脉冲GTAW制备Inconel 617-AISI 304H异种钢焊接接头的力学完整性研究

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Mechanical Integrity of Inconel 617-AISI 304H Steel-Welded Joints Fabricated by Pulsed GTAW

本研究针对先进超超临界（AUSC）电站高温部件中Inconel 617（IN617）镍基高温合金与奥氏体不锈钢AISI 304H异种材料焊接的难题，采用脉冲钨极惰性气体保护焊（PGTAW）工艺，系统评价了ERNiCr-3与ERNiCrCoMo-1两种镍基焊丝焊接接头的显微组织演变与力学性能。研究发现，ERNiCrCoMo-1焊缝因其更细小的奥氏体枝晶结构及富Mo、Cr的Mo6C和M23C6析出相，展现出优异的高温强度（700℃时达299 MPa）及硬度（249±6 HV），虽冲击韧性（123±3 J）略低于ERNiCr-3焊缝（136±5 J），但综合性能更优，为AUSC电站关键部件安全服役提供了重要实验依据。

　　

随着全球对减少温室气体排放的日益重视，提高火力发电厂的发电效率已成为当务之急。实现这一目标的关键在于提升先进超超临界（AUSC）锅炉的性能，其核心是使用能够承受更高温度和压力的材料。在AUSC锅炉中，不同部件需要不同性能的材料：例如，奥氏体不锈钢AISI 304H适用于中高温部件（T > 600℃），而镍基高温合金Inconel 617（IN617）则专为更高温度（T > 650℃）的部件设计。将这两种材料焊接在一起，可以构建出成本效益高、热效率优异的电站结构。然而，异种金属焊接（DWJ）并非易事，它面临着元素扩散、热膨胀系数差异、显微组织不相容以及熔点不同等一系列严峻挑战，这些因素都可能损害焊接接头的力学强度。

为了解决IN617和AISI 304H异种钢焊接的难题，ABHINAV GARGA、NIRAJ KUMAR、HIRSHIKESH、DARIUSZ FYDRYCH和CHANDAN PANDEY等研究人员开展了一项深入的研究。他们采用脉冲钨极惰性气体保护焊（PGTAW）工艺，并选用两种镍基焊丝——ERNiCr-3和ERNiCrCoMo-1来制备焊接接头。这项研究旨在通过全面的显微组织和力学性能评估，确定哪种焊丝能为此类关键应用提供最佳的性能和可靠性。研究成果已发表在冶金与材料领域权威期刊《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A》上。

为了开展研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，使用脉冲GTAW系统在严格控制参数（如电流、电压、焊接速度）下对10毫米厚的IN617和AISI 304H板材进行多道次焊接。其次，利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）对焊缝、热影响区（HAZ）和界面区的微观结构、析出相和元素分布进行详细表征。特别地，运用电子背散射衍射（EBSD）技术分析了焊缝区的晶粒取向、晶界特征和残余应变分布。最后，通过室温与高温（650℃和700℃）拉伸试验、维氏显微硬度测试、夏比冲击韧性测试以及深孔钻孔法（DHD）残余应力测量，系统评价了焊接接头的力学性能。

宏观结构分析

通过染色渗透检测（DPT）和X射线照相检验（XRT），确认两种焊丝制备的焊接接头均无表面缺陷，且截面熔合良好，焊缝成形均匀，热影响区（HAZ）较窄。

显微组织表征

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  基体金属（BM）：IN617基体为等轴奥氏体晶粒，含有M₂₃C₆、Mo₆C和Ti(C, N)等析出相。AISI 304H基体为奥氏体组织，存在δ-铁素体条带。
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  界面与热影响区（HAZ）：在AISI 304H/焊缝界面观察到未混合区（UZ）、半岛和岛状结构等宏观偏析特征。在IN617/焊缝界面则存在部分熔化区（PMZ），其中ERNiCrCoMo-1焊丝的PMZ不明显。ERNiCr-3焊缝界面处观察到I型和II型晶界，而ERNiCrCoMo-1焊缝中未见明显迁移晶界（MGBs）。EBSD分析表明，ERNiCrCoMo-1焊缝具有更细小的晶粒和更高比例的大角度晶界（HAGBs）。
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  焊缝金属（WM）：两种焊缝均呈现柱状晶、胞状晶和等轴枝晶的异质结构。ERNiCr-3焊缝主要析出NbC和TiC相，而ERNiCrCoMo-1焊缝则富含Mo₆C和M₂₃C₆相，且析出相密度更高。XRD分析证实了上述相组成。

力学性能

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  显微硬度：硬度从AISI 304H基体向IN617基体逐渐增加。ERNiCrCoMo-1焊缝的平均硬度（249±6 HV）高于ERNiCr-3焊缝（238±6 HV）。IN617侧HAZ因碳化物析出而硬度最高。AISI 304H基体是接头中最软的区域。
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  拉伸性能：室温下，两种焊接接头的抗拉强度（ERNiCr-3: 678±3 MPa, ERNiCrCoMo-1: 676±4 MPa）均高于AISI 304H基体（666±7 MPa），但低于IN617基体（826±1 MPa），断裂多发生在AISI 304H基体。高温下（650℃和700℃），ERNiCrCoMo-1焊缝的强度（370 MPa和299 MPa）显著高于ERNiCr-3焊缝（308 MPa和240 MPa）和AISI 304H基体，表现出更优的高温性能。
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  冲击韧性：ERNiCr-3焊缝的冲击韧性（136±5 J）高于ERNiCrCoMo-1焊缝（123±3 J），但两者均远高于ASME标准要求的最低值（47 J）。断口分析显示为韧-脆混合型断裂。
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  残余应力：深孔钻孔法（DHD）测量显示，两种焊缝厚度方向均存在 tensile 残余应力，ERNiCrCoMo-1焊缝的残余应力分布更为均匀。

研究结论与意义

本研究通过系统的显微组织和力学性能评估，得出以下主要结论：采用脉冲GTAW工艺成功制备了无缺陷的IN617/AISI 304H异种钢焊接接头。ERNiCrCoMo-1焊丝由于其合金成分（富含Co、Mo）和更细化的显微组织（更细晶粒、更高比例HAGBs、富Mo/Cr碳化物析出相），赋予了焊缝更高的硬度、显著优越的高温强度以及可接受的冲击韧性。虽然其室温冲击韧性略低于ERNiCr-3焊缝，但综合性能，特别是高温力学性能更为出色。因此，对于AUSC电站等高温关键应用，ERNiCrCoMo-1是连接IN617和AISI 304H更可取的焊丝选择。

这项研究不仅为AUSC电站关键部件的材料选择和焊接工艺优化提供了重要的实验数据和理论依据，也深化了对镍基焊丝在异种钢焊接中显微组织与性能关联的理解，对推动高温结构装备的可靠制造与安全服役具有重要意义。尽管研究取得了积极成果，但长期服役条件下的蠕变、热老化及疲劳性能，以及界面元素扩散和残余应力等问题仍需进一步研究。