NR 6/2015 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 363

Struktura i właściwości powłok ze stopów Inconel 625 i 686 napawanych metodą CMT na rury i ściany szczelne

kotłów energetycznychJan Kusiński*, Marek Blicharski, Łukasz Cieniek, Stanisław Dymek, Magdalena Rozmus-Górnikowska, Monika Solecka, Katarzyna FaryjAGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, *kusinski@agh.edu.pl

Structure and properties of Inconel 625 and 686 weld overlays deposited onto boiler pipes and membrane walls by the CMT technique

In the paper results of complex microstructural, microchemical, mechanical and corrosion resistance investigations of Inconel 625 and 686 weld overlays deposited onto boiler pipes and membrane walls, which are used within boilers for waste incineration, are described. The membrane walls and boiler pipes (made of 16Mo3 steel) were weld overlaid in the SEFAKO S.A. using CMT (Cold Metal Transfer) technique. The average thickness of weld deposited coatings was about 2.5 mm, while thickness of the heat affected zone in pipes about 0.6 mm. The microstructure and chemical composition of the deposited coatings were analyzed using light, scanning and transmission electron microscopes connected to an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) apparatus. The chemical composition variations in the content of Ni, Fe, Cr, Mo and Nb in the direction perpendicular to the coatings surface and dendritic microsegrega-tion were examined. Moreover, mechanical properties were determined using tensile test samples made of overlaid pipes and membrane walls. Examina-tions showed a high strength and plasticity of the Inconel 625 and 686 weld overlaid boiler pips and membrane walls. EDS Microprobe measurements of the Inconel 625 and 686 weld overlays showed the Fe content rapidly decreasing in the direction from the Fe-rich substrate towards the coating to the level of 5 wt % within 30 μm, and near the coating surface the Fe content reaches level of only about 3%. Research showed that due to microsegregation that occurs during the process of solidification of the Inconel 625 weld overlays, the cores of the dendrites are richer in Ni, Fe and Cr, while the areas between dendrite arms, the so-called interdendritic regions, are richer in Mo and Nb. It was shown that W in 686 alloy segregates much less than Nb in Inconel 625 coatings. Microstructural analysis of the deposited coatings showed that the Inconel 686 weld overlays exhibit a higher level of structural homogeneity when compared to the Inconel 625, which results in a better corrosion resistance of the Inconel 686 weld overlays when tested at 650°C in the corrosive ash environment during incineration of waste.

Key words: Inconel 625 and 686, CMT weld overlays, microstructure, chemical composition, segregation, high temperature corrosion.

W artykule zaprezentowano wyniki kompleksowych badań mikrostruktury, składu chemicznego, właściwości mechanicznych oraz odporności korozyjnej dotyczących powłok ze stopów Inconel 625 oraz 686 napawanych na rury i ściany szczelne kotłów energetycznych przeznaczonych do spalania odpadów. Ściany szczelne i rury kotłów wykonane ze stali 16Mo3 zostały napawane metodą CMT (Cold Metal Transfer — przenoszenie zimnego metalu) w SEFA-KO S.A. Grubość napawanych powłok wynosiła średnio ok. 2,5 mm, a strefy wpływu ciepła w rurach ok. 0,6 mm. Badania mikroskopowe prowadzono z wykorzystaniem: mikroskopii świetlnej i elektronowej (skaningowej i transmisyjnej), rentgenowskiej analizy fazowej i mikroanalizy składu chemicznego techniką EDS. Badano zmiany składu chemicznego na przekroju powłok oraz segregację dendrytyczną pierwiastków. Ponadto badano wytrzymałość napa-wanych rur i ścian szczelnych oraz zmiany twardości na granicy wtopienia i w strefie wpływu ciepła oraz na grubości powłoki. Próby wytrzymałościowe wykazały, że rury i ściany szczelne napawane stopami Inconel 625 oraz 686 wykazują dużą wytrzymałość oraz plastyczność. Mikroanaliza zawartości żelaza w powłokach ze stopów Inconel 625 oraz 686 pokazała, że jego koncentracja szybko zmniejsza się do poziomu poniżej 5% mas. w odległości ok. 30 μm od linii wtopienia, a niski poziom zawartości Fe (poniżej 3% mas.) utrzymuje się również w strefie przypowierzchniowej powłoki. Badania wyka-zały, że w wyniku mikrosegregacji zachodzącej w trakcie krzepnięcia napawanych powłok rdzenie dendrytów są bogatsze w Ni, Fe i Cr, natomiast obszary międzydendrytyczne w Mo oraz Nb (w przypadku stopu 625). Wykazano, że W w powłokach ze stopu 686 segreguje w znacznie mniejszym stopniu niż Nb w powłokach z Inconelu 625. Analiza mikrostruktury z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej skaningowej i transmisyjnej wskazuje na znacznie mniejszą niejednorodność powłok ze stopu Inconel 686 w porównaniu z powłokami ze stopu Inconel 625. co w przypadku Inconel 686 skutkowało większą odpornością na korozję wysokotemperaturową w popiołach ze spalarni odpadów niż Inconelu 625.

