退火處理對P91鋼管TIG焊接頭組織結構及性能的影響

李彬坡，劉 鵬，趙寶中，許文濤

(1.山東電力工程咨詢院有限公司核電項目管理部，山東濟南250013;2.山東建筑大學材料科學與工程學院，山東濟南 250101)

0 前言

T91/P91鋼以其良好的高溫持久強度、熱穩定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能，在電力行業電站鍋爐的過熱器、再熱器及主蒸汽管道上獲得越來越多的應用［1－3］。盡管 T91/P91鋼在我國工業領域的應用和研究已有十多年的歷史，而且在掌握該類鋼種的焊接工藝方面積累了一定的經驗，但是在施工現場施焊時，該類鋼的不良焊接質量問題仍時有發生，尤其是在T91/P91鋼的管座焊接中問題更為普遍，如管座焊縫內存在顯著的裂紋、數量不少的夾渣、焊縫根部存在未焊透現象等。而上述缺陷的產生往往與焊后熱處理條件下接頭的微觀組織結構有關［4－5］，因此對 T91/P91鋼管座接頭進行顯微組織和硬度試驗和分析，尤其是分析退火工藝對接頭組織和性能的影響規律，將為該類材料的焊接工藝優化及現場施工提供一定的試驗和理論基礎，具有重要的工程研究意義。

本研究主要分析退火處理前后P91鋼管接頭進行金相組織和硬度，研究退火處理對焊縫及熱影響區組織結構轉變及硬度變化分布等的影響。

1 試驗材料和工藝

試驗采用P91鋼管，牌號為10Cr9Mo1VNb。鋼管規格φ35 mm×9 mm:焊前坡口附近15～20 mm的油、漆、垢、銹、毛刺等清理干凈。預熱方式采用柔性陶瓷電阻加熱，預熱溫度200℃ ～250℃，升溫速度100℃/h，層間溫度保持為300℃ ～350℃。焊后先冷卻到100℃ ～120℃，恒溫1～2 h，再進行焊后退火熱處理，退火處理溫度為760℃ ±10℃，恒溫時間不小于6 h，冷卻至室溫。該研究過程中選取750℃和770℃的退火溫度。

P91鋼管采用鎢極氬弧焊(TIG)進行焊接，焊絲選用90S －B9，規格 φ2.5 mm，氬氣流量15 L/min，焊接電流100～110 A，電壓25～30 V。TIG接頭焊后采用線切割方法制備金相試樣，采用40%HNO3+酒精混合溶液進行試驗腐蝕處理，利用金相顯微鏡觀察接頭焊接區組織結構;利用HVS－1000型顯微硬度計對接頭的硬度分布進行測試，試驗中加載力為300 g，加載時間15 s。

2 結果與討論

2.1 退火處理對母材組織結構影響

P91耐熱鋼的供貨組織為回火馬氏體，晶粒較為細小。750℃退火處理后，P91耐熱鋼的母材組織為回火馬氏體，呈細小片狀組織(見圖1a)。770℃退火處理后，P91耐熱鋼的組織為回火馬氏體，組織形態更接近片狀馬氏體(見圖1b)。

2.2 退火處理對HAZ組織結構影響

未經退火處理的P91耐熱鋼管座焊接接頭的熱影響區的顯微組織為粗大的板條馬氏體(見圖2a)。P91耐熱鋼管焊接接頭750℃退火處理后，熱影響區的顯微組織為片狀馬氏體(見圖2b)，與退火處理前相比，殘余奧氏體相對較少。770℃退火后P91鋼管接頭熱影響區為片狀馬氏體組織，其中灰色為馬氏體基體，白色為殘余奧氏體(見圖2c)，其組織結構與750℃退火后熱影響的組織無太大差異。

圖1 母材退火處理后顯微組織特征

金相分析表明，退火后的P91鋼管焊接接頭熱影響區顯微組織發生了明顯的變化，由粗大的板條馬氏體轉變成片狀馬氏體，且殘余奧氏體的數量減少。由于在退火處理時，熱影響區的馬氏體組織發生轉變，隨著馬氏體形成溫度的下降，其形態由條狀向片狀過渡，亞結構由位錯變為孿晶。退火處理時，由于溫度較高，馬氏體在形成時滑移的臨界分切應力較低，滑移比孿生更易發生，亞結構中殘留大量位錯［6］。同時，由于溫度較高，奧氏體和馬氏體的強度均較低，相變時應力的松弛可以同時在奧氏體及馬氏體中以滑移方式松弛，從而有利于條狀馬氏體的形成，但隨著形成溫度的降低，不均勻切變方式逐漸過渡為以孿生方式進行，從而使得條狀馬氏體轉變為片狀馬氏體。但750℃和770℃退火處理后，接頭熱影響區的顯微組織并無太大差異，這與溫度差選擇過小有關。

