T92/Super304H異種鋼焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學性能

張 祺，王家慶，陳國宏，劉俊建，化 建，余新海，張 濤，張建華，湯文明

(1. 合肥工業(yè)大學 材料科學與工程學院，合肥 230009；2. 安徽省電力科學研究院，合肥 230601；3. 合肥津利能源科技發(fā)展有限公司，合肥 230601)

國內(nèi)外火力發(fā)電廠為了減少 NOx、SOx和CO2等有毒、有害氣體的排放，節(jié)約能源以及提高熱效率，建設大容量超(超)臨界機組是必然的趨勢。我國將超(超)臨界機組主要工作參數(shù)設定為蒸汽壓大于 25 MPa，蒸汽溫度高于580 ℃[1]，因此，對超(超)臨界機組電站鍋爐用金屬材料也提出了更高的要求。以T92、Super304H為代表的新型馬氏體、奧氏體耐熱鋼是建設超(超)臨界機組過熱器、再熱器的主要管材。T92鋼是在T91鋼的基礎上，用W部分取代Mo而得到的新型Cr-Mo低合金耐熱鋼，具有更高的許用應力、高溫強度和蠕變強度[2]。Super304H鋼是在TP304鋼的基礎上發(fā)展起來的，其中較高的Cr和Ni含量保證了基體單向奧氏體組織狀態(tài)，并具有良好的抗氧化性能，同時，通過添加3% 的Cu及少量的Nb和N，析出納米級富銅相、MX以及M23C6碳化物相以進一步提高其高溫強度[3]。

在超(超)臨界機組(USC)建設中，T92、Super304H同種鋼、異種鋼焊接不可避免。目前，國內(nèi)外已開展了較多的關于 T92、Super304H同種鋼焊接的研究工作[4-7]，研究集中在接頭的蠕變及疲勞失效機制以及接頭的運行可靠性方面[8-10]。但有關 T92/Super304H異種鋼焊接的研究非常少，既制約了電站機組異種鋼焊接技術的發(fā)展，又給電站金屬監(jiān)督及安全管理工作帶來不便。本文作者針對 USC建設常用的 T92、Super304H新型馬氏體、奧氏體耐熱鋼管材，選用ERNiCr-3和ERNiCrMo-3兩種鎳基焊絲，采用GTAW技術，實施T92/Super304H異種鋼的焊接。通過開展焊接接頭的顯微組織結(jié)構(gòu)、接頭熔合區(qū)成分分布和接頭的力學性能等的研究，比較兩種焊絲焊接接頭的差異，為制定合理的T92/Super304H異種鋼焊接工藝提供重要的數(shù)據(jù)支持。

1 實驗

實驗選用規(guī)格為d45 mm×11 mm的 T92和Super304H鋼管。焊接材料選用規(guī)格為直徑2.4 mm的ERNiCr-3和ERNiCrMo-3兩種型號的鎳基焊絲。母材及焊材的化學成分見表1，T92、Super304H鋼的常溫力學性能見表2[11-12]。

T92和Super304H鋼的異種鋼焊接采用ERNiCr-3和ERNiCrMo-3兩種鎳基焊絲焊接，GTAW多層多道焊接工藝，工藝參數(shù)見表3。

焊接接頭經(jīng)外觀檢查和X射線無損檢驗合格后，按SD340—89《火力發(fā)電廠鍋爐、壓力容器焊接工藝評定規(guī)程》的規(guī)定切取試樣。采用5 mm×10 mm× 120 mm帶頭非標試樣，按GB/T 2651—89焊接接頭拉伸試驗方法，在 CMT5105型微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗；采用5 mm×10 mm×55 mm夏比缺口非標試樣，焊縫、熱影響區(qū)中缺口位置均符合GB/T 2650—2008焊接接頭沖擊試驗方法的要求，接頭的室溫沖擊試驗在JB300C沖擊試驗機上進行；用HMV-2型硬度計測定熔合線兩側(cè)的維氏硬度分布；接頭經(jīng)研磨、拋光后，再用Nital試劑(T92側(cè)接頭)、Marble試劑(Super304H 側(cè)接頭)、王水(焊縫金屬)腐蝕，采用JSM-6490掃描電鏡(SEM)觀察接頭的顯微組織結(jié)構(gòu)特征，INCA能譜儀測量接頭熔合線附近的元素成分分布(EDS)；SEM觀察接頭的斷口形貌。