Słowa kluczowe: Inconel 625 i 686, powłoki CMT, mikrostruktura, skład chemiczny, segregacja, korozja wysokotemperaturowa.

Inżynieria Materiałowa 6 (208) (2015) 363÷367DOI 10.15199/28.2015.6.2© Copyright SIGMA-NOT MATERIALS ENGINEERING

1. WPROWADZENIEDobór stopów do napawania obciążonych cieplnie elementów ko-tłów energetycznych oraz optymalizacja metody i parametrów tego procesu pozwalają na uzyskanie odpowiedniej jakości powłok, sku-tecznie wydłużając czas ich eksploatacji w środowisku korozyjnym o wysokiej agresywności. Ze względu na to, że spaliny tworzące się podczas wysokotemperaturowej utylizacji odpadów zawierają bar-dzo agresywne i szkodliwe dla środowiska związki, m.in. siarczki, chlorki i fluorki, elementy kotłów energetycznych chroni się przed agresywnym oddziaływaniem produktów spalania przez stosowa-nie rur dwuwarstwowych, wykładzin ceramicznych czy napawanie stopami o dużej odporności korozyjnej i żaroodporności [1÷4].

Od wielu lat w urządzeniach energetycznych dla wydłużenia czasu ich eksploatacji w środowisku korozyjnym o wysokiej agre-sywności są stosowane powszechnie powłoki ze stopów na bazie niklu, z grupy Inconeli [1, 2, 4]. Stopy te wykazują bardzo dobre właściwości użytkowe, co wynika między innymi stąd, że są one odporne w szerokim zakresie temperatury na oddziaływania środo-wiska korozyjnego, a w szczególności na korozję wżerową i szcze-linową. Przy dobrej odporności korozyjnej na działanie produktów spalania, czyli na działanie agresywnego środowiska w wysokiej temperaturze pracy, stopy te łączą w sobie wysoką żarowytrzyma-łość przy jednocześnie dobrej żaroodporności. Bardzo ważną cechą Inconeli (np.: 625, 686, 718 czy 825) jest także to, że są bardzo dobrze spawalne [5].

