固溶處理對(duì)新型奧氏體不銹鋼焊接接頭性能的影響

孫 偉，王 萍

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

固溶處理對(duì)新型奧氏體不銹鋼焊接接頭性能的影響

孫 偉，王 萍

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

主要研究固溶處理對(duì)新型奧氏體不銹鋼(ASME CODE CASE 2328-1)焊接接頭性能的影響。采用光學(xué)顯微鏡觀察和分析了焊縫的顯微組織；采用拉伸試驗(yàn)機(jī)、彎曲試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了焊接接頭的機(jī)械性能。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)固溶處理后，硬度下降，常溫抗拉強(qiáng)度提高，高溫抗拉強(qiáng)度下降，抗腐蝕能力明顯增強(qiáng)。

固溶處理；奧氏體鋼；力學(xué)性能

0 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，到2020年全國(guó)裝機(jī)容量將達(dá)到9.5億kW，其中火電裝機(jī)容量占70%以上。為了提高火力發(fā)電機(jī)組效率，鍋爐的運(yùn)行溫度和壓力將顯著提高。為此，改善鍋爐用鋼及其焊接接頭的性能成為大型電站鍋爐制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

超超臨界(USC)鍋爐受熱面中的高溫過(guò)熱器、再熱器部件長(zhǎng)期處于高溫高壓水蒸汽氧化、高溫?zé)煔庵忻悍垲w粒腐蝕的環(huán)境中，所用鋼材在滿足持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度要求的同時(shí)，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕、抗飛灰沖蝕以及管子內(nèi)壁抗蒸汽氧化等性能。

針對(duì)高參數(shù)、大容量電站鍋爐的使用要求而最新開(kāi)發(fā)的新型奧氏體不銹鋼ASME CODE CASE 2328-1是日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社研制開(kāi)發(fā)的新型奧氏體不銹鋼管，該鋼管不僅具有優(yōu)良的抗高溫腐蝕性，而且抗高溫蠕變強(qiáng)度較普通的奧氏體不銹鋼也顯著提高，持久斷裂性能更加穩(wěn)定。

1 試驗(yàn)材料和方法

ASME CODE CASE 2328-1(0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N)奧氏體不銹鋼管是在ASME SA-213TP304H的基礎(chǔ)上加入適量阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的Cu、Nb、N等微量元素，使其具有較細(xì)的晶粒尺寸，從而達(dá)到高溫強(qiáng)度、長(zhǎng)期塑性和抗腐蝕性能的最佳組合，其許用應(yīng)力值比SA-213TP347H提高約20%，這種優(yōu)良的蠕變斷裂強(qiáng)度是通過(guò)細(xì)小的富銅相在奧氏體基體上的沉淀強(qiáng)化而獲得的。該鋼具有與細(xì)晶粒TP347HFG同樣優(yōu)良的耐蒸汽腐蝕性能。由于ASME CODE CASE 2328-1不含有Mo，W等昂貴的化學(xué)元素，因此其使用經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于18-8鋼系列中的TP347H、TP321H。

這種鋼管在實(shí)際應(yīng)用中，焊接接頭存在兩種使用狀態(tài)，一種是在焊接狀態(tài)下直接使用，一種是焊接接頭經(jīng)過(guò)固溶處理后使用。為了研究固溶處理對(duì)焊接接頭組織和性能的影響，本研究對(duì)常溫和高溫兩種狀態(tài)下焊接接頭的力學(xué)性能、金相組織、硬度、塑性、耐蝕性能進(jìn)行了系統(tǒng)比較。

試驗(yàn)采用鋼管的規(guī)格為φ 54 mm×14 mm，化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示；焊接接頭采用的填充金屬為ERNiCr-3(ASME標(biāo)準(zhǔn)號(hào))，化學(xué)成分如表3所示。

