T91-奧氏體不銹鋼異種鋼接頭熱處理工藝研究

王靜鴿，銀潤邦，魯進波，朱超兵，莫其鵬

東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 四川德陽 618000

1 序言

隨著電站鍋爐高參數(shù)，大容量，低排放的發(fā)展歷程，使用的材料等級越來越高，種類也越來越多，目前在100萬kW超超臨界鍋爐的高過、屏過及高再等部件中，既用到T91、T92高等級鐵素體類材料，又用到S30432，HR3C等新型奧氏體不銹鋼材料，在這類產(chǎn)品生產(chǎn)中就不可避免地存在9Cr馬氏體鋼與奧氏體鋼異種鋼的焊接[1]。由于兩類鋼的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、物理性能和力學(xué)性能存在著較大的差異，因此焊接難度較大，對焊接操作及焊后熱處理的要求也比較高。合適的焊后熱處理工藝關(guān)乎著電站鍋爐用鋼的使用性能[2]。

膜式壁管屏中存在高等級材料的異種鋼接頭，該類異種鋼接頭材質(zhì)主要為T91材質(zhì)與奧氏體不銹鋼鋼管對接。此類SA-213T91＋SA-213TP347HFG異種鋼接頭的熱處理工藝，兩種母材的熱處理條件都要考慮，ASME標(biāo)準(zhǔn)及GB/T 16507系列標(biāo)準(zhǔn)中均要求SA-213T91材料制造的受壓件任意厚度的焊接，焊后都必須進行熱處理，在ASME中規(guī)定最低保溫溫度≥705℃，在GB/T 16507.5—2022《水管鍋爐 第5部分：制造》中規(guī)定最低保溫溫度≥730℃。SA-213TP347HFG材料的Fe81類材質(zhì)熱處理在兩種標(biāo)準(zhǔn)中都不做規(guī)定。

依據(jù)GB/T 16507.5—2022中SA-213T91＋SA-213TP347HFG異種鋼最低保溫溫度可達(dá)到705℃。但SA-213T91與奧氏體焊接的異種鋼接頭，焊后熱處理應(yīng)避開脆化溫度敏感區(qū)，防止晶間腐蝕和σ相脆化。一般工廠為熱處理穩(wěn)妥保障，熱處理溫度不會做到最下限，但降低熱處理溫度一方面有利于降低熱處理成本，另一方面在現(xiàn)場服務(wù)、返修條件有限或工況限制時，有利于解決因熱處理溫度高引起熱膨脹應(yīng)力過大而拉裂的問題。目前多數(shù)單位開展了一些關(guān)于SA-213T91以及SA-213TP347HFG 同種鋼、異種鋼的焊接工藝，在焊接接頭的蠕變、疲勞性能、失效機制，以及焊接接頭的運行可靠性等方面的研究工作[3]，還沒有此類異種鋼接頭允許的最低熱處理溫度工藝研究。因此，研究此類異種鋼接頭的最低熱處理溫度就很有必要。此次試驗依據(jù)新版GB/T 16507.5—2022，主要從保溫溫度和保溫時間兩方面來展開不同熱處理工藝研究。分別開展SA-213T91＋SA-213TP347HFG異種鋼接頭在715℃、730℃和750℃3種熱處理溫度，以及在保溫時間1.5h與返修情況下保溫時間3h的組合熱處理工藝研究，共開展715℃×1.5h、730℃×1.5h、750℃×1.5h、715℃×3h、730℃×3h和750℃×3h這6組不同熱處理規(guī)范試驗，為以后類似材料產(chǎn)品的熱處理工藝提供借鑒及參照。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料及焊接條件

試驗?zāi)覆臑棣?3.5mm×11.5mm的SA-213T91鋼管和φ63.5mm×11.5mm的SA-213TP347HFG鋼管，SA-213T91鋼管與SA-213TP347HFG鋼管對接坡口形式如圖1所示。焊接方法采用自動熱絲TIG焊，焊接材料采用ERNiCr-3焊絲，直徑1.0mm，試驗共分6組（編號為YC5、YC3、YC1、YD5、YD3和YD1），6組試樣所需母材均在同一根SA-213T91鋼管與SA-213TP347HFG鋼管上取樣，且所有試樣在同一臺直管熱絲TIG焊設(shè)備上進行焊接，焊接電流130～240A，電弧電壓8.5～13V，直流正接，焊接速度8～14 cm/min，保護氣體99.99% Ar。

