201110_PSpaw.pdf 56 Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Jerzy Nowacki Artur Wypych napawanie w regeneracji głowic cylindrowych silników okrętowych surfacing by welding in the regeneration  of cylinder head of ship engine Prof. dr hab. inż. Jerzy Nowacki – Zachodniopo- morski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, dr inż. Artur Wypych – Politechnika Poznańska. Streszczenie Analizowano możliwości napawania czaszy głowicy silnika okrętowego ze staliwa niskostopowego 13CrMo4-5 nadstopem na osnowie niklu – Inconel 625. Zbadano mi- krostrukturę, skład chemiczny i fazowy napoin w funkcji parametrów napawania i liczby warstw z zastosowaniem mikroskopii świetlnej, skaningowej i dyfrakcji elektrono- wej oraz określono rzeczywiste parametry cyklu cieplne- go napawania za pomocą analizy termowizyjnej. Okre- ślono skład chemiczny i fazowy zgorzelin wytworzonych w wyniku wysokotemperaturowego utleniania napoin. Abstract Analysis of ship motor head pad welding method of low alloyed cast steel 13CrMo4-5 by nickel matrix super- alloy Inconel 625 have been presented. Microstructure, chemical and phase composition as a function of pad we- lding parameters and pads number has been investigated using light, electron transmission microscopy, microana- lysis, and electron diffraction. Real welding thermal cycle parameters have been estimated by thermovision analy- sis. Chemical and phase composition of scale generated as a result of the padding welds high temperature oxida- tion were determined. Wstęp Warunki pracy głowic siników okrętowych w środowi- sku spalin, cyklicznego działania dużych obciążeń me- chanicznych i wysokich temperatur działających na cza- szę głowicy są przyczynami złożonych procesów w ich warstwie wierzchniej: pękania wskutek nierównomier- nego rozkładu naprężeń cieplnych, czy też zużycia ero- zyjnego, zużycia w wyniku korozji gazowej, niszczenia mechanicznego, np. wskutek odrywania się elementów powierzchni czołowej tłoka. Cykliczne zmiany ciśnienia i temperatury w atmosferze gazów spalinowych przy- spieszają proces wysokotemperaturowej korozji gazo- wej i zmęczenia cieplnego obszaru wtryskiwacza mie- szanki paliwowo-powietrznej głowicy silnika okrętowego. Wytworzenie żaroodpornych i żarowytrzymałych napo- in w najbliższym otoczeniu wtryskiwacza mieszanki pa- liwowo-powietrznej zdecydowanie powinno powiększyć odporność na działanie tych procesów. Zwłaszcza na- pawanie nadstopem na osnowie niklu obszarów wokół wtryskiwacza mieszanki paliwowej powinno zapewnić znaczne przedłużenie trwałości głowicy [1÷4]. Napawanie wielkogabarytowych elementów, jaki- mi są głowice siników okrętowych, wymaga specjal- nych zabiegów technologicznych. Proces napawania głowicy silnika okrętowego, której masa może wynosić 5000÷8000 kg, może być realizowany na wyspecjalizo- wanym stanowisku spawalniczym, najlepiej wyposażo- nym w robot spawalniczy i odchylany obrotnik o bez- piecznym udźwigu odpowiednim dla masy pojedynczej głowicy. Oba elementy powinny być sprzężone przez je- den układ sterowania, a procedura napawania winna ograniczać konieczność przebywania personelu bezpo- średnio przy stanowisku spawalniczym [5, 6]. Duża masa głowicy wymaga długiego czasu pod- grzewania przed spawaniem wynoszącego 6÷10 h 57Przegląd sPawalnictwa 10/2011 przy braku możliwości jego skrócenia w wyniku zwięk- szenia intensywności nagrzewania, ze względu na ry- zyko wprowadzenia lokalnych przemian. Za pomocą płaszczy termicznych z podgrzewaczami można za- pewnić warunki utrzymania wymaganej temperatury podgrzewania wstępnego do chwili rozpoczęcia napa- wania i utrzymanie jej w wyniku