表1 焊材及母材的化學成分Table 1 Chemical compositions of welding wires and base metals (mass fraction, %)

表2 T92和Super304H鋼的常溫力學性能[11-12]Table 2 Mechanical properties of T92 and Super304H steels at room temperature[11-12]

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Procedure for welded joints

2 結(jié)果與討論

2.1 T92/Super304H異種鋼焊接接頭的PWHT態(tài)組織

ERNiCr-3焊接的T92/Super304H接頭的T92側(cè)HAZ及母材的組織結(jié)構(gòu)如圖 1(a)和(b)所示。T92側(cè)HAZ大致可分為過熱區(qū)、粗晶區(qū)和細晶區(qū)。在過熱區(qū)中形成了塊狀δ鐵素體相，這種大塊狀δ鐵素體的形成對接頭的力學性能，特別是高溫力學性能，將產(chǎn)生不利影響[13-14]；焊縫前沿的 HAZ在焊接過程中發(fā)生了完全奧氏體化(T92鋼的奧氏體化溫度為 1 040～1 080 ℃[15])，且奧氏體(γ)晶粒長大，形成粗晶區(qū)。粗晶區(qū)中回火馬氏體(M)分解，板條狀形態(tài)消失，在原M板條間析出細小的碳化物顆粒，同時大量的M23C6型碳化物及MX型化合物顆粒從基體中析出，并彌散分布于晶內(nèi)，起到了彌散強化的作用[16](見圖 1(a))。在遠離焊縫的 HAZ中，焊接過程的熱效應使得原γ晶粒中的M板條發(fā)生回火分解，形成了細小的索氏體組織，為細晶區(qū)(見圖1(b))。Super304H側(cè)的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖1(c)和(d)所示。焊縫與過熱區(qū)之間有3～5 μm厚的熔合區(qū)，Super304H側(cè)HAZ晶粒長大明顯，晶粒尺寸為10～20 μm(見圖1(c))，細晶區(qū)中晶內(nèi)及晶界處析出細小而彌散的第二相顆粒，晶界明顯寬化，晶界析出相呈半連續(xù)狀分布[17](見圖1(d))。焊縫組織為奧氏體鑄態(tài)組織，呈胞狀結(jié)構(gòu)，晶粒粗大(見圖1(e))。在胞狀組織的枝間位置有冶金夾雜物和析出相，同時，胞狀組織間結(jié)合較脆弱，甚至產(chǎn)生了晶界微裂紋(圖1(e)中箭頭所示)。

圖1 T92/Super304H異種鋼焊接接頭PWHT態(tài)組織(ERNiCr-3焊絲)Fig. 1 Microstructures of T92/Super304H dissimilar steel weld joint (ERNiCr-3 weld,PWHT): (a), (b) T92 side HAZ; (c), (d)Super304H side HAZ; (e) Welding seam

ERNiCrMo-3焊接的T92/Super304H接頭的焊縫和T92側(cè)HAZ界面清晰，HAZ同樣由過熱區(qū)、粗晶區(qū)及細晶區(qū)構(gòu)成(見圖 2(a)和(b))。過熱區(qū)中δ相的形成、長大促使碳化物等析出相在焊縫與過熱區(qū)界面富集；粗晶區(qū)中原奧氏體晶界清晰可見，晶界析出相較多，晶內(nèi)碳化物較少，且碳化物沿M板條間界分布的特征已不明顯；細晶區(qū)晶粒尺寸小，大多在5 μm以下，晶界內(nèi)大量析出相顆粒均勻彌散分布，起到彌散強化作用(見圖2(b))。Super304H側(cè)HAZ中的γ晶粒長大明顯，為20～40 μm；晶內(nèi)及晶界析出相的尺寸較大，且分布均勻；HAZ及焊縫間存在約10 μm的熔合區(qū)(見圖2(c))。Super304H側(cè)HAZ的細晶區(qū)晶粒細小，晶內(nèi)與晶界分布著大量細小的第二相顆粒(見圖2(d))[18]。此外，經(jīng)EDS分析，圖2(c)和(d)中箭頭所示的塊狀物可能為固溶處理過程中未溶于基體的NbC(見圖2(e))。焊縫組織致密，呈典型的柱狀晶特征，尺寸分布均勻，同一個焊層內(nèi)的樹枝晶枝干的位向較為一致(見圖2(f))。

