620 ℃機(jī)組新型馬氏體耐熱鋼12Cr10Co3W2MoNiVNbNB焊接性及接頭性能

張紅濤，熊建坤，何 瑞，余 勇

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)618200）

620 ℃機(jī)組新型馬氏體耐熱鋼12Cr10Co3W2MoNiVNbNB焊接性及接頭性能

張紅濤，熊建坤，何 瑞，余 勇

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)618200）

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼為自主研制的9％Cr～12％Cr高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，與傳統(tǒng)的Cr-Mo-W耐熱鋼相比，具有高溫強(qiáng)度高、抗蠕變性能和抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn)。研究12Cr10Co3W2MoNiVNbNB的焊接性，測(cè)定了焊接接頭的常溫拉伸、彎曲、沖擊、高溫拉伸等。結(jié)果表明，焊接接頭的常溫力學(xué)性能和高溫拉伸均能滿足620℃超超臨界汽輪機(jī)高壓隔板的設(shè)計(jì)和使用要求。

馬氏體耐熱鋼；焊接性；性能

0 前言

基于常規(guī)的發(fā)電系統(tǒng)，提高機(jī)組參數(shù)，發(fā)展高經(jīng)濟(jì)性、高效率的高參數(shù)大容量機(jī)組，成為常規(guī)燃煤電站增效減排的重要途徑，也是燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的主要方向[1]。目前國(guó)內(nèi)正在設(shè)計(jì)和制造再熱蒸汽溫度為620℃的超超臨界機(jī)組。隨著汽輪機(jī)組進(jìn)氣參數(shù)的提高，改進(jìn)材料及性能研究是高參數(shù)機(jī)組發(fā)展的關(guān)鍵[2]。

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB材料是在1Cr11Co3 W3NiMoVNbNB材料基礎(chǔ)上自行研發(fā)的新型優(yōu)質(zhì)12％Cr鋼鍛件材料[3]。Cr12型馬氏體鋼雖有較高的抗氧化性和抗腐蝕性，但回火組織的穩(wěn)定性差，為了強(qiáng)化Cr12型馬氏體不休鋼的性能，在Cr12型馬氏體鋼基礎(chǔ)上加入了Co、W、Mo、V、Nb、N、B等合金元素來(lái)提高該材料的高溫抗蠕變強(qiáng)度，抑制δ鐵素體的產(chǎn)生，改善鋼的韌性[4]。改良的新型優(yōu)質(zhì)12％ Cr鋼的使用溫度達(dá)到630℃，已被廣泛引用于噴嘴導(dǎo)葉、620℃機(jī)組高壓1～3級(jí)隔板及中壓一級(jí)導(dǎo)葉[5]。但該鋼首次應(yīng)用于620℃超超臨界汽輪機(jī)大型焊接件中，其焊接性及焊接接頭性能研究報(bào)道很少。為確保焊接質(zhì)量，有必要深入研究此鋼的焊接性。

1 焊接性分析

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB材料是一種新型馬氏體耐熱鋼，含有多種強(qiáng)化元素（見(jiàn)表1），材料的合金含量高達(dá)17％，屬于高合金鋼，這類(lèi)鋼在焊接時(shí)主要存在如下問(wèn)題[6]：

表1 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼化學(xué)成分％

（1）焊接冷裂紋。冷裂紋是在焊后冷卻過(guò)程中在Ms點(diǎn)以下或在更低的溫度范圍內(nèi)形成的一種裂紋。由表1可知，C、S和P的含量低、純凈度高，具有晶粒細(xì)、韌性高的優(yōu)點(diǎn)，相比較焊接冷裂紋傾向大為降低，基于此類(lèi)新型鐵素體鋼的合金成分含量與實(shí)際施焊條件下的冷裂傾向，傳統(tǒng)碳當(dāng)量評(píng)價(jià)冷裂紋傾向的公式已不再適用，但12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼作為馬氏體耐熱鋼，焊接殘余應(yīng)力較大，焊接熱循環(huán)條件下冷卻速度控制不當(dāng)易導(dǎo)致淬硬的馬氏體組織的形成，焊接接頭剛度過(guò)大或氫含量沒(méi)得到嚴(yán)格控制，一種或幾種因素作用有可能產(chǎn)生冷裂紋，總體來(lái)講該鋼仍具有一定的冷裂傾向。

