比，随着局部冷速的增大，SDAS 值减小、枝晶间区域缩小。因此，在 Inconel 625 修复层的枝晶间区域，第二相（如 Laves 相）尺寸较小。此外，枝晶间区域的缩小也会抑制合金元素的偏析，图 1 拉伸试样的切割位置（a）和尺寸示意图（b）Fig.1 Diagram of cut position(a)and size(b)of tensile specimens 图 2 CMT 修复层宏观形貌 Fig.2 Macroscopic morphology of CMT repair layers 102 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 图 3 CMT 修复层组织形貌 Fig.3 Microstructure morphology of CMT repair layers 从而提高合金元素对基体的固溶强化作用，这将有益于强度的提升。因此，Inconel 625 合金在 CMT 堆焊过程中具有更低的冷却速度和较小的 SDAS 值，可以获得更好的力学性能和抗腐蚀性能。316L 不锈钢和 Inconel 625 修复层的微观组织如图 4 所示。可知，316L 不锈钢和 Inconel 625 修复层的微观组织都主要是由柱状晶组成的。316L 不锈钢修复层的柱状晶晶间区域包含了大量蜂窝状第二相（-Fe 相），由图 4b 可以看到，白色的-Fe 相分布在黑色的奥氏体基体中15。晶粒的生长方向几乎与构筑方向平行，这主要是由于在堆焊修复过程中产生了从下到上的温度梯度，在温度梯度的影响下，热量会从高温区域传递到低温区域，晶粒在高温区域生长更快，从而导致了晶粒的外延生长16。在 316L 不锈钢中，-Fe 相在晶界处紧密分布，这会导致晶界强化以及抵抗应力腐蚀裂纹的能力提高。因此，合理控制316L 不锈钢修复层中第二相的分布及大小，可提高合金的性能。在非平衡模式下，-Fe 相最终在-Fe 基体中呈现骨架形态17。316L 不锈钢的凝固模式由 Creq/Nieq的值决定，Creq和 Nieq可以使用 Hammar 和 Svensson方程计算，如式（1）（2）所示。式中的元素符号均表示该元素的质量分数。Creq=Cr+Mo+1.5S+0.5Nb+3Al+5V(1)Nieq=Ni+30C+0.87Mn+30(N0.045)+0.33Cu(2)由式（1）（2）可知，Creq和 Nieq的值分别是23.42%和 13.83%，Creq/Nieq的计算结果为 1.69（1.5 Creq/Nieq2.0），因此，316L 不锈钢的平衡凝固模式为 FA 模式18，即 LL+-FeL+-Fe+-Fe-Fe+-Fe。在凝固初期，-Fe 相首先在液相中析出，图 4 SEM 微观组织形貌 Fig.4 Microstructure morphology of SEM images 第 15 卷 第 9 期 邵光辉，等：汽轮机转轴表面 CMT 修复层微观组织及力学性能对比研究 103 随后由于 CMT 堆焊过程中的冷却速度较快，过冷度较高，形核驱动力较大，所以部分液相直接凝固形成-Fe 相，同时一部分的积热使部分-Fe 转变为-Fe，但过快的冷却促使部分-Fe相残留在-Fe基体当中。为进一步确认 316L 不锈钢修复层中-Fe 相的元素组成，对 316L 不锈钢修复层的放大区域进行 EDS面扫描分析，结果如图 5 所示。可以明显看到，铁素体稳定元素 Mo 和 Cr 在第二相中偏聚，而奥氏体稳定元素 Ni 主要存在于-Fe 基体中，这与-Fe 相的元素分布特征相符。在液相凝固的初期，-Fe 相首先从液相中析出，Mo 和 Cr 元素在-Fe 中富集，随着冷却速率的加快，-Fe 相继续长大，而周围的液相逐渐减少，最终形成合金的基体-Fe 相。对 Inconel 625 修复层的微观形貌以及元素分布情况进行分析，结果如图 6 所示。