新型耐熱HR3C／T92異種鋼接頭的顯微組織和性能

李新梅，張忠文，杜寶帥，彭憲友

（山東電力集團公司電力科學研究院，濟南250002）

0 引 言

不同種類的耐熱鋼因化學成分、組織結構、物理及力學性能差異較大，異種鋼焊接時存在熔合區過渡層脆化和碳遷移擴散等問題［1］，因此異種鋼焊接接頭是連接件的一個薄弱環節。T92 鋼是在T91鋼基礎上通過鉬、鎢聯合強化得到的一種細晶鐵素體耐熱鋼，HR3C鋼是在TP310鋼基礎上通過添加鈮、氮得到的一種奧氏體耐熱鋼［2］，二者因具有良好的高溫強度和抗氧化性而成為超超臨界（USC）機組過熱器和再熱器的首選材料，因此在USC機組中存在大量HR3C／T92異質鋼接頭。

由于T92鋼和HR3C鋼在我國應用歷史不長，對其焊接工藝、組織和性能等有待于深入研究和認識，尤其是對HR3C／T92 異種鋼接頭更需深入研究。目前在此異種鋼焊接方面的研究主要集中在ERNiCr-3（82 類 合 金）和ERNiCrMo-3（625 合 金）兩種鎳基焊材方面［3-7］，但82類合金焊絲焊縫的高溫蠕變強度不夠，并且抗硫化性能也較差，而625合金焊絲焊縫具有較高的焊接熱裂紋敏感性，抗硫化性能也較差，并且焊縫組織經長期高溫時效后還可能出現較強的高溫析出脆化趨勢［8-9］，因此上述兩種鎳基焊材能否滿足USC 機組長期服役的要求還有待進一步商榷。目前尚未見采用HIG-370鎳基焊絲對HR3C和T92鋼進行焊接的報道。為此，作者采用HIG-370 鎳基焊絲，通過手工鎢極氬弧焊（GTAW）對HR3C 和T92 鋼 進 行 焊 接，得 到 了HR3C／T92鋼異質接頭，并研究了接頭的顯微組織和力學性能，為USC機組中新型鐵素體耐熱鋼／奧氏體耐熱鋼異質接頭的焊接積累技術數據，從而為機組的安裝和檢修提供指導。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用鋼分別為瓦盧瑞克·曼內斯曼鋼管公司提供的T92鋼管和日本住友公司提供的HR3C 鋼管，其規格為φ45mm×9mm；配套焊絲為HIG-370鎳基焊絲，其規格為φ2.4 mm，由日本住友公司提供，該焊絲除了采用鉬、鈮聯合強化外，還添加了少量銅，以降低熱裂敏感性。試驗鋼及鎳基焊絲的化學成分見表1。

T92鋼中存在非ASTM 標準規定元素銅，其質量分數約0.11%，少量的銅可以穩定蠕變斷裂強度，抑制δ鐵素體的形成。HR3C 鋼中存在非GB 5310標準規定元素鉬，這有利于改善鋼的高溫蠕變斷裂強度，提高奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能［10］；其余元素中除氮、硼和鋁因標樣原因沒檢測到外基本都在標準規定的范圍內。

HR3C 鋼、T92鋼及其焊接接頭的常溫力學性能標準要求如表2所示［2，11］。

將HR3C和T92鋼管加工出“V”形坡口，置于45°固定后實行管管對接施焊，焊接方法為手工鎢極氬弧焊（GTAW），直流正接，單面焊雙面成形，高頻引弧，保護氣體為純度大于99.99%的氬氣。焊接時采用較小的焊接熱輸入量以防止熱影響區過熱，焊接過程中采用多層多道焊，具體焊接工藝參數見表3。點固焊前采用氧乙炔中性火焰對T92鋼進行預熱，預熱溫度為150℃，并利用遠紅外測溫儀檢測層間溫度（溫度應為150～200℃）。全部焊接操作完成后，將焊件緩慢冷卻至室溫，再及時進行（760±5 ℃）×1h焊后熱處理。

表1 試驗鋼和焊絲的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical compositions of test steels and solder wire（mass） %

表2 試驗鋼和焊接接頭的常溫力學性能標準值Tab.2 Standard specifications for mechanical properties of test steels and welded joint at room temperature

表3 焊接工藝參數Tab.3 Welding process parameters

1.2 試驗方法

熱處理完成后，對接頭進行外觀檢測并經X 射線探傷合格后，利用機械方法加工金相試樣和力學性能檢測試樣。采用王水腐蝕焊縫、HR3C 鋼及其熱影響區，采用三氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕T92鋼及其熱影響區，在MEF-4M 型光學顯微鏡下觀察接頭的顯微組織。通過D／max-rc型X 射線衍射儀確定接頭組織中的相組成，銅靶，掃描范圍20°～90°，加速電壓45kV，電流100 mA，掃描速度2（°）·min-1，步進0.020°，連續掃描。采用TH-160型里氏硬度計測試接頭的硬度。采用WES-600D 型液壓萬能試驗機進行常溫拉伸試驗［11］和彎曲試驗，彎曲試驗時分別取兩個面彎試樣和兩個背彎試樣，壓頭直徑和支座間距分別為40mm 和57mm，試樣彎曲180°后檢查。接頭力學性能試樣按DL／T 868《焊接工藝評定規程》制備，拉伸試樣尺寸為210 mm×24mm，中間接頭部分寬度為12mm；彎曲試樣尺寸為185mm×20mm×管子壁厚。將焊縫和T92鋼側熱影響區加工成沖擊試樣［11］，試樣規格為10mm×5mm×55mm，“V”型缺口，采用JB-30型沖擊試驗機進行沖擊試驗，每個位置各取3個試樣取其平均值作為該試樣的沖擊功。 采用AMRAY1830型掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見，T92鋼及其熱影響區（HAZ）的組織為低碳板條馬氏體，其中T92鋼的馬氏體板條尺寸均勻細小，在基體上分布有析出相，而熱影響區因受到焊接熱循環作用使得馬氏體板條尺寸較大，析出相數量較多且尺寸較大；焊縫處的組織特征為胞狀枝晶，基體組織為單一奧氏體相，在奧氏體晶界和枝晶界分布有析出相；HR3C 鋼及其熱影響區組織為單一奧氏體基體，并分布有析出相，奧氏體晶粒尺寸不均勻，靠近熔合區的晶粒明顯較大。