圖2 退火處理前后熱影響組織結構

2.3 退火處理對焊縫區(WZ)組織結構影響

退火前的P91耐熱鋼管接頭焊縫為板條馬氏體組織，馬氏體內部具有高密度位錯的亞結構(見圖3a)。750℃退火處理后P91耐熱鋼管接頭焊縫組織為針狀馬氏體，針狀馬氏體的大小不一(見圖3b)，此外在馬氏體周圍有殘余奧氏體存在［6］。770℃退火處理后P91耐熱鋼管接頭焊縫組織為片狀馬氏體(見圖3c)，殘余奧氏體的晶粒大小比750℃退火處理焊縫殘余奧氏體稍大一些。且770℃退火處理后，組織中存在一定鐵素體組織(黑色組織)。

圖3 退火處理前后焊縫組織結構

分析表明，退火處理前后P91耐熱鋼管接頭焊縫組織發生了明顯變化，焊縫區組織呈現板條馬氏體向針狀和片狀馬氏體轉變過程，這對于P91耐熱鋼管TIG焊接頭力學性能有一定的影響。

2.4 退火處理對接頭硬度分布影響

如圖4所示，未進行退火處理前，焊接接頭硬度分布起伏變化較大，母材區域硬度約為270 HV，熱影響區硬度最高達450 HV，而焊縫區硬度也達到400 HV。750℃退火處理后，P91耐熱鋼管焊接接頭的不同區域硬度變化幅度相對較小，母材的硬度約為220 HV，熱影響區的硬度約為270 HV，而焊縫硬度為250～260 HV。與退火處理前相比，硬度分布發生了顯著變化。770℃退火處理后，P91耐熱鋼管焊接接頭的硬度與退火處理前相比也發生了明顯的變化，熱影響區和焊縫的硬度值明顯下降，母材的硬度約為240 HV，熱影響區的硬度約為300 HV，而焊縫的硬度為240～270 HV。其中熱影響區和焊縫的硬度值與750℃退火處理相比偏高。

圖4 退火處理前后接頭顯微硬度分布

結合顯微組織分析結果，退火處理后熱影響區和焊縫區域的硬度產生了較大變化，趨于平緩，這主要是由于熱影響區和焊縫區原有的板條馬氏體組織經過退火后轉變為針狀或片狀馬氏體組織。此外，770℃退火處理后，熱影響區和焊縫中的組織除了針狀馬氏體外，還存在一定的鐵素體組織，局部區域形成了針狀馬氏體+鐵素體組織，該類型組織的硬度往往高于單一針狀馬氏體組織［6］，但低于板條狀馬氏體。因此770℃退火處理后這些區域的硬度明顯低于退火處理前的硬度，但略高于750℃退火處理后的硬度。

3 結論

(1)未退火處理的P91耐熱鋼管接頭熱影響區組織為粗大的板條馬氏體，退火后接頭熱影響區顯微組織發生了明顯的變化，由粗大的板條馬氏體轉成片狀馬氏體，且殘余奧氏體的數量減少。退火前P91耐熱鋼管接頭焊縫為板條馬氏體組織，馬氏體內部具有高密度位錯的亞結構。退火處理后接頭焊縫組織為針狀或片狀馬氏體，馬氏體周圍有殘余奧氏體存在，且770℃退火處理后，組織中存在一定鐵素體組織。

(2)未進行退火處理前，焊接接頭硬度分布起伏變化較大，熱影響區硬度最高達到450 HV，焊縫區硬度也達到400 HV。退火處理后P91耐熱鋼管接頭各區域硬度變化趨于平緩，熱影響區的硬度為270～300 HV，焊縫的硬度為240～270 HV。770℃退火處理后焊接接頭熱影響區和焊縫的硬度與750℃退火處理相比稍高。硬度分布的變化與焊縫及熱影響區組織結構變化密切相關。

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［1］ 劉 川，朱伏先，王 平，等.電站鍋爐管用T91鋼研究現狀［J］.鋼管，1999，28(2):9 －12.

［2］ 徐德錄，郭 軍，陳玉成.T91鋼的性能及在我國電站鍋爐中的應用前景［J］.電力建設，1999(2):12－16.

［3］ 黃 穎.T91/P91鋼管在電站鍋爐上的應用［J］.發電設備，1998(3):26－30.

［4］ 王 然，賀明賢.熱處理對T91鋼金相組織及顯微硬度的影響［J］.金屬熱處理，2000(11):6－8.

［5］ 李 鵬，郭 軍，徐德錄.T91鋼及其異種鋼焊接接頭裂紋敏感性分析［J］.電力建設，1999(7):20－23.

［6］ Hyde T H，Sun W，Becker A A，et al.Creep properties and failure assessment of new and fully－repaired P91 pipe welds at 923 K［J］.Journal of Material Design and Applications，2004，218(3):211 －222.