364 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXVI

Procesy napawania tymi stopami, mikrostruktura, skład che-miczny oraz właściwości antykorozyjne napoin, zwłaszcza ze stopu Inconel 625, są szeroko opisane w literaturze [1, 3, 5÷7]. W ostat-nich latach w procesach napawania i spawania łukowego coraz powszechniej jest wykorzystywane napawanie z impulsowym po-dawaniem drutu, tzw. proces CMT (cold metal transfer — przeno-szenie zimnego metalu). Technologia napawania CMT jest znacz-nie mniej energetyczna w porównaniu z tradycyjnymi procesami napawania, co pozwala regulować grubość warstwy przetopionej, a tym samym ograniczyć udział materiału podłoża (głównie Fe) w napoinie [7÷10]. Mikrostruktura napoin oraz ich skład chemiczny (zwłaszcza zwiększona zawartość żelaza), jak również równomier-ne rozmieszczenie pierwiastków w napoinach (powstające w czasie krzepnięcia stopów różnice w składzie chemicznym) mają wpływ na ich wysokotemperaturową odporność korozyjną w agresywnym środowisku. Wielu autorów, analizując proces krzepnięcia stopu In-conel 625 wykazało [5, 6, 11, 12], że skłonność poszczególnych pierwiastków do segregacji w osi dendrytów, jak i w przestrzeniach międzydendrytycznych zależy od ich parametru k — równowago-wego współczynnika podziału pierwiastków pomiędzy fazę stałą i ciekłą na froncie krzepnięcia, określanego doświadczalnie przez wyznaczenie za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej stężenia pierwiastka w rdzeniu dendrytu lub komórki, Crdz, i jego stężenie średnie w analizowanym obszarze powłoki, Co, gdyż: k = Crdz/Co [6]. Wykazano, że pierwiastki, dla których parametr k < 1 wyka-zują tendencję do segregacji w przestrzeniach międzydendrytycz-nych, natomiast te, dla których wartość parametru k > 1 segregują do osi dendrytów. Końcowa segregacja pierwiastków substytucyj-nych w napoinie jest zatem determinowana głównie parametrem k, a pierwiastki, dla których parametr k jest mały, wykazują silną ten-dencję do segregacji. W stopach z grupy Inconel dla pierwiastków o zbliżonej wielkości średnicy atomu do atomów Ni, tj. Fe, Cr i Co, wartości k są bliskie jedności, również dla W wartość k jest bliska 1. Dla Mo wartość k wynosi 0,80÷0,85 i maleje ze zwiększeniem się zawartości Fe w stopie. Jeszcze mniejsza wartość parametru k jest dla Nb, ok. 0,5, i również maleje ze zwiększeniem się zawartości Fe w stopie. Dlatego segregacja dendrytyczna Mo i Nb w stopach na osnowie Ni zwiększa się ze wzrostem zawartości Fe [13]. DuPont [6] wykazał, że rozpuszczone w powłoce żelazo z podłoża jest przy-czyną zwiększonej skłonności pierwiastków do segregacji w stopie Inconel 625. Fazy tworzone z pierwiastków, które wykazują ten-dencję do segregowania w przestrzeniach międzydendrytycznych krystalizują jako ostatnie (w ostatnim etapie procesu krzepnięcia). Przy dużej szybkości chłodzenia, która towarzyszy procesowi krzepnięcia napawanych powłok, pierwiastki te w wyniku reakcji eutektycznej tworzą często węgliki typu MC lub fazy międzyme-taliczne. Podobnego zachowania się pierwiastków można spodzie-wać się w stopie Inconel 686 [12], z tą różnicą, że w stopie tym występuje zwiększona zawartość Mo (do 16,2% mas.), a zamiast Nb występuje W. Podczas krzepnięcia napoin ciekły stop wzbogaca się w Mo i W, w wyniku czego w końcowym jego etapie wydzielają się fazy TCP (topologically close-packed, np. faza Lavesa).

Celem badań była szczegółowa analiza mikrostruktury i jed-norodności składu chemicznego z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej, elektronowej skaningowej i transmisyjnej oraz mikro-analizy rentgenowskiej, jak również określenie właściwości mecha-nicznych i odporności na korozję wysokotemperaturową powłok ochronnych ze stopu niklu Inconel 625 i 686 wytworzonych tech-niką CMT na rurach i ścianach szczelnych kotłów energetycznych przeznaczonych do spalania odpadów.

2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ

Badania prowadzono na odcinkach rur i ścian szczelnych kotłów ze stali 16Mo3 napawanych Inconelem 625 i 686 metodą CMT w SEFAKO S.A. Skład chemiczny stali oraz drutów do napawania podano w tabeli 1. Rury napawano obwodowo w pozycji pozio-mej, natomiast ściany szczelne w pozycji pionowej od góry do dołu.

Napawanie prowadzono w atmosferze gazowej argonu. W proce-sie napawania rur stosowano: natężenie prądu I = 200 A, napięcie V = 20 V, szybkość wypływu argonu 17 l/min, szybkość podawania drutu v = 0,8 m/min, prędkość obrotową rury ω = 4,5 obr/min oraz przesunięcie osiowe (szerokość ściegu) l = 2,8 mm. W czasie na-pawania zarówno rury, jak i ściany szczelne były chłodzone bieżą-cą wodą przepływającą przez wnętrze rur. Dla osiągnięcia zadanej grubości powłoki stosowano napawanie jedno- lub dwuwarstwowe.

