新型耐熱HR3C／T92異種鋼接頭的顯微組織和性能

李新梅，張忠文，杜寶帥，彭憲友

（山東電力集團公司電力科學研究院，濟南250002）

0 引 言

不同種類的耐熱鋼因化學成分、組織結構、物理及力學性能差異較大，異種鋼焊接時存在熔合區(qū)過渡層脆化和碳遷移擴散等問題［1］，因此異種鋼焊接接頭是連接件的一個薄弱環(huán)節(jié)。T92 鋼是在T91鋼基礎上通過鉬、鎢聯(lián)合強化得到的一種細晶鐵素體耐熱鋼，HR3C鋼是在TP310鋼基礎上通過添加鈮、氮得到的一種奧氏體耐熱鋼［2］，二者因具有良好的高溫強度和抗氧化性而成為超超臨界（USC）機組過熱器和再熱器的首選材料，因此在USC機組中存在大量HR3C／T92異質鋼接頭。

由于T92鋼和HR3C鋼在我國應用歷史不長，對其焊接工藝、組織和性能等有待于深入研究和認識，尤其是對HR3C／T92 異種鋼接頭更需深入研究。目前在此異種鋼焊接方面的研究主要集中在ERNiCr-3（82 類 合 金）和ERNiCrMo-3（625 合 金）兩種鎳基焊材方面［3-7］，但82類合金焊絲焊縫的高溫蠕變強度不夠，并且抗硫化性能也較差，而625合金焊絲焊縫具有較高的焊接熱裂紋敏感性，抗硫化性能也較差，并且焊縫組織經長期高溫時效后還可能出現(xiàn)較強的高溫析出脆化趨勢［8-9］，因此上述兩種鎳基焊材能否滿足USC 機組長期服役的要求還有待進一步商榷。目前尚未見采用HIG-370鎳基焊絲對HR3C和T92鋼進行焊接的報道。為此，作者采用HIG-370 鎳基焊絲，通過手工鎢極氬弧焊（GTAW）對HR3C 和T92 鋼 進 行 焊 接，得 到 了HR3C／T92鋼異質接頭，并研究了接頭的顯微組織和力學性能，為USC機組中新型鐵素體耐熱鋼／奧氏體耐熱鋼異質接頭的焊接積累技術數(shù)據(jù)，從而為機組的安裝和檢修提供指導。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用鋼分別為瓦盧瑞克·曼內斯曼鋼管公司提供的T92鋼管和日本住友公司提供的HR3C 鋼管，其規(guī)格為φ45mm×9mm；配套焊絲為HIG-370鎳基焊絲，其規(guī)格為φ2.4 mm，由日本住友公司提供，該焊絲除了采用鉬、鈮聯(lián)合強化外，還添加了少量銅，以降低熱裂敏感性。試驗鋼及鎳基焊絲的化學成分見表1。

T92鋼中存在非ASTM 標準規(guī)定元素銅，其質量分數(shù)約0.11%，少量的銅可以穩(wěn)定蠕變斷裂強度，抑制δ鐵素體的形成。HR3C 鋼中存在非GB 5310標準規(guī)定元素鉬，這有利于改善鋼的高溫蠕變斷裂強度，提高奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能［10］；其余元素中除氮、硼和鋁因標樣原因沒檢測到外基本都在標準規(guī)定的范圍內。

HR3C 鋼、T92鋼及其焊接接頭的常溫力學性能標準要求如表2所示［2，11］。

將HR3C和T92鋼管加工出“V”形坡口，置于45°固定后實行管管對接施焊，焊接方法為手工鎢極氬弧焊（GTAW），直流正接，單面焊雙面成形，高頻引弧，保護氣體為純度大于99.99%的氬氣。焊接時采用較小的焊接熱輸入量以防止熱影響區(qū)過熱，焊接過程中采用多層多道焊，具體焊接工藝參數(shù)見表3。點固焊前采用氧乙炔中性火焰對T92鋼進行預熱，預熱溫度為150℃，并利用遠紅外測溫儀檢測層間溫度（溫度應為150～200℃）。全部焊接操作完成后，將焊件緩慢冷卻至室溫，再及時進行（760±5 ℃）×1h焊后熱處理。

表1 試驗鋼和焊絲的化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Chemical compositions of test steels and solder wire（mass） %

表2 試驗鋼和焊接接頭的常溫力學性能標準值Tab.2 Standard specifications for mechanical properties of test steels and welded joint at room temperature

表3 焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding process parameters

1.2 試驗方法

熱處理完成后，對接頭進行外觀檢測并經X 射線探傷合格后，利用機械方法加工金相試樣和力學性能檢測試樣。采用王水腐蝕焊縫、HR3C 鋼及其熱影響區(qū)，采用三氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕T92鋼及其熱影響區(qū)，在MEF-4M 型光學顯微鏡下觀察接頭的顯微組織。通過D／max-rc型X 射線衍射儀確定接頭組織中的相組成，銅靶，掃描范圍20°～90°，加速電壓45kV，電流100 mA，掃描速度2（°）·min-1，步進0.020°，連續(xù)掃描。采用TH-160型里氏硬度計測試接頭的硬度。采用WES-600D 型液壓萬能試驗機進行常溫拉伸試驗［11］和彎曲試驗，彎曲試驗時分別取兩個面彎試樣和兩個背彎試樣，壓頭直徑和支座間距分別為40mm 和57mm，試樣彎曲180°后檢查。接頭力學性能試樣按DL／T 868《焊接工藝評定規(guī)程》制備，拉伸試樣尺寸為210 mm×24mm，中間接頭部分寬度為12mm；彎曲試樣尺寸為185mm×20mm×管子壁厚。將焊縫和T92鋼側熱影響區(qū)加工成沖擊試樣［11］，試樣規(guī)格為10mm×5mm×55mm，“V”型缺口，采用JB-30型沖擊試驗機進行沖擊試驗，每個位置各取3個試樣取其平均值作為該試樣的沖擊功。 采用AMRAY1830型掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見，T92鋼及其熱影響區(qū)（HAZ）的組織為低碳板條馬氏體，其中T92鋼的馬氏體板條尺寸均勻細小，在基體上分布有析出相，而熱影響區(qū)因受到焊接熱循環(huán)作用使得馬氏體板條尺寸較大，析出相數(shù)量較多且尺寸較大；焊縫處的組織特征為胞狀枝晶，基體組織為單一奧氏體相，在奧氏體晶界和枝晶界分布有析出相；HR3C 鋼及其熱影響區(qū)組織為單一奧氏體基體，并分布有析出相，奧氏體晶粒尺寸不均勻，靠近熔合區(qū)的晶粒明顯較大。

