HR3C焊接接頭700℃長期時效后的組織與性能分析

張學鵬，王 萍

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

HR3C焊接接頭700℃長期時效后的組織與性能分析

張學鵬，王 萍

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

對HR3C鋼焊接接頭在700℃長期時效后進行了力學性能、系列沖擊試驗，采用光學顯微鏡對焊縫的顯微組織進行了觀察與分析。結果表明，HR3C焊接接頭在700℃長期時效后拉伸性能良好，但晶界和晶內均有化合物析出，彎曲試樣已發生脆斷。

時效處理；HR3C；焊接接頭

0 前言

HR3C(25Cr-20Ni-Nb-N)即ASME CODE CASE 2115是日本住友金屬工業株式會社研制開發的新型奧氏體不銹鋼管。HR3C(SA-213TP310HCbN)是TP310耐熱鋼的改良鋼種，與普通的TP310鋼化學成分的區別僅在于添加了質量分數為0.20%～0.60%的Nb和質量分數為0.15%～0.35%的N，使新鋼種的高溫性能大大提高。其蠕變斷裂強度的提高主要是在鋼時效過程中析出了NbCrN，NbCrN氮化物非常細小而且特別穩定，即使長時間時效，組織也很穩定，大大提高了蠕變斷裂強度，同時加入微量的N對抑制σ相的形成、改善韌性也有好處。

HR3C主要用于超超臨界(USC)火力發電機組鍋爐受熱面中的高溫過熱器、再熱器等部件，使用溫度700℃，長期處于環境惡劣的條件之下，因此所用鋼材在滿足持久強度、蠕變強度要求的同時，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕和抗飛灰沖蝕性能、管子內壁抗蒸汽氧化性能，所以采用具有抗煙氣腐蝕、抗高溫腐蝕和高溫蒸汽氧化能力強的高鉻鎳奧氏體鋼HR3C。

隨著國內電站鍋爐向大容量、高參數的方向迅猛發展，鍋爐行業在制造大容量、高參數超超臨界鍋爐所需要的HR3C鋼必將越來越多，因此，掌握HR3C鋼的焊接工藝和焊后的力學性能就顯得尤為重要。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗采用HR3C鋼管的規格為φ 54mm×14 mm，化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 HR3C化學成分 %

表2 HR3C力學性能(常溫)

1.2 試驗方法

試驗的所有力學性能試樣均為在鋼管對焊后縱向取樣，焊材選用ERNiCr-3(ASME標準號)，化學成分如表3所示。

試驗采用脈沖熱絲鎢極氬弧焊，工藝參數如表4所示。

表3 鎳基焊材ERNiCr-3的化學成分%

表4 焊接工藝參數

為了更好地模擬焊接接頭長期在高溫服役的實際情況，對HR3C的焊接接頭進行了高溫時效試驗，試驗在高溫長均熱區試驗電爐中進行。根據HR3C在超超臨界鍋爐中的使用溫度，本試驗的時效溫度為700℃，腐蝕介質為空氣，時間分別為0，300 h，1 000 h，3 000 h，10 000 h，時效處理后對焊接接頭進行拉伸、彎曲、沖擊、金相、硬度等試驗，考核其焊接接頭微觀組織的穩定性以及是否有σ相析出[1]。

使用AXIOVERT 200 MAT顯微鏡(CCD圖像采集系統)進行金相組織觀察，采用RKP-300型沖擊試驗機進行沖擊試驗，在AG-10TA萬能試驗拉伸機進行拉伸試驗。

2 試驗結果和分析

2.1 微觀組織分析

HR3C焊接接頭室溫焊縫和熱影響區的微觀組織為奧氏體+少量鐵素體，母材為奧氏體。

圖1顯示的是經過300h、1000h、3000h、10000h時效處理后母材(350×)、焊縫(350×)和熱影響區(350×)微觀組織的金相照片。

從圖1可以看出，焊接接頭的組織狀態與時效處理時間關系密切，經過長時間時效處理后，HR3C焊接接頭的金相組織發生了一些變化。經過300 h時效處理的母材試樣晶界有斷續碳化物析出，晶內碳化物析出不明顯，隨著時效時間的增加，晶界碳化物逐漸呈連續狀分布，晶內析出逐漸增加，當時效時間達10 000 h時晶內析出已經非常明顯。

焊縫金相組織為γ固溶體和少量的鐵素體，經過300 h時效處理的試樣枝晶偏析較明顯，在枝晶偏析處有少量顆?；衔锎嬖?，柱狀晶晶界處有細小不連續的化合物析出。隨著時效時間的增加晶界化合物逐漸增加并且長大，晶內枝晶間也有彌散的化合物析出，并且隨時間的增加，化合物集聚并長大。當經過10 000 h時效處理后，枝晶間可見保持一定位向的針狀析出物。

由于在焊接過程中采用水冷裝置對焊接接頭噴水冷卻，嚴格控制了層間溫度，加速了焊接接頭的冷卻速度，縮短了焊縫在高溫區域的停留時間，使得熱影響區非常狹窄。熱影響區金相組織形貌和變化趨勢基本與母材相同，只是熱影響區晶界碳化物稍多些，時效試樣靠近熔合線處晶界和晶內可見碳化物呈密集顆粒狀或碎塊狀析出[2]。

2.2 沖擊試驗分析

焊縫區域韌性沖擊值與時效時間的關系如圖2所示，由圖2可以看出，沖擊值隨著時效時間的增加呈下降趨勢，當時效時間超過3 000 h后，焊縫的韌性沖擊值趨于穩定，始終維持在100 J左右。