焊接接頭的坡口形式為V型，角度75°。試驗(yàn)采用熱絲TIG焊，工藝參數(shù)如表4所示。

表1 鋼管的化學(xué)成分%

表2 鋼管的力學(xué)性能

表3 鎳基焊材ERNiCr-3的化學(xué)成分%

表4 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的微觀組織

圖1 金相照片

本試驗(yàn)中使用AXIOVERT 200 MAT顯微鏡(CCD圖像采集系統(tǒng))進(jìn)行金相組織觀察，圖1顯示的是兩種狀態(tài)下焊接接頭(包括焊縫、熱影響區(qū)、母材)組織的金相照片。由圖1可以看出，焊縫組織致密，未見(jiàn)氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。熱影響區(qū)非常狹窄，這主要是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中采用水冷裝置對(duì)焊接接頭噴水冷卻，嚴(yán)格控制了層間溫度，加速了焊接接頭的冷卻速度，縮短了焊縫在高溫區(qū)停留時(shí)間，同時(shí)也避免了焊接接頭因敏化而導(dǎo)致抗晶間腐蝕能力下降，保證了焊縫的使用性能。

兩種狀態(tài)下母材的組織均為奧氏體，焊縫和熱影響區(qū)的組織為奧氏體+鐵素體，從微觀組織上分析，固溶處理對(duì)焊接接頭微觀組織的影響很小。從金相照片上可以看出，固溶處理對(duì)焊接接頭組織的影響不是很大，母材和熱影響區(qū)組織為奧氏體，焊縫組織為奧氏體和鐵素體，母材晶粒細(xì)小，熱影響區(qū)晶粒受到熱循環(huán)影響，晶粒過(guò)熱粗化長(zhǎng)大而發(fā)生多邊形擠壓塑性變形，有的晶粒被拉長(zhǎng)，成為不規(guī)則的多邊形。

2.2 焊接接頭硬度分析

試驗(yàn)采用HBRVU-187.5布洛維光學(xué)硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量。兩種狀態(tài)下焊接接頭不同位置的維氏硬度分布曲線如圖2所示。

圖2 硬度比較

從圖2可以明顯看出，焊態(tài)下焊縫的硬度與母材和熱影響區(qū)的硬度相比略有降低，經(jīng)過(guò)固溶處理后，母材的硬度略有降低，而熱影響區(qū)顯微硬度有了很大的下降，這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)固溶處理后，熱影響區(qū)的奧氏體組織得到了充分的恢復(fù)，晶粒間的碳化物或者其他化合物固溶于奧氏體中，使熱影響區(qū)的韌性提高，硬度下降。焊縫區(qū)的硬度經(jīng)過(guò)固溶處理后下降最為明顯，因?yàn)楹附咏宇^采用的填充材料是ERNiCr-3，屬于鎳基合金，焊縫區(qū)的組織為奧氏體+鐵素體，經(jīng)過(guò)固溶處理后，焊縫中的一部分碳元素以化合物的形式固溶于奧氏體晶格中，導(dǎo)致焊縫中的鐵素體含量大大減少，因此硬度降低。

2.3 常溫性能分析

焊接接頭的常溫力學(xué)性能按照《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和ASME的室溫拉伸試驗(yàn)方法測(cè)定，在AG-10TA萬(wàn)能試驗(yàn)拉伸機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，兩種狀態(tài)的焊接接頭的測(cè)試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，試樣均斷于母材。

焊態(tài)和固溶處理后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度如圖3所示，兩種焊接接頭的常溫抗拉強(qiáng)度均高于母材要求的最低值，試驗(yàn)結(jié)果合格。從圖3中可看出，經(jīng)固溶處理后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度有了明顯的提高，這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)固溶處理后，焊縫和熱影響區(qū)的組織更加均勻，焊縫中鐵素體數(shù)量減少，奧氏體數(shù)量增加，固溶處理減少了晶間碳化物和其他化合物的存在，因此抗拉強(qiáng)度有所提高[2]。

圖3 抗拉強(qiáng)度比較

2.4 高溫性能分析

由于這種新型奧氏體不銹鋼主要用于超超臨界的過(guò)熱器、再熱器等高溫部件中，因此本研究中對(duì)焊接接頭的高溫性能進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)這種材料在鍋爐中的使用溫度，確定了在620℃、650℃、700℃三個(gè)溫度下進(jìn)行高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)，測(cè)試焊縫和母材在高溫下的抗拉強(qiáng)度和屈服極限。