Z wycinków rur i ścian szczelnych (rys. 1) pobrano próbki do badań mikrostruktury i składu chemicznego.

Badania mikrostruktury przeprowadzono za pomocą mikrosko-pu świetlnego Axio Imager MAT oraz mikroskopów skaningowych Hitachi S-3500N i FEI Nova NanoSEM 450 (z EDS oraz WDS firmy EDAX) i transmisyjnego 200 kV JEOL JEM-2010ARP. W przypadku rur badania prowadzono na zgładach równoległych do osi i prostopadłych do ściany, a w przypadku ścian na zgładach prostopadłych do osi rur w ścianie. Wyszlifowane i wypolerowa-ne zgłady trawiono dwustopniowo: 3% nitalem (w celu ujawnienia mikrostruktury podłoża) oraz elektrolitycznie w 10% wodnym roz-tworze CrO3 przy napięciu 2 V (w celu ujawnienia mikrostruktury powłoki). Na zgładach metalograficznych przeprowadzono ponad-to jakościową i ilościową analizę składu chemicznego za pomocą spektroskopii promieniowania rentgenowskiego z dyspersją ener-gii (EDS), która obejmowała podstawowe pierwiastki wchodzące w skład badanych napion: Ni, Cr, Mo, Nb, W i Fe. Ponadto dla wybranych miejsc wykonano mapy rozmieszczenia podstawowych pierwiastków stopu oraz określono ich zawartości w osi dendrytów oraz zawartości średnie w analizowanych obszarach powłoki. Na podstawie otrzymanych wyników sporządzono wykresy zależności zawartości analizowanych pierwiastków (% mas.) od odległości od powierzchni wtopienia. Z rur oraz ścian szczelnych napawanych obydwoma badanymi stopami Inconel 625 i 686 (napawanych dwuwarstwowo) wycięto próbki do badań wytrzymałościowych. W celu określenia odporności powłok z napoin ze stopu Inconel 625 oraz 686 przygotowano próbki do badań korozyjnych o wymia-rach 25×10×2 mm, które następnie umieszczano w tyglach cera-micznych i zasypano popiołem pochodzącym ze spalania odpadów. Tygle umieszczano w piecu nagrzanym do 650°C, gdzie pozosta-wały w atmosferze powietrza przez 500 i 1000 godzin. Po próbie

Tabela 1. Skład chemiczny drutu do napawania ze stopów Inconel 625 oraz 686 oraz materiału podłoża, % mas.Table 1. Chemical composition of Inconel 625 and 686 wires and sub-strate, wt %

Stop Ni Cr Mo Fe W Nb Mn Si C

Inconel 625 reszta 22,24 9,14 0,31 — 3,46 0,01 0,07 0,01

Inconel 686 reszta 20,14 15,0 0,07 4,31 — 0,34 0,03 0,01

Stal 16Mo3 —

NR 6/2015 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 365

korozyjnej próbki poddano badaniom mikrostruktury i składu che-micznego z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej i elektronowej skaningowej oraz mikroanalizy rentgenowskiej. Na podstawie wyników badań mikrostruktury i składu chemicznego określono i porównano zasięg zmian korozyjnych w obydwu rodzajach ba-danych powłok.

3. WYNIKI I ICH DYSKUSJA

Wstępne badania rur i ścian szczelnych napawanych stopem Inco-nel 625 oraz 686 obejmujące kontrolę chropowatości, nieniszczące badania penetracyjne i ultradźwiękowe wykazały, że napoiny cha-rakteryzowały się wysoką jakością oraz równomiernością rozłoże-nia ściegów.

Makroskopowe obrazy wycinka rury napawanej stopem Inconel 625 i ściany szczelnej napawanej stopem Inconel 686 przedstawio-no na rysunku 1a i b. Praktycznie nie obserwowano wad w postaci porów bądź braku przetopienia. Na rysunkach 2 i 3a÷c przedsta-wiono reprezentatywne wyniki badań mikrostruktury powłok z wy-korzystaniem mikroskopii świetlnej.

