USC機組耐熱鋼P92焊接接頭力學性能

李新梅，張　晶，杜寶帥，劉　睿

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003；2.山東大學材料液態結構及遺傳性教育部重點實驗室，山東濟南250061）

USC機組耐熱鋼P92焊接接頭力學性能

李新梅1，張晶2，杜寶帥1，劉睿2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003；2.山東大學材料液態結構及遺傳性教育部重點實驗室，山東濟南250061）

通過沖擊試驗和硬度試驗并結合掃描電鏡觀察，研究熱處理前后P92鋼焊接接頭的韌性和硬度變化，結果表明：P92鋼焊態接頭韌性較差、硬度較高，經過焊后熱處理后焊接接頭的沖擊韌性明顯提高、硬度顯著下降。焊后熱處理能夠明顯改善P92鋼焊接接頭的性能，而較大的焊接熱輸入是導致P92鋼焊接接頭性能差的主要原因。

USC機組；P92鋼；韌性；硬度

0　前言

超超臨界（USC）機組因具有節能、環保等優勢成為目前火力發電的必然趨勢。USC機組的快速發展首先得益于耐高溫性能更好材料的研發和應用，P92鋼作為一種新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼，因具有較高的高溫強度和蠕變性能、良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能，成為目前超超臨界機組主蒸汽管道及高溫再熱蒸汽管道等重要承壓部件的首選材料[1]。P92鋼是在P91鋼的基礎上通過降低Mo含量、加入1.5％～2.0％的W，形成了以W為主的W-Mo復合固溶強化；同時復合利用Nb、V合金元素形成彌散分布的MX相、B元素的晶界強化，形成了一種性能優良的新型鐵素體耐熱鋼[1-4]。

在USC機組中P92鋼部件主要依靠焊接方式進行連接，焊接冶金過程的特殊性決定了焊接接頭的組織性能與母材相比有較大差別，而焊接工藝和熱處理參數又會對焊接接頭的組織性能產生較大的影響，因此P92鋼適宜的焊接工藝是決定其安全穩定運行的關鍵技術，一直以來都是研究的熱點和重點[5-8]。由于目前對P92鋼的焊接性認識并不充分[9-11]，關于P92鋼適宜的焊接工藝仍在繼續探索和深入開展。本研究在前期研究P92鋼焊接接頭微觀組織的基礎上[12]，開展P92鋼焊接接頭力學性能研究，解析沖擊韌性和硬度變化的根本原因，為完善P92鋼適宜的焊接工藝提供技術數據支持，對確保USC機組安全穩定運行具有重要的意義。

1　試驗材料和試驗方法

1.1試驗材料

試驗用P92鋼規格為φ455 mm×70 mm，供貨狀態為正火+高溫回火，焊接材料選用德國蒂森公司開發專用焊條Thermanit MTS616，規格為φ2.5 mm和φ3.2 mm，其化學成分如表1所示。

表1　試驗材料化學成分Tab.1Chemical composition of test material ％

1.2試驗方法

試驗用P92鋼采用焊條電弧焊（SMAW），焊前預熱250℃～300℃，焊接電流110～130 A，焊層厚度不大于焊條直徑，焊接時采用多道多層焊，層間溫度嚴格控制在250℃～300℃。焊接完成后，截取20 mm后試塊放入電阻爐中進行高溫回火處理，回火規范如圖1所示。

圖1　P92鋼焊接接頭熱處理曲線Fig.1Heat treatment curve of P92 steel welded joint

根據標準分別加工焊態和熱處理后的P92鋼焊接接頭夏比V型缺口沖擊試樣，依據GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊實驗方法》在室溫下進行沖擊試驗，試驗設備為JB-30B沖擊試驗機。利用JSM-6610LV掃描電子顯微鏡觀察沖擊試樣斷口形貌。采用320HBS-3000型數顯布氏硬度計測試焊接接頭的布氏硬度，壓頭直徑2.5 mm，載荷187.5 kN，加載時間15 s。

2　試驗結果和分析

2.1沖擊韌性

熱處理前后P92鋼焊接接頭沖擊功如圖2所示，焊態焊縫金屬沖擊功很低，僅有7 J，說明焊縫處于嚴重的脆化狀態，經熱處理后焊縫韌性提高，達到31.7 J。焊接熱影響區韌性遠比焊縫的好，經過熱處理后的熱影響區沖擊功值最高（74 J）。

