退火處理對(duì)P91鋼管TIG焊接頭組織結(jié)構(gòu)及性能的影響

李彬坡，劉 鵬，趙寶中，許文濤

(1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰竞穗婍?xiàng)目管理部，山東濟(jì)南250013;2.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101)

0 前言

T91/P91鋼以其良好的高溫持久強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能，在電力行業(yè)電站鍋爐的過熱器、再熱器及主蒸汽管道上獲得越來越多的應(yīng)用［1－3］。盡管 T91/P91鋼在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究已有十多年的歷史，而且在掌握該類鋼種的焊接工藝方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但是在施工現(xiàn)場(chǎng)施焊時(shí)，該類鋼的不良焊接質(zhì)量問題仍時(shí)有發(fā)生，尤其是在T91/P91鋼的管座焊接中問題更為普遍，如管座焊縫內(nèi)存在顯著的裂紋、數(shù)量不少的夾渣、焊縫根部存在未焊透現(xiàn)象等。而上述缺陷的產(chǎn)生往往與焊后熱處理?xiàng)l件下接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)［4－5］，因此對(duì) T91/P91鋼管座接頭進(jìn)行顯微組織和硬度試驗(yàn)和分析，尤其是分析退火工藝對(duì)接頭組織和性能的影響規(guī)律，將為該類材料的焊接工藝優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)施工提供一定的試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，具有重要的工程研究意義。

本研究主要分析退火處理前后P91鋼管接頭進(jìn)行金相組織和硬度，研究退火處理對(duì)焊縫及熱影響區(qū)組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及硬度變化分布等的影響。

1 試驗(yàn)材料和工藝

試驗(yàn)采用P91鋼管，牌號(hào)為10Cr9Mo1VNb。鋼管規(guī)格φ35 mm×9 mm:焊前坡口附近15～20 mm的油、漆、垢、銹、毛刺等清理干凈。預(yù)熱方式采用柔性陶瓷電阻加熱，預(yù)熱溫度200℃ ～250℃，升溫速度100℃/h，層間溫度保持為300℃ ～350℃。焊后先冷卻到100℃ ～120℃，恒溫1～2 h，再進(jìn)行焊后退火熱處理，退火處理溫度為760℃ ±10℃，恒溫時(shí)間不小于6 h，冷卻至室溫。該研究過程中選取750℃和770℃的退火溫度。

P91鋼管采用鎢極氬弧焊(TIG)進(jìn)行焊接，焊絲選用90S －B9，規(guī)格 φ2.5 mm，氬氣流量15 L/min，焊接電流100～110 A，電壓25～30 V。TIG接頭焊后采用線切割方法制備金相試樣，采用40%HNO3+酒精混合溶液進(jìn)行試驗(yàn)腐蝕處理，利用金相顯微鏡觀察接頭焊接區(qū)組織結(jié)構(gòu);利用HVS－1000型顯微硬度計(jì)對(duì)接頭的硬度分布進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)中加載力為300 g，加載時(shí)間15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 退火處理對(duì)母材組織結(jié)構(gòu)影響

P91耐熱鋼的供貨組織為回火馬氏體，晶粒較為細(xì)小。750℃退火處理后，P91耐熱鋼的母材組織為回火馬氏體，呈細(xì)小片狀組織(見圖1a)。770℃退火處理后，P91耐熱鋼的組織為回火馬氏體，組織形態(tài)更接近片狀馬氏體(見圖1b)。

2.2 退火處理對(duì)HAZ組織結(jié)構(gòu)影響

未經(jīng)退火處理的P91耐熱鋼管座焊接接頭的熱影響區(qū)的顯微組織為粗大的板條馬氏體(見圖2a)。P91耐熱鋼管焊接接頭750℃退火處理后，熱影響區(qū)的顯微組織為片狀馬氏體(見圖2b)，與退火處理前相比，殘余奧氏體相對(duì)較少。770℃退火后P91鋼管接頭熱影響區(qū)為片狀馬氏體組織，其中灰色為馬氏體基體，白色為殘余奧氏體(見圖2c)，其組織結(jié)構(gòu)與750℃退火后熱影響的組織無太大差異。

圖1 母材退火處理后顯微組織特征

金相分析表明，退火后的P91鋼管焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織發(fā)生了明顯的變化，由粗大的板條馬氏體轉(zhuǎn)變成片狀馬氏體，且殘余奧氏體的數(shù)量減少。由于在退火處理時(shí)，熱影響區(qū)的馬氏體組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨著馬氏體形成溫度的下降，其形態(tài)由條狀向片狀過渡，亞結(jié)構(gòu)由位錯(cuò)變?yōu)閷\晶。退火處理時(shí)，由于溫度較高，馬氏體在形成時(shí)滑移的臨界分切應(yīng)力較低，滑移比孿生更易發(fā)生，亞結(jié)構(gòu)中殘留大量位錯(cuò)［6］。同時(shí)，由于溫度較高，奧氏體和馬氏體的強(qiáng)度均較低，相變時(shí)應(yīng)力的松弛可以同時(shí)在奧氏體及馬氏體中以滑移方式松弛，從而有利于條狀馬氏體的形成，但隨著形成溫度的降低，不均勻切變方式逐漸過渡為以孿生方式進(jìn)行，從而使得條狀馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺铖R氏體。但750℃和770℃退火處理后，接頭熱影響區(qū)的顯微組織并無太大差異，這與溫度差選擇過小有關(guān)。

圖2 退火處理前后熱影響組織結(jié)構(gòu)