Grubość powłoki na napawanych rurach wynosiła od 2,4÷3,1 mm natomiast na ścianach szczelnych była większa, w granicach od 2,7÷4,4 mm. Powłoki wykazały bardzo dobrą jakość połączenia z podłożem. Stopień wzajemnego zachodzenia poszczególnych ściegów wynosił ok. 70%. Ze względu na to, że technologia na-pawania CMT jest znacznie mniej energetyczna w porównaniu z tradycyjnymi procesami napawania grubość strefy wpływu cie-pła w podłożu nie przekraczała 0,6 mm. W rurach napawanych są wyraźnie widoczne następujące strefy: napoina, słabo trawiąca się strefa częściowego wymieszania (rys. 2), ciemno trawiąca się strefa wpływu ciepła oraz materiał rodzimy.

Rysunek 3 przedstawia makroskopowy obraz fragmentu ścia-ny szczelnej, tzw. “okulary”, napawanej dwiema warstwami stopu Inconel 686 oraz obrazy mikrostruktury w obszarze rury (rys. 3b) oraz płetwy (rys. 3c). Należy zauważyć, iż powłoki wytworzone na ścianach szczelnych zarówno w obszarze płetwy, spoiny, jak i rury charakteryzowały się dobrą jakością powierzchni, dobrym meta-lurgicznym połączeniem z podłożem, wąską strefą wpływu ciepła oraz odpowiednią grubością (średnia grubość powłoki wynosiła ok. 2,5 mm. Na rysunku 4 przedstawiono obrazy SEM pokazujące mikrostrukturę napoin wykonanych z Inconelu 625 (rys. 4a) oraz 686 (rys. 4b) z widocznymi wydzieleniami w granicach międzyden-drytycznych. W porównaniu ze stopem Inconel 625 w napoinach ze stopu 686 jest widoczna wyraźnie mniejsza liczba wydzieleń w przestrzeniach międzydendrytycznych, co jest związane z mniej-szą segregacją pierwiastków w tym stopie. Jak bowiem wykazano w poprzednich publikacjach [7, 14,15], w napoinach ze stopu In-conel 625 występuje silna segregacja Nb, Mo i Cr do przestrzeni międzydendrytycznych, natomiast w napoinach ze stopu Inconel 686 obserwowano segregację Mo i Cr do przestrzeni międzyden-drytycznych, a W (który w tym stopie występuje zamiast Nb) prak-tycznie nie segreguje podczas krystalizacji bądź jedynie segreguje w niewielkim stopniu, wchodząc z Mo i Cr w skład wydzieleń fazy TCP. Badania [14, 15] potwierdziły opisaną szeroko w literaturze [5, 6, 11] regułę, że pierwiastki Mo i Cr (dla których parametr k < 1) wykazują tendencję do segregacji do przestrzeni międzydendry-tycznych, natomiast te, dla których wartość parametru k > 1 (w tym stopie głównie Ni) segregują do osi dendrytów. Obliczone wartości parametru k na postawie pomiarów koncentracji techniką EDS wy-noszą: Mo — 0,85, Cr — 0,98, W — 1, Fe — 1, Ni — 1,05 [15]. Niezależnie od rodzaju stopu (Inconel 625 lub 686) zastosowanego do napawania analiza składu chemicznego wzdłuż linii wykonana na całej grubości napoin na rurach i ścianach szczelnych wykaza-ła, że skład chemiczny wyraźnie zmienia się na granicy wtopienia i w strefie częściowego wymieszania [14, 15].

Zawartość Fe w strefie częściowego wymieszania (o grubości ok. 25 μm) jest wyraźnie większa niż w napoinie i maleje w kierunku od podłoża do powierzchni napoiny. Przyczyną zwiększonej zawartości

Rys. 2. Struktura napoiny ze stopu Inconel 625 napawanej na ruręFig. 2. Structure of the Inconel 625 weld-clad on the pipe

a

b

c

płetwa

rura rura

Rys. 3. Struktura dwuwarstwowej powłoki ze stopu Inconel 686 na-niesionej na ścianę szczelną: a) makrostruktura powłoki i rury w ścia-nie szczelnej, b) mikrostruktura powłoki na rurze w ścianie szczelnej, c) mikrostruktura granicy płetwa/rura Fig. 3. Structure of the two layer Inconel 686 clad deposited on water-wall tubing: a) macrostructure of the wall tubing fragment, b) micro-structure of the two-layer weld-clad on the tube, c) microstructure of the two-layer weld-clad at the fin/tube boundary

