10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB耐熱鋼焊接性研究

趙鵬飛，舒學芳，匡清華，鐘杰，譚小平，王大勇，毛桂軍

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB耐熱鋼焊接性研究

趙鵬飛，舒學芳，匡清華，鐘杰，譚小平，王大勇，毛桂軍

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章通過斜Y試驗和插銷試驗研究了超超臨界汽輪機組用10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB耐熱鋼的焊接性。結果表明該耐熱鋼焊前需預熱，焊材不同，預熱要求也不同。

10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB，耐熱鋼，焊接性，斜Y試驗，插銷試驗

0 引言

隨著能源危機和環境污染的加劇，火力發電行業目前面臨著很大的壓力，為滿足嚴格的環保要求，高效率的超超臨界（Ultra-supercritical，USC）發電技術在眾多的潔凈煤發電技術中脫穎而出，得到了廣泛應用。這也使得超超臨界發電機組用耐熱鋼的研究和使用發展迅速，尤其是Cr含量為9%～12%的鐵素體耐熱鋼，以其優異的耐高溫蠕變、耐高溫氧化及抗疲勞性能被廣泛進行研究[1-3]。

10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB（下用Co3W2代替）是一種新型的鐵素體耐熱鋼，主要應用于USC汽輪機組高溫動、靜葉，高溫螺栓等部件。Co3W2耐熱鋼在T92耐熱鋼的基礎上，繼續優化C、Nb、V等元素，通過添加N元素，使用W元素代替部分Mo元素，并添加3%左右的Co元素，提高其耐高溫蠕變性能。國內外學者對9%～12% Cr耐熱鋼的焊接及其接頭的蠕變性能進行了大量研究[4-8]，結果表明此類耐熱鋼冷裂紋傾向明顯，焊前多需預熱，且必須選擇與母材匹配的焊材，而Co3W2耐熱鋼作為新型材料，沒有與其強度或化學成分匹配的焊材，因此需對其焊接性進行研究，選擇合適的焊材及焊接工藝，為其在工程中應用提供理論依據。

本試驗研究針對Co3W2耐熱鋼，就其不同焊材選擇，進行了斜Y型坡口裂紋試驗和插銷試驗研究，獲得了較完整的焊接性試驗數據，從而為確定該材料的焊接冷裂紋敏感性、焊前預熱溫度及后續工藝評定試驗提供了技術基礎。

1 試驗材料

1.1 試驗材料

Co3W2耐熱鋼的使用狀態為調質（淬火+高溫回火）態，其顯微組織為均勻回火馬氏體。試驗件采用圓鋼鍛造而成，試件鍛造后，進行1 100℃油淬+710℃高溫回火處理，其化學成分及力學性能分別見表1、表2和表3。

1.2 試驗焊材

Co3W2耐熱鋼強度高、成分復雜，沒有與其強度或成分相匹配的商用焊材，SHAJU K. ALVERT等使用Ni基焊材（INCONEL 82，即AWS ERNiCr-3）研究了不同B元素含量時的焊接接頭的性能[8]，因此，本試驗以低強度匹配為原則，分別選擇了METRODE公司的CHROMET 9MV-N、CHROMET 92、CHROMET 10MW、AWS ENi-CrFe-1焊材，進行了試驗研究，各焊材的室溫力學性能指標見表4。

表1 Co3W2耐熱鋼化學成分wt%

表2 Co3W2耐熱鋼室溫力學性能

表3 Co3W2耐熱鋼高溫力學性能

表4 各焊材力學性能指標

2 試驗結果及分析

2.1 焊材試驗

按照各焊材供應商推薦參數進行熔敷金屬焊接試驗，各焊材熔敷金屬的室溫力學性能如表5所示。

由于Co3W2耐熱鋼有高溫短時持久性能要求，對熔敷金屬按照母材要求進行了短時持久性能試驗，試驗結果如表6所示。

可以看出，按照Co3W2耐熱鋼短時持久性能要求，所選擇的的焊材均不滿足，各焊材在650℃/245 MPa的條件下，幾乎沒有發生蠕變，直接脆性斷裂。

因此，參照產品中另一種與Co3W2耐熱鋼對接焊材料的高溫短時持久性能參數585℃/196 MPa和625℃/147 MPa，再次進行了試驗，結果如表7所示。

表5 各焊材熔敷金屬室溫力學性能

表6 各焊材熔敷金屬高溫短時持久性能

表7 各焊材熔敷金屬高溫短時持久性能

可以看出降低試驗條件后，CHROMET 10 MW、CHROMET 92、AWS ENiCrFe-1焊材熔敷金屬高溫短時持久性能滿足要求，CHROMET 9MVN焊材不滿足要求。由于CHROEMT 92焊材使用過程中，操作者反饋該焊材實際操作性較差，因此僅針對CHROMET 10MW和AWS ENiCrFe-1焊材繼續進行后續抗裂性試驗研究。

