新型轉子鋼25Cr2Ni4MoV的焊接性及接頭性能

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（東方汽輪機有限公司，四川德陽618200）

0 前言

隨著單機容量的提升，核電汽輪機轉子的體積和質量越來越大，對于容量為1 000 MW超超臨界機組，超凈化大型轉子鍛件的鋼錠質量在20世紀80年代中期就已經達到幾百噸[1]。世界上只有幾家大公司能夠生產大型核電汽輪機轉子鍛件，鍛造生產工藝復雜，技術條件要求高，對生產設備的要求也很高。機組容量增大，汽輪機轉子結構和質量也變得越來越大，現有鍛造設備和技術已經成為汽輪機轉子加工行業(yè)發(fā)展的瓶頸[2]。國內外多家單位都在研究采用焊接其結構替代整體鍛壓的轉子結構[3]。

隨著焊接轉子結構的發(fā)展變化，現有核電低壓轉子用鋼22Cr2NiMo、25Cr2NiMoV、30Cr2Ni4MoV逐漸不適應產品需求，主要不足在于淬透性造成鍛件心部不能滿足要求，影響淬透性的合金元素主要是C、Cr、Ni和 Mn?；谏鲜鲈颍瑖鴥纫?5Cr2NiMoV和30Cr2Ni4MoV為基礎進行成分設計，并經過成分篩選，研發(fā)新的轉子材料25Cr2Ni4MoV[4]。新材料可以作為新一代低壓核電焊接轉子材料、中低壓復合轉子復合轉子[5]。但對于焊接轉子而言，焊接中會難以避免地在接頭處造成成分、組織和力學性能的不均勻性。目前對于新轉子材料的焊接性的研究也鮮有報道，在此對25Cr2Ni4MoV鋼的焊接性展開研究，為未來生產提供指導。

1 試驗材料

試驗材料為經875℃回火25h的25Cr2Ni4MoV鍛件[6]，其主要化學成分如表1所示。焊接性試驗采用GTAW，焊材選用NiCrMo2.5-IG材料，焊接電流80±10 A，電壓 9±1 V，焊接速度 80±5 mm/min，氬氣流量10 L/min。

表1 25Cr2Ni4MoV鍛件主要化學成分 %

2 試驗

2.1 焊接熱影響區(qū)硬度試驗

按照GB4675焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法在5種預熱溫度條件進行試驗，測試結果見圖1。不預熱狀態(tài)，HAZ最高硬度達HV465，平均硬度HV450；預熱100℃，HAZ最高硬度為HV455，平均硬度HV448，當預熱提高到200℃時，HAZ最大硬度值為HV443，平均值HV435，硬度值有所下降；當預熱為300℃時，HAZ最高硬度值為HV450，平均硬度HV440?？梢婎A熱100℃焊接并未對HAZ硬度分布產生明顯影響；預熱300℃時，硬度值沒有進一步下降，反而略有上升，與預熱200℃時非常接近。當預熱溫度提高至400℃時，硬度值出現了較明顯的下降，最高硬度值為HV400，平均硬度只有HV395。結果表明，在300℃以下預熱時，HAZ硬度值沒有出現明顯變化，提高到300℃以上，HAZ的硬度出現明顯的降低。

圖1 25Cr2Ni4MoV熱影響區(qū)硬度變化

圖2 25Cr2Ni4MoV解剖試樣

2.2 斜Y坡口裂紋試驗

按照GB4678對25Cr2Ni4MoV分別在5個溫度下（室溫、100℃、200℃、300℃、350℃）進行斜 Y坡口焊接裂紋試驗，焊后室溫時效處理48 h，結果如圖2所示。采用放大鏡觀察截取的試塊截面，未發(fā)現裂紋、氣孔、未熔合及未焊透等缺陷。預熱溫度為350℃時，底部成形美觀，無氧化膜。

2.3 冷裂紋插銷試驗

按照GB9446焊接用插銷冷裂紋試驗方法分別在3個溫度下（室溫、100℃、200℃）進行試驗測試，結果如圖3所示。在不預熱時臨界斷裂應力為250 MPa，預熱100℃臨界斷裂應力為290 MPa，當預熱溫度為200℃時臨界斷裂應力為700 MPa。材料的屈服強度為760～860 MPa，室溫下的臨界斷裂應力只有屈服強度的30%，冷裂紋很敏感；當預熱100℃時，臨界斷裂應力有一定的提高，為屈服強度的36%，冷裂紋依然很敏感。當預熱溫度提高到200℃時，其臨界斷裂應力增加到屈服強度的86%，抗冷裂紋敏感性大大提高。