Fe w strefie częściowego wymieszania i w powłoce jest przetopienie i rozpuszczanie w nanoszonym materiale materiału podłoża. W od-ległości ok. 0,5 mm od granicy wtopienia zawartość Fe zmniejsza się do ok. 1% mas., zatem znacznie poniżej poziomu wymaganego przez odbiorców urządzeń energetycznych (~5% mas). Na rysunku 5 pokazano typowe wydzielenie fazy TCP obserwowane w stopie Inconel 686. Obecność tych wydzieleń wykazano już w badaniach z wykorzystaniem SEM i EDS [15]. Na rysunku 6 pokazano wyniki

366 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXVI

badań wytrzymałościowych opracowane na podstawie próby roz-ciągania próbek pobranych ze ściany szczelnej napawanej stopem Inconel 686 (dwuwarstwowo) (rys. 6a) i rury (rys. 6b) oraz ściany szczelnej napawanej stopem Inconel 625 ze strefy rury (rys. 6c) oraz płetwy rys. 6d). Średnia wytrzymałość badanych próbek wynosiła 588÷628 MPa dla napawanych stopem 686 oraz 595÷615 MPa dla próbek napawanych stopem 625. Natomiast średnie wydłużenie wy-nosiło odpowiednio: ok. 24% oraz 29%. Średnia twardość napoin ze stopu Inconel 686 (po napawaniu dwuwarstwowym) zwiększała się z 285 HV dla stanu po napawaniu do 306 HV po 5% odkształcenia, 307 HV po 10%, 347 HV po 15% i 350 HV po rozerwaniu. Nato-miast średnia twardość podłoża zwiększała się od 191 HV dla stanu wyjściowego do 191 HV po 5%, 208 HV po 10%, 218 HV po 15% odkształcenia i 245 HV po rozerwaniu próbki.

Na rysunku 7 przedstawiono spektrogram EDS pokazujący obec-ność pierwiastków w składzie popiołu (31,4% Ca, 5,4% Si, 4,9% S, 1,4% Na, 1% Mg, 2,7% Al, 1,5% Cl, 1% K, 1% Ti, 10,3% C oraz 37,4% O — % mas., ilościowo wg analizy WDS), który wykorzy-stywano w próbach korozyjnych.

Na rysunkach 8 i 9 przedstawiono obrazy SEM przekrojów po-przecznych warstwy powierzchniowej oraz mapy rozmieszczenia pierwiastków (Ni, Cr, O Mo, W, Nb) w analizowanym obszarze napoin ze stopu Inconel 625 (rys. 8) i Inconel 868 (rys. 9) po pró-bie korozyjnej w temperaturze 650°C przez 1000 godzin, w popiele pochodzącym ze spalania odpadów.

W przypadku obydwóch rodzajów powłok podczas długotrwa-łej próby korozyjnej pomiędzy rdzeniem metalicznym i pierwotną, zwartą, zewnętrzną warstwą zgorzeliny wytworzyła się porowata warstwa wewnętrzna. W obydwóch przypadkach obserwowano, że w trakcie próby korozyjnej zachodzi proces wewnętrznego utlenia-nia, przy czym w powłoce ze stopu Inconel 625 strefa wewnętrz-nego utleniania po próbie przez 500 godz. wynosi ponad 25 μm i jest ponad dwukrotnie grubsza niż w powłokach ze stopu Inconel 686 (ok. 10 mm). Wydłużenie czasu trwania próby korozyjnej do 1000 godz. spowodowało dalszy postęp procesu korozji, jednak już w relatywnie mniejszym stopniu niż w okresie pierwszych 500 godz. Badania z wykorzystaniem mikroanalizy rentgenowskiej wykazały, że w skład zewnętrznej warstwy zgorzeliny w powłokach Incone-lu 625 wchodzą Nb, Mo oraz Ni, natomiast wewnętrzną warstwę zgorzeliny stanowią głównie tlenki Cr. Zgorzelina wytworzona na powłoce ze stopu Inconel 686 wykazywała bardziej zwartą budo-wę, a w skład tlenków warstwy zewnętrznej wchodziły głównie W, Mo, Ni i Fe, natomiast wewnętrzną warstwę zgorzeliny stanowiły tlenki bogate w Cr, W oraz Mo. W przypadku obu rodzajów powłok odrdzeniowej dyfuzji Cr i pozostałych pierwiastków towarzyszy dordzeniowa dyfuzja tlenu. Obszary zubożone w Cr oraz Nb w na-poinach ze stopu 625 są wzbogacone w Ni oraz w Mo, natomiast w napoinach ze stopu 686 obszary te są wzbogacone głównie w Ni.

