焊后熱處理溫度對(duì)P92鋼焊縫顯微組織和力學(xué)性能的影響

劉福廣, 李太江, 王彩俠, 梁 軍, 劉立營(yíng),姚兵印, 肖德銘, 史文淵

(1.西安熱工研究院,西安 710032;2.神華國(guó)華(北京)電力研究院,北京 100069;3.天津電力建設(shè)公司焊接培訓(xùn)中心,天津300380)

發(fā)展高參數(shù)、大容量的超超臨界機(jī)組是我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組提高發(fā)電效率、節(jié)能減排的必然趨勢(shì).截止2009年底,我國(guó)已投運(yùn)21臺(tái)1 000 MW 超超臨界機(jī)組,此外還有約170臺(tái)超超臨界機(jī)組訂貨,我國(guó)已成為世界上超超臨界機(jī)組最多的國(guó)家[1-2].在我國(guó)投運(yùn)或即將建設(shè)的超超臨界機(jī)組中,主蒸汽管道或高溫再熱蒸汽管道等高溫高壓部件均普遍采用了SA335 P92鋼.所以,保證P92鋼部件及其焊接接頭的安全和可靠成為發(fā)展超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一.

材料韌性是材料抗脆性破壞的能力.由于P92鋼部件及其焊縫長(zhǎng)期在高溫、高壓工況下運(yùn)行,因此為了保證P92鋼部件在各種工況下的安全,應(yīng)使部件及其焊縫具有一定的韌性儲(chǔ)備[3].為方便起見,各國(guó)規(guī)范中均將材料的韌性以V型缺口沖擊功的形式予以表征,如我國(guó)在GB 5310-2008標(biāo)準(zhǔn)中,與P92鋼相對(duì)應(yīng)的材質(zhì)鋼管母材的縱向缺口沖擊功應(yīng)不低于40 J,硬度不高于250 HBW[4-5].目前,國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)P92鋼進(jìn)行了較多研究,但研究重點(diǎn)大多集中在材料的高溫蠕變性能、析出相的演化規(guī)律或焊接工藝開發(fā)方面[6-13],而緊密結(jié)合我國(guó)超超臨界機(jī)組安裝實(shí)際,有關(guān)P92鋼焊接接頭的焊后熱處理溫度、硬度和缺口沖擊功之間的關(guān)系及其顯微組織變化方面的研究尚鮮有報(bào)道.雖然熱處理溫度和熱處理時(shí)間具有一定的換算關(guān)系[14],但為了與火電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)安裝或檢修實(shí)際相結(jié)合,筆者重點(diǎn)研究了焊后熱處理溫度對(duì)P92鋼焊縫硬度和沖擊性能及顯微組織的影響,并研究了目前焊后熱處理恒溫時(shí)間采用的常規(guī)工藝,為今后P92鋼部件的制造和安裝提供了一定的技術(shù)參考.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用母材為進(jìn)口 P92鋼管道,規(guī)格為355 mm×26 mm,其化學(xué)成分見表1.焊接方法采用手工鎢極氬弧焊打底+焊條電弧焊填充蓋面,焊絲、焊條均選用國(guó)內(nèi)超超臨界機(jī)組建造時(shí)普遍采用的Thermanit M TS 616,其名義化學(xué)成分列于表1.試驗(yàn)用接頭焊接完成后,將管段切割成100 mm×300 mm的試塊進(jìn)行焊后熱處理,熱處理試驗(yàn)在箱式電阻爐中進(jìn)行,焊后熱處理恒溫溫度在700～780℃,溫度間隔為10℃,恒溫時(shí)間為4 h.