2.2 斜Y型坡口抗裂試驗

采用斜Y型坡口焊接裂紋試驗，對Co3W2耐熱鋼的焊接裂紋敏感性進行了評估。試驗參照國標《斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》規定進行。試件在鍛件毛坯上采用鋸削方式進行取樣，然后采用機械加工方式進行坡口加工，試樣形狀及尺寸如圖1所示。

2.2.1 試驗條件

在室溫（20℃）、預熱100℃、150℃、200℃、250℃、300℃幾種情況下進行斜Y試驗，試樣加熱方式為電爐加熱，保溫棉包裹緩冷至試驗溫度后進行焊接。拘束焊縫采用AWS E5015焊材，規格為Φ4.0。試驗焊縫采用CHROMET 10 MW和AWS ENiCrFe-1焊條，規格均為Φ4.0，焊接方法為手工電弧焊。

2.2.2 試驗結果及分析

試件焊接完成后，冷卻至室溫，48 h后，對試件進行表面滲透檢驗（PT），并對試件焊縫進行解剖，試驗結果如表8所示。

圖1 斜Y試驗試樣形狀及尺寸

表8 試件表面檢驗接解剖裂紋檢測結果

試驗結果分析：

（1）Co3W2耐熱鋼有很強的冷裂紋傾向，采用CHROMET 10MW和AWS ENiCrFe-1焊材進行Co3W2耐熱鋼焊接前均需預熱；

（2）對于CHROMET 10MW焊條，各溫度段均有不同程度的裂紋情況；AWS ENiCrFe-1焊條，預熱100℃和300℃時，裂紋消失，其余溫度均有不同程度的裂紋情況；

（3）僅從抗冷裂紋傾向來看，AWS ENiCrFe-1焊條更適宜于Co3W2耐熱鋼的焊接。

2.3 插銷試驗

分別采用CHROMET 10MW及AWS ERNiCr-3焊材，采用插銷試驗，對Co3W2耐熱鋼的焊接裂紋敏感性進行了評估，試驗標準參照《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》規定進行，試驗在西交大自主開發的ICT01型插銷試驗平臺上進行。試驗溫度：室溫（20℃）、預熱100℃、200℃、300℃。

2.3.1 試樣制備

插銷試棒直徑選為8 mm，開環形缺口，缺口位于焊接熱影響區粗晶區，如圖2（a）所示。底板選用Co3W2鍛件，加工后尺寸為200 mm×300 mm×20 mm，沿試板長度方向鉆5個孔，孔徑為8 mm，孔間距為50 mm，距每個孔橫向12 mm處，鉆盲孔，孔徑為3 mm，深度為18 mm，用于測量缺口根部的熱循環溫度，如圖2（b）所示。

2.3.2 試驗過程

焊材為CHROMET 10MW，插銷試驗采用手工電弧焊方式；焊材為AWS ERNiCr-3時，插銷試驗采用手工氬弧焊方式焊接試樣，焊接過程參數如表9所示。

2.3.3 試驗結果及分析

在不同預熱溫度下，CHROMET 10MW焊條插銷試驗臨界應力-時間曲線如圖3（a）所示。從圖中可以看出在室溫條件下該材料的臨界斷裂應力不到200 MPa，遠低于Co3W2材料的屈服強度620 MPa。表明在不預熱條件下，該材料冷裂傾向很大；預熱100℃條件下，該材料的臨界斷裂應力達到了324.6 MPa，雖仍低于其屈服強度，但較之室溫其冷裂傾向已有較大改善；預熱溫度為200℃時，該材料的臨界斷裂應力達到449.4 MPa，比預熱100℃時又有所提高，但仍低于母材屈服強度。當預熱溫度提高到300℃時，該材料的臨界斷裂應力提高至591.3 MPa，接近母材屈服強度620 MPa，表明在此預熱溫度下，冷裂紋傾向明顯得到改善，和前文進行的斜Y試驗結果相當。

圖2 插銷試驗試樣形狀及尺寸

表9 焊接過程參數

圖3（b）是手工氬弧焊插銷試驗臨界斷裂應力-時間曲線，可以看出：室溫條件下，該材料氬弧焊插銷臨界斷裂應力達到了624 MPa，與該材料的屈服強度620 MPa相當，說明在未預熱條件下該材料采用AWS ERNiCr-3焊絲填充時冷裂傾向很小，和前文Ni基焊條斜Y試驗結果差異較大，分析原因是由于氬弧焊焊接過程中，氬氣的存在能夠有效隔離空氣，減少空氣中氫進入到焊縫當中，且焊絲中含氫量少于焊條導致。