przykrycia matami ter- moizolującymi. Próby napawania warstwy wierzchniej głowic silników okrętowych Analizowano możliwości napawania czaszy głowi- cy silnika okrętowego wykonanej ze staliwa chromowo - molibdenowego 13CrMo4-5 o składzie chemicznym: C – 0,16%, Mn – 0,645%, Si – 0,19%, P – 0,012%, S – 0,015%, Cr – 0,94%, Mo – 0,47%, Cu – 0,19%, Al – 0,019% drutem pełnym o średnicy 1,2 mm z ża- roodpornego nadstopu na osnowie niklu Inconel 625 o składzie chemicznym: Ni – osnowa, Cr – 22%, Mo – 9%, Nb – 3,3%, Fe – 1%, Si – 0,2%, Mn – 0,2%, C – 0,02%. Zastosowanie zróżnicowanych parametrów napa- wania Inconelu 625 na podłożu staliwa 13CrMo4-5 uwarunkowało wystąpienie różnych właściwości wy- tworzonych napoin. Podstawowym parametrem okre- ślającym te różnice jest zawartość w napoinach pier- wiastków pochodzących z podłoża. Udział materiału podłoża jest określany przede wszystkim zawartością żelaza w napoinie. Takie uproszczenie jest możliwe, ponieważ żelazo jest głównym składnikiem materiału podłoża. Zwiększanie zawartości pierwiastków pocho- dzących z podłoża powoduje obniżanie odporności na warunki pracy napoiny [7, 8]. Celowy jest więc dobór warunków napawania zapewniających jak najmniejszy udział składników stopowych podłoża w napoinie. W celu określenia parametrów zapewniających naj- lepsze właściwości napoin wykonano kilka serii prób z zastosowaniem zróżnicowanych parametrów napawa- nia. Zastosowano trzy poziomy ilości wprowadzonego ciepła napawania: Q = 300, 620, 2100 J/mm i atmosferę argonu. Temperatura podgrzewania wstępnego wynosi- ła 250°C. Zastosowanie wymienionych warunków napa- wania wprowadziło znaczące zmiany geometrii, składu chemicznego napoin oraz szerokości strefy wpływu cie- pła w materiale podłoża. Wytworzono napoiny wielowarstwowe. W napawa- niu wielowarstwowym materiałem podłoża dla kolejnej napoiny jest poprzednia warstwa napoiny, stąd moż- na się spodziewać znacznej redukcji pierwiastków po- chodzących z podłoża w kolejnych warstwach napo- in. Dla wszystkich ilości wprowadzonego ciepła napa- wania wytworzono napoiny trójwarstwowe. Jedynie dla Q = 300 J/mm wytworzono napoiny czterowarstwowe. Zwiększona liczba warstw podczas napawania z ilością wprowadzonego ciepła napawania Q = 300 J/mm spo- wodowana była koniecznością wypełnienia rowka [7]. Cykl cieplny napawania Warunki kontroli cyklu cieplnego napawania wiel- kogabarytowych elementów uzasadniają zastosowa- nie w pomiarach bezstykowej metody termowizyjnej, co umożliwia obserwację rozkładu temperatury w całej masie głowicy w czasie rzeczywistym [8÷10]. Termowizyjną analizę cyklu cieplnego napawania wykorzystano do wyznaczenia czasów pozostawania złącza w zakresie temperatur przemian strukturalnych przy parametrach napawania Q = 620 J/mm, Ar oraz Q = 2100 J/mm, Ar. Na podstawie danych literaturo- wych i analizy wykresów CTP zastosowanych materia- łów rodzimego i dodatkowego określono, że dla mate- riału podłoża 13CrMo4-5 jest to temperatura zawarta w przedziale 800÷500°C, a dla Inconelu 625 – tempe- ratury 1100÷ 600°C. Wyznaczony na podstawie anali- zy termowizyjnej czas t8-5 materiału podłoża 13CrMo4-5 wynosi 1,4 s dla napawania gdzie Q = 620 J/mm, atmos- fera – argon, a dla napawania gdzie Q = 2100 J/mm, at- mosfera – argon, czas t8-5 wynosi 4,7 s. (rys. 1÷3). Po- nadto wyznaczony termowizyjnie cykl cieplny napawa- nia umożliwia oszacowanie czasu oczekiwania na uzy- skanie temperatury międzyściegowej 250÷260°C. Rys. 1. Krzywa przebiegu chłodzenia podłoża dla napoiny o parame- trach Q = 2100 J/mm, atmosfera – argon; 1÷4 – czasy wykonania ko- lejnych napoin [8÷10] Fig. 1. The substrate cooling curve for