焊后熱處理后,經(jīng)無(wú)損探傷檢驗(yàn)認(rèn)為合格,然后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在焊接試件上沿縱向截取沖擊、硬度及金相等試樣進(jìn)行組織性能檢測(cè).沖擊試樣尺寸采用10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)V型缺口沖擊試樣,沖擊試驗(yàn)在RKP450示波沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行;布氏硬度試驗(yàn)在HB-3000C布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,壓頭直徑為5 mm,載荷為 7 355 N;顯微硬度測(cè)量在FM-700顯微硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,測(cè)量規(guī)范:加載為9.8 N,加載時(shí)間為14 s.金相試樣經(jīng)過(guò)機(jī)械打磨和拋光后,用FeCl3鹽酸水溶液腐蝕,在ZEISS Imager A1m光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織;在Fei Quata 400HV掃描電子顯微鏡下觀察沖擊斷口形貌.在JEM-3010高分辨透射電子顯微鏡下進(jìn)行薄膜透射并將試樣組織觀察,采用Oxford INCA能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析,試樣在-40℃下進(jìn)行電解雙噴減薄,電解液為8%高氯酸酒精.

表1 試驗(yàn)用P92鋼的化學(xué)成分及填充焊材的名義成分Tab.1 Chemical composition of P92 steel and nominal composition of filler metal %

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

圖1為不同熱處理狀態(tài)下P92鋼焊縫的光學(xué)金相組織.從圖1(a)可知:焊態(tài)P92鋼焊縫的光學(xué)金相組織為淬火馬氏體組織,原柱狀晶或胞狀晶晶內(nèi)由不同位向的馬氏體板條束組成,沉淀相不明顯.經(jīng)過(guò)740℃、760℃和780℃熱處理后焊縫的金相組織比較接近,均為回火馬氏體組織,原柱狀晶或胞狀晶晶內(nèi)由不同位向的板條馬氏體束組成,原奧氏體晶界及馬氏體板條束界處分布著彌散細(xì)小的沉淀相,見圖1(b)～圖1(d).

圖2為不同狀態(tài)下P92鋼焊縫的TEM照片和能譜分析曲線.從圖2(a)可知:經(jīng)700℃熱處理后,焊縫的基體以板條狀馬氏體為主,板條內(nèi)為纏結(jié)狀的位錯(cuò)胞;沉淀相主要有兩種:一種是沿晶界、馬氏體板條界處分布的呈針狀、棒狀或球狀沉淀相,尺寸分布在50～100 nm;另一種分布在板條內(nèi)部的細(xì)小沉淀相,尺寸分布約為10～15 nm.當(dāng)熱處理溫度上升到740℃時(shí),焊縫基體的板條形貌依然明顯,局部位錯(cuò)通過(guò)多變化形成了等軸亞晶,位錯(cuò)密度比700℃時(shí)低,晶界析出相的最大尺寸已長(zhǎng)大到120 nm左右(圖2(b)).當(dāng)焊后熱處理溫度提高到760℃時(shí),焊縫基體主要由等軸亞晶組成,但局部還保留著板條形貌,位錯(cuò)密度進(jìn)一步降低;晶界或亞晶界沉淀相多呈球狀或圓棒狀,最大尺寸長(zhǎng)大到150 nm左右,晶內(nèi)沉淀相與700℃時(shí)比較,基本沒有長(zhǎng)大(圖2(c)).經(jīng)選區(qū)電子衍射結(jié)合微區(qū)能譜分析,沿晶界或馬氏體板條邊界析出的沉淀相主要為富Cr相的M23C6(圖2(d)和圖 2(e)),M 代表 Cr、Fe元素;從圖2(f)可以看到:亞晶內(nèi)部的細(xì)小沉淀相為富Nb和富V相,結(jié)合文獻(xiàn)[8～10]的研究結(jié)果,可確定該沉淀相為MX相,其中M 代表Nb、V元素,而X代表C、N元素.

