焊后熱處理溫度和次數(shù)對P91鋼組織及性能的影響

曾凡偉， 謝逍原， 張學(xué)星， 曾 輝， 高淼淼， 陳莉君

(1. 東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司， 四川自貢 643001；2. 中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100040)

P91鋼具有良好的高溫持久強度和抗氧化性，廣泛應(yīng)用于超(超)臨界火力發(fā)電機組的集箱、管道等[1-3]。近年來，部分火電廠發(fā)現(xiàn)其P91鋼材質(zhì)的集箱和管道硬度偏低，不滿足DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求。如果不是P91鋼管原材料本身硬度偏低，那么只能是焊后熱處理超溫(即過回火)或因返修進行的多次焊后處理所致。針對焊后熱處理次數(shù)，文獻[4-5]主要研究了多次回火對P91鋼焊縫組織和性能的影響；對于過回火問題，文獻[6-9]闡述了回火溫度過高，會造成P91鋼母材組織異常、力學(xué)性能下降，其主要對過回火進行了定性分析，未對超溫溫度與性能、組織之間的對應(yīng)關(guān)系進行深入研究。因此，筆者開展了不同焊后熱處理溫度和次數(shù)對P91鋼組織及力學(xué)性能的影響研究，為焊后熱處理P91鋼評估和預(yù)判提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗樣品取自P91鋼管，多次焊后熱處理試樣規(guī)格為d=335.6 mm、δ=68 mm，不同溫度焊后熱處理試樣規(guī)格為d=736 mm、δ=90 mm，并在鋼管上取6塊大小相同的試驗塊，具體見圖1。交貨態(tài)P91鋼管的熱處理狀態(tài)均為正火+回火(750～780 ℃)，顯微組織均為回火馬氏體。

圖1 熱處理試塊取樣示意圖

760 ℃多次焊后熱處理試驗的試樣號記為D0～D5，D0為交貨態(tài)，D1～D5為經(jīng)過1～5次焊后熱處理的試樣。

不同溫度焊后熱處理試驗的試樣號記為G0～G5，G0為交貨態(tài)，其余分別模擬正常溫度焊后熱處理(G1，760 ℃)、略超溫但還未到Ac1溫度的過回火熱處理(G2，790 ℃)、Ac1溫度的過回火熱處理(G3，820 ℃)、略超Ac1溫度的過回火熱處理(G4，850 ℃)、接近Ac3溫度的過回火熱處理(G5，880 ℃)。

760 ℃多次焊后熱處理和不同溫度焊后熱處理試驗方案的保溫時間和冷卻方式相同，即每次焊后熱處理保溫時間均為5 h，300 ℃以上升溫和冷卻速度均不大于50 K/h，冷卻到300 ℃以下后出爐空冷。

交貨態(tài)試樣化學(xué)成分分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)對比見表1。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果 %

1.2 試驗方法

對焊后熱處理試塊按標(biāo)準(zhǔn)加工試樣，采用微機電子控制萬能試驗機(拉伸試樣尺寸d=12.5 mm)、布洛維三用硬度計(硬度試樣檢測范圍為全厚度)和示波沖擊機(沖擊試樣10 mm×10 mm×55 mm)對其進行力學(xué)性能試驗；利用三氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕，采用Nikon MA300型倒置光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM-6610型掃描電子顯微鏡(SEM)對其微觀組織和形貌進行觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

2.1.1 760 ℃多次焊后熱處理后的顯微組織

D0～D5的OM和SEM掃描結(jié)果分別見圖2和圖3。

圖2 D0～D5的OM掃描結(jié)果

圖3 D0～D5的SEM掃描結(jié)果

P91鋼歷經(jīng)5次760 ℃焊后熱處理后，其顯微組織特征相似?；鼗鸢鍡l馬氏體中析出的第二相彌散分布于板條界上，且尺寸比較細小，未出現(xiàn)聚集和長大等現(xiàn)象，這與文獻[4]中得出的4次重復(fù)760 ℃回火對P91鋼焊縫顯微組織影響不是很大的結(jié)論一致。P91鋼中含有大量的合金元素，在760 ℃焊后熱處理(可視為高溫回火)時，回火馬氏體板條并沒有發(fā)生再結(jié)晶，此結(jié)果與束國剛等[10]研究的結(jié)果一致。760 ℃焊后熱處理，隨著熱處理次數(shù)的增加(可視其為回火保溫時間的延長)，其顯微組織結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，主要是由于顯微組織結(jié)構(gòu)變化需要一定驅(qū)動力，760 ℃時原子在晶內(nèi)和晶界的遷移能量有限，不會在短時間內(nèi)出現(xiàn)顯微組織結(jié)構(gòu)的明顯變化。

隨著熱處理次數(shù)的增加，P91鋼顯微組織與交貨態(tài)相比，無明顯差異。晶內(nèi)和板條界上彌散分布細小的第二相，部分第二相顆粒略微有所增大，顆粒大小為0.1～0.3 μm，板條位向有所減弱，組織形態(tài)依舊是回火板條馬氏體，按DL/T 884—2004 《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》進行老化評級，經(jīng)5次回火后的老化級別僅為1.5級(屬于未老化和輕度老化之間)，而交貨態(tài)顯微組織老化級別也是1級(未老化)。顯微組織均滿足GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》、 DL/T 1161—2012 《超(超)臨界機組金屬材料及結(jié)構(gòu)部件檢驗技術(shù)導(dǎo)則》和DL/T 438—2016的要求。

