PEŁNY TEKST/FULL TEXT - pdf

MAGDALENA ROZMUS-GÓRNIKOWSKA, MAREK BLICHARSKI, JAN KUSIŃSKI
Porównanie mikrostruktury, właściwości
mechanicznych i składu chemicznego warstw
ze stopu Inconel 625 napawanych laserowo i łukowo
Wprowadzenie
Elementy kotłów elektroenergetycznych pracujące w najbardziej
agresywnych środowiskach są obecnie coraz częściej napawane
stopami na osnowie Ni [1]. Do nanoszenia warstw przez napawanie
stosuje się metody spawania gazowego (płomieniowego), łukowego, wiązką światła lasera lub elektronów. Powszechnie stosowanymi metodami napawania łukowego są: napawanie elektrodą nietopliwą w osłonie argonu (GTAW – gas tungsten arc welding) oraz
elektrodą topliwą w osłonie argonu lub gazu aktywnego (GMAW
– gas metal arc welding) [2]. Techniką konkurencyjną do napawania tradycyjnymi metodami spawalniczymi jest napawanie laserowe. Napawanie laserowe różni się od innych technologii tym, że do
topienia materiału wykorzystuje energię promieniowania elektromagnetycznego dostarczaną w postaci wiązki światła lasera. Napawany stop, stopiony wiązką lasera rozpływa się po powierzchni
podłoża, na którym krzepnie. Jednocześnie topi się cienka warstwa
podłoża i występuje mieszanie się stopionego materiału podłoża
z nanoszonym stopem, a podczas krzepnięcia tworzy się silne połączenie metalurgiczne między podłożem a powłoką [3, 4].
Dzięki szczególnym właściwościom wiązki laserowej jako źródła energii, technika napawania powłok laserem ma szereg zalet
wyróżniających ją spośród konwencjonalnych metod spawalniczych. Dokładna regulacja gęstości mocy i jej rozkładu na przekroju wiązki laserowej powoduje, że nagrzewanie ma charakter
lokalny, przez co ogranicza się ryzyko wystąpienia odkształceń
cieplnych obrabianych elementów, jak również minimalizuje wielkość strefy wpływu ciepła. Przez odpowiedni dobór parametrów
napawania laserowego uzyskuje się drobnoziarnistą mikrostrukturę
z możliwością jej kształtowania od komórkowej do ukierunkowanej dendrytycznej. Napawanie laserowe można realizować w dowolnym kierunku i pod różnymi kątami, a powłoki można nanosić
w miejscach trudnodostępnych, np. wewnątrz rur [5].
Technologia napawania elementów kotłów na skale przemysłową jest stosunkowo nowa. Podstawowymi kryteriami technologicznymi, jakie powinna spełniać napawana powłoka ze stopu
na osnowie niklu, jest mała zawartość żelaza (Fe) mierzona na jej
powierzchni (poniżej 5%) oraz grubość powłoki nie większa niż
2,5 mm. Przyczyną zwiększonej zawartości Fe w napoinie jest
przetopienie i rozpuszczenie w napoinie podłoża, na które nakładana jest warstwa [6, 7].
Celem pracy było porównanie mikrostruktury, właściwości mechanicznych i składu chemicznego warstw ze stopu Inconel 625
napawanych laserowo i łukowo.
zewnętrzną napoiny przetapiano metodą GTAW. Rurę napawano
obwodowo, natomiast ścianę szczelną napawano wzdłużnie. Do
napawania użyto stopu Inconel 625 o zawartości 0,3% Fe (tab. 2).
Tabela 1. Skład chemiczny stali P235GH, % mas.
Table 1. Chemical composition of P235GH steel, wt %
Stal
Fe
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
P235GH
bal.
0.16
0.35
1.20
0.30
0.08
0.30
Tabela 2. Skład chemiczny stopu Inconel 625, % mas.
Table 2. Chemical composition of Inconel 625 wire, wt %
Stop
Inconel 625
Ni
Cr
Mo
Fe
Nb
Mn
Si
Al
C
reszta 22.2
9.14
0.31
3.46
0.01
0.07
0.07
0.02
Materiał i metodyka badań
Badania prowadzono na odcinkach ściany szczelnej i rury ze stali
P235GH (tab. 1, rys. 1). Ścianę szczelną napawano laserowo, natomiast rurę napawano łukowo metodą GMAW, a następnie warstwę
Dr inż. Magdalena Rozmus-Górnikowska ([email protected]), prof. dr hab. inż.