（2）熱影響區(qū)軟化。馬氏體耐熱鋼在焊接過(guò)程中熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)會(huì)產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，原因是焊接接頭熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)在焊接熱循環(huán)下所承受的溫度均高于Ac1溫度，處于這一溫度區(qū)間的金屬發(fā)生部分奧氏體化，沉淀強(qiáng)化相不能完全溶解在奧氏體中，未溶解的沉淀相在隨后的熱循環(huán)下發(fā)生粗化，降低了該區(qū)域的強(qiáng)度，軟化主要影響高溫持久性能，軟化區(qū)在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后易產(chǎn)生裂紋。焊接過(guò)程的熱循環(huán)對(duì)軟化帶有較大的影響，施焊過(guò)程中增加預(yù)熱溫度、焊接線能量和提高焊后熱處理規(guī)范均會(huì)使軟化帶加寬，因此應(yīng)將整個(gè)焊接過(guò)程中的熱輸入量保持在較低水平，以減小軟化帶寬度，降低其影響。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑殄懠?，力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。焊接材料采用MTS 616/φ1.2實(shí)心焊絲，其化學(xué)成分見(jiàn)表4。焊接接頭采用窄間隙焊氣體保護(hù)焊（NGW）進(jìn)行焊接。

表2 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼室溫力學(xué)性能

表3 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼高溫短時(shí)持久性能

表4 MTS 616化學(xué)成分％

焊前試板預(yù)熱溫度200℃～250℃，焊接層間溫度200℃～300℃，保護(hù)氣體為φ（Ar）80％+φ（CO2）20％富氬氣體，焊接工藝參數(shù)如表5所示。焊接試板緩冷至80℃～100℃時(shí)，對(duì)試板進(jìn)行350℃～400℃的后熱去氫處理，隨后對(duì)試板分別進(jìn)行720℃～740℃保溫12 h和保溫12 h+12 h的去應(yīng)力熱處理。

表5 焊接工藝參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 常溫拉伸試驗(yàn)

常溫拉伸試驗(yàn)方法參照GB/T2651《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。常溫拉伸性能試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)按ASMEⅨ《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》中的要求進(jìn)行評(píng)判，常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 拉伸試樣結(jié)果

由表6可知，拉伸試樣均斷于焊縫，試板進(jìn)行720℃～740℃保溫12 h熱處理的焊縫強(qiáng)度要明顯高

于試板進(jìn)行720℃～740℃保溫12 h+12 h熱處理的試板焊縫強(qiáng)度。因試板焊接采用的低匹配焊接材料，雖然拉伸試樣均斷于焊縫，焊縫的抗拉強(qiáng)度可滿足焊材標(biāo)準(zhǔn)值的要求，故可判斷拉伸試驗(yàn)合格。

3.2 常溫彎曲性能試驗(yàn)

常溫彎曲試驗(yàn)參照GB/T2653《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法》和GB/T14452-93《金屬?gòu)澢W(xué)性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。常溫彎曲試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行ASME《焊接和釬接評(píng)定》中的要求進(jìn)行評(píng)判，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)ASMEⅨ《焊接和釬接評(píng)定》規(guī)定，試樣彎曲到180°后，其每片試樣的拉伸面在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)任何方向上都不得有超過(guò)3 mm的開(kāi)裂缺陷方為合格。由表7可知，試板經(jīng)720℃～740℃保溫12 h熱處理后的彎曲試樣不合格。

3.3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

常溫沖擊韌性試驗(yàn)方法按照GB/T2650《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》和GB/T229-94《金屬夏比缺口沖擊試樣方法》規(guī)定進(jìn)行，焊縫及熱影響區(qū)的常溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，試件經(jīng)720℃～740℃保溫12 h+ 12 h兩次熱處理后，其焊縫、熱影響區(qū)的沖擊韌性明顯比經(jīng)過(guò)720℃～740℃保溫12 h一次熱處理后沖擊性能好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)合格沖擊試樣的熱影響區(qū)及焊縫金屬的常溫沖擊試樣斷口進(jìn)行電鏡掃描，分析其斷口形貌及斷裂形式。典型沖擊斷口電鏡掃描照片如圖1所示。