圖1 不同熱處理狀態(tài)下P92鋼焊縫的光學(xué)金相組織Fig.1 Optical microstructure of P92 weld metal under different heat treatment conditions

2.2 力學(xué)性能

圖3為在不同熱處理溫度下P92鋼焊縫硬度和缺口沖擊功的變化曲線.從圖3可知:熱處理前焊縫硬度較高,在320～410 HBW,且外壁焊縫硬度高于內(nèi)壁;經(jīng)過(guò)700℃以上熱處理后,不同部位焊縫(外壁附近、中部及內(nèi)壁附近)的硬度趨于一致:經(jīng)700℃恒溫4 h后,焊縫硬度下降到300 HBW附近,隨著熱處理溫度的逐漸提高,焊縫硬度逐漸降低,當(dāng)焊后熱處理溫度達(dá)到760℃時(shí),焊縫硬度降低到230 HBW左右;直至780℃時(shí),硬度開始繼續(xù)下降到220 HBW附近.

從圖3還可以看到:熱處理前焊縫區(qū)的缺口沖擊功極低,只有7.3 J;經(jīng)過(guò)700℃熱處理后,雖然焊縫硬度已降低到300 HBW 左右,但焊縫沖擊功仍低于10 J;隨著焊后熱處理溫度的進(jìn)一步提高,焊縫的沖擊功呈緩慢回升,焊后熱處理溫度高于740℃后,焊縫沖擊韌性上升速率加快,當(dāng)熱處理溫度提高到746℃時(shí),焊縫缺口沖擊功達(dá)到了40 J,此時(shí)硬度降低到250 HBW以下;隨著回火溫度繼續(xù)提高到770℃時(shí),焊縫沖擊功只是小幅提高;當(dāng)焊后熱處理溫度超過(guò)770℃后,焊縫缺口沖擊功繼續(xù)上升到60 J以上.

圖3 在不同熱處理溫度下P92鋼焊縫硬度和沖擊功的變化曲線Fig.3 Variation curve of hardness and impact toughness of P92 weld metal tempered at different temperatures

2.3 顯微硬度

圖4為不同熱處理狀態(tài)下P92鋼焊接接頭的顯微硬度變化曲線.從圖4可知:熱處理前P92鋼焊縫的顯微硬度較高且呈現(xiàn)較大的周期波動(dòng)性,硬度變化范圍在330～475 HV;經(jīng)760℃熱處理后,焊縫區(qū)硬度分布相對(duì)較均勻,基本在240～255 HV,與熱處理前相比,熱處理后的焊縫硬度大幅降低.進(jìn)入熱影響區(qū)后,P92鋼接頭硬度迅速下降,在2.5 mm附近出現(xiàn)達(dá)到谷值后逐漸回升到母材硬度.

圖4 不同熱處理狀態(tài)下P92鋼焊接接頭的顯微硬度變化曲線Fig.4 Variation curve of microhardness of P92 weld joints under different heat treantment conditions

2.4 沖擊斷口

圖5為不同熱處理狀態(tài)下P92鋼焊縫沖擊試樣的斷口形貌.從圖5(a)～圖5(c)可以看到:熱處理前焊縫區(qū)的宏觀斷口基本沒有塑性變形,宏觀斷口主要由擴(kuò)展區(qū)組成;經(jīng)過(guò)740℃和760℃熱處理后,宏觀斷口塑性變形增大,宏觀斷口中可以看到纖維區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和剪切唇.在微觀斷口中,隨著焊后熱處理溫度的提高,纖維區(qū)寬度增大,由焊態(tài)時(shí)的0.1 mm逐漸增加到 740℃、760℃熱處理后的 0.2 mm、1 mm,且纖維區(qū)主要由韌窩組成,擴(kuò)展區(qū)主要由許多自中心向周圍放射的彎曲河流花樣的小斷面組成,多個(gè)小斷面包圍在一個(gè)大斷面里,斷面之間由撕裂棱連接,斷裂形式為準(zhǔn)解理斷裂.在不同熱處理狀態(tài)下,沖擊試樣微觀斷口擴(kuò)展區(qū)的差別在于:隨著熱處理溫度的提高,撕裂棱的變形量增大,如圖5(d)～圖5(f)所示.

