CN102601538A

CN102601538A - 焊接填充材料

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Publication number: CN102601538A
Application number: CN2012100185329A
Authority: CN
Inventors: M.Y.纳茨米; C.P.格德斯; A.屈恩茨勒; S.凯勒
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Energy Resources Switzerland AG
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: EP2478988B1; US20120187093A1; EP2478988A1; CN102601538B; RU2012101876A; RU2543577C2; CH704427A1

Abstract

本发明涉及焊接填充材料，其特征在于具有下列化学组成（数据为重量％）：0.05-0.15C，8-11Cr，2.8-6Ni，0.5-1.9Mo，0.5-1.5Mn，0.15-0.5Si，0.2-0.4V，0-0.04B，1-3Re，0.001-0.07Ta，0.01-0.06N，0-60ppmPd，最多0.25P，最多0.02S，余量为铁和由于生产带来的不可避免的杂质。该材料具有突出的性能，特别是良好的蠕变强度/抗蠕变性，良好的耐氧化性和非常高的韧性。

Description

焊接填充材料

技术领域

本发明涉及材料技术领域。它涉及基于钢的焊接填充材料，其特征在于相对于已知的焊接填充材料提高的焊接时熔融能力和较高的凝固后蠕变强度。

背景技术

已知热力涡轮机（例如汽轮机）的转子由单片叶片制成，之后再相互焊接起来。对此近年来例如本申请人已使用电弧熔融焊接法/埋弧焊接法（UP）。

为提高汽轮机的效率，尤其是在特别高的运行温度下运行汽轮机。因此转子必须一方面在相当高的温度下具有高蠕变强度，另一方面也须具有良好的其它机械性能以及也具有良好的耐氧化性。当然这也适用于使转子叶片相互焊接的焊缝。

由现有技术已知，对于这种汽轮机转子的埋弧焊使用具有下述化学组成（数据为重量％）的焊接添加材料：

0.09-0.14 C，最多0.40 S，最多1.40 Mn，最多0.025 P，最多0.020 S，最多11.00-12.50 Cr，2.00-2.60 Ni，0.95-1.80 Mo，0.20-0.35 V，0.020-0.055 N，其余为铁。

已知此焊接填充材料名为SZW 3001-UP。它作为焊丝被提供，其中焊接材料的拉伸强度在700-1200N/mm²的范围内并且此强度的允许偏差在一批料中不允许大于+/-50N/mm²。此焊接填充材料根据供货条件用于埋弧接头焊接和面层焊接。

但是，此材料不再满足在每种情况下现代汽轮机特别是就高温性能例如蠕变强度而言的高要求。

由EP2221393A1已知一种具有改进性能的焊接填充材料，所述焊接填充材料可以用于汽轮机转子的焊接并具有下列化学组成（数据为重量％）：0.05-0.14 C，8-13 Cr，1-2.6 Ni，0.5-1.9 Mo，0.5-1.5 Mn，0.15-0.5 Si，0.2-0.4 V，0-0.04 B，2.1-4.0 Re，0-0.07 Ta，0-最多60ppm Pd，其余为铁和由于生产带来的不可避免的杂质。

所述由EP2221393A1已知的焊接填充材料的性能的进一步改进，特别是关于韧性的改进是值得期望的。

发明内容

本发明的目的为避免现有技术的所述缺点。本发明的任务在于研制基于钢的耐高温焊接填充材料，所述焊接填充材料相较于已知的焊接填充材料，除了具有良好的焊接时的熔融能力和凝固后的高蠕变强度之外也具有良好的韧性性能以及良好的耐氧化性。

根据本发明，所述任务通过具有下列化学组成（数据为重量％）的焊接填充材料完成：

0.05-0.15 C，

8-11 Cr，

2.8-6 Ni，

0.5-1.9 Mo，

0.5-1.5 Mn，

0.15-0.5 Si，

0.2-0.4 V，

0-0.04 B，

1-3 Re，

0.001-0.07 Ta，

0.01-0.06 N，

0-60ppm Pd，

最多0.25 P，

最多0.02 S，

余量为铁和由于生产带来的不可避免的杂质。

相较于由现有技术已知并作为焊接填充材料使用的材料，根据本发明的材料的特征在于显著提高的蠕变强度以及大大提高的缺口冲击韧性。在断裂伸长值稍有提高的条件下，在室温下的拉伸试验中得到只稍有损失的屈服点和拉伸强度。

