镍合金N是一种具有多种固溶、沉淀增强等多种高温合金，在--℃较宽温度下，具有良好的耐应力腐蚀、点腐蚀性能，具有较高的强度，具有良好的抗疲劳、蠕变、断裂强度和较低的抗氧化性能。在固溶退火条件下，工艺特性优于多种固溶退火条件下的材料，采用时效热工艺可以明显改善材料的强度和耐磨性，从而为航空涡轮发动机、工业燃气轮机、液体燃料火箭等多种高温腐蚀环境提供了选择。在大化工发展的今天，N材料在高温、高压化工设备的应用逐渐深入，但由于其化学组成复杂，导致了焊接和热处理条件下的性能差别。本文对N高温镍合金的焊接与热处理技术进行了深入的研究，为今后的应用奠定了基础。
1.试验材料和方法
（1）试验材料试验母材为ASTMBN，mm×mm×14mm，2件；mm×2mm、60mm×14mm，2件；
焊接材料：保护气体为94.99%Ar+5%H2；焊丝ERNiFeCr-2，符合SFA-5.14，规格：φ2.4mm；母材和焊丝化学成分、力学性能见表1和表2
（2）试验方案坡口采用机加工完成，试板坡口结构如图1所示。组对前清理坡口每侧30mm范围氧化皮，并用丙酮清理坡口及每侧30mm范围，按图1组对，焊接试件分两组组对：试件1（mm长）一付，试件2（mm长）一付。
试板1焊接接头无损检测后，按要求一分为二，编号为1-1和1-2，试板1-2按图2热处理制度时效热处理，试板2按图3热处理制度时效热处理。
在焊态和热处理状态，分别对试板接头按NB/T进行无损检测（包括10倍放大镜外观检测、%着色检测和%射线检测），检测完成后，对试板分别制备拉伸、弯曲、微观金相和硬度试样，进行相关试验。
2.试验结果及分析
（1）无损检测结果分析从焊接试板热处理前后无损检查检测结果看，试板焊缝成形美观，压道均匀，焊缝和热影响区表面均未发现明显可见的裂纹、未熔合、咬边和气孔等缺陷；时效热处理前后试板接头射线检测结果均为I级合格，表明高温固溶退火镍合金N，选用具有相近化学成分焊丝ERNiFeCr-2，采用钨极氩弧焊焊接，具有良好冶金焊接性，焊接和焊后时效热处理工艺合理，有效避免焊接热裂纹和时效裂纹的产生，焊缝外观和内部质量优异。
（2）焊接接头力学性能分析试板1-1、1-2和试板2分别制备拉伸、弯曲试样，按GB/T.1，GB/T试验，结果见表4。力学性能试样试验后形状如图4和图5所示。
从力学性能试验结果看，固溶N材料焊接接头的焊态试样最低抗拉强度为MPa，高于固溶处理的N最小值，拉伸试样塑性断于焊缝，弯曲试样弯曲后拉伸面未发现明显可见缺陷，表明固溶退火N材料焊接接头在焊接状态具有高强度、良好塑韧性和致密性。
时效热处理的N焊接接头抗拉强度显著提高，试验最低值超出焊态最高抗拉强度值MPa以上，拉伸试样断于焊缝，没有明显塑性变形，属于脆断形式；弯曲试样在弯曲极小角度情况下就发生脆性断裂，表明焊后直接时效热处理使N焊接接头抗拉强度显著提高，塑性显著降低。
固溶退火N以镍-铬-铁固溶奥氏体为基体，含有钼、钽+铌及少量铝和钛等固溶及沉淀强化元素。这些元素在固溶退火或焊接状态下，固溶于奥氏体基体中，固溶强化的同时使材料或接头保持了较好塑性和延性；时效热处理后，铝、钛、铌和钽等沉淀强化元素与镍形成复杂金属间化合物γ＇、γ＂相，沉淀于奥氏体晶内或晶界上，在固溶和沉淀强化的共同作用下，焊接接头强度显著提高，塑性显著下降。两种热处理冷却条件下焊接接头抗拉强度均高于标准值MPa，达到母材90%以上，炉冷比直接空冷抗拉强度值更高，表明炉冷强化效果更好。
3）焊接接头显微金相组织分析分别制备焊态、时效热处理微观金相试样，按GB/T，试样经冷酸腐蚀后在显微镜下观察其微观组织，焊接接头显微组织如图6~图8所示。