圖5 不同熱處理狀態(tài)下P92鋼焊縫沖擊試樣的斷口形貌Fig.5 Fracture morphorlogies of P92 weld metal impact specimen under different conditions

3 分析與討論

在高溫回火過(guò)程中,P92鋼焊縫硬度的下降是基體由板條馬氏體向等軸亞晶轉(zhuǎn)變、沉淀相脫溶析出以及聚集球化和緩慢長(zhǎng)大造成的.由于在P92鋼中添加了Cr、Mo、W 以及V 等合金元素,使 P92鋼過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性提高,即使在空冷條件下也可以得到全馬氏體組織[15-16].由于其含碳量低,因此焊后冷卻的是板條馬氏體組織(圖1(a)).P92鋼焊縫冷卻后,C、N元素對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用及Cr、Mo、W、V等合金元素使基體晶格產(chǎn)生畸變,對(duì)位錯(cuò)滑移造成阻礙作用,使熱處理前P92鋼焊縫的硬度較高(圖3).在圖4中,P92鋼焊縫硬度的波動(dòng)性是由于在反復(fù)焊接熱循環(huán)過(guò)程中,后續(xù)焊道對(duì)先前焊層產(chǎn)生了回火,導(dǎo)致了局部焊縫硬度下降.經(jīng)過(guò)高溫回火,P92鋼焊縫基體開始發(fā)生回復(fù),板條內(nèi)部纏結(jié)狀的位錯(cuò)重新排列成網(wǎng)狀,形成了等軸亞晶,位錯(cuò)密度降低,同時(shí)析出M23C6及MX相,形成了沉淀強(qiáng)化作用.隨著焊后熱處理溫度的提高,M23C6沉淀相逐漸聚集球化,并緩慢長(zhǎng)大,但MX相長(zhǎng)大不明顯(圖2(a)～圖2(c)).這與文獻(xiàn)[16]～文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果一致.上述機(jī)理的綜合作用使P92鋼焊縫由焊態(tài)時(shí)的硬度320～410 HBW下降到760℃熱處理后的230 HBW左右.

材料的夏比缺口沖擊功主要由裂紋形成功和裂紋擴(kuò)展功組成,一旦材料的化學(xué)成分和試驗(yàn)條件確定,缺口沖擊韌性則主要取決于材料的晶粒大小和顯微組織[19-20].隨著焊后熱處理溫度的提高,P92鋼焊縫中C、N元素以及合金元素逐漸脫溶析出,固溶強(qiáng)化作用轉(zhuǎn)化成沉淀強(qiáng)化作用,強(qiáng)度降低(可通過(guò)圖3硬度的變化進(jìn)行表征),塑性得到提高,沖擊試樣斷口的纖維區(qū)變寬(圖5(a)、圖5(c)和圖 5(e)),裂紋形成功增加;P92鋼焊縫沖擊試樣裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的阻力主要源于馬氏體板條束界和柱狀晶晶界,隨著焊后熱處理溫度的提高,小斷面和大斷面連接處的撕裂棱變形量增大(圖 5(b)、圖5(d)和圖5(f)),說(shuō)明對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中消耗的塑性變形功和裂紋擴(kuò)展功均提高.裂紋形成功和裂紋擴(kuò)展功的提高,使得焊縫沖擊功隨著熱處理溫度的提高而增大.此外,從上述分析可知:控制焊接工藝,防止原柱狀晶及晶內(nèi)馬氏體板條束過(guò)度長(zhǎng)大,也是提高P92鋼焊縫沖擊韌性的重要措施之一.

4 結(jié) 論

(1)采用目前常規(guī)的焊后熱處理時(shí)間,當(dāng)焊后熱處理恒溫溫度達(dá)到746℃時(shí),P92鋼焊縫可以獲得與母材接近的力學(xué)性能,即硬度低于250 HBW、缺口沖擊功達(dá)到40 J.

(2)P92鋼焊縫硬度降低、缺口沖擊韌性提高是由于在高溫回火過(guò)程中基體由板條馬氏體向等軸亞晶轉(zhuǎn)變和M23C6、MX相的脫溶析出以及由M23C6的聚集球化和緩慢長(zhǎng)大造成的.

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