这可归因于在给定范围内合金组分的组合。

具体如下所述：

Cr为形成碳化物的元素，其在规定的8-11重量％的范围内（优选10重量％）提高耐氧化性，其中更高的值导致不希望的析出，这引起不利的材料变脆。

Re元素以规定的1-3重量%（优选2.25重量％）的量非常有助于固溶体增强，并因此而导致良好的强度值，特别也导致良好的蠕变强度值。

B以规定的至最多0.04重量%，优选0.01重量％的量为强化晶界的元素。此外，它也稳定碳化物。更高的硼含量是危险的，因为这可导致不希望的具有变脆效果的硼的析出。硼与其它组分的相互作用，特别是与铊（0.001-0.07重量％范围内）的相互作用，导致良好的强度值，特别是在蠕变时。

Ta起沉淀强化剂的作用并提高高温耐受性。相反，如果使用多于0.07重量％的Ta，将不利地减少抗氧化性。

Si元素在规定0.01-0.5重量％范围内（优选0.3重量％）导致焊接填充材料具有提高的熔融能力。因此，在使用根据本发明的焊接填充材料时，焊接材料变得更加熔融，并且焊接更易于进行。另外，耐氧化性得到提高，但通过添加Si将不利地加强在材料中形成不希望的造成脆性的相。

Mn为奥氏体稳定化元素。它在0.5-1.5重量％的规定范围内（优选1重量％）提高材料的韧性。

Ni同样为奥氏体稳定性元素。相较于由现有技术已知的材料，提高的2.8-6重量％、优选4重量％的Ni含量导致焊接填充材料的韧性显著提高，而室温下蠕变强度和刚性没有明显的下降。但是，高于6重量％的Ni含量会对蠕变形为产生负面影响，因此不应超过该值。

Mo和V为碳化物形成剂并且在以要求的范围（0.5-1.9重量％ Mo，优选1.7重量％ Mo和0.2-0.4重量％ V，优选0.35重量％ V）添加时会正面影响抗氧化性。

即使很少量的Pd（最多60ppm，优选10ppm）也能够对提高刚性作出贡献，因为Pd是固溶体强化剂且此外改善耐氧化性。

通过添加0.01-0.06重量％，优选0.04重量％的N将实现形成非常稳定且对于材料的蠕变行为即蠕变强度性能具有有利影响的VN。连同根据本发明的焊接填充材料的提高的Ni含量，其得到相较于由现有技术已知的材料而言的高韧性配以非常好的蠕变强度的更好的结合。

附图说明

附图中显示了本发明的实施例。其中：

图1 几种被研究的合金的屈服点和拉伸强度的柱状图；

图2 如图1中相同的被研究的合金的断裂伸长的柱状图；

图3 几种被研究的合金在600℃/160MPa时的断裂时间的柱状图，和

图4 室温下缺口冲击试验的结果。

具体实施方式

以下借助于实施例和附图进一步说明本发明。

使用由现有技术已知的商购合金SZW 3001和根据EP2221393A1的合金SZWX3作为比较合金，以及使用根据本发明的材料SZWX5-7。其化学组成（数据为重量％）列于下表1中：

表1：被研究的合金的化学组成。

Figure 2012100185329100002DEST_PATH_IMAGE001

根据本发明的合金如下制备：

所述合金作为具有约50mm直径的铸锭在电弧炉中多次熔融。随后进行消除应力退火（610℃/6h/炉内冷却）。然后由其制备通常的拉伸和蠕变试样，以及用于缺口冲击韧性试验的最小试样3mmx4mmx27mm，该最小试样具有V-凹槽且凹槽深度为1mm，凹槽半径0.1mm，凹槽开口角度为60o。

图1和图2中显示了在室温下比较材料SZW3001和根据本发明的焊接填充材料SZWX7的焊接材料拉伸试验的结果。

图1以柱状图分别显示屈服点（水平阴影线）和拉伸强度（斜阴影线）。虽然根据本发明的合金SZWX7相对于迄今使用的焊接填充材料SZW3001和由EP2221393A1已知的焊接填充材料SZWX3（未在图1和图2中示出）具有小的强度降低，且因此屈服点从914下降到865MPa和拉伸强度从1147或1143MPa下降到1041MPa，但是作为回报，断裂伸长率为此按照预期相对于20.9或18.5％上升到22％（见图2）。