4. PODSUMOWANIE

Przeprowadzone badania wykazały, że stopy Inconel 625 oraz 686 można z powodzeniem napawać metodą CMT na rury i ściany szczelne kotłów. Napawane powłoki charakteryzowały się wyso-ką jakością oraz równomiernością rozłożenia ściegów. Praktycznie nie obserwowano wad w postaci porów bądź braku przetopienia. Grubość napoin wynosiła średnio ok. 2,5 mm, a strefy wpływu cie-pła w rurach ze stali 16Mo3 ok. 0,6 mm. Próby wytrzymałościowe

25 m

b

25 m

a

Rys. 4. Mikostruktura napoin z Inconelu 625 (a) oraz Inconelu 686 (b) z widocznymi wydzieleniami w granicach międzydendrytycznych; SEMFig. 4. Microstructure of the Inconel 625 (a) and Inconel 686 (b) weld-clads, with the precipitates in the interdenditic areas; SEM

a b

Rys. 5. Obrazy TEM wydzieleń fazy TCP obserwowanych w przestrze-ni międzydendrytycznej: a) pole jasne, b) pole ciemne oraz dyfrakcja z zaznaczonym refleksem, w którym wykonano pole ciemneFig. 5. TEM images showing of the TCP phase precipitate observed in the interdendritic area: a) bright fiels, b) dark field

a b

c d

Rys. 6. Wykresy rozciągania próbek wykonanych z odcinków rur i ścian napawanych stopem Inconel 686 (a, b) oraz ze ściany i płasko-wnika napawanych stopem Inconel 625 (c, d) oraz obraz badanych próbekFig. 6. Stress–strain curves for samples made of weld-clad with Inconel 686 tube and water-wall tubing fragments (a, b) as well as weld overlaid with Inconel 625 water-wall tubing fragments (tubes and fines — c , d) and representative image of tested samples

Rys. 7. Spektrogram EDS pokazujący pierwiastki obecne w popiele zastosowanym w procesie korozji Fig. 7. EDS spectrum showing elements present in the ash used in cor-rosive test

NR 6/2015 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 367

Rys. 8. Mapy powierzchniowego rozmieszczenia Cr, O, Nb, Mo oraz Ni w obszarze pokazanym na obrazie SEM, obrazujące segregację pierwiastków podczas próby korozyjnej (650°C/1000 h), w powłoce ze stopu Inconel 625Fig. 8. Elemental distribution maps of Cr, O, Nb, Mo and Ni in the area presented in SEM image, showing elements segregation during the cor-rosion test (650°C/1000 h) of Inconel 625 coating

Rys. 9. Mapy powierzchniowego rozmieszczenia Cr, O, Nb, Mo oraz Ni w obszarze pokazanym na obrazie SEM, obrazujące segregację pierwiastków podczas próby korozyjnej (650°C/1000 h), w powłoce ze stopu Inconel 686Fig. 9. Elemental distribution maps of Cr, O, W, Mo and Ni in the area presented in SEM image, showing elements segregation during the cor-rosion test (650°C/1000 h) of Inconel 686 coating

wykazały, że rury napawane stopami Inconel 625 oraz 686 wyka-zują dużą wytrzymałość oraz plastyczność. Średnia wytrzymałość badanych próbek wynosiła 588÷628 MPa dla napawanych stopem 686 oraz 595÷615 MPa dla próbek napawanych stopem 625. Na-tomiast średnie wydłużenie wynosiło odpowiednio: ok. 24% oraz 29%.

