10%Cr耐熱鋼/鎳基合金焊接接頭高溫疲勞性能

張群兵， 張建勛， 魏文瀾

(1.西安航空學(xué)院，西安 710077；2.西安交通大學(xué)，金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；3.西安石油大學(xué)，西安 710065)

0 前言

9%～12%Cr耐熱鋼以優(yōu)異的高溫蠕變強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)適用性，被廣泛應(yīng)用于超-超臨界火力發(fā)電汽輪機(jī)、鍋爐、管道等關(guān)鍵部件[1-3]。9%～12%Cr耐熱鋼具有較強(qiáng)的冷裂傾向，當(dāng)采用近同質(zhì)焊材，焊前需要對(duì)母材進(jìn)行高溫預(yù)熱以防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生[4-5]；由于鎳基合金焊材塑性較好，可大幅降低接頭的焊接殘余應(yīng)力，焊前不預(yù)熱或者在較低的溫度下預(yù)熱，即可有效抑制冷裂紋的產(chǎn)生。與此同時(shí)，對(duì)于超-超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等大厚壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)、焊接量大，更易產(chǎn)生焊接裂紋[6-7]。因此，常采用鎳基合金焊材對(duì)9%～12%Cr耐熱鋼進(jìn)行焊接以抑制裂紋的產(chǎn)生。但由于元素成分及微觀組織之間的差異，在9%～12%Cr耐熱鋼與鎳基焊縫連接處產(chǎn)生了界面，界面性能的優(yōu)劣將直接影響焊接結(jié)構(gòu)的服役安全。

關(guān)于鋼/鎳基合金異種金屬連接界面的性能研究，Wang等人[8]采用聚焦離子束制備了A508低合金鐵素體鋼/52M鎳基合金異種金屬接頭的透射電鏡試樣，研究結(jié)果表明A508與52M之間的界面有2種類型：Ⅰ型界面，A508與52M由熔合線分開，熔合線兩側(cè)分別為體心立方A508鋼和面心立方52M鎳基合金；Ⅱ型界面，A508與52M之間存在寬度約為1.5 mm的馬氏體區(qū)，該馬氏體區(qū)具有體心立方結(jié)構(gòu)，而馬氏體區(qū)在形貌上與52M鎳基合金相似，難以分辨；相對(duì)于Ⅰ型界面，Ⅱ型界面更寬，元素過渡更平緩；馬氏體區(qū)的耐腐蝕性能介于A508低合金鐵素體鋼和52M鎳基合金之間。

目前，關(guān)于9%～12%Cr耐熱鋼/鎳基合金異種金屬界面組織形態(tài)及力學(xué)性能研究的文獻(xiàn)報(bào)道較少。文中以超-超臨界發(fā)電機(jī)組用10%Cr耐熱鋼/ENiCrFe-1鎳基焊縫焊接接頭為研究對(duì)象，對(duì)界面的微觀組織及其在交變拉-壓應(yīng)力狀態(tài)下的高溫疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)和研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用母材為12Cr10Co3W2MoNiVNbNB耐熱鋼鍛件，其熱處理工藝為淬火+高溫回火。該材料在T92耐熱鋼的基礎(chǔ)上添加了Co，Cr，W，N等元素，并優(yōu)化C，Nb，V等元素配比，在進(jìn)一步提高高溫蠕變強(qiáng)度的同時(shí)，抑制了鐵素體的產(chǎn)生，改善鋼的韌性，屬于第四代新型9%～12%Cr耐熱鋼[9-10]。由于該材料尚未進(jìn)行牌號(hào)命名，其Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)約10%，下文簡稱為“10%Cr耐熱鋼”，焊接材料選用美國原裝進(jìn)口ENiCrFe-1鎳基合金焊條，采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接，母材與焊材的元素成分見表1。疲勞試樣按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 12106：2003《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向應(yīng)變控制法》制備，試樣尺寸如圖1所示。

表1 母材與焊材元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 疲勞試樣示意圖

高溫疲勞試驗(yàn)采用Instron 8862高溫軸向拉-壓疲勞試驗(yàn)機(jī)。采用應(yīng)變控制方式，波形為三角波， 應(yīng)變比為-1，應(yīng)變幅0.8%，應(yīng)變速率為4×10-3s-1，試驗(yàn)溫度為650 ℃。采用德國ZEISS-MERLIN場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行焊接接頭組織觀察，借助掃描電鏡附件EDS能譜儀對(duì)界面及兩側(cè)的元素成分進(jìn)行線掃描，以分析界面的元素過渡情況；采用能譜儀對(duì)疲勞斷口的裂紋啟裂源進(jìn)行元素分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀形貌

圖2是經(jīng)過金相腐蝕之后的 10%Cr 耐熱鋼/ENiCrFe-1鎳基焊縫接頭宏觀形貌。該雙 U 形焊接接頭高度約為70 mm，焊縫最寬處約為40 mm；中間雙U形區(qū)域?yàn)槎鄬佣嗟繣NiCrFe-1鎳基焊縫，焊縫兩側(cè)為10%Cr耐熱鋼。由于10%Cr耐熱鋼和ENiCrFe-1鎳基焊縫耐金相腐蝕性能之間的差異，導(dǎo)致在二者的連接處出現(xiàn)一條明顯的界限?？紤]到二者的連接處實(shí)際上是二維的平面而不是一維的界線，下文中將其統(tǒng)稱為“界面”。

