0.   引言

循環(huán)流化床鍋爐（CFB）具有煤種燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、脫硫高效、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、爐膛截面積小等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的低污染燃燒[1-2]。由磨損導(dǎo)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(yùn)行的首要因素[3-6]。通常通過(guò)在易嚴(yán)重磨損部位堆焊耐磨材料來(lái)防止磨損,焊接材料熔覆金屬耐磨性能的優(yōu)劣決定著防磨效果。近年來(lái),一些在煤礦機(jī)械、礦山設(shè)備等其他耐磨領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)用到CFB四管的磨損防護(hù)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(yán)重以及堆焊層成形性很差、硬度偏低、易產(chǎn)生裂紋等問(wèn)題,給堆焊層的施工及防護(hù)應(yīng)用造成質(zhì)量隱患。目前,針對(duì)CFB鍋爐領(lǐng)域工況特定場(chǎng)景定制化開(kāi)發(fā)堆焊合金材料的研究鮮有報(bào)道。現(xiàn)有CFB鍋爐堆焊材料以鐵基合金為主,在此類(lèi)合金體系的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)合金成分進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,可以在保證合金良好淬透性、耐磨性和熱強(qiáng)性的同時(shí)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(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用[7]；適量硼、硅的添加可以降低合金熔點(diǎn),形成較寬的固液相溫度區(qū)間,從而改善工藝性[8]；錸有利于細(xì)化合金組織和晶粒,且能提高韌性；此外,鉬、鈦等強(qiáng)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(jìn)一步提高材料的硬度和耐磨性?；诖?作者研發(fā)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(zhì)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(wèn)題,提升防磨堆焊層質(zhì)量提供參考。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

堆焊材料為自主研制的HDS65藥芯焊絲,直徑為1.6 mm,藥芯的名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）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50~200 μm,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(hù)焊機(jī)在外徑為60 mm、內(nèi)徑為50 mm的20G鋼管排上進(jìn)行單層多道堆焊,根據(jù)CFB鍋爐管排的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用自動(dòng)化立式向下焊接方式,搭接率在30%~50%,堆焊厚度為2.5~3.0 mm,堆焊電流為230~260 A,堆焊電壓為22~26 V,氣體流量為15~18 L·min−1,堆焊速度為50~53 mm·s−1,下行速度為6~10 mm·s−1,擺幅寬度為10~14 mm,槍距小于10 mm,焊接角度為90°。 

采用滲透檢測(cè)（PT）探傷方法對(duì)堆焊層進(jìn)行裂紋缺陷檢測(cè)。用線切割機(jī)從堆焊的20G鋼管排上截取金相試樣,經(jīng)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(xué)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(jì)測(cè)試截面顯微硬度,載荷為1.96 N,保載時(shí)間為10 s,從堆焊層表面向基體方向每隔0.25 mm取點(diǎn)測(cè)試,相同深度測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值。利用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在不同溫度下測(cè)試堆焊層和20G鋼的摩擦磨損行為,試樣尺寸為?30 mm×8 mm,施加的載荷為4.9 N,摩擦半徑為5 mm,對(duì)磨副為Al2O3陶瓷球,磨損時(shí)間為30 min,試驗(yàn)溫度分別為25,350,600 ℃,采用P-7型輪廓膜厚示廓儀測(cè)定磨損體積。在自主研制的GW/CS-MS型高溫沖蝕磨損試驗(yàn)裝置上進(jìn)行高溫沖蝕磨損試驗(yàn),該裝置根據(jù)鍋爐的工況環(huán)境設(shè)計(jì),磨粒為粒徑在1.0~1.6 mm的金剛砂,試驗(yàn)溫度分別為25,350,600 ℃,沖蝕角度為60°,空氣壓力為0.65 MPa,沖蝕時(shí)間為30 min,測(cè)3個(gè)平行試樣。相對(duì)耐磨性為對(duì)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(duì)比材料為CFB常用防磨材料YD490焊絲堆焊層。 

2.   試驗(yàn)結(jié)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(xù)性好,不間斷,焊道成形美觀,僅在筋板附近存在個(gè)別熔滴,說(shuō)明在焊接過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生飛濺。堆焊層無(wú)漏焊、缺焊現(xiàn)象,PT探傷結(jié)果顯示整個(gè)堆焊層內(nèi)外均無(wú)氣孔和裂紋缺陷。由此可見(jiàn),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(zhì)量來(lái)看,焊接過(guò)程中煙氣較小,送絲順暢,無(wú)卡滯、黏導(dǎo)電嘴等現(xiàn)象,且焊絲熔滴流動(dòng)平鋪性較好；研制的HDS65焊絲的焊接工藝性良好。 

