高溫長期運行后F12鋼焊接接頭的顯微組織和沖擊韌性

張忠文，李新梅，魏玉忠，杜寶帥，姜春娟

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002；2.華電國際鄒縣發電有限公司，濟寧 273522）

0 引 言

含9%～12%鉻的鐵素體耐熱鋼因具有良好的高溫持久強度、較高的強韌性以及良好的耐腐蝕性和抗高溫氧化性，成為熱電廠中主要部件（如主蒸汽管道、集箱、過熱器和再熱器等）的常用材料之一。其中，F12鋼（X20CrMoV12.1鋼，德國鋼號，被列入 DIN 17175標準）［1－3］，是熱電廠中最先使用的高鉻耐熱合金鋼，國外廣泛應用于主蒸汽管道上，在我國許多亞臨界和超臨界機組中也大量使用。

在高溫和應力作用下，材料結構會發生變化并導致性能退化［4］，尤其是作為設備最薄弱環節的焊接接頭，經過長時高溫服役后其組織和性能如何變化，是否滿足繼續使用的要求已經成為亟待解決的問題。目前已有文獻對長期服役后F12鋼的組織和性能開展了相關研究［5－7］，但是尚未見有關F12鋼焊接接頭性能變化的相關研究。因此，作者對某電廠高溫運行16.5萬h后機組的F12鋼焊接接頭進行組織觀察和沖擊試驗，以研究其微觀組織和沖擊韌性的變化，為機組安全穩定運行提供技術參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選自某電廠300MW燃煤機組F12鋼主蒸汽管道，其規格為φ355.6mm×40mm，蒸汽溫度為540℃，蒸汽壓力為17.0MPa，累計運行了16.5萬h。利用SPECTROLAB定量光譜儀測得F12鋼的化學成分（質量分數／%）為0.19C，0.59Mn，0.25Si，12.24Cr，1.05Mo，0.22V，0.67Ni，0.019S，0.014P。除了釩元素含量略低外，其它元素含量均在標準成分范圍內。

采用線切割方法加工F12鋼焊接接頭金相試樣，經研磨拋光后，用FeCl3鹽酸水溶液進行腐蝕，然后采用Olympus Model BX51M型光學顯微鏡和AMRAY－1380型掃描電子顯微鏡觀察顯微形貌，并利用掃描電鏡附帶的能譜儀分析析出相成分；通過D／max－rc型X射線衍射儀分析組織中的相組成，銅靶，掃描范圍為20°～120°，加速電壓為45kV，電流為100mA，掃描速度為2（°）·min－1，步進0.020°連續掃描；沖擊試驗按照DL／T 868－2004《焊接工藝評定規程》和GB／T 2650－2008《焊接接頭沖擊試驗方法》在JB3000型沖擊試驗機上進行，試驗溫度為室溫，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，缺口為V型，每個部位加工3個平行試樣，取3個試樣沖擊功的平均值作為該部位的沖擊功；采用AMRAY－1380型掃描電子顯微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，高溫長期運行后，F12鋼焊接接頭的組織仍為板條馬氏體，但馬氏體已發生分解而碎化，析出相數量增多且明顯長大；在母材和焊接熱影響區的組織中存在一定數量尺寸較大的條塊狀析出相，它們為鋁的夾雜物，與基體的結合比較弱，在蠕變變形過程中條塊狀析出相與基體結合處易形成蠕變裂紋。

圖1 高溫運行16.5萬h后F12鋼焊接接頭不同區域的顯微組織Fig.1 Microstructure of F12steel welded joint after service at high temperature for 165000h：（a）base metal；（b）HAZ and（c）weld seam

圖2 高溫運行16.5萬h后F12鋼焊接接頭的SEM與BSE形貌Fig.2 SEM （a，c）and BSE（b，d）morphology of F12steel welded joint after service at high temperature for 165000h：（a－b）base metal and（c－d）weld metal

2.2 析出相

由圖2可見，高溫運行16.5萬h后，F12鋼焊接接頭的基體組織（母材）中存在較多析出相，其中，沿母材奧氏體晶界、焊縫金屬原奧氏體晶界和柱狀晶晶界的析出相數量較多、尺寸較大，呈顆粒狀或連續的鏈狀分布；在馬氏體板條界和板條束界上的析出相相對較小，局部區域析出相的尺寸較大，呈孤立的顆粒狀分布。在高溫長期運行過程中，析出相不斷析出并逐漸粗化，并且在粗化過程中，晶界上的析出相會相互連接形成鏈狀，致使析出相的強化作用明顯減弱。

圖3 高溫運行16.5萬h后F12鋼焊接接頭不同部位析出相的XRD譜Fig.3 X－ray diffraction patterns of precipitation phases in differnt positions of F12steel welded joint after service at high temperature for 165000h

對焊接接頭基體組織中的晶界析出相進行能譜分析，結果表明其化學成分主要為碳、鉻、鐵和鎳，結合圖3所示的XRD譜可知該析出相主要為M23C6。但M23C6的EDS譜上出現了釩峰，這是M23C6相以VC為質點不斷析出長大的結果。焊縫金屬組織中尺寸較大的析出相的主要化學成分為碳、鉻、鐵、鎳、鉬和鎢，結合圖（3）所示的XRD譜可知，該析出相亦主要為M23C6。由圖3可知，高溫長期運行后，F12鋼母材和焊縫金屬的組織均由鐵－鉻固溶體和M23C6析出相組成。