圖2　P92鋼焊接接頭（10 mm×10 mm×55 mm）沖擊功Fig.2Impact energy figure of P92 steel welded joint

P92鋼焊接接頭沖擊斷口擴展區形貌如圖3所示，焊態焊縫斷裂形式為解理斷裂（見圖3a），經熱處理后斷口中含有少量的準解理形態（見圖3b）；焊接條件下熱影響區斷口形貌主要為解理+準解理斷裂（見圖3c），熱處理后斷裂形式為準解理（見圖3d）。

由于焊接時采用的熱輸入量較大，因此P92鋼焊態焊縫金屬脆化嚴重，經熱處理后，過飽和的馬氏體發生析出相析出，降低了馬氏體晶格的畸變程度，同時馬氏體板條內的位錯發生滑移纏結和聚集，降低板條內位錯密度，明顯改善焊縫韌性，但由于形成的晶粒尺寸粗大，其沖擊功值但仍未達到標準規定的40 J。焊接熱影響區沖擊斷裂面包含了粗晶區、細晶區和部分相變區等組織，其沖擊功值是各區組織的綜合反映，因此熱影響區的韌性遠好于焊縫，尤其是經過熱處理后的熱影響區，其沖擊功值最高。

圖3　P92鋼焊接接頭沖擊試樣斷口形貌Fig.3Fracture morphology of impact specimen of P92 steel welded joint

2.2焊接接頭的硬度

不同狀態P92鋼焊接接頭各區域的硬度如圖4所示。沿厚度方向相同區域的硬度值相差不大，母材的硬度值最低，焊態焊縫金屬硬度高于母材（見圖4a），焊接熱影響區隨經歷的焊接熱循環峰值溫度升高硬度值急劇增加，其中熔合區硬度最高。熱處理后焊接接頭各區域硬度都有明顯的降低（見圖4b），尤其是焊縫金屬，硬度降低幅度最大。

圖4　P92鋼焊接接頭的硬度分布Fig.4Hardness distribution of P92 steel welded joint

P92鋼焊接過程中冷卻速度較快，產生較強的固溶強化效果，另一方面粗大的柱狀晶形成了尺寸較大的馬氏體板條束和板條，導致焊態焊縫金屬硬度遠高于母材。在焊接熱影響區內，峰值溫度越高，析出相溶解的越多，其固溶強化效果愈強，因此硬度值也會越高，尤其是熔合區由于被加熱到半熔融狀態，晶界熔化導致晶粒內部原子半徑較大的合金元素向熔合區擴散，引起硬度最高。經熱處理后P92鋼焊接接頭各區域硬度明顯降低，焊態時硬度越高，過飽和度越大，固溶強化效果越強，回火過程中析出相析出速度越快，硬度降低幅度越大。

3　結論

（1）P92鋼焊態焊縫脆化嚴重，熱處理后韌性明顯改善但仍達不到標準規定值；熱影響區沖擊功遠高于焊縫，熱處理后韌性最好。

（2）P92鋼焊態接頭焊縫金屬的硬度遠高于母材，經熱處理后焊接接頭各區域硬度明顯降低，焊態時接頭各區域硬度越高，熱處理后硬度降低幅度越大。

（3）焊后熱處理能夠明顯改善P92鋼焊接接頭的性能，而較大的焊接熱輸入是導致P92鋼焊接接頭性能差的主要原因。

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Mechanical properties of heat-resistance steel P92 welded joint for USC unit

LI Xinmei1，ZHANG Jing2，DU Baoshuai1，LIU Rui2
（1.Shandong Electric Power Research Institute，Ji'nan 250003，China；2.Key Lab of Liquid Structure and Heredity of Materials，Ministry of Education，Shandong University，Ji'nan 250061，China）

Toughness and hardness ofP92 steel welded joint before and after heat treatment were studied by impact test,hardness test and scanning electron microscopy(SEM).The results showthat P92 steel welded joint has lowimpact toughness and high hardness.The impact toughness is obviously increased and hardness is significantly decreased on P92 steel welded joint after heat treatment.Post welding heat treatment(PWHT)can significantlyimprove the performance ofP92 steel welded joint，and the main reason for the poor performance ofP92 steel welded joint is the great weldingheat input.

ultra-supercritical unit；P92 steel；toughness；hardness

TG457.1

A

1001－2303（2016）05－0077-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.17

2015-12-19

李新梅（1980—），女，山東菏澤人，博士，高級工程師，主要從事電站新型耐熱鋼焊接技術的研究工作。