圖  1  HDS65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

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  2  HDS65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(wǎng)狀分布的包狀晶及其內(nèi)部的板條馬氏體、FeCr基固溶體及不連續(xù)分布的細(xì)小黑色碳化物組成,組織較細(xì)小均勻。試驗(yàn)用堆焊材料基于鐵基合金體系的馬氏體型固溶體進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,鉻、碳和鉬等含量較高,合金的淬透性很高,同時(shí)由于焊接時(shí)冷卻速率較快,堆焊層中形成了馬氏體組織。 

圖  3  HDS65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(dāng)熔池中液態(tài)金屬凝固結(jié)晶時(shí),會(huì)形成TiC、NbC等高熔點(diǎn)碳化物。這些碳化物由于熔點(diǎn)高會(huì)首先形核長(zhǎng)大,均勻分布于液相中,為熔池結(jié)晶提供了形核質(zhì)點(diǎn),從而提高了形核率；同時(shí)碳化物顆粒還可能存在于晶界處,阻礙晶粒長(zhǎng)大。因此,堆焊層組織細(xì)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630~690 HV,高于目前應(yīng)用的耐磨材料的硬度要求（436 HV）,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(shì),這可能是因?yàn)楹附尤鄢氐慕Y(jié)晶過(guò)程是由基體向堆焊層表面進(jìn)行的,后結(jié)晶部位的液相中溶質(zhì)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(qū)的硬度隨著深度的增加基本呈線性降低。 

圖  4  HDS65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0.92,1.13,1.42 mg·cm−2,對(duì)比材料YD490焊絲堆焊層的沖蝕磨損量分別為1.29,1.81,2.98 mg·cm−2,HDS65焊絲的相對(duì)耐磨性分別為1.4,1.6,2.1。可見(jiàn)：HDS65焊絲堆焊層的沖蝕磨損量小于YD490焊絲堆焊層,說(shuō)明其耐沖蝕磨損性能優(yōu)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(shí)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(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果,并提高淬透性[9],另一方面形成高熔點(diǎn)碳化物為熔池結(jié)晶提供形核質(zhì)點(diǎn),凝固后若存在于晶界處則可以阻礙晶粒長(zhǎng)大,從而起到彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)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(cuò)能,對(duì)基體中的位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),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(shí)HDS65焊絲堆焊層的摩擦因數(shù)均隨時(shí)間的延長(zhǎng)先急劇增大后在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)。這是由于在摩擦開(kāi)始階段,對(duì)磨球與堆焊層表面為點(diǎn)接觸,此時(shí)接觸應(yīng)力大,導(dǎo)致摩擦因數(shù)波動(dòng)大；隨著摩擦的進(jìn)行,對(duì)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(shù)迅速增大,最終摩擦因數(shù)達(dá)到一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的波動(dòng)狀態(tài)[13]。隨溫度升高HDS65焊絲堆焊層的摩擦因數(shù)降低,600 ℃時(shí)在0.2~0.3,遠(yuǎn)低于20G鋼基材。溫度升高會(huì)導(dǎo)致材料表面發(fā)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(shí)的摩擦力減小,從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低。此外,在較高溫度下磨損表面可能會(huì)形成完整連續(xù)的氧化膜,起到潤(rùn)滑作用,從而穩(wěn)定磨損過(guò)程并降低摩擦因數(shù)[14]。 

圖  5  不同溫度摩擦磨損時(shí)HDS65焊絲堆焊層和20G鋼基材的摩擦因數(shù)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0.416,0.492,0.628 mm3；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(shí)堆焊層的體積磨損量?jī)H為20G鋼基材（1.195 mm3）的52.6%,堆焊層的耐磨性能遠(yuǎn)高于基材。隨著摩擦磨損溫度的升高,堆焊層表面出現(xiàn)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(xì)小碳化物,具有高硬度和高耐磨性能,同時(shí)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(xiàn)出較優(yōu)異的摩擦磨損行為。 

3.   結(jié)論

（1）HDS65焊絲的焊接工藝性良好,焊接過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生飛濺,焊道成形美觀；制備的堆焊層內(nèi)外均無(wú)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(xù)分布的細(xì)小黑色碳化物組成。 

（2）HDS65焊絲堆焊層硬度較高,在630~690 HV,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(yōu)；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(shù)降低,600 ℃時(shí)低至0.2~0.3,遠(yuǎn)低于20G鋼基材,磨損體積增大,在600 ℃時(shí)為0.628 mm3,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。

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