退火處理對P91鋼管熔焊接頭組織結構及性能的影響

馮可云，馬濤，劉鵬，張格銘，趙寶中

（1.山東建筑大學材料科學與工程學院，山東濟南250101；2.煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司，山東煙臺264003；3.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013）

退火處理對P91鋼管熔焊接頭組織結構及性能的影響

馮可云1，馬濤2，劉鵬1，張格銘1，趙寶中3

（1.山東建筑大學材料科學與工程學院，山東濟南250101；2.煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司，山東煙臺264003；3.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013）

采用光學金相顯微鏡、維氏硬度計等測試方法，研究焊后不同保溫時間退火熱處理對P91鋼熔焊接頭顯微組織特征及硬度分布的影響。結果表明，經過不同保溫時間的退火處理，近焊縫的母材的顯微組織由板條馬氏體逐漸轉變為針狀或片狀馬氏體，隨保溫時間降低，熱影響區的片狀馬氏體組織逐漸粗大，而焊縫區則隨保溫時間降低由片狀馬氏體組織向針狀馬氏體轉變。隨著退火保溫時間的延長，P91鋼熔焊接頭硬度起伏趨于平穩，但整體硬度均值有所降低，其中760℃+5.5 h保溫退火熱處理后，熱影響區和焊縫區的硬度比760℃+4.5 h保溫退火熱處理后略有提高，這可能是由于接頭中存在一定的針狀馬氏體+鐵素體組織而引起的。

P91鋼；退火處理；保溫時間；顯微組織；硬度

0 前言

P91鋼是一種改良型的馬氏體9Cr-1Mo鋼[1-2]，是在9Cr-1Mo的基礎上加入V、Nb微合金元素，并嚴格控制N的含量。其組織結構為馬氏體加部分鐵素體，在高溫環境下具有較好的組織穩定性、高溫持久強度、高溫蠕變強度。P91耐熱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，廣泛應用于電站鍋爐的過熱器、再熱器及主蒸汽管道、核電熱交換器以及石油裂化裝置爐管上[3-4]。但是在實際生產中P91鋼存在著一些焊接質量問題，例如焊縫裂紋、夾渣以及焊縫根部未焊透現象等缺陷。目前，國內外相關技術領域已經對P91鋼進行了較多研究，但研究重點主要集中在焊接工藝及熱處理方法的選擇方面[5-7]。緊密結合我國超臨界機組安裝實際，有關P91鋼的熱處理溫度、保溫時間和結構性能之間的關系及其顯微組織變化方面的研究尚少有報道，尤其是在既能有效降低保溫時間又能保證接頭組織性能方面的研究還不多。如果能夠在保證接頭組織性能不變或不發生大的降低的基礎上，大幅度減少保溫時間將會極大提高接頭的焊接效率，節約能源和生產成本。

本研究采用焊條電弧焊和TIG焊工藝對P91耐熱鋼管進行有效的熔焊焊接，焊后選取恰當的退火處理溫度，重點分析在不同保溫時間的條件下，尤其是在少于目前常用保溫時間條件下接頭的顯微組織結構及性能的變化特征，研究影響接頭組織結構性能變化的影響因素，為改善P91鋼的熱處理工藝提供重要的試驗基礎。

1 試驗材料及工藝

采用P91鋼管作為母材，牌號10Cr9Mo1VNb，管長185 mm，直徑50 mm，內徑25 mm。P91鋼管對接焊接需要開坡口，坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口形式

試件采用TIG焊打底、焊條電弧焊填充及蓋面的焊接方法，焊接工藝參數見表1。焊后熱處理狀態為退火狀態，退火溫度為760℃±10℃，退火保溫時間分別選擇4.5 h、5 h和5.5 h，保溫后隨爐冷卻至室溫狀態。

表1 焊接工藝規范參數

2 結果和討論

2.1 退火保溫時間對母材組織影響

母材經過不同保溫時間退火處理下的金相組織如圖2所示。由圖2a可知，P91耐熱鋼母材組織由初級α相和針狀晶粒β相的雙微觀結構組成，其中黑色的β相夾雜在白色的片狀α相之間，一些片狀的α聚集在一起形成片狀的α束，同一束內的α片取向基本相同，板條狀馬氏體組織明顯，且較為細長。經過760℃保溫退火4.5 h的P91耐熱鋼的母材組織發生明顯變化（見圖2b），組織呈現細小片狀組織，為回火馬氏體。而在圖2c中，經過760℃保溫退火5 h的P91耐熱鋼的晶粒明顯比760℃保溫退火4.5 h的P91耐熱鋼組織晶粒接近于片狀馬氏體組織，但組織形態仍屬于回火馬氏體；而當經過760℃保溫退火5.5 h的P91耐熱鋼的母材是回火馬氏體，組織形態更接近于片狀馬氏體（見圖2d），但其晶粒大小與760℃保溫退火5 h的晶粒相比沒有太大變化。