2.2 T92/Super304H異種鋼焊接接頭的力學性能

2.2.1 拉伸力學性能

表4所列為T92/Super304H異種鋼焊接接頭室溫拉伸性能。由表4可見，ERNiCr-3焊接接頭的斷裂位置為焊縫，焊縫金屬的強度低于兩側(cè)母材的強度，為整個接頭的薄弱點；相反，ERNiCrMo-3焊接接頭的斷裂位置在Super304H母材，焊縫金屬的強度相對較高。ERNiCrMo-3焊接接頭的強度和塑性指標也都優(yōu)于ERNiCr-3焊接接頭的。

圖2 T92/Super304H異種鋼焊接接頭的焊后熱處理態(tài)組織(ERNiCrMo-3焊絲)Fig. 2 Microstructures of T92/Super304H dissimilar steel weld joint (ERNiCrMo-3 weld, PWHT): (a), (b) HAZ in T92 side; (c), (d)HAZ in Super304H side; (e) EDS spectrum of large particle in Fig. 2(c); (f) Welding seam

表4 T92/Super304H異種鋼焊接接頭室溫拉伸性能Table 4 Tensile properties of T92/Super304H joints at room temperature

圖3 T92/Super304H異種鋼焊接接頭拉伸斷口SEM像Fig. 3 SEM tensile fractographs of T92/Super304H dissimilar steel weld joints: (a), (b) ERNiCr-3 weld; (c), (d) ERNiCrMo-3 weld

ERNiCr-3焊接的T92/Super304H異種鋼接頭拉伸斷裂發(fā)生于焊縫，其斷口特征如圖3(a)和(b)所示。該斷口呈典型的韌性斷口特征：枝間斷口具細密的韌窩結(jié)構(gòu)，韌窩底部有小的顆粒；而枝干呈撕裂狀，塑性良好。ERNiCrMo-3焊接接頭拉伸斷裂發(fā)生于Super304H母材一側(cè)，因此，該拉伸斷口反映出Super304H的斷口特征。整個斷面由纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇3個部分構(gòu)成(見圖3(c))。不論是纖維區(qū)還是放射區(qū)，其微觀斷口均呈韌窩聚集斷裂特征，韌窩大小不一，大韌窩底部明顯有較大的析出相顆粒存在(見圖 3(d)中箭頭所示)；另外，由圖 3(d)還可見沿Super304H鋼奧氏體晶界擴展的二次裂紋。

2.2.2 沖擊性能

表5所列為T92/Super304H異種鋼焊接接頭室溫沖擊韌性。由表5可見，ERNiCrMo-3 焊接的接頭各個區(qū)域，特別是焊縫兩側(cè)的HAZ的沖擊韌性(aK)都較ERNiCr-3焊接接頭的低。這是因為采用ERNiCrMo-3焊絲焊接時，焊縫的熱輸入較高，促進了 T92及Super304H側(cè)HAZ中基體晶粒的長大及碳化物等第二相的析出長大，增加了對基體的割裂作用，導致其沖擊韌性降低。但不論采用哪種焊絲，T92/Super304H異種鋼焊接接頭的沖擊韌性均大于 DL/T 868—2004《焊接工藝評定規(guī)程》中對合金鋼焊縫沖擊韌性不低于27 J/cm2的驗收標準。

表5 T92/Super304H異種鋼焊接接頭室溫沖擊韌性Table 5 Impact toughness of T92/Super304H joints at room temperature

由圖 4(a)和(b)可見，2種接頭焊縫沖擊斷口均呈枝干撕裂及枝間韌窩斷裂的特征。但 ERNiCr-3焊接接頭的焊縫斷面上韌窩細密，韌窩底部析出物少，而ERNiCrMo-3焊接接頭焊縫斷面上韌窩大而淺，韌窩底部密集地分布著大量的析出物。由于 ERNiCrMo-3焊接金屬中添加了6.6 %的Mo，導致大量Mo的金屬間化合物及其碳化物顆粒的形成，在提高焊縫強度的同時，卻也導致了其沖擊韌性的降低。

圖4 T92/Super304H異種鋼焊接接頭焊縫沖擊斷口SEM像Fig. 4 SEM impact fractographs of T92/Super304H dissimilar steel weld joints: (a) ERNiCr-3 weld; (b) ERNiCrMo-3 weld