Marek Blicharski, prof. dr hab. inż. Jan Kusiński – AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Katedra Inżynierii
Powierzchni i Analiz Materiałów, Kraków
NR 4/2014 Rys. 1. Odcinek rury oraz ściany szczelnej napawanych stopem Inconel 625
Fig. 1. The fragment of the boiler pipe and waterwall tubing welded by
Inconel 625
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
299
Badania mikrostruktury na zgładach metalograficznych przygotowanych z przekroju prostopadłego do kierunku napawania i prostopadłego do powierzchni ściany szczelnej oraz z przekroju równoległego do osi i prostopadłego do powierzchni rury napawanej
wykonano za pomocą mikroskopu świetlnego Axio Imager MAT.
M1m firmy Carl Zeiss oraz za pomocą elektronowego mikroskopu
skaningowego Hitachi S-3500N w kontraście elektronów wtórnych
(SEM SE).
Pomiary twardości wykonano sposobem Vickersa, stosując obciążenie 9,8 N. Na zgładach metalograficznych przeprowadzono
3 serie pomiarów, przemieszczając się w kierunku prostopadłym
od powierzchni powłoki. W pierwszej serii pomiary rozpoczęto
w odległości 2,1 mm od linii wtopienia, a kolejne wykonywano co
0,3 mm. W drugiej serii pomiary rozpoczęto w odległości 2 mm,
a w trzeciej 1,9 mm od lini wtopienia. W ten sposób pomiary
twardości na przekroju powłoki i materiału podłoża wykonano co
0,1 mm.
Jakościową i ilościową analizę składu chemicznego napoin za
pomocą spektroskopii promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii (EDS) przeprowadzono na zgładach metalograficznych.
W poszczególnych pomiarach prowadzono analizę z obszaru kwadratu o boku 60 μm, a odległości między kolejnymi pomiarami wynosiły 0,3 mm. Pomiary przeprowadzono na całej grubości napoin.
W celu dokładnego określenia profilu zawartości Fe w pobliżu powierzchni wtopienia wykonano punktową analizę składu chemicznego. Analizę punktową rozpoczęto w materiale podłoża w odległości kilku mikrometrów od powierzchni wtopienia, a kolejne
pomiary wykonywano co 1 µm. Na podstawie otrzymanych wyników analizy punktowej sporządzono wykresy zależności zawartości żelaza od odległości od powierzchni wtopienia. Na powierzchni
badanych elementów kotłów zawartość Fe zmierzono za pomocą
analizatora rentgenowskiego XRF NITON XL 2 800.
Wyniki i ich dyskusja
Mikrostrukturę napawanej laserowo napoiny przedstawiono na rysunku 2. Szczegółowy opis wyników badań mikrostruktury napoiny na rurze napawanej łukowo zamieszczono w pracach [8÷10].
Badania przeprowadzone za pomocą mikroskopu świetlnego
wykazały, że średnia grubość powłoki napawanej laserowo wynosiła 1,8 mm, podczas gdy średnia grubość powłoki napawanej łukowo 2,4 mm. Szerokość ściegu napoiny wyznaczona przez pomiar
odległości pomiędzy kolejnymi strefami wpływu ciepła w powłoce
napawanej laserowo wynosiła 2,8 mm.
Podobnie jak w mikrostrukturze rury napawanej łukowo, również w mikrostrukturze ściany szczelnej z naniesioną laserowo napoiną były wyraźnie widoczne następujące strefy: strefa przetopiona, niewytrawiona strefa częściowego wymieszania, strefa wpływu
ciepła oraz materiał rodzimy (rys. 2). Obszar strefy częściowo stopionej nie był widoczny na żadnym z badanych zgładów.