图3显示了焊接材料的蠕变性能。这里被研究材料在600℃，负荷为160MPa条件下的断裂时间显示为柱状图。被研究的根据本发明的试样具有有利地比由现有技术已知的SZW3001和SZWX3（后者未在图3中示出）明显更好的蠕变强度性能。此优点对于试样SZWX5最为显著。在上述条件下，它保持的时间（4300h）约为SZW3001试样（396h）的11倍长和约为由SZWX3制备的试样（838h）的5倍。SZWX7试样可推断出类似的性能，因为在上述条件下荷载3400小时后它还一直没有断裂，如图3中的箭头所示。

最后在图4中显示了对于不同材料，在室温下在最小试样上得到的焊接材料的缺口冲击功。对于由根据本发明制备的焊接填充材料试样，得到的缺口冲击功为比较试样SZW3001的约5倍。

此种非常好的性能组合（在非常好的蠕变性能条件下突出的韧性性能和仅微小的强度损失）通过不同合金元素的给定组合而达到。

这主要归因于这种合金除了由现有技术已知的焊接填充材料SZW 3001的成分之外，额外地一方面还包含1-3重量％，特别是2.25重量％的Re，另一方面包含0.01重量％的B。铼在这里起非常好的固溶体强化剂作用，而硼稳定碳化物并减少其粗化。两种机理均提高焊接材料的蠕变强度。此外，蠕变强度通过形成VN而提高，VN通过添加0.01-0.06重量%范围的N，优选0.04重量％而形成。通过提高Ni的份额，优选提高到4重量％，将大为改善韧性性能，特别是缺口冲击韧性。但是，Ni的含量不应超过6重量％，因为否则其微观结构由于形成奥氏体而非最优，从而蠕变强度不利地下降。

所述被研究的根据本发明的材料的特征在于非常好的熔融能力，因此在其作为焊接填充材料使用时，焊接材料熔化并且焊接可以更容易地进行。另外有利的是具有提高的耐氧化性能，因此它可以优选用于汽轮机转子的焊接。

当然，本发明并不限于所述实施例。

Claims

1. 焊接填充材料，其特征在于以重量%计具有下列化学组成：

0.05-0.15 C，

8-11 Cr，

2.8-6 Ni，

0.5-1.9 Mo，

0.5-1.5 Mn，

0.15-0.5 Si，

0.2-0.4 V，

0-0.04 B，

1-3 Re，

0.001-0.07 Ta，

0.01-0.06 N，

0-60ppm Pd，

最多0.25 P，

最多0.02 S，

余量为铁和由于生产带来的不可避免的杂质。

2. 根据权利要求1的焊接填充材料，其特征在于具有0.10-0.14重量%，优选0.12重量％的C。

3. 根据权利要求1或2的焊接填充材料，其特征在于具有10重量％的Cr。

4. 根据权利要求1-3之一的焊接填充材料，其特征在于具有3-4重量％的Ni。

5. 根据权利要求1-4之一的焊接填充材料，其特征在于具有1重量％的Mn。

6. 根据权利要求1-5之一的焊接填充材料，其特征在于具有0.2-0.3重量％的Si。

7. 根据权利要求1-6之一的焊接填充材料，其特征在于具有1.7重量％的Mo。

8. 根据权利要求1-7之一的焊接填充材料，其特征在于具有2.25重量％的Re。

9. 根据权利要求1-8之一的焊接填充材料，其特征在于具有0.005-0.2重量%，优选0.01重量％的B。

10. 根据权利要求1-9之一的焊接填充材料，其特征在于具有10ppm的Pd。

11. 根据权利要求1-10之一的焊接填充材料，其特征在于具有0.35重量％的V。

12. 根据权利要求1-11之一的焊接填充材料，其特征在于具有0.001重量％的Ta。

13. 根据权利要求1-12之一的焊接填充材料，其特征在于具有0.02-0.05重量%，优选0.04重量％的N。