可以看出，固溶退火的N以奥氏体为基体，碳化物质点呈线状和点状分布于晶内和晶界，时效+空冷热处理后，奥氏体细晶粒明显增多，有小块状金属间化合物析出，时效+炉冷后，奥氏体晶粒有合并长大，晶粒大小不均匀，碳化物质点、块状或点状金属间化合物增加明显，有大块金属间化合物析出。
焊接状态接头热影响区，点状碳化物质点散布在奥氏体晶界和晶内，熔合区出现方向性强的树枝晶，碳化物质点断续分布在奥氏体枝晶间；时效+空冷热处理后，奥氏体晶粒细化，枝状晶界模糊形成少量板条状奥氏体，大量的蠕虫状、块状碳化及金属间化合物在晶内和晶界散布；时效+炉冷+空冷热处理后，枝状晶界模糊，奥氏体枝状晶更细小，有少量针状奥氏体，条状和块状碳化物金属间化合物明显增多，层状或散布在奥氏体晶界和晶内。
固溶N焊态焊缝显微组织为树枝状奥氏体枝晶间或晶内分布了大量大小不一的点状和块状碳化物，经过时效+空冷热处理焊缝，碳化物或金属间化合物在奥氏体树状晶界和晶内长大，奥氏体晶粒减小，连续的线状及孪晶生长的碳化物金属间化合物、块状碳化物金属间化合物增多，均匀分布在奥氏体基体上；时效+炉冷时效热处理焊缝，奥氏体晶粒细化，树状晶不明显，条状奥氏体孪晶生产，和碳化物金属间化合物呈明显的层状分布，点状或块状碳化物与金属间化合物减少，断续条状或条状碳化物金属间化合物显著增加，组织更为均匀。
因此，固溶N材料焊接后，碳化物以点状或小块状分布在奥氏体晶内和晶界上，主要起固溶强化作用；时效热处理后，奥氏体晶粒细化，碳化物金属间化合物数量显著增加，且形态、分布方式显著变化，抗拉强度显著更高。时效+炉冷热处理由于冷却速度慢，晶粒大小和组织均匀，组织分布更为有序，且晶粒孪晶生长，因而强度更高。
（4）焊接接头的硬度试验结果分析高温镍合金N焊态、时效+空冷、时效+炉冷三种状态试样接头硬度试验结果见表5。
从硬度试验结果可以看出，固溶N在合金元素和碳化物固溶强化作用下，焊态接头具有较高强度、良好塑性、较低硬度，但焊缝由于未经固溶处理，硬度稍低于母材和热影响区；时效热处理的N焊接接头，在固溶和沉淀强化共同作用下，硬度显著提升；时效+炉冷由于合金元素扩散更充分，晶粒细化，组织更为均匀，硬度进一步提高；由于焊缝和热影响区成分组织不均匀性，显微硬度高低差异较大，但经过时效+炉冷热处理，硬度分布相对较均匀。
(5)产品试制固溶镍合金N的13mm板采用压制成形方式制备两个锥体，然后两个锥体纵缝、大锥体小口和小锥体大口环焊缝分别组对焊接完成，制备成一个锥体，对锥体按上述图2热处理制度（时效+炉冷）进行时效热处理，将锥体上端、下端分别与其他材料筒体和接管组对，采用钨极氩弧焊焊接完成，焊后对焊缝进行表面%着色检测和%射线检测，焊缝和热影响区未发现明显缺陷，焊缝质量优异，高温腐蚀环境下使用的耐磨耐蚀构件顺利制造完成。
3.结语
通过以上高温镍合金N焊接、热处理过程及试验结果分析得出如下结论：
（1）固溶镍合金N，采用钨极氩弧焊、配套焊丝及合适工艺，焊接性良好，焊缝质量优异，合金元素和碳化物的固溶强化，使焊接接头具有较高强度、塑性和致密性。
（2）高温镍合金N焊后℃/8h+℃/18h时效热处理，奥氏体晶粒细化，析出大量碳化物金属间化合物分布在奥氏体晶界和晶内，固溶和沉淀强化共同作用，焊接接头强度、硬度显著提高，塑性显著降低，抗拉强度满足标准规范要求，时效+炉冷热处理后接头的性能更为优异，在高温耐蚀环境下具有较好应用优势。
（3）固溶N高温镍合金焊接状态虽具有较高强度，但硬度较低；时效热处理后，其硬度显著提高，应适宜高温耐蚀耐磨应用场合；焊缝和热影响区，显微硬度高低差异大，但随时效时间延长或慢速冷却，接头各区域硬度进一步提高且分布更为均匀。
（4）时效热处理N的焊接接头虽具有很低延性，但采用钨极氩弧焊焊接，可以焊接并获得质量优异的焊接接头。