圖1 SA-213T91＋SA-213TP347HFG鋼管對接坡口形式

2.2 熱處理工藝

熱處理設(shè)備采用臺車爐，進行整體熱處理。6組試樣不同熱處理工藝如圖2所示。

圖2 6組不同熱處理工藝

2.3 檢測方法

對熱處理后的試件進行化學(xué)成分分析，按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進行力學(xué)性能試驗和宏微觀顯微金相檢測，包括拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度檢測與接頭宏微觀顯微金相檢測，以及T91熱影響區(qū)鐵素體占比測量。具體為每個YC1、YC3、YC5、YD1、YD3和YD5異種鋼接頭，做常溫拉伸2個、面彎2個、背彎2個；常溫沖擊在焊縫區(qū)3個，SA-213T91熱影響區(qū)3個，SA-213TP347HFG熱影響區(qū)3個；維氏硬度在熱影響區(qū)3個、焊縫區(qū)5個、母材區(qū)5個。試樣分別在T/4和T/2處取樣，接頭宏觀、微觀金相檢驗各1組。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 無損檢測結(jié)果

所有異種鋼接頭焊后按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》 規(guī)定的II級進行100%RT檢測，檢測范圍為焊縫及兩側(cè)各100mm區(qū)域，檢測結(jié)果均一次合格。

3.2 母材化學(xué)成分分析

焊縫、母材及焊絲化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。焊縫化學(xué)成分根據(jù)AWS A5.14M：2018《鎳和鎳合金光填充絲和焊絲標(biāo)準(zhǔn)》中對ERNiCr-3焊絲的規(guī)定進行分析，相比原始態(tài)有較大差別的主要是Ni、Fe元素。Ni元素因發(fā)生了一定程度的由焊縫向T91熱影響區(qū)的擴散而降低，F(xiàn)e元素因從T91熱影響區(qū)向焊縫擴散而升高[4]。其余主要成分在焊絲規(guī)定的范圍內(nèi)。

表1 焊縫、母材及焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3.3 常溫力學(xué)性能

常溫力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。從表2可看出，6組熱處理工藝下的抗拉強度相差不大，在609～637MPa之間，其數(shù)值均大于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度的下限值550MPa，滿足NB/T 47014—2011規(guī)定的要求。YD1、YD3和YC5斷裂位置在焊縫上，YD5、YC1和YC3斷裂位置在一側(cè)母材上。YC5（熱處理工藝750℃×3h）抗拉強度最大。每個熱處理工藝試樣分別做2個面彎和2個背彎，結(jié)果顯示6組試樣均無開口缺陷，彎曲性能全部合格。

表2 常溫力學(xué)性能檢驗結(jié)果

從表2還可看出，6組沖擊值具有相同的規(guī)律，接頭中S A-213T91熱影響區(qū)沖擊值最高，焊縫和SA-213TP347HFG熱影響區(qū)沖擊值比較接近，SA-213TP347HFG熱影響區(qū)的沖擊值稍高于焊縫沖擊值，SA-213T91熱影響區(qū)沖擊值高出焊縫約30J。因本試驗制備寬度為5mm的非標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試樣，沖擊吸收能量只需滿足標(biāo)準(zhǔn)值的50%，結(jié)合DL/T 868—2014《焊接工藝評定規(guī)程》中9%～12%Cr馬氏體型耐熱鋼的沖擊吸收能量≥41J的的驗收標(biāo)準(zhǔn)，所有沖擊試驗結(jié)果均滿足＞21J（41J的50%）的要求。