Mikroanaliza zawartości żelaza na przekroju napoin wykazała, że jego zawartość szybko maleje poniżej 5% mas., a niski poziom jego zawartości (ok. 1% mas. Fe) utrzymuje się również w strefie przypowierzchniowej powłoki. Wykazano, że W w napoinach ze stopu Inconel 686 segreguje w znacznie mniejszym stopniu niż Nb w napoinach ze stopu Inconel 625 [7, 14, 15].

Analiza mikrostruktury z wykorzystaniem mikroskopii elektro-nowej skaningowej i transmisyjnej wskazuje na znacznie mniejszą niejednorodność napoin ze stopu Inconel 686 w porównaniu z na-poinami ze stopu Inconel 625 [7, 14, 15]. Tym samym większą od-porność na korozję wysokotemperaturową w popiołach ze spalania odpadów próbek pobranych z rur i ze ścian szczelnych kotłów ener-getycznych powlekanych stopem Inconel 686 można tłumaczyć większą jednorodnością chemiczną i strukturalną tych powłok.

PODZIĘKOWANIA

Praca została sfinansowana jako część projektu badawczego PBS1/B5/4/2012 finansowanego przez NCBiR w latach 2012÷2015.

LITERATURA

[1] Nowacki J., Wypych A.: Mikrostruktura i odporność na wysokotempera-turowe utlenianie napoin nadstopu Inconel 625 na stali niskostopowej. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 5 (2010) 84÷87.

[2] Lee S., Themelis N. J., Castaldi M. J.: High temperature corrosion in waste to energy boilers. Journal of Thermal Spray Technology 16 (2007) 1÷7.

[3] Adamiec P., Adamiec J.: Aspekty napawania stopami Inconel 625 i 686 elementów w kotłach do spalania odpadów. Przegląd Spawalnictwa 5-6 (2006) 11÷14.

[4] Adamiec J.: High temperature corrosion of power boiler components clad-ded with nickel alloys. Materials Characterization 60 (2009) 1093÷1099.

[5] DuPont J. N., Lippold J. C., Kiser S. D.: Welding metallurgy and weld-ability of nickel base alloys. A John Wiley & Sons, Inc., Publication, New Jersey (2009).

[6] DuPont J. N.: Solidification of an alloy 625 weld overlay. Metallurgical and Materials Transactions A 27A (1996) 3612÷3620.

[7] 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.

[8] Iordachescu D., Quintino L.: Steps towards a new classification of metal transfer in gas metal arc welding. Journal of Materials Processing Technol-ogy 202 (2008) 391÷397.

[9] Pickin C. G., Williams S. W., Lunt M.: Characterization of the cold metal transfer (CMT) process and its application for low dilution cladding. Jour-nal of Materials Processing Technology 211 (2011) 496÷502.

[10] Bruckner J.: Metoda CMT — rewolucja w technologii spawania. Przegląd Spawalnictwa 7-8 (2009) 24÷27.

[11] Silva C. C., De Miranda H. C.,Motta M. F., Farias J. P., Afonso C. R. M., Ramirez A. J.: New insight on the solidification path of an alloy 625 weld overlay. Journal of Materials research and Technology 2 (2013) 228÷237.

[12] Maltin C. M., Galloway A. M. Mweemba M.: Microstructural evolution of Inconel 625 and Inconel 686CPT weld metal for clad carbon steel linepipe joints. Metallurgical and Materials Transactions A 45A (2014) 3519÷3532.

[13] Banovic S. W., DuPpont J. N.: Dilution and microsegregation in dissimilar metal welds between super austenitic stainless steels and Ni base alloys. Science and Technology of Welding and Joining 6 (2003) 274÷383.

[14] Rozmus-Górnikowska M., Cieniek Ł., Blicharski M., Kusiński J.: Micro-structure and microsegregation of an Inconel 625 weld overlay produced on steel pipes by the cold metal transfer technique. Archives of Metallurgy and Materials 59 (3) (2014) 1081÷1084.

[15] Kusiński J., Blicharski M., Cieniek Ł., Dymek S.: Powłoki ze stopu Inco-nel 686 napawane metodą CMT na rury i ściany szczelne kotłów energety-cznych do spalania odpadów. Inżynieria Materiałowa 36 (1) (2015) 15÷19.