2.2 退火保溫時間對熱影響區組織影響

根據圖3a，未經退火的P91鋼熱影響區顯微組織為粗大板條馬氏體。經過760℃＋4.5 h退火處理后，P91鋼熱影響區顯微組織為典型的片狀馬氏體組織（見圖3b），且與退火前相比，殘余奧氏體相對較少。經過760℃＋5 h退火處理后，熱影響區顯微組織也呈現片狀馬氏體組織（見圖3c），但與760℃＋4.5 h退火處理相比，該區域組織的晶粒變得更加細小。經過760℃＋5.5 h退火處理后（見圖3d），熱影響區顯微組織也基本呈現片狀馬氏體組織，但與760℃＋5 h退火處理后熱影響區顯微組織相比變化較大，晶粒更為細小，殘余奧氏體更少。

金相試驗分析表明，退火后的P91鋼焊接接頭熱影響區顯微組織發生了明顯變化，由粗大的板條馬氏體轉變成片狀馬氏體，且殘余奧氏體數量減少。即使同為退火狀態下的組織由于保溫時間的不同，其組織形態也有一定的變化。尤其是760℃+5.5 h退火處理與760℃+5 h退火處理后的顯微組織相比變化較大。較為明顯的變化是熱影響區的馬氏體組織由板條狀向片狀轉變，這是由于退火處理時溫度較高，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；同時，溫度較高，組織中奧氏體和馬氏體的強度都較低，因此相變時應力以滑移方式松弛，有利于條狀馬氏體形成。而隨著形成溫度的降低，出現孿生現象，使

得條狀馬氏體向片狀馬氏體轉變。

圖2 退火處理前后母材的顯微組織

圖3 退火處理前后熱影響區的顯微組織

2.3 退火保溫時間對焊縫組織影響

圖4a為退火前P91鋼焊接接頭焊縫的金相組織，呈現為典型的板條馬氏體組織。經過760℃＋4.5h退火處理后焊縫組織轉變為針狀馬氏體（見圖4b），且大小不一，此外在馬氏體周圍還有部分殘余奧氏體存在，并伴有一定的鐵素體組織。經過760℃＋5 h退火處理后焊縫組織呈現為片狀馬氏體（見圖4c），但殘余奧氏體的晶粒大小略大于760℃＋4.5 h退火處理后焊縫殘余的奧氏體。當經過760℃＋5.5 h退火處理后焊縫組織仍然為片狀馬氏體（見圖4d），但與760℃+5 h退火處理相比，焊縫中殘余奧氏體晶粒顯然更大一些。

圖4 退火處理前后焊縫的顯微組織

分析表明，退火處理前后P91鋼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馬氏體和片狀馬氏體轉變的過程，且退火保溫時間長短也影響了組織轉變形態。經過4.5 h保溫退火后，焊縫組織由板條馬氏體逐漸轉變為針狀馬氏體；經過5 h保溫退火，組織進一步轉變為片狀馬氏體，還出現了殘余奧氏體，而殘余奧氏體的存在對接頭性能有一定的影響；5.5 h保溫退火后的焊縫組織仍然呈現片狀馬氏體，其馬氏體組織的形態比5 h退火時更加顯著。焊縫區中不同保溫退火下組織的轉變顯然會對接頭的性能有所影響。

2.4 退火保溫時間對接頭硬度分布的影響

P91鋼管焊接接頭退火前及退火+不同保溫時間處理后的顯微硬度分布試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，各處理條件下接頭的顯微硬度分布趨勢較為接近，母材區域硬度相對較低，母材向焊縫方向硬度逐漸升高，在近縫區（熱影響區）附近達到峰值；而焊縫區硬度分布較平緩。未經過退火處理時，焊接接頭硬度分布起伏變化較大，熱影響區

硬度最高達到450HV，焊縫區硬度也達到400HV。而退火處理后P91鋼焊接接頭各區域硬度分布更加趨于平緩，但是與未經退火的P91鋼焊接接頭各區域硬度相比，硬度顯著降低。其中退火處理后P91鋼焊接接熱影響區的硬度為270～300 HV，焊縫區的硬度為240～270 HV。并且760℃+5.5h退火處理后焊接接頭熱影響區和焊縫的硬度值稍高于760℃+4.5 h退火處理后的硬度值，但在4.5 h保溫退火條件下硬度均值高于5 h保溫退火處理。