Mikrostruktura obu powłok była dendrytyczna z dendrytami
równoległymi do kierunku odprowadzania ciepła. Po napawaniu laserowym mikrostruktura była bardziej drobnoziarnista niż po napawaniu łukowym (rys. 3 i 4). Szerokość niewytrawionej na zgładach
strefy częściowego wymieszania, czyli strefy, w której występuje
wyraźna zmiana składu chemicznego w porównaniu ze składem chemicznym materiału podłoża i powłoki, wynosiła od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów w przypadku obu napoin. W strefie wpływu
ciepła obu badanych materiałów występowała mikrostruktura ferrytyczno-baintyczna. Materiał podłoża charakteryzował się mikrostrukturą ferrytyczno-perlityczną. Zmiany mikrostruktury w materiale podłoża rury napawanej laserowo występowały do głębokości ok.
0,8 mm, natomiast stali napawanej łukowo do ok. 1,0 mm.
Na podstawie wyników ilościowej analizy składu chemicznego wykonanej na przekroju podłoża i powłoki stwierdzono, że bez
względu na metodę napawania w naniesionej powłoce zawartość
Fe jest większa niż w stopie Inconel 625 zastosowanym do napawania. Profile zawartości Fe na przekroju podłoża i powłoki dla
300 Rys. 2. Mikrostruktura warstwy napawanej z zaznaczonymi strefami:
a) napoiną, strefą wpływu ciepła i materiałem rodzimym, b) strefą częściowego wymieszania i granicą wtopienia; mikroskop świetlny
Fig. 2. Microstructure of the weld overlay coating with a marked microstructural zone: a) overlay, heat affected zone and base metal, b) partially
mixed zone and fusion line; light microscope
Rys. 3. Mikrostruktura napoiny napawanej laserowo
Fig. 3. Microstructure of the laser weld overlay coating
Rys. 4. Mikrotruktura napoiny napawanej łukowo
Fig. 4. Microstructure of the arc weld overlay coating
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
ROK XXXV
obu badanych materiałów w zakresie od –10 do 130 μm od powierzchni wtopienia przedstawiono na rysunkach 5 i 6. W powłoce
naniesionej łukowo do odległości 20 μm od powierzchni wtopienia
zawartość Fe zmniejszała się znacznie szybciej w miarę oddalania
się od powierzchni wtopienia niż w powłoce napawanej laserowo,
jednak w dalszej odległości od powierzchni wtopienia zawartość Fe
utrzymywała się na niższym poziomie w powłoce napawanej laserowo. W odległości 130 μm od powierzchni wtopienia w powłoce
napawanej laserowo zawartość Fe wynosiła 1,7%, natomiast w powłoce naniesionej łukowo 2,9%. Jednocześnie zawartość Fe przy
powierzchni powłoki napawanej laserowo była mniejsza niż przy
powierzchni powłoki napawanej łukowo. W odległości 1,5 mm
od powierzchni wtopienia w powłoce napawanej laserowo oraz
2,3 mm od powierzchni powłoki napawanej łukowo zawartość Fe
wynosiła odpowiednio 1 i 1,9%. Zawartość Fe na powierzchni badanych powłok zmierzona za pomocą analizatora rentgenowskiego
XRF wynosiła 1 i 2% odpowiednio dla powłoki napawanej laserowo i lukowo.
Zmiany twardości w zależności od odległości od powierzchni wtopienia przedstawiono na rysunkach 7 i 8. Stwierdzono, że
średnia twardość napawanej laserowo powłoki jest znacznie większa (ok. 290 HV1) od twardości napoiny otrzymanej w wyniku
napawania łukowego (250 HV1). Przyczyną większej twardości
powłoki napawanej laserowo niż łukowo może być większe rozdrobnienie mikrostruktury. Twardość materiału podłoża wynosiła
ok. 150÷160 HV1. Twardość strefy wpływu ciepła była nieznacznie
większa niż materiału rodzimego. Na podstawie pomiarów twardości potwierdzono, że szerokość strefy wpływu ciepła w przypadku
powłoki napawanej laserowo wynosiła ok. 0,8 mm, a w przypadku
powłoki napawanej łukowo ok. 1,0 mm.
Wnioski
–– Zarówno w wyniku laserowego, jak i łukowego napawania stopu Inconel 625 na podłoże ze stali P235GH otrzymano powłokę
o silnym metalurgicznym połączeniu z podłożem.