2.1.2 不同溫度焊后熱處理后的顯微組織

G0～G5的OM和SEM的掃描結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 G0～G5的OM掃描結(jié)果

圖5 G0～G5的SEM掃描結(jié)果

P91鋼的Ac1溫度在800～830 ℃，Ac3溫度在890～940 ℃；但通常Ac1溫度和Ac3溫度會根據(jù)化學(xué)成分和加熱速率的變化有微小浮動[11]。

790 ℃回火熱處理時，與760 ℃回火熱處理相比，由于溫度提高導(dǎo)致原子活動能力增強，回火馬氏體板條分解速度加劇，馬氏體板條位向特征逐漸消失，以M23C6為主的碳化物在晶界、板條界和板條內(nèi)不斷析出，聚集長大，并部分呈卵球狀，組織部分老化分解為鐵素體加碳化物。

當(dāng)回火溫度達到820 ℃及更高時，局部區(qū)域發(fā)生重結(jié)晶，溫度越高發(fā)生重結(jié)晶的區(qū)域越多。室溫組織中的鐵素體加碳化物，有部分來自重結(jié)晶相變(A→F+C的相變)，由于相變產(chǎn)生的鐵素體與回火馬氏體老化分解所得鐵素體混在一起，很難區(qū)分。

當(dāng)回火溫度到850 ℃和880 ℃時，此時P91鋼將發(fā)生不完全退火。由于超過Ac1溫度但未達Ac3溫度，致使過熱度不大，相變驅(qū)動力也不大，部分區(qū)域奧氏體無法形核發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變。在慢冷(≤50 K/h)過程中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+碳化物(即A→F+C的相變)，在300 ℃以下的空冷時，由于殘留下來的過冷奧氏體很少，自然新形成的馬氏體量也特別少，甚至可以忽略；而未發(fā)生相變的回火馬氏體的老化組織(鐵素體加碳化物)將繼續(xù)保留下來。故當(dāng)回火熱處理溫度到850 ℃和880 ℃時，最終得到的組織已為鐵素體+碳化物，未發(fā)現(xiàn)新生成的淬火馬氏體。

P91鋼交貨態(tài)的馬氏體板條位向特征明顯，碳化物顆粒細小(0.1～0.4 μm)，呈點狀、桿狀彌散分布于晶內(nèi)和晶界。正常溫度(760 ℃)處理后，顯微組織變化不明顯。當(dāng)溫度達到790 ℃(G2)和820 ℃(G3)時，馬氏體板條位向性開始減弱，碳化物聚集長大，部分碳化物呈卵球狀，組織中度老化。當(dāng)溫度達850 ℃(G4)和880 ℃(G5)時，組織呈完全老化狀態(tài)，碳化物呈卵球狀，較大顆粒直徑近1 μm。

謝航云等[12]提及P91鋼焊后過回火會導(dǎo)致馬氏體板條內(nèi)的多邊化亞晶明顯長大，板條粗化，M23C6碳化物向板條界和原奧氏體晶界聚集長大并呈卵球化。歷經(jīng)5次760 ℃焊后熱處理后所有顯微組織均無此特征，而790 ℃及以上溫度過回火時，組織呈完全老化狀態(tài)，碳化物呈卵球狀，較大顆粒直徑近1 μm，顯微組織特征與謝航云等[12]的研究結(jié)果基本一致。

P91鋼的強化機理為固溶強化、彌散強化和位錯強化。分布于原奧氏體晶界、板條界等位置的M23C6及板條內(nèi)部彌散分布的MX是主要強化相，特定條件下的Laves相也起強化作用。其弱化機理則與強化相反，弱化主要表現(xiàn)為馬氏體板條粗化，板條內(nèi)的多邊化亞晶明顯長大，位錯數(shù)量減少，M23C6粗大且呈卵球化，并向板條界和原奧氏體晶界聚集，馬氏體板條位向特征弱化等[12-14]。

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 760 ℃多次焊后熱處理后的力學(xué)性能

D0～D5的力學(xué)性能試驗結(jié)果見圖6。

圖6 D0～D5的力學(xué)性能

從多次760 ℃焊后熱處理試驗結(jié)果看，隨著熱處理次數(shù)的增加，微觀上顯微組織的表現(xiàn)為馬氏體板條位向特征的輕微弱化，但組織形態(tài)未出現(xiàn)明顯老化，析出的碳化物無熟化特征；宏觀上力學(xué)性能的表現(xiàn)為屈服強度、抗拉強度和硬度的降低，但降幅較小，其組織和力學(xué)性能均滿足ASME SA-335M、GB/T 5310—2017和DL/T 438—2016要求。

2.2.2 不同溫度焊后熱處理的力學(xué)性能

不同溫度焊后熱處理后的力學(xué)性能試驗結(jié)果見圖7。與交貨態(tài)性能相比，760 ℃溫度下焊后熱處理，其力學(xué)性能基本沒有變化。當(dāng)回火熱處理溫度達到790 ℃及以上時，屈服強度、抗拉強度和硬度下降明顯，均已略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，不同熱處理溫度下的沖擊功波動較小，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 G0～G5的力學(xué)性能

3 結(jié)語

(1) 與交貨態(tài)母材相比，歷經(jīng)5次760 ℃焊后熱處理后，P91鋼的顯微組織未明顯老化，仍為回火板條馬氏體，其強度和硬度有所下降，但幅度較小，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 在790 ℃及以上溫度焊后熱處理后，馬氏體分解，碳化物聚集長大并粗化，顯微組織的老化隨溫度的升高而加劇，其強度和硬度下降明顯，已不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。