圖3 25Cr2Ni4MoV插銷試驗應力時間曲線

3 分析與討論

3.1 接頭常溫力學性能

焊接接頭的強度與母材相當，室溫沖擊性能滿足Akv≥81 J要求[7-8]，熱影響區(qū)沖擊性能低于焊縫，接頭彎曲合格。其韌脆轉變溫度為-20℃，脆斷面積為 50%，滿足 TK（50%）＜-10℃技術要求[9-10]，熱影響區(qū)硬度高于焊縫和母材。接頭力學性能如表2所示，韌脆轉變溫度沖擊性能如表3所示，焊縫上部和根部硬度分布分別如圖4、圖5所示。

表2 接頭力學性能

表3 韌脆轉變溫度沖擊性能

3.2 焊接接頭短時高溫拉伸性能

在300℃下進行高溫短時拉伸試驗，取樣時共分為6層，覆蓋全焊縫厚度，每層取2個共12個試樣。拉伸數據分布如圖6所示，焊接接頭的高溫拉伸試驗結果非常接近，性能非常均勻，300℃高溫拉伸性能約為670 MPa[11-12]。

圖4 焊縫上部硬度分布

圖5 焊縫根部硬度分布

圖6 高溫短時拉伸數據分布

3.3 微觀組織分析

3.3.1 微觀金相

沿母材—熱影響區(qū)—焊縫—熱影響區(qū)—母材方向進行微觀組織分析，如圖7～圖10所示。左側母材組織為回火貝氏體，晶粒度2～3級[13-14]，焊縫為貝氏體與鐵素體組織，熱影響區(qū)為貝氏體組織。

3.3.2 斷口形貌

選擇典型的沖擊試樣斷口進行掃描分析，如11～圖13所示，斷口均由脆性斷裂區(qū)和纖維斷裂區(qū)組成。脆性斷裂區(qū)為沿晶和準解理，隨著預熱溫度的升高，沿晶成分減少，準解理部分增大。裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)域分布著大量的淺韌窩，表明裂紋在此處擴展過程中經歷了較大的塑性變形，韌性較好。局部區(qū)域斷口呈現棱角分明的“巖石狀”形貌[15-16]，裂紋在此處形成撕裂嶺很小的準解理斷裂，附近有少量的淺韌窩，表明斷口在此處斷裂時只需消耗少量能量就沿光滑解理面迅速擴展。

圖7 母材微觀組織

圖8 左側HAZ微觀組織

圖9 焊縫微觀組織

圖10 右側HAZ微觀組織

圖11 室溫下啟裂和擴展區(qū)

圖12 200℃下啟裂和擴展區(qū)

圖13 400℃啟裂和擴展區(qū)

3.4 討論

綜上焊接接頭的常溫力學性能、短時高溫拉伸性能、微觀組織和斷口形貌的分析可知，HAZ的晶界析出物以間斷或者半連續(xù)狀態(tài)分布，這有利于強化晶界；HAZ中未出現粗晶區(qū)，也有利于HAZ提高韌性。雖然HAZ的硬度高于母材，但其韌性并不比母材差，這主要受益于未粗化的晶粒以及細小的析出物對晶界的釘扎作用。相比現有核電低壓轉子用鋼，新型轉子鋼25Cr2NiMoV鋼在成分上的一個顯著變化是添加了微量元素。從微觀組織和斷口形貌可以看出，除了與某些元素形成化合物外，微量元素會以間隙原子形式存在母相中。早期研究表明，當溶質原子與母相原子尺寸差異較大時，由于內表面吸附，小尺寸溶質原子并非均勻分布晶內，而是優(yōu)先分布在晶界層內。另外，晶界處位錯密集，也可吸附大量的溶質原子。因此，內吸附和位錯吸附會導致大量溶質原子在晶界處聚集。