圖1 HR3C/T92異種鋼焊接接頭的顯微組織Fig.1 Microstructure of HR3C/T92 dissimilar steel welded joint：（a）T92 steel；（b）HAZ close to T92 steel；（c）welding line；（d）HAZ close to HRC steel and（e）HRC steel

圖2 HR3C／T92異種鋼焊接接頭的XRD譜Fig.2 XRD pattern of HR3C／T92dissimilar steel welded joint

由圖2可見，焊縫和HR3C 鋼的基體組織為奧氏體（A）相，焊縫中的析出相為M23C6和NbC，HR3C鋼中的析出相主要為M23C6和Nb（C，N），另外組織中還應存在NbCrN 析出相［2］，但其含量較少而未被檢測出；T92 鋼基體為Fe-Cr固溶體（α相），析出相為M23C6，該組織中還應有NbC 存在［2］，因為含量較少而未被檢測出。

2.2 拉伸和彎曲性能

進行室溫拉伸試驗的兩個試樣均斷于T92 鋼母材上，這說明HR3C／T92異種鋼接頭的強度高于T92鋼的。由表4可知，兩個拉伸試樣的抗拉強度、伸 長 率 均 高 于T 9 2鋼 和HR 3C鋼 規 定 的 最 小 值620 MPa，這說明HR3C／T92鋼焊接接頭的常溫拉伸性能滿足要求。

表4 HR3C／T92異種鋼焊接接頭的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of HR3C／T92 dissimilar steel welded joint

四個彎曲試樣內、外彎曲表面均無裂紋產生，試樣表面完好，這說明HR3C／T92異種鋼焊接接頭彎曲性能符合要求。

2.3 沖擊性能

常溫沖擊試驗結果表明，焊縫的沖擊功（43J）遠低于T92側熱影響區的沖擊功（70J）。這是因為焊縫金屬的胞狀枝晶與T92鋼的組織不同，其對沖擊功的能量吸收有較大差別，同時焊縫組織中的析出相主要沿晶界和枝晶界分布，這會進一步降低焊縫的韌性；T92鋼側熱影響區的韌性是粗晶區、細晶區等整個熱影響區綜合韌性的反映，在一定的組織狀態下能夠表現出較高的沖擊功。

由圖3可見，焊縫的沖擊斷口起伏不平，在奧氏體柱狀晶界和胞狀樹枝晶界存在明顯的撕裂棱，而焊縫斷口所具有的胞狀枝晶特點表明焊縫結晶形態對韌性產生了一定影響；T92鋼熱影響區沖擊斷口也呈典型的韌窩斷裂形態，韌窩內可觀察到析出相顆粒和明顯的滑移線，斷口起伏不平，這表明試樣在斷裂過程中吸收了較多的能量。

圖3 HR3C/T92異種鋼焊接接頭沖擊斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of impact fracture of HR3C/T92 dissimilar steel welded joint：（a）welding line and（b）HAZ close to T92 steel

2.4 硬 度

由圖4可見，HR3C鋼的硬度最高，T92鋼側熱影響區的硬度最低。由于接頭各個區域的化學成分和組織形態不同，因此其硬度值也存在一定差異。HR3C鋼為固溶處理后的過飽和固溶體，經焊后熱處理后固溶體中析出的碳、氮化合物起到沉淀強化效果，使HR3C鋼具有較高的硬度。HR3C 鋼側熱影響區經歷了焊接熱循環后，組織中碳、氮化合物的數量發生了變化，導致其硬度略低于HR3C 鋼母材的。焊縫組織是鑄造組織，為典型的胞狀枝晶形態，組織中的析出相主要沿枝晶界分布，同時由于材料的不同使得焊縫硬度較低。T92鋼側熱影響區的硬度與T92鋼母材的基本相當，這說明采用的熱處理工藝是適宜的。

圖4 HR3C／T92異種鋼接頭的硬度Fig.4 Hardness of HR3C／T92dissimilar steel welded joint

3 結 論

（1）采用GTAW 焊接方法，用HIG-370鎳基合金焊絲對HR3C鋼和T92鋼進行異種鋼的焊接，獲得了強度、塑韌性良好的焊接接頭，其中拉伸試樣斷裂于T92鋼母材處。

（2）焊縫基體組織為奧氏體胞狀枝晶，組織中的析出相主要為M23C6和NbC；HR3C鋼及熱影響區的組織為奧氏體和M23C6、Nb（C，N）析出相，而T92鋼及熱影響區的組織則為回火馬氏體和M23C6析出相。

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