由圖4可見，焊縫金屬中存在Laves析出相。Laves相是由高序數金屬原子構成的金屬間化合物（Fe，Cr）2（Mo，Nb，V），在背散射電子像中顯現的襯度較亮［8］。根據析出相的襯度不同，可將焊縫金屬組織中的析出相分為亮色和灰色兩種類型。其中，亮色析出相的尺寸較大，且呈孤立的顆粒狀分布，為Laves相（析出相1）；灰色析出相為 M23C6（析出相2）。根據M23C6的形態和分布又可將其分為兩種，一種是沿晶界、板條界和板條束界析出的細小顆粒，呈方向性分布，這種析出相的數量相對較多；另一種則尺寸較大，主要呈孤立的顆粒狀分布。

圖4 高溫運行16.5萬h后F12鋼焊縫金屬中析出相的微觀形貌和EDS分析結果Fig.4 Morphology and EDS spectra of precipitation phases in weld metal of F12steel after service at high temperature for 165000h：（a）SEI morphology；（b）BSE morphology；（c）EDS analysis result of precipitation phase 1and（d）EDS analysis result of precipitation phase 2

2.3 沖擊性能

高溫運行16.5萬h后，F12鋼母材的沖擊功只有25J左右，遠低于標準規定的下限值（34J）；而焊縫金屬的沖擊功則更低，僅為10J左右，亦低于標準的規定值。這表明F12鋼焊接接頭在高溫長期運行過程中發生了明顯的時效脆化現象。

由圖5可知，高溫運行16.5萬h后，F12鋼母材的沖擊斷口為沿晶斷裂，斷口光滑平坦，有明顯的二次裂紋，呈現出典型的脆斷形貌；焊縫金屬的沖擊斷口為脆性解理斷裂，斷口形貌和焊縫柱狀晶的方向密切相關，原奧氏體晶界上有部分撕裂棱存在，斷裂面光滑平坦，斷口上存在大量析出相粒子，尤其是在晶界和亞晶界上析出相的數量較多，同時斷口中存在大量的二次裂紋，表現為顯著的脆斷形貌。

圖5 高溫運行16.5萬h后F12鋼焊接接頭不同位置的沖擊試樣斷口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of different positions in F12steel welded joint after service at high temperature for 165000h：（a）base metal；（b）expansion area in base metal；（b）weld metal and（b）expansion area in weld metal

經高溫長期運行后，F12鋼焊接接頭的組織主要由鐵－鉻固溶體和M23C6析出相組成，其中M23C6相優先在晶界能較高的晶界上析出并聚集長大，并在局部晶界上呈連續分布，引起晶界急劇脆化。F12鋼母材的沖擊斷口呈沿晶斷裂特征，由于晶內也有一定數量的M23C6相析出，引起晶內脆化，因此母材沖擊試樣斷口上出現了二次裂紋。焊縫金屬的組織為胞狀枝晶，因一次結晶時枝晶界處鉻、鉬等元素偏析和晶格缺陷密度大，高溫長時運行后板條界上的M23C6相快速析出并粗化，致使焊縫金屬脆化，其沖擊功遠低于母材的，并且M23C6相既分布在晶界上也分布在板條界上，引起組織顯著脆化，表現在沖擊斷口形貌上，即為脆性解理斷裂。

3 結 論

（1）高溫運行16.5萬h后，F12鋼焊接接頭的母材組織為板條馬氏體，但是馬氏體已發生分解而碎化，蠕變組織明顯；接頭中的析出相主要為M23C6碳化物，在晶界析出并聚集長大，形成了連續鏈狀或孤立顆粒狀分布。

（2）高溫運行16.5萬h后，F12鋼焊接接頭出現了顯著的時效脆化現象，這與組織中M23C6相析出并聚集長大有關；母材的沖擊斷口為沿晶斷裂，焊縫金屬的沖擊斷口為脆性解理斷裂，斷口皆光滑平坦，表現為顯著的脆斷形貌。

［1］BENDICK W，HAARMANN K，WELLNITZ G，et al.Properties of 9to 12%chromium steels and their behaviour under creep conditions［J］.Vgb Kraftwerkstechnik：English Edition，1993，73：73－73.

［2］DIN 17175－1979 耐熱無縫鋼管［S］.

［3］胡正飛，楊振國.高鉻耐熱鋼的發展及其應用［J］.鋼鐵研究學報，2003，15（3）：60－64.

［4］劉俊良，單愛黨.新型鐵素體耐熱鋼在650℃的蠕變特性及氧化行為［J］.機械工程材料，2012，36（6）：52－55.

［5］楊振國，張鑒，胡正飛，等.長期運行后的F12鋼主蒸汽管性能劣化研究［J］.中國電力，2006，38（2）：22－25.

［6］胡正飛，楊振國.F12耐熱合金鋼長期高溫時效的脆性［J］.材料工程，2003（12）：14－17.

［7］胡正飛，楊振國.運行中的F12主蒸汽管道直管段剩余壽命評估［J］.鍋爐技術，2007，38（3）：14－18.

［8］周玉，武高輝.材料分析測試技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.