NR 4/2014 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 299

Dr inż. Magdalena Rozmus-Górnikowska (rozmus@agh.edu.pl), 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

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), łukowe-go, wiązką światła lasera lub elektronów. Powszechnie stosowany-mi metodami napawania łukowego są: napawanie elektrodą nieto-pliwą 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 napawa-nia tradycyjnymi metodami spawalniczymi jest napawanie lasero-we. Napawanie laserowe różni się od innych technologii tym, że do topienia materiału wykorzystuje energię promieniowania elektro-magnetycznego dostarczaną w postaci wiązki światła lasera. Na-pawany 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 połą-czenie metalurgiczne między podłożem a powłoką [3, 4].

Dzięki szczególnym właściwościom wiązki laserowej jako źró-dła energii, technika napawania powłok laserem ma szereg zalet wyróżniających ją spośród konwencjonalnych metod spawalni-czych. Dokładna regulacja gęstości mocy i jej rozkładu na prze-kroju wiązki laserowej powoduje, że nagrzewanie ma charakter lokalny, przez co ogranicza się ryzyko wystąpienia odkształceń cieplnych obrabianych elementów, jak również minimalizuje wiel-kość strefy wpływu ciepła. Przez odpowiedni dobór parametrów napawania laserowego uzyskuje się drobnoziarnistą mikrostrukturę z możliwością jej kształtowania od komórkowej do ukierunkowa-nej dendrytycznej. Napawanie laserowe można realizować w do-wolnym kierunku i pod różnymi kątami, a powłoki można nanosić w miejscach trudnodostępnych, np. wewnątrz rur [5].

Technologia napawania elementów kotłów na skale przemy-słową jest stosunkowo nowa. Podstawowymi kryteriami techno-logicznymi, 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 nakłada-na jest warstwa [6, 7].

Celem pracy było porównanie mikrostruktury, właściwości me-chanicznych i składu chemicznego warstw ze stopu Inconel 625 napawanych laserowo i łukowo.

MATERIAŁ I METODYKA bADAń

Badania prowadzono na odcinkach ściany szczelnej i rury ze stali P235GH (tab. 1, rys. 1). Ścianę szczelną napawano laserowo, nato-miast rurę napawano łukowo metodą GMAW, a następnie warstwę

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 Ni Cr Mo Fe Nb Mn Si Al C

Inconel 625 reszta 22.2 9.14 0.31 3.46 0.01 0.07 0.07 0.02

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

300 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXV

Badania mikrostruktury na zgładach metalograficznych przygo-towanych z przekroju prostopadłego do kierunku napawania i pro-stopadłego do powierzchni ściany szczelnej oraz z przekroju rów-noległego 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 ob-ciążenie 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 dysper-sją energii (EDS) przeprowadzono na zgładach metalograficznych. W poszczególnych pomiarach prowadzono analizę z obszaru kwa-dratu o boku 60 μm, a odległości między kolejnymi pomiarami wy-nosiły 0,3 mm. Pomiary przeprowadzono na całej grubości napoin. W celu dokładnego określenia profilu zawartości Fe w pobliżu po-wierzchni wtopienia wykonano punktową analizę składu chemicz-nego. Analizę punktową rozpoczęto w materiale podłoża w od-ległości kilku mikrometrów od powierzchni wtopienia, a kolejne pomiary wykonywano co 1 µm. Na podstawie otrzymanych wyni-ków analizy punktowej sporządzono wykresy zależności zawarto-ści 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 ry-sunku 2. Szczegółowy opis wyników badań mikrostruktury napo-iny na rurze napawanej łukowo zamieszczono w pracach [8÷10].

Badania przeprowadzone za pomocą mikroskopu świetlnego wykazały, że średnia grubość powłoki napawanej laserowo wynosi-ła 1,8 mm, podczas gdy średnia grubość powłoki napawanej łuko-wo 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, rów-nież w mikrostrukturze ściany szczelnej z naniesioną laserowo na-poiną były wyraźnie widoczne następujące strefy: strefa przetopio-na, niewytrawiona strefa częściowego wymieszania, strefa wpływu ciepła oraz materiał rodzimy (rys. 2). Obszar strefy częściowo sto-pionej nie był widoczny na żadnym z badanych zgładów.