padding weld with process pa- rameters Q = 2100 J/mm, the atmosphere – argon, points 1÷4 – the successive padding welds deposit execution times [8÷10] Rys. 2. Czas t8-5 chłodzenia w zakresie przemian fazowych materia- łu rodzimego – staliwa 13CrMo4-5, ilość wprowadzonego ciepła na- pawania: Q = 620 J/mm i Q = 2100 J/mm, Ar [8÷10] Fig. 2. Cooling time t8-5 in the base metal phase transitions – steel 13CrMo4-5, the amount of pad welding heat input: Q = 620 J/mm and Q = 2100 J/mm, Ar [8÷10] 58 Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Mikrostruktura napoin Mikrostrukturę warstw charakteryzuje występowa- nie typowego dla napawania dendrytycznego układu roztworu stałego γ obecnego zarówno po napawaniu jedno-, jak i wielowarstwowym (rys. 4). W napoinach zidentyfikowano dodatkowo w wyniku analizy XRD Rys. 3. Czas t11-5 chłodzenia w zakresie przemian fazowych na- poiny – Inconel 625, ilość wprowadzonego ciepła napawania: Q = 620 J/mm i Q = 2100 J/mm, Ar [8÷10] Fig. 3. Cooling time t11-5 in the padding weld phase transitions - In- conel 625, the amount of pad welding heat input: Q = 620 J/mm and Q = 2100 J/mm, Ar [8÷10] Rys. 4. Mikrostruktura napoiny trójwarstwowej, wytworzonej z ilością wprowadzonego ciepła Q = 2100 J/mm w atmosferze argonu; den- dryty fazy γ powstałe w wyniku krystalizacji; próbki pobrano z głębo- kości 2 mm pod powierzchnią lica Fig. 4. Three-layer padding weld microstructure produced with the amount of heat input Q = 2100 J/mm in the argon atmosphere; den- drites γ phase formed by crystallization, sampled from a depth of 2 mm below the face Rys. 5. Dyfraktogram napoiny trójwarstwowej wytworzonej z ilo- ścią wprowadzonego ciepła Q = 2100 J/mm w atmosferze argonu; 1 – CrFeNi, 2 – FeNi Fig. 5. Diffraction pattern of three-layer padding weld produced with the amount of heat input Q = 2100 J/mm in an argon atmosphere, 1 – CrFeNi, 2 – FeNi Rys. 6. Widok i dyfrakcja elek- tronowa węglika M23C6 na tle osnowy γ w napoinie trójwar- stwowej, wytworzonej z ilo- ścią wprowadzonego ciepła Q = 2100 J/mm w atmosferze ar- gonu, pow. 27 500x Fig. 6. View and electron dif- fraction of M23C6 carbide in the matrix γ background in thre- e-layer padding weld, prepared with the amount of heat input Q = 2100 J/mm in argon atmo- sphere, magn. 27 500x obecność roztworów stałych CrFeNi oraz FeNi wystę- pujących w każdym z wariantów napawania (rys. 5). Niewielki, niewykrywalny metodą XRD, udział węgli- ka M23C6 w napoinie potwierdzono w wyniku dyfrakcji elektronowej (rys. 6). Skład chemiczny napoin Badania składu chemicznego napoin wykonano metodą mikroanalizy rentgenowskiej punktowej. Za- wartość żelaza, pochodzącego z materiału rodzimego, na powierzchni lica napoin trójwarstwowych wykona- nych w atmosferze argonu, wynosi 0,66% wagowych dla napoin o parametrach Q = 620 J/mm oraz wynosi 2,29% wag. dla napoin o parametrach Q = 2100 J/mm. Podobne zależności wykazują napoiny wykonane w at- mosferze dwutlenku węgla. Udział żelaza w napoinach zwiększa się ze wzrostem ilości wprowadzonego cie- pła napawania (tabl. I). Tablica I. Skład chemiczny napoin jedno- i wielowarstwowych Table I. Chemical composition of one- and multilayer padding welds Składnik Ilość wprowadzonego ciepła napawania Q, J/mm 300 300 620 620 2100 2100 Nr warstwy w napoinie I IV I III I III Średnia zawartość składnika w warstwie, % wag. Cr 23,9 23,8 18,5 23,3 19,7 23,6 Fe 2,3 0,2 23,4 0,7 17,4 2,3 Ni 56,3 58,3 40,8 55,9 44,2 55,8 Si 0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 Ti 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,1 Mo 13,8 14,1 16,9 15,3 13,9 14,2 Nb 3,4 3,3 < 0,1 4,3 4,4 3,9 59Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Napawanie z najmniejszą ilością wprowadzone- go ciepła napawania, Q = 300 J/mm powoduje udział żelaza – głównego składnika podłoża w napoinie na średnim poziomie 7%. Napawanie z największą ilością wprowadzonego ciepła napawania, Q = 2100 J/mm, po- woduje udział żelaza w napoinie na średnim poziomie 21% i jest on mniejszy niż w napoinach z Q = 630 J/mm gdzie wartość ta wynosi 28%. Zmniejszony udział pod- łoża w napoinie wysokoenergetycznej wynika z dużej prędkości podawania drutu podczas napawania i wy- wołanej tym dużej wysokości nadlewu. Wyniki wysokotemperaturowego utleniania napoin Badania wysokotemperaturowego utleniania napo- in wykonano metodą termowagową w zakresie tempe- ratury 850÷930oC w czasie 60 h. Najmniejszą odporno- ścią na wysokotemperaturowe utlenianie wykazał się w tych warunkach materiał podłoża, który z dużą szyb- kością pokrywał się warstwą zgorzeliny tlenkowej. Gru- bość warstwy zgorzeliny wynosiła 410 µm po 8 h eks- pozycji w warunkach utleniania. Największą odpornością na wysokotemperaturo- we utlenianie charakteryzował się materiał dodatkowy – Inconel 625. Odporność na wysokotemperaturowe utlenianie na- poin była mniejsza niż materiału dodatkowego i znacz- nie większa niż materiału podłoża (tabl. II). Wytworzenie napoiny wielowarstwowej zdecydowa- nie zwiększa odporność na utlenianie, czego efektem jest wytworzona zgorzelina o grubości 5 µm w czasie ekspozycji wynoszącym 60 h (rys. 7, 8, tabl. II). Skład chemiczny i struktura zgorzelin Badania składu chemicznego zgorzelin wykonano metodą mikroanalizy rentgenowskiej punktowej. Skład chemiczny zgorzelin wykazuje największy udział chro- mu niezależnie od ilości wprowadzonego ciepła napa- wania (tabl. III). Rentgenowska analiza strukturalna utworzonych zgorzelin wykazała, że składnikiem zgorzelin utwo- rzonych na napoinach wykonanych w osłonie argo- nu, jest związek Cr2O3 oraz spinel NiCr2O4 (rys. 9). Do- bra przyczepność zgorzeliny do podłoża zapewnia do- brą ochronę antykorozyjną. W przypadku żadnej napo- iny zgorzelina nie odpadła od utlenianej powierzchni. Odpadnięcie zgorzeliny od podłoża nastąpiło jedynie w przypadku utleniania materiału podłoża. Rys. 7. Obraz EDS zgorzeliny powstałej na powierzchni staliwa 13CrMo4-5, grubość zgorzeliny – 410 µm; A – zgorzelina, B – pod- łoże Fig. 7. EDS image of scale formed on the surface of steel 13CrMo4-5, the thickness of the scale – 410 µm; A scale, B – substrate Rys. 8. Obraz EDS zgorzeliny na powierzchni lica napoiny trój- warstwowej wytworzonej z ilością wprowadzonego ciepła Q = 2100J/mm, grubość zgorzeliny – 5 µm; A – zgorzelina, B – podłoże Fig. 8. EDS image scale on the surface of the three-layer padding weld face formed with heat input Q = 2100J/mm, scale thickness – 5 mm; A – scale, B – substrate Rys. 9. Dyfraktogram zgorzeliny utworzonej na powierzchni lica na- poiny trójwarstwowej wytworzonej z ilością wprowadzonego ciepła Q = 2100J/mm w atmosferze argonu; 1 – Cr2O3, 2 – NiCr2O4 Fig. 9. Diffraction pattern of the scale formed on the surface of three- -layer padding weld face produced with the amount of heat input Q = 2100 J/mm in the argon atmosphere; 1 – Cr2O3, 2 – NiCr2O4 Tablica II. Względna zmiana masy próbek podczas utleniania w zakresie temperatury 850÷930oC w czasie 60 h Table II. Relative weight change of samples during oxidation in the temperature range 850÷930°C during 60 hours Ilość wprowadzonego ciepła napawania Q Miejsce pobrania próbki Przyrost masy, mg/ mm2 13CrMo4-5 – materiał ro- dzimy przed napawaniem powierzchnia głowicy silnika 0,1700 (po 8 h) Inconel 625 – materiał do- datkowy przed