2.3.4 斷口分析

插銷試驗中，由于試樣缺口在HAZ的粗晶區內，此處氫含量相對較高，在焊后的載荷作用下，在缺口處萌生裂紋。裂紋產生使得插銷實際應力增大，最后發生斷裂。分析CHROMET 10MW焊條和AWS ERNiCr-3焊絲插銷斷口可知，每個斷口均包含韌窩和準解理斷口形貌，如圖4所示典型的沿晶、準解理和韌窩斷口形貌。斷口中還可看到準解理和韌窩斷口的明顯分界，此種分界現象幾乎在所有斷口中存在，CHROMET 10MW焊條插銷斷口尤為明顯，但預熱溫度低或室溫條件下由于韌窩區域很少，使得這種分界現象不明顯，甚至消失。

插銷試驗斷口分為起裂區、擴展區和最后瞬斷區，起裂區的形貌最能反映斷裂特征，由于CHROMET 10MW焊條冷裂傾向更明顯。為分析其開裂原因，觀察了不同預熱溫度下，相近拘束應力條件下，插銷斷口起裂區的形貌，如圖5所示，可以看出，起裂區斷口大部分為典型的氫致開裂斷口。

從圖中可以看出：不同預熱溫度下插銷試樣斷口存在明顯差異，焊前不預熱，斷口表面可以看到明顯的沿晶+穿晶斷裂特征（見圖5（a）），隨著預熱溫度的升高，沿晶斷裂特征逐漸消失（見圖5（b）），并最終轉變為穿晶斷裂（見圖5（c）），當預熱溫度達到300℃時，斷口表面出現了明顯的韌性斷裂特征（見圖5（d））；且不同預熱溫度下，斷口表面均存在明顯的二次裂紋，預熱100℃時，二次裂紋最為粗大，隨著預熱溫度的進一步升高，二次裂紋尺寸明顯減小。

這主要是因為在焊接過程中，焊縫金屬氫的含量較多，焊后冷卻過程中，發生相變，由奧氏體轉變為鐵素體以及珠光體等組織。由于氫在奧氏體中的溶解度較大，相變后焊縫金屬氫的溶解度急劇降低，使得氫快速從焊縫穿過熔合線向HAZ擴散；由于氫在奧氏體中的擴散速度較小，而此時HAZ由于合金元素含量較高，依然為奧氏體組織，造成了氫在熔合線附近富集。HAZ的粗晶區離熔合線最近，氫含量要明顯高于其他部位。在隨后的焊后冷卻過程中，粗晶區內部奧氏體轉變為馬氏體，氫便以飽和態存在于馬氏體中，并在其內部存在的顯微缺陷處聚集，造成很大的局部應力集中。在外力作用下，應力集中部位就會產生裂紋。因此，粗晶區氫含量的高低在很大程度上決定了焊接接頭的冷裂敏感性，氫含量越高，冷裂傾向越強。

圖3 兩種焊材對應Co3W2耐熱鋼插銷臨界應力-時間曲線

圖4 插銷斷口典型形貌

圖5 不同預熱溫度插銷試樣斷口起裂區掃描電鏡形貌

3 結論

（1）CHROMET 10MW和AWS ENiCrFe-1 2種焊條的斜Y坡口試驗結果表明：Co3W2耐熱鋼有很強的冷裂傾向，應焊前預熱，AWS ENiCrFe-1焊條更適合于其焊接；

（2）CHROMET 10MW焊條的插銷試驗結果表明：Co3W2耐熱鋼有一定的冷裂傾向，隨預熱溫度升高，該傾向降低；預熱300℃以上時，裂解斷裂應力接近屈服強度，表明此預熱溫度可防止焊接冷裂紋產生；AWS ERNiCr-3焊絲的插銷試驗結果表明：使用Ni基焊絲，在室溫即可進行焊接；

（3）不同預熱溫度下，CHROMET 10MW焊條插銷試樣的斷口為準解理+氫致開裂特征，隨預熱溫度提高，氫致開裂斷口特征逐漸消失；

（4）綜合考慮斜Y坡口及插銷試驗結果，對于Co3W2材料，如采用CHROMET 10MW焊條，最低預熱溫度300℃；采用Ni基焊絲，預熱溫度宜選取50～100℃。

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Study on Weldability of 10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB Heat-resistant Steel

Zhao Pengfei，Shu Xuefang，Kuang Qinghua，Zhong Jie，Tan Xiaoping，Wang Dayong，Mao Guijun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The weldability of 10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB heat-resistant steel used in ultra-supercritical unit is studied by Y-slit type cracking test and implant test.The result shows that the steel needs preheating before welding,when using different welding consumables,preheating requirements are different.

10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB,heat-resistant steel,weldability,Y-slit type cracking test,implant test

TG44

B

1674-9987（2015）04-0029-08

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.008

趙鵬飛（1981-），男，碩士研究生，工程師，2008年畢業于哈爾濱工業大學材料加工工程（焊接）專業，現從事汽輪機高溫部套焊接研究工作。