圖1 沖擊試樣斷口照片

斷口起裂源均為細(xì)小等軸韌窩，說(shuō)明所有的沖擊試樣在斷裂前均發(fā)生了塑性變形，擴(kuò)展區(qū)以解理形貌為主，部分試樣的擴(kuò)展區(qū)為解理+少量細(xì)小韌窩狀形貌，初步分析斷裂區(qū)變形拉長(zhǎng)韌窩，還需進(jìn)一步深入研究。

3.4 硬度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)焊接工藝評(píng)定試件的焊接接頭焊縫及兩側(cè)母材、熱影響區(qū)硬度分布進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)用設(shè)備為美國(guó)標(biāo)樂(lè)BUEHLER生產(chǎn)的5112型維氏硬度計(jì)。各檢測(cè)點(diǎn)維氏硬度值如表9所示，各層硬度分布曲線如圖2、圖3所示。

表9 硬度檢驗(yàn)結(jié)果HV10

圖2 試樣1焊接接頭硬度分布

圖3 試樣2焊接接頭硬度分布

由圖2、圖3可知，試件焊縫硬度均小于350HV10，試件焊接接頭的硬度值合格。由圖2可知，焊接接頭的熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)和臨界較窄的區(qū)域產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。由圖3可知，經(jīng)過(guò)兩次熱處理后焊縫接頭的硬度區(qū)域均勻化。

3.5 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭高溫瞬時(shí)拉伸試驗(yàn)的試樣拉伸時(shí)均斷于焊縫，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，MTS 616焊材熔敷金屬抗拉強(qiáng)度與溫度的曲線如圖4所示[1]，由表10可知，選用MTS 616焊材得到的焊接接頭高溫瞬時(shí)拉伸的試驗(yàn)數(shù)值均高于標(biāo)準(zhǔn)，因此焊接接頭高溫短時(shí)拉伸性能是合格的。

圖4 焊材熔敷金屬抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線

3.6 金相組織分析

焊接接頭金相組織如圖5所示，未發(fā)現(xiàn)任何超標(biāo)的宏觀缺陷，焊接接頭的微觀組織各區(qū)域組織均為回火馬氏體。結(jié)果表明，試驗(yàn)的焊接及熱處理工藝合理，避免了焊接接頭各區(qū)域中淬硬馬氏體組織及過(guò)熱、過(guò)燒組織出現(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）采用MTS616焊材及合理的焊接工藝，其12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼的焊接接頭能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）選用720℃～740℃保溫12 h+12 h熱處理后，焊接接頭金相組織沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒不正常組織，焊接接頭硬度均勻，沖擊性能好。

（3）12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼的焊接接頭高溫瞬時(shí)拉伸的數(shù)值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖5 焊接接頭組織

[1]DZ2.6.67-2009A.汽輪機(jī)用12Cr10Co3W2MoNiVNbNB耐熱鋼鍛件毛坯采購(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]增強(qiáng)，燕平，董建新，等.一種低成本、高性能新型超超臨界氣輪機(jī)材料用高溫合金的組織和性能[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011，23（1）：377-380.

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[4]Huang Xiao.Effect of grain boundary segregation of boron in cast alloy 718 on HAZ microfissuring analysis[J].Acta Materialia，1997，45（8）：3095-3107.

[5]李春曦，葉學(xué)民.燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)的發(fā)展前景[J].鍋爐制造，2002（4）：40-47.

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New martensitic heat-resistant steel 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB weldability and welding joint performance for 620℃USC

ZHANG Hongtao，XIONG Jiankun，HE Rui，YU Yong
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618200，China）

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB steel developed for 9％Cr～12％Cr martensite heat-resistant steel，high strength and compared to the traditional Cr-Mo-W heat resistant steel，with high temperature and high strength，good creep resistance and oxidation resistance，etc.In this paper，research the weldability of 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB，and the determination of the welded joint of room temperature tensile，bending，impact，high temperature tensile，etc.The results show that mechanical properties of welded joint at room temperature and high temperature tensile can satisfy 620℃ultra-supercritical steam turbine design and requirements of the high pressure separator.

martensitic heat-resistant steel；weldability；performance

TG406

A

1001－2303（2016）09－0007-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.02

2016-04-26

張紅濤（1977—），男，河南商丘人，工程師，學(xué)士，主要從事汽輪機(jī)焊接工藝的研究工作。