2.2.3 維氏硬度

圖5 T92/Super304H異種鋼焊接接頭的硬度分布Fig. 5 Vickers hardness values of T92/Super304H dissimilar steel weld joints

圖5所示為T92/Super304H異種鋼焊接接頭的硬度分布。如圖5所示，兩種焊接接頭HAZ的硬度都大于相應母材的硬度，這歸因于T92及Super304H側(cè)HAZ的析出強化。由于ERNiCrMo-3焊接金屬中Mo的固溶強化及Mo碳化物的析出彌散強化作用，其焊縫的強度、硬度均較 ERNiCr-3焊縫有明顯的提高。同時，ERNiCrMo-3焊接接頭的Super304H側(cè)HAZ的硬度也較高，這可能與在焊接過程中碳化物的過度析出長大有關，在造成Super304H側(cè)HAZ硬度增加的同時，也導致其強度、沖擊韌性的降低。相反地，兩種焊接接頭T92側(cè)HAZ的硬度相當。

3 結(jié)論

1) 采用兩種不同焊絲焊接的T92/Super304H異種鋼接頭，組織結(jié)構(gòu)相差不大。T92側(cè)HAZ由塊狀δ鐵素體和沿原γ晶界分布的碳化物顆粒構(gòu)成，細晶區(qū)為細小的索氏體組織。Super304H側(cè) HAZ中的γ晶粒長大明顯，細晶區(qū)中分布著大量的細小的第二相顆粒。ERNiCr-3焊接的焊縫組織呈胞狀結(jié)構(gòu)，晶粒粗大，而ERNiCrMo-3焊接的焊縫組織則呈柱狀晶特征，同一焊層內(nèi)樹枝晶枝干的位向較為一致。

2) ERNiCr-3焊接接頭拉伸斷裂發(fā)生于焊縫，而ERNiCrMo-3焊接接頭拉伸斷裂發(fā)生于Super304H母材，焊縫強度較高，且塑性指標也優(yōu)于 ERNiCr-3焊接接頭。

3) ERNiCrMo-3焊接接頭各微區(qū)的沖擊韌性都較ERNiCr-3焊接接頭的低。兩種接頭的焊縫沖擊斷口均呈枝干撕裂及枝間韌窩聚集斷裂特征。

4) 兩種焊絲焊接的接頭HAZ的硬度都高于相應的母材，歸因于T92及Super304H側(cè)HAZ的析出強化。ERNiCrMo-3焊接接頭的焊縫及 Super304H側(cè)HAZ的硬度較ERNiCr-3焊接接頭的高，而兩種焊接接頭T92側(cè)HAZ的硬度相當。

[1]楊 冬, 徐 鴻. 淺議超超臨界鍋爐用耐熱鋼[J]. 鍋爐制造,2006, 2: 6-8.YANG Dong, XU Hong. Brief discussion on heat-resisting steel for ultra-supercritical boiler[J]. Boiler Manufacturing, 2006, 2:6-8.

[2]RODAK K, HERNAS A, KIELBUS A. Substructure stability of highly alloyed martensitic steels for power industry[J]. Materials Chemistry and Physics, 2003, 81: 483-485.

[3]楊 巖, 程世長, 楊 鋼. Super304H 鍋爐鋼的開發(fā)和研究現(xiàn)狀[J]. 特殊鋼, 2002, 23(1): 27-29.YANG Yan, CHENG Shi-chang, YANG Gang. Present situation of exploiting and research of Super304H steel for boiler[J]. Spec Steel, 2002, 23(1): 27-29.

[4]王根士, 栗卓新, 魏福軍, 李 紅. P92鋼焊接接頭性能及其焊接材料研究進展[J]. 機械工程材料, 2007, 31(8): 1-4.WANG Gen-shi, LI Zhuo-xin, WEI Fu-jun, LI Hong. Progress in research of welding joint properties and welding consumables of P92 steel[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2007, 31(8):1-4.

[5]朱 平, 趙建倉, 柴曉巖, 牛銳鋒, 趙 軍, 劉亞芬.Super304H 奧氏體耐熱鋼焊接材料匹配與接頭性能研究[J].電力設備, 2007, 8(4): 43-46.ZHU Ping, ZHAO Jian-cang, CHAI Xiao-yan, NIU Rui-feng,ZHAO Jun, LIU Ya-fen. Research on the matching of Super304H austenitic stainless steel welding material and the connector performance[J]. Electrical Equipment, 2007, 8(4):43-46.