2.3 退火處理對(duì)焊縫區(qū)(WZ)組織結(jié)構(gòu)影響

退火前的P91耐熱鋼管接頭焊縫為板條馬氏體組織，馬氏體內(nèi)部具有高密度位錯(cuò)的亞結(jié)構(gòu)(見圖3a)。750℃退火處理后P91耐熱鋼管接頭焊縫組織為針狀馬氏體，針狀馬氏體的大小不一(見圖3b)，此外在馬氏體周圍有殘余奧氏體存在［6］。770℃退火處理后P91耐熱鋼管接頭焊縫組織為片狀馬氏體(見圖3c)，殘余奧氏體的晶粒大小比750℃退火處理焊縫殘余奧氏體稍大一些。且770℃退火處理后，組織中存在一定鐵素體組織(黑色組織)。

圖3 退火處理前后焊縫組織結(jié)構(gòu)

分析表明，退火處理前后P91耐熱鋼管接頭焊縫組織發(fā)生了明顯變化，焊縫區(qū)組織呈現(xiàn)板條馬氏體向針狀和片狀馬氏體轉(zhuǎn)變過程，這對(duì)于P91耐熱鋼管TIG焊接頭力學(xué)性能有一定的影響。

2.4 退火處理對(duì)接頭硬度分布影響

如圖4所示，未進(jìn)行退火處理前，焊接接頭硬度分布起伏變化較大，母材區(qū)域硬度約為270 HV，熱影響區(qū)硬度最高達(dá)450 HV，而焊縫區(qū)硬度也達(dá)到400 HV。750℃退火處理后，P91耐熱鋼管焊接接頭的不同區(qū)域硬度變化幅度相對(duì)較小，母材的硬度約為220 HV，熱影響區(qū)的硬度約為270 HV，而焊縫硬度為250～260 HV。與退火處理前相比，硬度分布發(fā)生了顯著變化。770℃退火處理后，P91耐熱鋼管焊接接頭的硬度與退火處理前相比也發(fā)生了明顯的變化，熱影響區(qū)和焊縫的硬度值明顯下降，母材的硬度約為240 HV，熱影響區(qū)的硬度約為300 HV，而焊縫的硬度為240～270 HV。其中熱影響區(qū)和焊縫的硬度值與750℃退火處理相比偏高。

圖4 退火處理前后接頭顯微硬度分布

結(jié)合顯微組織分析結(jié)果，退火處理后熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的硬度產(chǎn)生了較大變化，趨于平緩，這主要是由于熱影響區(qū)和焊縫區(qū)原有的板條馬氏體組織經(jīng)過退火后轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧罨蚱瑺铖R氏體組織。此外，770℃退火處理后，熱影響區(qū)和焊縫中的組織除了針狀馬氏體外，還存在一定的鐵素體組織，局部區(qū)域形成了針狀馬氏體+鐵素體組織，該類型組織的硬度往往高于單一針狀馬氏體組織［6］，但低于板條狀馬氏體。因此770℃退火處理后這些區(qū)域的硬度明顯低于退火處理前的硬度，但略高于750℃退火處理后的硬度。

3 結(jié)論

(1)未退火處理的P91耐熱鋼管接頭熱影響區(qū)組織為粗大的板條馬氏體，退火后接頭熱影響區(qū)顯微組織發(fā)生了明顯的變化，由粗大的板條馬氏體轉(zhuǎn)成片狀馬氏體，且殘余奧氏體的數(shù)量減少。退火前P91耐熱鋼管接頭焊縫為板條馬氏體組織，馬氏體內(nèi)部具有高密度位錯(cuò)的亞結(jié)構(gòu)。退火處理后接頭焊縫組織為針狀或片狀馬氏體，馬氏體周圍有殘余奧氏體存在，且770℃退火處理后，組織中存在一定鐵素體組織。

(2)未進(jìn)行退火處理前，焊接接頭硬度分布起伏變化較大，熱影響區(qū)硬度最高達(dá)到450 HV，焊縫區(qū)硬度也達(dá)到400 HV。退火處理后P91耐熱鋼管接頭各區(qū)域硬度變化趨于平緩，熱影響區(qū)的硬度為270～300 HV，焊縫的硬度為240～270 HV。770℃退火處理后焊接接頭熱影響區(qū)和焊縫的硬度與750℃退火處理相比稍高。硬度分布的變化與焊縫及熱影響區(qū)組織結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。

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［1］ 劉 川，朱伏先，王 平，等.電站鍋爐管用T91鋼研究現(xiàn)狀［J］.鋼管，1999，28(2):9 －12.

［2］ 徐德錄，郭 軍，陳玉成.T91鋼的性能及在我國(guó)電站鍋爐中的應(yīng)用前景［J］.電力建設(shè)，1999(2):12－16.

［3］ 黃 穎.T91/P91鋼管在電站鍋爐上的應(yīng)用［J］.發(fā)電設(shè)備，1998(3):26－30.

［4］ 王 然，賀明賢.熱處理對(duì)T91鋼金相組織及顯微硬度的影響［J］.金屬熱處理，2000(11):6－8.

［5］ 李 鵬，郭 軍，徐德錄.T91鋼及其異種鋼焊接接頭裂紋敏感性分析［J］.電力建設(shè)，1999(7):20－23.

［6］ Hyde T H，Sun W，Becker A A，et al.Creep properties and failure assessment of new and fully－repaired P91 pipe welds at 923 K［J］.Journal of Material Design and Applications，2004，218(3):211 －222.