Mikrostruktura obu powłok była dendrytyczna z dendrytami równoległymi do kierunku odprowadzania ciepła. Po napawaniu la-serowym mikrostruktura była bardziej drobnoziarnista niż po napa-waniu 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 che-micznym materiału podłoża i powłoki, wynosiła od kilku do kilku-dziesięciu mikrometrów w przypadku obu napoin. W strefie wpływu ciepła obu badanych materiałów występowała mikrostruktura fer-rytyczno-baintyczna. Materiał podłoża charakteryzował się mikro-strukturą ferrytyczno-perlityczną. Zmiany mikrostruktury w materia-le 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 chemiczne-go 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 napa-wania. Profile zawartości Fe na przekroju podłoża i powłoki dla

Rys. 2. Mikrostruktura warstwy napawanej z zaznaczonymi strefami: a) napoiną, strefą wpływu ciepła i materiałem rodzimym, b) strefą czę-ściowego wymieszania i granicą wtopienia; mikroskop świetlnyFig. 2. Microstructure of the weld overlay coating with a marked micro-structural 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 łukowoFig. 4. Microstructure of the arc weld overlay coating

NR 4/2014 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 301

obu badanych materiałów w zakresie od –10 do 130 μm od po-wierzchni 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 lase-rowo. W odległości 130 μm od powierzchni wtopienia w powłoce napawanej laserowo zawartość Fe wynosiła 1,7%, natomiast w po-włoce 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 ba-danych powłok zmierzona za pomocą analizatora rentgenowskiego XRF wynosiła 1 i 2% odpowiednio dla powłoki napawanej lasero-wo i lukowo.

Zmiany twardości w zależności od odległości od powierzch-ni wtopienia przedstawiono na rysunkach 7 i 8. Stwierdzono, że średnia twardość napawanej laserowo powłoki jest znacznie więk-sza (ok. 290 HV1) od twardości napoiny otrzymanej w wyniku napawania łukowego (250 HV1). Przyczyną większej twardości

powłoki napawanej laserowo niż łukowo może być większe roz-drobnienie mikrostruktury. Twardość materiału podłoża wynosiła ok. 150÷160 HV1. Twardość strefy wpływu ciepła była nieznacznie większa niż materiału rodzimego. Na podstawie pomiarów twardo-ści 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 sto-pu Inconel 625 na podłoże ze stali P235GH otrzymano powłokę o silnym metalurgicznym połączeniu z podłożem.

– W wyniku napawania laserowego otrzymano bardziej drobno-ziarnistą mikrostrukturę powłoki niż po napawaniu łukowym.

– Twardość powłoki otrzymanej za pomocą napawania lasero-wego 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 po-wierzchni wtopienia w kierunku powierzchni napoin i jest mniejsza przy powierzchni powłoki napawanej laserowo niż przy powierzchni powłoki napawanej łukowo.

0

20

40

60

80

100

-10 10 30 50 70 90 110 130

Fe, %

mas

.

Odległość od powierzchni wtopienia, μm

Rys. 5. Profil zawartości Fe (% mas.) w zależności od odległości od powierzchni wtopienia – napawanie laseroweFig. 5. Profile of Fe (wt %) depending on the distance from the fusion zone – laser welding

0

20

40

60

80

100

-10 10 30 50 70 90 110 130

Fe, %

mas

.

Odległość od powierzchni wtopienia, μm

Rys. 6. Profil zawartości Fe (% mas.) w zależności od odległości od powierzchni wtopienia – napawanie łukoweFig. 6. Profile of Fe (wt %) depending on the distance from the fusion zone – arc welding

100

150

200

250

300

350

-4 -3 -2 -1 0 1 2

Twar

dość

, H

V

Odległość od powierzchni wtopienia, mm

Rys. 7. Profil twardości na przekroju rury napawanej laserowoFig. 7. Hardness profile on the section of the laser weld overlay pipe

100

150

200

250

300

350

-4 -3 -2 -1 0 1 2

Twar

dość

, HV

Odległość od powierzchni wtopienia, mm

Rys. 8. Profil twardości na przekroju rury napawanej łukowoFig. 8. Hardness profile on the section of the arc weld overlay pipe

302 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXV

PODZIĘKOWANIEProjekt 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 Spawal-nictwa 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.

[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 weldabil-ity 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.