究其原因：焊接接頭采用的填充材料是ERNiCr-3，屬于鎳基合金，這種鎳基合金含有質量分數約20%的Cr，Cr是穩定合金表面最重要的元素，它在焊縫表面形成抗氧化和抗腐蝕的保護層Cr2O3，阻止了金屬元素向外擴散和O、S和其他有害元素向內擴散，增強了焊縫的抗氧化和熱腐蝕能力。另外，這種鎳基合金中加入了Nb、Ti、Co等多種微量元素，這些微量元素的化合物固溶于γ晶格中，提高了奧氏體相的穩定性[3]。

圖1 焊接接頭金相照片

圖2 焊縫沖擊值

圖3 熱影響區沖擊值

時效時間的增加導致晶界和晶內析出的化合物增多，焊縫組織中微量元素的固溶強化作用減弱，焊縫韌性降低。但當時效時間超過3 000 h后，晶界的針狀析出物數量基本保持不變，微量元素的固溶作用消失，焊縫的韌性趨于穩定。

熱影響區沖擊值與時效時間的關系如圖3所示，由圖3可以看出，隨著時效時間的增加，韌性沖擊值明顯下降，當時效時間超過1 000 h后，熱影響區的韌性沖擊值已經低于31 J，而且從沖擊試樣斷口形貌看，母材已脆化。

究其原因：隨著時效時間的延長，晶界和晶間化合物析出都隨之增加，并逐漸呈連續狀分布，導致了焊縫的韌性沖擊值急劇下降。

2.3 拉伸試驗分析

經過時效處理后的焊接接頭拉伸試驗按照《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》和ASME的室溫拉伸試驗方法測定，測試結果合格，試樣均斷于焊縫區位置。

拉伸試驗值如圖4所示。由圖4可知，經過長時間高溫時效處理后，焊接接頭拉伸試驗結果合格，均高于母材要求的最低值，并且均斷于焊縫區域，說明這種焊接接頭的拉伸性能并沒有隨著時效時間的增加而降低。斷裂位置發生在焊縫區域，說明母材的強度高于焊縫，主要是因為經過時效處理后母材晶間有化合物析出，降低了母材韌性，但拉伸強度卻有明顯的提高。

圖4 拉伸試驗值

2.4 彎曲試驗分析

彎曲試驗數據如表5所示。從表5可以看出，時效時間達到3 000 h后，焊接接頭的塑性仍然良好，所有彎曲試驗結果均合格；經過10 000 h時效后所有焊接接頭均在彎曲時發生脆斷，斷裂位置發生在熱影響區附近的母材上，主要是因為晶間化合物的析出導致母材塑性不足而發生斷裂，從斷口形貌分析為脆性斷口。

表5 彎曲試驗

2.5 硬度試驗分析

硬度試驗值如圖5所示。由圖5可知，經過300h、1 000 h、3 000 h時效處理后，焊縫、熱影響區和母材的硬度變化不大；而經過10 000 h時效處理后，焊縫、熱影響區和母材的硬度卻有了明顯的提高，說明經過10 000 h時效處理后，焊接接頭的組織已經發生了明顯的改變，其中母材和熱影響區的硬度明顯高于焊縫的硬度。

圖5 硬度試驗值

3 結論

(1)經過長時間高溫時效后，焊縫、母材、熱影響區的金相組織都發生了明顯的改變，晶界和晶內均有化合物析出。

(2)焊縫沖擊值隨著時效時間的增加呈下降趨勢。當時效時間超過3 000 h后，韌性沖擊值趨于穩定，始終維持在100 J左右；而熱影響區的韌性沖擊值則隨著時效時間的延長下降明顯，當時效時間超過1000h后，熱影響區的韌性沖擊值已經低于31 J，而且從沖擊試樣斷口形貌看，母材已脆化。

(3)經過長時間高溫時效處理后，焊接接頭拉伸試驗結果合格，均高于母材要求的最低值，并且均斷在焊縫區域。

(4)彎曲試驗結果顯示，當時效時間達到3 000 h后，焊接接頭的塑性仍然良好，所有彎曲試驗結果均合格；經過10 000 h時效后，所有焊接接頭均在彎曲時發生脆斷，斷裂位置發生在熱影響區附近的母材區域。

(5)經過300h、1000h、3000h時效處理后，焊縫、熱影響區和母材的硬度變化不大，而經過10 000 h時效處理后，焊縫、熱影響區和母材的硬度明顯提高。

[1]臧華勛，肖學山.新型耐蝕超級奧氏體不銹鋼中的高溫析出相[J].鋼鐵2009(2)：44-47.

[2]戴 偉.奧氏體不銹鋼焊接接頭在超高溫服役中的顯微結構轉變研究[D].湖北：武漢理工大學，2002.

[3]孫明慧.HP40Nb和HP45NbTi鎳基高溫合金爐管的焊接[D].甘肅：蘭州理工大學，2007.

Analysis of microstructure and properties of HR3C welded joint aged at 700℃for long time

ZHANG Xue-peng，WANG Ping
(Harbin Boiler Co.Ltd.，Harbin 150046，China)

The mechanical properties，serial impact toughness of the welded joint aged at 700℃for long time of HR3C were tested in this paper，optical microscopes were used to observe and analyze the microstructure.The tests show that the welded joints aged at 700℃for long time of HR3C have good tensile property，but the compounds have precipitated from the inside and borderline of grain，the bend samples have ruptured absolutely.

aging treatment；HR3C；welded joint

TG457.1

B

1001-2303(2010)02-00122-04

2010-01-28

張學鵬(1981—)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，主要從事焊接工作。