圖1 HR3C/T92異種鋼焊接接頭的顯微組織Fig.1 Microstructure of HR3C/T92 dissimilar steel welded joint：（a）T92 steel；（b）HAZ close to T92 steel；（c）welding line；（d）HAZ close to HRC steel and（e）HRC steel

圖2 HR3C／T92異種鋼焊接接頭的XRD譜Fig.2 XRD pattern of HR3C／T92dissimilar steel welded joint

由圖2可見，焊縫和HR3C 鋼的基體組織為奧氏體（A）相，焊縫中的析出相為M23C6和NbC，HR3C鋼中的析出相主要為M23C6和Nb（C，N），另外組織中還應存在NbCrN 析出相［2］，但其含量較少而未被檢測出；T92 鋼基體為Fe-Cr固溶體（α相），析出相為M23C6，該組織中還應有NbC 存在［2］，因為含量較少而未被檢測出。

2.2 拉伸和彎曲性能

進行室溫拉伸試驗的兩個試樣均斷于T92 鋼母材上，這說明HR3C／T92異種鋼接頭的強度高于T92鋼的。由表4可知，兩個拉伸試樣的抗拉強度、伸 長 率 均 高 于T 9 2鋼 和HR 3C鋼 規(guī) 定 的 最 小 值620 MPa，這說明HR3C／T92鋼焊接接頭的常溫拉伸性能滿足要求。

表4 HR3C／T92異種鋼焊接接頭的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of HR3C／T92 dissimilar steel welded joint

四個彎曲試樣內、外彎曲表面均無裂紋產生，試樣表面完好，這說明HR3C／T92異種鋼焊接接頭彎曲性能符合要求。

2.3 沖擊性能

常溫沖擊試驗結果表明，焊縫的沖擊功（43J）遠低于T92側熱影響區(qū)的沖擊功（70J）。這是因為焊縫金屬的胞狀枝晶與T92鋼的組織不同，其對沖擊功的能量吸收有較大差別，同時焊縫組織中的析出相主要沿晶界和枝晶界分布，這會進一步降低焊縫的韌性；T92鋼側熱影響區(qū)的韌性是粗晶區(qū)、細晶區(qū)等整個熱影響區(qū)綜合韌性的反映，在一定的組織狀態(tài)下能夠表現(xiàn)出較高的沖擊功。

由圖3可見，焊縫的沖擊斷口起伏不平，在奧氏體柱狀晶界和胞狀樹枝晶界存在明顯的撕裂棱，而焊縫斷口所具有的胞狀枝晶特點表明焊縫結晶形態(tài)對韌性產生了一定影響；T92鋼熱影響區(qū)沖擊斷口也呈典型的韌窩斷裂形態(tài)，韌窩內可觀察到析出相顆粒和明顯的滑移線，斷口起伏不平，這表明試樣在斷裂過程中吸收了較多的能量。

圖3 HR3C/T92異種鋼焊接接頭沖擊斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of impact fracture of HR3C/T92 dissimilar steel welded joint：（a）welding line and（b）HAZ close to T92 steel

2.4 硬 度

由圖4可見，HR3C鋼的硬度最高，T92鋼側熱影響區(qū)的硬度最低。由于接頭各個區(qū)域的化學成分和組織形態(tài)不同，因此其硬度值也存在一定差異。HR3C鋼為固溶處理后的過飽和固溶體，經焊后熱處理后固溶體中析出的碳、氮化合物起到沉淀強化效果，使HR3C鋼具有較高的硬度。HR3C 鋼側熱影響區(qū)經歷了焊接熱循環(huán)后，組織中碳、氮化合物的數(shù)量發(fā)生了變化，導致其硬度略低于HR3C 鋼母材的。焊縫組織是鑄造組織，為典型的胞狀枝晶形態(tài)，組織中的析出相主要沿枝晶界分布，同時由于材料的不同使得焊縫硬度較低。T92鋼側熱影響區(qū)的硬度與T92鋼母材的基本相當，這說明采用的熱處理工藝是適宜的。

圖4 HR3C／T92異種鋼接頭的硬度Fig.4 Hardness of HR3C／T92dissimilar steel welded joint

3 結 論

（1）采用GTAW 焊接方法，用HIG-370鎳基合金焊絲對HR3C鋼和T92鋼進行異種鋼的焊接，獲得了強度、塑韌性良好的焊接接頭，其中拉伸試樣斷裂于T92鋼母材處。

（2）焊縫基體組織為奧氏體胞狀枝晶，組織中的析出相主要為M23C6和NbC；HR3C鋼及熱影響區(qū)的組織為奧氏體和M23C6、Nb（C，N）析出相，而T92鋼及熱影響區(qū)的組織則為回火馬氏體和M23C6析出相。

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