試樣按照GB／T4338-1995加工M12-6h圓形拉力棒，以焊接接頭一側(cè)熱影響區(qū)為中心，如圖4所示。

圖4 高溫短時(shí)試樣

從圖5可以看出，拉伸試樣頸縮和斷裂位置均發(fā)生在母材區(qū)域，說(shuō)明這種新型奧氏體不銹鋼焊接接頭的高溫強(qiáng)度高于母材，因?yàn)楹附咏宇^采用鎳基焊材作為填充金屬，而鎳基合金的典型特征就是具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能。

從圖6可以看出，ASME CODE CASE 2328-1焊接接頭高溫短時(shí)抗拉強(qiáng)度、屈服極限均隨試驗(yàn)溫度的升高而降低。由屈服極限和抗拉強(qiáng)度的對(duì)比結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)固溶處理后，抗拉強(qiáng)度和屈服極限均有所降低，但是強(qiáng)度值的變化不大。

2.5 抗腐蝕能力分析

對(duì)于材料的晶間腐蝕性能，通過(guò)對(duì)焊態(tài)接頭和經(jīng)過(guò)固溶處理后的焊接接頭按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T4334.5-2000采用H2SO4-CuSO4溶液腐蝕后，再通過(guò)彎曲試驗(yàn)來(lái)分析固溶處理對(duì)材料抗腐蝕能力的影響。圖7是經(jīng)過(guò)晶間腐蝕后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)試樣的照片，通過(guò)對(duì)彎曲試樣彎曲部位的分析可知，經(jīng)過(guò)固溶處理后，熱影響區(qū)的抗晶間腐蝕能力有了明顯的提高。

圖5 高溫短時(shí)試樣照片

圖6 高溫短時(shí)拉伸試樣強(qiáng)度對(duì)比

引起奧氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)抗腐蝕能力降低的主要原因是鐵素體含量和晶間貧鉻，焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體含量過(guò)高和鉻含量減少，都會(huì)降低奧氏體不銹鋼的抗腐蝕能力，經(jīng)過(guò)固溶處理后，熱影響區(qū)中晶間的碳化物和其他化合物已經(jīng)固溶于奧氏體晶格中，晶間的碳化物和其他化合物的含量大大減少，因此熱影響區(qū)的抗腐蝕能力增強(qiáng)[3-4]。

3 結(jié)論

通過(guò)金相分析、力學(xué)性能和腐蝕試驗(yàn)研究了焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能和抗腐蝕能力。結(jié)果表明：固溶處理對(duì)組織的影響不是很大，母材與熱影響區(qū)的顯微組織均為奧氏體，焊縫的顯微組織為奧氏體+鐵素體，經(jīng)過(guò)固溶處理后，焊縫、母材、熱影響區(qū)的硬度均有所下降，常溫抗拉強(qiáng)度提高，高溫拉伸性能降低，抗腐蝕能力增強(qiáng)。

圖7 晶間腐蝕試樣

[1]胡禮木.酸洗和固溶處理對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2000(3)：83-86.

[2]陳時(shí)東.奧氏體不銹鋼封頭的固溶處理[J].壓力容器，2003，20(4)：50-51.

[3]任學(xué)敏.1Cr18Ni9Ti不銹鋼的化學(xué)熱處理工藝與抗腐蝕性能研究[J].熱力發(fā)電，2001，30(5)：60-62.

[4]徐建蘭，張鄂嬰.奧氏體綱鍋爐管固溶處理問(wèn)題探討[J].發(fā)電設(shè)備，2003(3)：41-42.

Effects of solution treatment on welded joint of new type austenitic steel

SUN Wei，WANG Ping
(Harbin Boiler Co.，Ltd.，Harbin 150046，China)

The effects of solution treatment on welded joint of new type austenitic steel were investigated in this article，optical microscopes were used to observe and analyze the microstructure，tensile and bend testing machines were used to test mechanical properties of welded joint.Results showed that the hardness and the evaluated temperature tensile property of the welded joint is decrease，but the room temperature tensile property is higher and the corrosion resistance property is improved by solution treatment.Key words：solution treatment；austenitic steel；mechanical property

TG407

B

1001-2303(2010)02-00128-04

2010-01-28

孫 偉(1981—)，男，黑龍江海倫人，學(xué)士，主要從事焊接工作。