圖5 P91鋼熔焊接頭顯微硬度分布曲線

結合顯微組織分析表明，退火處理后焊接接頭中熱影響區和焊縫區域的硬度產生了較大變化，硬度分布更加趨于平緩，起伏不大，這是因為熱影響區和焊縫區中原來的板條馬氏體組織保溫退火后轉變成針狀或片狀馬氏體組織。此外，還發現在退火保溫時間較長的P91鋼的熱影響區和焊縫中不僅有針狀馬氏體，還存在一定的鐵素體組織，有些區域形成了針狀馬氏體+鐵素體組織，有該組織的區域的硬度高于單一針狀馬氏體組織，但低于存在板條狀馬氏體的區域的硬度。因此，退火保溫時間較長的這些區域的硬度明顯低于未退火時該區域的硬度，但又略高于退火時間相對較短的硬度。

3 結論

退火處理對P91鋼熔焊接頭的組織性能有較大的影響。退火處理后，近焊縫母材由板條馬氏體轉變為針狀或片狀馬氏體；熱影響區主要呈現片狀馬氏體組織，隨著保溫時間的減少，其馬氏體組織逐漸變得粗大；殘余奧氏體組織也逐漸減少；而焊縫區中隨著保溫時間的減少，組織由片狀馬氏體組織逐漸向針狀馬氏體組織轉變，并且殘余奧氏體組織逐漸減少。未經過退火處理，焊接接頭硬度分布起伏變化較大，熱影響區硬度最高達450 HV。而退火處理后P91鋼焊接接頭各區域硬度曲線趨于平緩，但整體硬度均值偏低，熱影響區約270～300 HV，焊縫區為240～270 HV。其中760℃+5.5 h退火處理后焊接接頭熱影響區和焊縫的硬度值稍高于760℃+4.5 h退火處理后的硬度值，但4.5 h條件下硬度均值高于5 h保溫退火處理。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。

[1]Williams J A，Parker J D.Strain Generated at Austenitic：Ferritic Dissimilar Welds During Elastic Pressure Changes at High Temperature[J].Material Science and Engineering，1995（4）：242-250.

[2]Evans R W，Wilshire B.An Analysis of the Creep Fracture Characteristics of Austenitic Ferritic Steel Transition Welds[J].Mechanics of Marterials，1985（4）：51-65.

[3]李彬坡，劉鵬，趙寶中，等.退火處理對P91鋼管TIG焊接頭組織結構及性能的影響[J].電焊機，2014，44（6）：119-122.

[4]喬亞霞，郭軍.電站鍋爐用馬氏體耐熱鋼P91鋼的焊接[J].電力建設，2007（6）：87-90.

[5]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.

[6]歐陽杰，馮硯廳，王慶.P91鋼焊接及焊后熱處理中的問題分析[J].河北電力技術，2008，3（27）：13-14.

Influence of annealing treatment on microstructure and properties of P91 steel pipe joint by fusion welding

FENG Keyun1，MA Tao2，LIU Peng1，ZHANG Geming1，ZHAO Baozhong3
（1.School of Materials Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan 250101，China；2.Yantai Jereh Petroleum Equipment&Technologies Co.，Ltd.，Yantai 264003，China；3.NP Project Management Department，Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Ji'nan 250013，China）

Using the method of optical microscope and vickers hardness to study the effects on the microstructure and mechanical properties of P91 steel welded joint under the different holding time by annealing.The test results showed when P91 steel was annealed under different holdingtime,microstructure ofbase metal closed towelded joint had changed differently from the original lath martensite to the needle or plate martensite.And with the decrease of holding time，the lath martensite grew up gradually in the heat affected zone. However，with the decrease of holding time，a transformation had changed from the lath martensite to the acicular martensite in the weld zone.And with the holding time prolonged，the hardness curve of joint tended to be stable，and the overall hardness was decreased.After annealingheattreatment was 760℃+5.5 h，the hardness ofheataffected zone and weld zone was increased slightlythan one of760℃+4.5 h. The reason is that in some areas the acicular martensite+iron ferrite structure was formed toincrease the hardness value.

P91 steel；annealing treatment；holding time；microstructure；hardness

TG401

A

1001-2303（2016）10-0080-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.17

獻

馮可云，馬濤，劉鵬，等.退火處理對P91鋼管熔焊接頭組織結構及性能的影響[J].電焊機，2016，46（10）：80-84.

2016-03-04；

2016-09-03

馮可云（1990—），男，山東聊城人，學士，主要從事金屬材料焊接技術的研究工作。