可知，在 Inconel 625合金基体中有 2 种不同形貌的第二相析出：一种是白色不规则形状（近似于典型的 Laves 相），大量分布在枝晶间区域中；另一种是细小颗粒状物质，主要分 图 5 316L 不锈钢 CMT 修复层中-Fe 相元素分布图 Fig.5 EDS elemental maps of-Fe phase in 316L stainless steel CMT repair layer:a)phase in SEM image;b)enlarged view of phase;c)Ni element;d)Mo element;e)Cr element;f)Si element 图 6 Inconel 625 修复层中 Laves 相元素分布图 Fig.6 EDS elemental maps of Laves phase in Inconel 625 CMT repair layers:a)Laves phase in SEM image;b)enlarged view of Laves phase;c)Mo element;d)Nb element;e)Ni element;f)Cr element 104 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 布在枝晶上，尺寸在 200 nm 左右。通过对图 5 中 2种析出相进行 EDS 扫描发现，白色不规则析出相富含大量的 Nb 和 Mo 元素，而 Ni 和 Cr 元素的含量较少。对白色不规则区域进行点扫描分析，发现其中的Ni/Cr和Nb/Mo原子比接近Laves(Ni,Cr,Fe)2(Nb,Mo,Ti)相中的 Ni/Cr 和 Nb/Mo 原子比，因此，确认其为 Laves相19-20。Laves 相的存在会影响合金的力学性能和抗腐蚀性能，因此需要在生产制造过程中进行控制。通过 EDS 扫描发现细小的颗粒状物质中含大量的 Nb 元素。Inconel 625 合金凝固过程的反应如下：LL+L+MC+MC+Laves。在凝固过程中，当冷却到 1 356.5 时，在液相中开始析出 相，当冷却到 1 295 时，MC 碳化物开始在枝晶间区域从液体中析出，发生 L+MC 共晶反应；当温度降低至 1 150.8 时，发生 LLaves 共晶反应，形成 Laves 共晶相。因此，凝固后 Inconel 625 合金主要由 相、MC 碳化物和 Laves 相组成，其中 Laves相主要以网格状的共晶 Laves 相为主，还有少量不连续分布的岛状和块状 Laves 相21。因此，结合 Inconel 625 凝固过程和 EDS 分析结果，确认图 10 中的白色细小颗粒为 MC 碳化物22。在堆焊修复过程中，Inconel 625 修复层的枝晶间出现了大量的 Nb 元素，形成了富 Nb 区域，使 Laves相中的 Nb 的质量分数高达 30%。而 Laves 相的存在会使 Nb、Mo 元素发生大量偏析，进而抑制了-Ni3Nb 和-Ni3Nb 相的析出。-Ni3Nb 和-Ni3Nb 相为 Inconel 625 合金中的主要强化相，对提高合金的力学性能和抗腐蚀性能非常重要。因此，需要控制合金中 Laves 相的含量和分布，以实现合金的优良性能。2.2 力学性能 Inconel 625 与 316L 不锈钢 CMT 修复层的维氏硬度如图 7 所示。可以看出，在 CMT 堆焊修复过程中，Inconel 625 合金与 316L 不锈钢的显微硬度存在差异。316L 不锈钢的平均显微硬度为 179HV0.3，低于 Inconel 625 合金的平均显微硬度（197HV0.3）。对于 Inconel 625 合金修复层，CMT 修复再制造过程中的快速加热与冷却过程会导致枝晶间区域有大量的Laves 相析出，这会消耗基体中大量的 Nb、Mo 等元素，进而降低固溶强化效果。同时，与传统制造方式（如锻造、轧制）相比，CMT 修复的 Inconel 625 晶粒更为粗大，合金的显微硬度低于 Guo 等8采用WAAM 制备的 Inconel 625 合金的硬度（243HV0.3）。2 种堆焊修复金属的应变-应力曲线如图 8 所示。图 7 Inconel 625 与 316L 不锈钢 CMT 修复层维氏硬度值 Fig.7 Vickers hardness of Inconel 625 and 316L stainless steel CMT repair layers 图 8 Inconel 625 与 316L 不锈钢 CMT 修复层应变-应力曲线 Fig.8 Stress-strain curves in Inconel 625 and 316L stainless steel CMT repair layers 第 15 卷 第 9 期 邵光辉，等：汽轮机转轴表面 CMT 修复层微观组织及力学性能对比研究 105 Inconel 625 与 316L 不锈钢 CMT 修复层拉伸试验结果如表 3 所示。