在電廠實際運行過程中，由于此類接頭極易在靠近T91側(cè)焊縫區(qū)域產(chǎn)生裂紋缺陷[5]，結(jié)合張杰等[6]研究此類接頭在不同熱處理工藝下力學(xué)性能最大的差別在于接頭的SA-213T91熱影響區(qū)硬度偏高，沖擊韌度下降，因此對SA-213T91熱影響區(qū)的沖擊性能及硬度進行重點研究。SA-213T91熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值與熱處理工藝關(guān)系如圖3所示。從圖3可看出，6組熱處理工藝下，SA-213T91熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值達(dá)到90J以上，則標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊吸收能量可達(dá)到180J以上，說明此區(qū)域沖擊韌度良好。對比YD1和YC1、YD3和YC3、YD5和YC5可看出，同種熱處理溫度下，保溫時間從1.5h增加到3h，沖擊吸收能量有所下降，結(jié)合圖6的金相推斷增長保溫時間后，晶粒尺寸變大，沖擊吸收能量降低。YD1沖擊吸收能量最大，YC1沖擊吸收能量最小，說明SA-213T91熱影響區(qū)工藝715℃×1.5h沖擊性能優(yōu)于工藝750℃×3h。

圖3 SA-213T91熱影響區(qū)沖擊性能與熱處理工藝的關(guān)系

3.4 硬度檢測

維氏硬度檢測點的位置分布如圖4所示。測量點依次取在熱影響區(qū)3個、焊縫區(qū)5個、母材區(qū)5個，且分別在T/4和T/2處測量，硬度檢測結(jié)果見表3。

表3 硬度檢測結(jié)果（HV10）

圖4 維氏硬度檢測點的位置分布

從表3可看出，SA-213T91熱影響區(qū)的硬度值最大，是整個接頭硬度最高的區(qū)域，檢測表面T/4比中心T/2位置硬度稍高一些。硬度值最高的SA-213T91熱影響區(qū)硬度值沒有超過DL/T 438—2023《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求的290HBW規(guī)范，其他硬度值也在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)，6組熱處理工藝下的硬度值均滿足規(guī)范要求。

異種鋼的焊接在加熱和冷卻過程中速度很快，是一種非平衡狀態(tài)[7]，因此在T91熱影響區(qū)極易形成過飽和馬氏體組織，其中也含過飽和碳原子，會致使晶格發(fā)生畸變，導(dǎo)致馬氏體的硬度和殘余應(yīng)力增大，最終表現(xiàn)為T91熱影響區(qū)硬度最高[8]，而焊后熱處理不充分或回火不足是造成接頭過熱區(qū)硬度偏高的關(guān)鍵原因之一，因此適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚥拍塬@得合格的T91熱影響區(qū)的硬度。

為進一步直觀觀察不同熱處理工藝對硬度的影響，選取T/2位置接頭不同區(qū)域硬度值，如圖5所示。從圖5可看出，在6組熱處理工藝下，接頭硬度呈現(xiàn)相同的變化趨勢，在T91熱影響區(qū)硬度值達(dá)到最高（形成曲線凸點），其余的T91母材、焊縫、TP347母材和TP347熱影響區(qū)硬度波動較為平穩(wěn)。T91母材的硬度平均高于焊縫、TP347母材、TP347熱影響區(qū)的硬度。Y C3的曲線位于所有曲線最上方，說明在730℃×3h熱處理工藝下異種鋼接頭整體硬度最高。其余5組在除T91熱影響區(qū)外曲線位置比較接近，說明在T91母材，TP347母材及TP347熱影響區(qū)，焊縫區(qū)的硬度差距不大。不同熱處理工藝下，差別較大的是T91熱影響區(qū)硬度，對比YD1、YD3和YC1、YC3曲線幾乎重合，可以看出保溫溫度從715℃增加到730℃時，硬度變化不大；對比YD1、YD3、YC1與YC3曲線高于YD5和YC5曲線，可見在715℃和730℃熱處理溫度下T91熱影響區(qū)的硬度大于在750℃熱處理溫度下的硬度，制造廠常規(guī)經(jīng)驗是這類異種鋼接頭一般都執(zhí)行750℃熱處理工藝[9]，因此推測當(dāng)熱處理溫度降低到750℃以下時T91熱影響區(qū)硬度有增大的風(fēng)險。相同保溫溫度下，對比T91熱影響區(qū)YD1和YC1、YD3和YC3、YD5和YC5的曲線很接近，由此可見，隨保溫時間1.5h增加到3h時硬度差別不大，說明在其他工藝條件一致時，熱處理溫度在715～750℃之間延長保溫時間對硬度的影響不明顯。