–– W wyniku napawania laserowego otrzymano bardziej drobnoziarnistą mikrostrukturę powłoki niż po napawaniu łukowym.
–– Twardość powłoki otrzymanej za pomocą napawania laserowego jest większa (290 HV) niż twardość powłoki otrzymanej
w wyniku napawania łukowego metodą GMAW i przetopionej
GTAW (250 HV).
–– Zawartość Fe zmniejsza się ze wzrostem odległości od powierzchni wtopienia w kierunku powierzchni napoin i jest
mniejsza przy powierzchni powłoki napawanej laserowo niż
przy powierzchni powłoki napawanej łukowo.
80
300
60
250
Twardość, HV
350
Fe, % mas.
100
40
20
150
100
0
-10
10
30
50
70
90
Odległość od powierzchni wtopienia, μm
110
-4
130
Rys. 5. Profil zawartości Fe (% mas.) w zależności od odległości od
powierzchni wtopienia – napawanie laserowe
Fig. 5. Profile of Fe (wt %) depending on the distance from the fusion
zone – laser welding
-3
-2
-1
0
1
2
Odległość od powierzchni wtopienia, mm
Rys. 7. Profil twardości na przekroju rury napawanej laserowo
Fig. 7. Hardness profile on the section of the laser weld overlay pipe
100
350
80
300
60
250
Twardość, HV
Fe, % mas.
200
200
40
150
20
100
0
-10
10
30
50
70
90
110
130
Odległość od powierzchni wtopienia, μm
Rys. 6. Profil zawartości Fe (% mas.) w zależności od odległości od
powierzchni wtopienia – napawanie łukowe
Fig. 6. Profile of Fe (wt %) depending on the distance from the fusion
zone – arc welding
NR 4/2014 -4
-3
-2
-1
0
1
2
Odległość od powierzchni wtopienia, mm
Rys. 8. Profil twardości na przekroju rury napawanej łukowo
Fig. 8. Hardness profile on the section of the arc weld overlay pipe
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
301
Podziękowanie
Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum
Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/D/
ST8/04948.
Literatura
[1] Blicharski M.: Zmiany mikrostruktury w połączeniach spawanych
różnoimiennych materiałów stosowanych w energetyce. Przegląd Spawalnictwa 85 (3) (2013) 2÷13.
[2] Kou S.: Welding metallurgy. John Wiley and Sons. New Jersey (2003).
[3] Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej.
Wydawnictwo Naukowe Akapit. Kraków (2000).
[4] Lim J. S., Ng K. L., Tech K. M.: Development of laser cladding and its
application to mould repair. SIMTech Technical Reports 9 (3) (2008)
142÷147.
302 [5] Moosa A. A., Kadhim M. J., Subhi A. D.: Microstructural characterization
of rapidly solidified laser clad layers manufactured by laser processing of
Inconel 617. Iraqi Journal of Laser A 4 (2005) 13÷19.
[6] Lee S. H., Themelis N. J., Castaldi M. J.: High temperature corrosion
in waste to energy boilers. Journal of Thermal Spray Technology 16 (1)
(2007) 1÷7.
[7] DuPont J. N., Lippold J. C., Kiser S. D.: Welding metallurgy and weldability of nickel-base alloys. John Wiley & Sons. New Jersey (2009).
[8] Rozmus-Górnikowska M., Blicharski M., Kusiński J.: Influence of boiler
pipe cladding techniques on their microstructure and properties. Archives
of Metallurgy 58 (4) (2013) 1093÷1096.
[9] Rozmus-Górnikowska M., Blicharski M., Kusiński J., Kusiński
L., Marszycki M.: Wpływ sposobu napawania rur kotłowych na
mikrostrukturę i skład chemiczny napoin. Inżynieria Materiałowa 1 (197)
(2014) 31÷34.
[10] Rozmus-Górnikowska M., Blicharski M., Kusiński J., Paćko M., Kusiński
L., Marszycki M.: Wpływ sposobu napawania rur kotłowych na ich
mikrostrukturę i własności. Hutnik-Wiadomości Hutnicze 79 (4) (2012)
181÷292.
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
ROK XXXV