[6]VYROSTKOVá A, HOMOLOVá V, PECHA J. Phase evolution in P92 and E911 weld metals during ageing[J].Materials Science and Engineering A, 2008, 480: 289-298.

[7]KIM B J, LIM B S. Microstructure and fatigue crack growth behavior of heat affected zone in P92 steel weldment[J]. Key Engineering Materials, 2004, 261/263: 1185-1190.

[8]FALAT L, VYROSTKOVá A, HOMOLOVá V. Creep deformation and failure of E911/E911 and P92/P92 similar weld-joints[J]. Engineering Failure Analysis, 2009, 16:2114-2120.

[9]ABE F, MASAAKI T. Microstructure and creep strength of welds in advanced ferrite power plant steels[J]. Science and Technology of Welding & Joining, 2004, 9(1): 22-30.

[10]BROZDA J. New generation creep-resistant steels, their weldability and properties of welded joints: T/P92 steel[J].Welding International, 2005, 19(1): 5-13.

[11]王淦剛, 趙 軍, 趙建倉, 楊曉東, 遲鳴聲, 甄佳威, 李建勇,朱 平, 劉非凡, 楊 富. P92新型耐熱鋼焊接接頭的力學性能研究及其工程應用[J]. 電力設備, 2007, 8(5): 1-5.WANG Gan-gang, ZHAO Jun, ZHAO Jian-cang, YANG Xiao-dong, CHI Ming-sheng, ZHEN Jia-wei, LI Jian-yong, ZHU Ping, LIU Fei-fan, YANG Fu. Mechanical performance study and engineering application of weld joint of P92 new type heat-resisting steel[J]. Electrical Equipment, 2007, 8(5): 1-5.

[12]李維鉞. 中外不銹鋼和耐熱鋼速查手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008: 347-349.LI Wei-yue. Handbook of the stainless and heat-resistant steels of China and foreign countries[M]. Beijing: China Machine Press, 2008: 347-349.

[13]胡小強, 肖納敏, 羅興宏, 李殿中. 含 W 型 10%Cr超超臨界鋼中δ-鐵素體的微觀結(jié)構(gòu)及其對力學性能的影響[J]. 材料熱處理學報, 2007, 28(增刊): 5-9.HU Xiao-qiang, XIAO Na-min, LUO Xing-hong, Li Dian-zhong.Effects ofδ-ferrite on the microstructure and mechanical properties in a tungsten alloyed 10%Cr ultra-supercritical steel[J].Transactions of Materials and Heat Treatment, 2007, 28(suppl):5-9.

[14]馬力深, 鐘約先, 馬慶賢, 袁朝龍, 董嵐楓.δ鐵素體對12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼沖擊性能的影響[J]. 清華大學學報: 自然科學版, 2008, 48(11): 1187-1190.MA Li-shen, ZHONG Yue-xian, MA Qing-xian, YUAN Chao-long, DONG Lan-feng. Effect ofδ-ferrite on impact properties of 12%Cr rotor steel for ultra-supercritical steam conditions[J]. Journal of Tsinghua University: Sci & Tech, 2008,48(11): 1187-1190.

[15]吳 軍, 鄒增大, 王新洪, 李清明. 控軋控冷T92耐熱鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)研究[J]. 金屬熱處理, 2007, 32(9): 71-73.WU Jun, ZHUO Zeng-da, WANG Xin-hong, LI Qing-ming.Microstructure of T92 heat resistant steel manufacturing by TCMP[J]. Heat Treatment of Metals, 2007, 32(9): 71-73.

[16]楊 富, 章應霖, 任永寧, 李為民. 新型耐熱鋼焊接[M]. 北京: 中國電力出版社, 2006: 158.YANG Fu, ZHANG Ying-lin, REN Yong-ning, LI Wei-min. New heat resistant steel weldment[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2006: 158.

[17]WANG T, ZHANG B G, CHEN G Q, FENG J C, TANG Q.Electron beam welding of Ti-15-3 titanium alloy to 304 stainless steel with copper interlayer sheet[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(10): 1829-1834.

[18]CAO J, GONG Y, ZHU K, YANG Z G, LUO X M, GU F M.Microstructure and mechanical properties of dissimilar materials joints between T92 martensitic and S304H austenitic steels[J].Materials and Design, 2011, 32: 2763-2770.