圖5 接頭不同區(qū)域硬度值

3.5 接頭宏觀和微觀金相組織檢測

6組接頭宏觀，微觀金相均無裂紋和過燒組織，宏觀、微觀金相合格。焊縫組織顯示為奧氏體＋碳化物，T91熱影響區(qū)組織顯示為馬氏體＋少量鐵素體，接頭宏觀，微觀金相檢測結(jié)果見表4。

表4 接頭宏微觀檢測結(jié)果

T91側(cè)母材，焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織如圖6所示。從圖6可看出，異種鋼焊接接頭T91鋼側(cè)熔合線附近發(fā)現(xiàn)明顯的碳遷移特征，沿晶界邊緣析出黑色條狀碳化帶。以此碳化帶為界限，顏色偏淺，偏白的是焊縫組織，顏色偏暗，偏黑的是T91熱影響區(qū)。焊縫區(qū)結(jié)晶形態(tài)主要為等軸晶，黑點狀析出相碳化物彌散分布在等軸奧氏體晶內(nèi)或晶界處。在近表層焊縫附近沿T91側(cè)熔合線形成白色片狀的鐵素體組織和馬氏體。鐵素體的形成是由于靠近焊縫的熔合區(qū)在整個熱影響區(qū)內(nèi)，焊接過程中熱循環(huán)溫度最高且高溫保持時間較長，有利于T91鋼中碳化物的析出和長大，最終導(dǎo)致鐵素體形成[7]。形成的鐵素體大多在原奧氏體晶界上分布，并在隨后的冷卻過程中逐漸合并成塊狀或片狀鐵素體。

圖6 T91側(cè)母材、焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織

對比圖6a～f金相組織可看出，不同熱處理工藝下，金相組織結(jié)構(gòu)形態(tài)相同，但晶粒大小有區(qū)別。對比相同熱處理溫度時，YD1和YC1、YD3和YC3、YD5和YC5金相，可知隨保溫時間從1.5h增加到3h，晶粒尺寸有增大趨勢，等軸晶奧氏體組織增大較明顯。

4 結(jié)束語

1）常溫力學(xué)試驗結(jié)果表明，6種不同熱處理工藝下，抗拉強度相差不大，彎曲無開口缺陷，所有沖擊試驗結(jié)果遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。在750℃×1.5h時SA-213T91熱影響區(qū)沖擊吸收能量最大為129J，所有試樣的拉伸、彎曲、沖擊性能均合格。

2）硬度試驗結(jié)果表明，不同熱處理工藝下所有試樣硬度均滿足規(guī)范要求，SA-213T91熱影響區(qū)在接頭中硬度最高，此區(qū)域在715℃和730℃的硬度高于在750℃時的硬度，推測熱處理溫度低于750℃時，T91熱影響區(qū)硬度有增大風(fēng)險。相同保溫溫度下，延長保溫時間對硬度的影響不明顯。

3）宏觀和微觀金相檢測結(jié)果表明，焊縫組織由條狀奧氏體＋黑色點狀碳化物組成，SA-213T91熱影響區(qū)由少量白色片狀的鐵素體＋馬氏體組成。

綜上所述，6種不同熱處理規(guī)范下接頭力學(xué)性能均合格，滿足工藝質(zhì)量制造要求，確定了SA-213T91＋SA-213TP347HFG異種鋼對接接頭允許的最低熱處理規(guī)范為715℃×1.5h，優(yōu)化了此類異種鋼接頭熱處理規(guī)范，為現(xiàn)場服務(wù)或返修焊接選取合理的熱處理溫度提供了參照。