圖2 焊接接頭宏觀形貌

2.2 界面微觀組織及元素分析

2.2.1非聯(lián)生共晶

圖3是經(jīng)過金相腐蝕之后，10%Cr耐熱鋼/ ENiCrFe-1鎳基焊接接頭以界面為中心的背散射掃描電鏡形貌?？梢钥闯觯缑鎯蓚?cè)晶粒形態(tài)差異較大，10%Cr 耐熱鋼含有馬氏體板條等亞晶結(jié)構(gòu)，表面較為粗糙；ENiCrFe-1鎳基焊縫表面光潔，無亞晶結(jié)構(gòu)，在晶界及晶內(nèi)可見少許尺寸較大的析出相。值得注意的是，盡管界面兩側(cè)晶粒形態(tài)差異較大，但是界面兩側(cè)的晶界穿越界面連接成一體。當(dāng)焊縫金屬與基體金屬成分和晶體結(jié)構(gòu)不同時(shí)，在凝固溫度下焊縫金屬的形核就會(huì)出現(xiàn)在熔池邊界處的基體金屬上的非均質(zhì)區(qū)域，熔池邊界處的基體金屬與焊縫金屬的晶體取向關(guān)系是隨機(jī)的。焊縫金屬與它所接觸基體金屬的取向可能保持一致，也可能不一致。因此，焊縫金屬的晶粒取向可以在一定的原子層與母材中特定的原子層取向相平行。在這種情況下，聯(lián)生結(jié)晶的生長方式不能進(jìn)行。文中，10%Cr耐熱鋼和ENiCrFe-1鎳基焊縫的元素成分及晶體結(jié)構(gòu)均不相同，因此，二者之間以非聯(lián)生結(jié)晶的方式結(jié)合在一起。

圖3 界面掃描電鏡形貌

2.2.2元素成分過渡及微觀組織轉(zhuǎn)變

由于10%Cr耐熱鋼與ENiCrFe-1鎳基焊縫的微觀組織和元素成分存在較大差異，需對(duì)界面的微觀組織及元素成分轉(zhuǎn)變情況做進(jìn)一步的研究，結(jié)果如圖4所示。由圖4a可以看出，10%Cr耐熱鋼和 ENiCrFe-1 鎳基焊縫之間的界面實(shí)際上是寬度約為 11 μm 的元素成分過渡區(qū)，在這11 μm狹窄的區(qū)間范圍內(nèi)，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由82%快速下降至20%，Ni元素含量由0.3%快速升高至60%，清晰地呈現(xiàn)了元素成分由Fe基10%Cr耐熱鋼向ENiCrFe-1鎳基焊縫的過渡。此外，由圖4b和圖4c界面微觀組織的局部放大圖可以看出，根據(jù)組織形貌的不同，界面可以分為2個(gè)區(qū)域：界面靠近10%Cr耐熱鋼一側(cè)寬度約6 μm的區(qū)域是定向排列的層狀馬氏體特征區(qū)；而界面靠近ENiCrFe-1鎳基焊縫一側(cè)約5 μm區(qū)間范圍是沒有任何亞晶結(jié)構(gòu)的奧氏體特征區(qū)。

圖4 界面的元素成分過渡及微觀組織轉(zhuǎn)變

2.2.3界面高溫疲勞性能

圖5展示的是10%Cr耐熱鋼/ENiCrFe-1鎳基合金焊接接頭，在650 ℃、應(yīng)變幅為0.8%試驗(yàn)條件下的高溫疲勞斷裂位置形貌。由圖5a試樣宏觀斷裂位置可以看出，在 650 ℃交變拉-壓應(yīng)力狀態(tài)下，試樣高溫疲勞斷裂于10%Cr耐熱鋼/ENiCrFe-1 鎳基焊縫界面附近。由圖4研究結(jié)果已經(jīng)得知，界面區(qū)域狹窄，因此，有必要對(duì)焊接接頭在高溫疲勞狀態(tài)下是否斷裂在界面進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。為此，對(duì)疲勞試樣斷口的裂紋啟裂區(qū)進(jìn)行了元素成分分析，如圖5b所示。圖中黃色虛線邊框表示的是元素成分掃描位置，其結(jié)果見表2?？梢钥闯?，該試樣斷口的疲勞裂紋啟裂區(qū)富含F(xiàn)e，Ni兩種主要元素。由表1已經(jīng)得知，10%Cr耐熱鋼僅富含 Fe一種主要元素，ENiCrFe-1鎳基焊縫僅富含Ni一種主要元素，只有10%Cr耐熱鋼/ENiCrFe-1鎳基焊縫的界面區(qū)域富含同時(shí)富含F(xiàn)e，Ni兩種主要元素。由此可以確定，在650 ℃高溫條件下，10%Cr耐熱鋼/ENiCrFe-1鎳基焊縫界面發(fā)生了高溫疲勞斷裂。將圖5b疲勞斷裂位置與圖4a界面的元素成分對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在高溫疲勞狀態(tài)下焊接接頭疲勞斷裂于界面馬氏體特征區(qū)與奧氏體特征區(qū)的交匯處。這可能是由于微觀組織的不同，界面馬氏體區(qū)與奧氏體區(qū)交界處在高溫下產(chǎn)生了熱應(yīng)力集中，誘發(fā)疲勞裂紋的萌生，從而導(dǎo)致了界面的高溫疲勞斷裂。

圖5 界面的成分過渡及微觀組織轉(zhuǎn)變

表2 圖5b中界面的成分掃描結(jié)果

3 結(jié)論

(1)10%Cr耐熱鋼/鎳基焊縫接頭界面寬度約為 11 μm。在這11 μm狹窄的區(qū)間范圍內(nèi)，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由82%快速下降至20%，Ni元素含量由0.3%快速升高至60%；微觀組織由馬氏體特征轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體特征。

(2)在高溫交變應(yīng)力作用下，10%Cr耐熱鋼/鎳基焊縫接頭疲勞斷裂于界面馬氏體特征區(qū)與奧氏體特征區(qū)的交匯處。