可以看出，Inconel 625 修复层的抗拉强度明显高于 316L 不锈钢的抗拉强度，而 2 种修复层的延伸率相对接近。这主要是因为在 Inconel 625合金中存在大量的 Laves 相，而 Laves 相是一种脆性相，它的存在会使合金的塑性下降。相比之下，由于316L 不锈钢奥氏体基体具有良好的韧性，其在延伸率方面的表现较为优异。为了进一步确定 2 种修复层拉伸性能之间的差异，使用 SEM 观察 2 种拉伸样品的断口形貌，结果如图 9 所示。可知，2 种修复层拉伸断口均包含大量的韧窝，这表明 2 种拉伸样品的断裂机理均为韧性断 表 3 Inconel 625 与 316L 不锈钢 CMT 修复层拉伸试验结果 Tab.3 Results of tensile tests in Inconel 625 and 316L stainless steel CMT repair layers Repair layers Tensile strength/MPa Elongation/%Inconel 625 563.4 34.1 316L stainless steel466.3 35.2 裂24。其中，Inconel 625 拉伸试样断裂表面的韧窝分布均匀，韧窝小且浅。图 9c 和图 9d 为 316L 拉伸试样的断裂形貌，可以看到，其韧窝分布不均匀，韧窝较深，且与 Inconel 625 相比，尺寸更大。图 9 Inconel 625 与 316L 不锈钢拉伸断口形貌 Fig.9 Fracture morphology of Inconel 625 and 316L stainless steel 3 结论 研究了 Inconel 625 和 316L 不锈钢 CMT 堆焊修复 Cr12NiWMoV 汽轮机转轴的微观组织和力学性能差异，主要结论如下：1）使用 Inconel 625 和 316L 不锈钢作为原材料，以 CMT 工艺堆焊修复 Cr12NiWMoV 钢，2 种修复层均无裂纹、气孔、熔合不足等缺陷，修复部位与基体结合良好。2）CMT 堆焊修复的 2 种金属均存在明显的柱状晶结构，并在熔池边界存在明显的晶粒重熔现象，晶粒明显细化。316L 不锈钢修复层的微观组织主要由骨架形态的铁素体（-Fe）和作为基体的奥氏体（-Fe）构成；在 Inconel 625 修复层中出现了 Laves 相和细小的 MC 碳化物，Laves 脆性相的存在导致其延伸率和316L 相差无几。而 Inconel 625 合金的硬度和强度均优于 316L 不锈钢的。3）使用 Inconel 625 合金作为修复材料，其成形件性能更优，但与 316L 不锈钢修复层相比，未有较大差异。因此，在结构件的部分区域可以利用 316L不锈钢替代 Inconel 625，以降低制造成本，相关研究将为 316L/Inconel 625 功能梯度材料的研发提供理论106 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 和实验基础。参考文献：1 王东.齿轮齿面的激光熔覆再制造修复方法研究D.大连:大连理工大学,2021:1-7.WANG Dong.Study on Laser Cladding Remanufactur-ing Repair Method of Gear Tooth SurfaceD.Dalian:Dalian University of Technology,2021:1-7.2 刘勇.CMT 电弧熔丝增材制造 304 不锈钢组织和性能研究D.沈阳:沈阳工业大学,2018:7-10.LIU Yong.Research on the Microstructure and Me-chanical Property of 304 Stainless Steel Produced by CMT Wire Arc Additive ManufacturingD.Shenyang:Shenyang University of Technology,2018:7-10.3 高闯.电弧增材制造马氏体耐热钢组织与性能的研究D.温州:温州大学,2019:8-10.GAO Chuang.Research on Microstructure and Proper-ties of Martensitic Heat-resistant Steel Fabricated by Wire 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