napawaniem drut elektrodowy 0,0031 Q = 2100 J/mm lico napoiny trójwarstwowej 0,0069 Q = 620 J/mm lico napoiny trójwarstwowej 0,0048 Q = 620 J/mm lico napoiny jednowarstwowej 0,2205 A B A B 60 Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Wnioski Zastosowanie napawania wielowarstwowe- go zapewnia zmniejszenie ilości pierwiastków po- chodzących z materiału rodzimego, ponieważ dla każdej następnej warstwy napoiny podłożem jest poprzednia. Odporność na korozję gazową napoin z nadsto- pu Inconel 625 na stali 13CrMo4 wzrasta ze wzro- stem liczby ściegów w wyniku zmniejszania się w kolejnych ściegach zawartości pierwiastków sprzy- jających korozji, pochodzących z materiału podłoża. Zgorzelina zawiera głównie pierwiastki takie jak żelazo, nikiel, tlen i w zdecydowanie największej ilo- ści chrom. Zgorzelina utworzona na napoinie w wyniku pro- cesu utleniania składa się z tlenków Cr2O3, oraz NiCr2O4. Największą odpornością na wysokotemperaturo- we utlenianie cechują się napoiny wielowarstwowe wykonane z małą ilością wprowadzonego ciepła na- pawania – Q = 620 J/mm. Tablica III. Skład chemiczny zgorzelin powstałych na materiale rodzimym, materiale dodatkowym i na powierzchni napoin jed- no- i wielowarstwowych Table III. Chemical composition of scale formed on the base material, the filler material and on the surface of single-and multi- layer padding welds Składnik Materiał rodzimy przed napawaniem Materiał dodatkowy przed napawaniem Napoina Ilość wprowadzonego ciepła napawania Q, J/mm 620 620 2100 nr warstwy w napoinie I III III średnia zawartość składnika w warstwie, % wag. Cr - 69,7 72,7 77,1 63,7 Fe 84,5 0,3 2,9 0,1 0,7 Ni - 5,4 1,2 1,3 6,0 O 14,9 19,3 14,6 18,9 17,5 Si 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Ti - 1,3 0,3 0,1 0,2 Mo - 0,8 0,4 < 0,1 1,2 Nb - 0,6 1,3 < 0,1 6,4 Literatura [1] Cho S., Hur J., Seo C., Park S.: High temperature corrosion of superalloys in a molten salt under an oxidizing atmosphe- re, Journal of Alloys and Compounds, 2008 vol. 452, no. 1, pp. 11-15. [2] Jarosiński, J.; Błaszczyk, M., Tasak, E., Napawanie stali sto- sowanych w energetyce stopami na osnowie niklu, Przegląd Spawalnictwa, 1/2007, s. 30-33. [3] Kohler M., Effect of the elevated-temperature-precipitation in Alloy 625 properties and microstructure, Superalloys 718, 625 and Various Derivatives, 1991, s. 363-374. [4] Shankar Vani: Bhanu Sankara Rao, K. Mannan, S.L., Micro- structure and mechanical properties of Inconel 625 superal- loy, Journal of Nuclear Materials, vol. 288, issue 2-3 Febru- ary, 2001, s. 222-232. [5] Nowacki J., Wypych A., Problemy zużycia i modyfikacji war- stwy wierzchniej głowic silników okrętowych, Przegląd Spa- walnictwa 7/2010, s. 2-7. [6] Nowacki J., Wypych A., Mikrostruktura i odporność na wy- sokotemperaturowe utlenianie napoin nadstopu Inconel 625 na stali niskostopowej – Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 5/2010, s. 84-87. [7] Nowacki J., Wypych A., Zrobotyzowane napawanie stali nie- stopowych nadstopami niklu, Biuletyn Instytutu Spawalnic- twa w Gliwicach, 5/2005, s. 58-65. [8] Nowacki J., Wypych A., Termowizyjne badania cyklu ciepl- nego napawania stali niskostopowej żaroodpornym nad- stopem na osnowie niklu, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 5/2008, s. 146-151. [9] Nowacki J., Wypych A., Application of thermovision method to welding thermal cycle analysis, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering – vol. 40, issue 2, June 2010, s. 131-137. [10] Nowacki J., Wypych A., Ocena cyklu cieplnego napawania stali 13CrMo4-5 nadstopem Inconel 625 metodą termowi- zyjną, Przegląd Spawalnictwa 12/2007, s. 3-7.