除微量元素對HAZ組織的積極影響外，Mo元素也可能有利于提高HAZ韌性。根據高溫性能可以得出，新型轉子鋼中加入1%V元素，鋼中的V能形成細小彌散的碳化物和氮化物，分布在晶內和晶界，阻礙碳化物聚集長大，提高蠕變強度。V與C的親和力大于Cr和Mo，可阻礙Cr和Mo形成碳化物，促進Cr和Mo的固溶強化作用。但鋼中的V含量不宜過高，否則V的碳化物高溫下會聚集長大，降低鋼的熱強性或使鋼材脆化。鋼中W的作用與Mo相似，能強化固溶體，提高再結晶溫度，增加回火穩(wěn)定性，提高蠕變強度。鋼中Nb和Ni都是碳化物形成元素，可以析出細小彌散的金屬化合物，提高鋼材的高溫強度、抗晶間腐蝕能力和抗氧化能力，改善鋼的焊接性。

4 結論

（1）新型轉子鋼25Cr2NiMoV的冷裂紋敏感性強，焊接時預熱溫度應大于300℃。

（2）焊接接頭常溫力學性能和高溫短時拉伸均達到焊接轉子焊縫金屬強度和塑性要求，焊縫區(qū)的最大硬度為HV390，位于焊縫熱影響區(qū)。

（3）沖擊斷口由脆性斷裂區(qū)和纖維斷裂區(qū)組成，脆性斷裂區(qū)為沿晶和準解理，裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)域上分布著大量淺韌窩。

[1]Roosz A，Halder E，Exner H E.Numerical analysis of solid and liquid diffusion in microsegregation of binary alloys[J].Materials science and technology，1985，1（12）：1057-1062.

[2]Roosz A，Halder E，Exner H E.Numerical calculation of microsegregation in coarsened dendritic microstructures[J].Materials science and technology，1986，2（11）：1149-1155.

[3]Yeum K S，Laxmanan V，Poirier D R.Efficient estimation of diffusion during dendritic solidification[J].Metallurgical Transactions A，1989，20（12）：2847-2856.

[4]Pustal B，Ludwig A，Sahm P R，et al.Simulation of macroscopic solidification with an incorporated one-dimensional microsegregation model coupled to thermodynamic software[J].Metallurgical and Materials Transactions B，2003，34（4）：411-419.

[5]Mortensen A.On the influence of coarsening on microsegregation[J].Metallurgical Transactions A，1989，20（2）：247-253.

[6]Won Y M，Thomas B G.Simple model of microsegregation during solidification of steels[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2001，32（7）：1755-1767.

[7]Matsumiya T.Mathematical analyses of segregations and chemical compositional changes of nonmetallic inclusions during solidification of steels[J].Materials Transactions，JIM，1992，33（9）：783-794.

[8]Ueshima Y，Mizoguchi S，Matsumiya T，et al.Analysis of solute distribution in dendrites of carbon steel with δ/γ transformation during solidification[J].Metallurgical Transactions B，1986，17（4）：845-859.

[9]Koseki T，Matsumiya T，Yamada W，et al.Numerical modeling of solidification and subsequent transformation of Fe-Cr-Ni alloys[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1994，25（6）：1309-1321.

[10]Pustal B，Ludwig A，Sahm P R，et al.Simulation of macroscopic solidification with an incorporated one-dimensional microsegregation model coupled to thermodynamic software[J].Metallurgical and Materials Transactions B，2003，34（4）：411-419.

[11]Mortensen A.On the influence of coarsening on microsegregation[J].Metallurgical Transactions A，1989，20（2）：247-253.

[12]Won Y M，Thomas B G.Simple model of microsegregation during solidification of steels[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2001，32（7）：1755-1767.

[13]Matsumiya T.Mathematical analyses of segregations and chemical compositional changes of nonmetallic inclusions during solidification of steels[J].Materials Transactions，JIM，1992，33（9）：783-794.

[14]Ueshima Y，Mizoguchi S，Matsumiya T，et al.Analysis of solute distribution in dendrites of carbon steel with δ/γ transformation during solidification[J].Metallurgical Transactions B，1986，17（4）：845-859.

[15]Koseki T，Matsumiya T，Yamada W，et al.Numerical modeling of solidification and subsequent transformation of Fe-Cr-Ni alloys[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1994，25（6）：1309-1321.

[16]Thuinet L，Combeau H.A new model of microsegregation for macrosegregation computation in multicomponent steels.Part I:theoretical formulation and algorithm[J].Computational Materials Science，2009，45（2）：294-304.