620 ℃機組新型馬氏體耐熱鋼12Cr10Co3W2MoNiVNbNB焊接性及接頭性能

張紅濤，熊建坤，何 瑞，余 勇

（東方汽輪機有限公司，四川德陽618200）

620 ℃機組新型馬氏體耐熱鋼12Cr10Co3W2MoNiVNbNB焊接性及接頭性能

張紅濤，熊建坤，何 瑞，余 勇

（東方汽輪機有限公司，四川德陽618200）

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼為自主研制的9％Cr～12％Cr高強度馬氏體耐熱鋼，與傳統的Cr-Mo-W耐熱鋼相比，具有高溫強度高、抗蠕變性能和抗氧化性能好等優點。研究12Cr10Co3W2MoNiVNbNB的焊接性，測定了焊接接頭的常溫拉伸、彎曲、沖擊、高溫拉伸等。結果表明，焊接接頭的常溫力學性能和高溫拉伸均能滿足620℃超超臨界汽輪機高壓隔板的設計和使用要求。

馬氏體耐熱鋼；焊接性；性能

0 前言

基于常規的發電系統，提高機組參數，發展高經濟性、高效率的高參數大容量機組，成為常規燃煤電站增效減排的重要途徑，也是燃煤發電技術創新和產業升級換代的主要方向[1]。目前國內正在設計和制造再熱蒸汽溫度為620℃的超超臨界機組。隨著汽輪機組進氣參數的提高，改進材料及性能研究是高參數機組發展的關鍵[2]。

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB材料是在1Cr11Co3 W3NiMoVNbNB材料基礎上自行研發的新型優質12％Cr鋼鍛件材料[3]。Cr12型馬氏體鋼雖有較高的抗氧化性和抗腐蝕性，但回火組織的穩定性差，為了強化Cr12型馬氏體不休鋼的性能，在Cr12型馬氏體鋼基礎上加入了Co、W、Mo、V、Nb、N、B等合金元素來提高該材料的高溫抗蠕變強度，抑制δ鐵素體的產生，改善鋼的韌性[4]。改良的新型優質12％ Cr鋼的使用溫度達到630℃，已被廣泛引用于噴嘴導葉、620℃機組高壓1～3級隔板及中壓一級導葉[5]。但該鋼首次應用于620℃超超臨界汽輪機大型焊接件中，其焊接性及焊接接頭性能研究報道很少。為確保焊接質量，有必要深入研究此鋼的焊接性。

1 焊接性分析

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB材料是一種新型馬氏體耐熱鋼，含有多種強化元素（見表1），材料的合金含量高達17％，屬于高合金鋼，這類鋼在焊接時主要存在如下問題[6]：

表1 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼化學成分％

（1）焊接冷裂紋。冷裂紋是在焊后冷卻過程中在Ms點以下或在更低的溫度范圍內形成的一種裂紋。由表1可知，C、S和P的含量低、純凈度高，具有晶粒細、韌性高的優點，相比較焊接冷裂紋傾向大為降低，基于此類新型鐵素體鋼的合金成分含量與實際施焊條件下的冷裂傾向，傳統碳當量評價冷裂紋傾向的公式已不再適用，但12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼作為馬氏體耐熱鋼，焊接殘余應力較大，焊接熱循環條件下冷卻速度控制不當易導致淬硬的馬氏體組織的形成，焊接接頭剛度過大或氫含量沒得到嚴格控制，一種或幾種因素作用有可能產生冷裂紋，總體來講該鋼仍具有一定的冷裂傾向。

（2）熱影響區軟化。馬氏體耐熱鋼在焊接過程中熱影響區的細晶區和臨界區會產生軟化現象，原因是焊接接頭熱影響區的細晶區和臨界區在焊接熱循環下所承受的溫度均高于Ac1溫度，處于這一溫度區間的金屬發生部分奧氏體化，沉淀強化相不能完全溶解在奧氏體中，未溶解的沉淀相在隨后的熱循環下發生粗化，降低了該區域的強度，軟化主要影響高溫持久性能，軟化區在長期高溫運行后易產生裂紋。焊接過程的熱循環對軟化帶有較大的影響，施焊過程中增加預熱溫度、焊接線能量和提高焊后熱處理規范均會使軟化帶加寬，因此應將整個焊接過程中的熱輸入量保持在較低水平，以減小軟化帶寬度，降低其影響。

2 試驗方法

試驗母材為鍛件，力學性能檢驗結果如表2、表3所示。焊接材料采用MTS 616/φ1.2實心焊絲，其化學成分見表4。焊接接頭采用窄間隙焊氣體保護焊（NGW）進行焊接。

表2 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼室溫力學性能

表3 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼高溫短時持久性能

表4 MTS 616化學成分％

焊前試板預熱溫度200℃～250℃，焊接層間溫度200℃～300℃，保護氣體為φ（Ar）80％+φ（CO2）20％富氬氣體，焊接工藝參數如表5所示。焊接試板緩冷至80℃～100℃時，對試板進行350℃～400℃的后熱去氫處理，隨后對試板分別進行720℃～740℃保溫12 h和保溫12 h+12 h的去應力熱處理。

表5 焊接工藝參數

3 結果分析

3.1 常溫拉伸試驗

常溫拉伸試驗方法參照GB/T2651《焊接接頭拉伸試驗方法》和GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的規定進行。常溫拉伸性能試驗合格標準按ASMEⅨ《焊接工藝評定規程》中的要求進行評判，常溫拉伸試驗結果如表6所示。

表6 拉伸試樣結果

由表6可知，拉伸試樣均斷于焊縫，試板進行720℃～740℃保溫12 h熱處理的焊縫強度要明顯高

于試板進行720℃～740℃保溫12 h+12 h熱處理的試板焊縫強度。因試板焊接采用的低匹配焊接材料，雖然拉伸試樣均斷于焊縫，焊縫的抗拉強度可滿足焊材標準值的要求，故可判斷拉伸試驗合格。

3.2 常溫彎曲性能試驗

常溫彎曲試驗參照GB/T2653《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》和GB/T14452-93《金屬彎曲力學性能試驗方法》的規定進行。常溫彎曲試驗驗收標準執行ASME《焊接和釬接評定》中的要求進行評判，試驗結果如表7所示。

表7 彎曲試驗結果

根據ASMEⅨ《焊接和釬接評定》規定，試樣彎曲到180°后，其每片試樣的拉伸面在焊縫和熱影響區內任何方向上都不得有超過3 mm的開裂缺陷方為合格。由表7可知，試板經720℃～740℃保溫12 h熱處理后的彎曲試樣不合格。

3.3 沖擊試驗結果

常溫沖擊韌性試驗方法按照GB/T2650《焊接接頭沖擊試驗方法》和GB/T229-94《金屬夏比缺口沖擊試樣方法》規定進行，焊縫及熱影響區的常溫沖擊試驗結果如表8所示。

表8 沖擊試驗結果

由表8可知，試件經720℃～740℃保溫12 h+ 12 h兩次熱處理后，其焊縫、熱影響區的沖擊韌性明顯比經過720℃～740℃保溫12 h一次熱處理后沖擊性能好，滿足標準要求。

對合格沖擊試樣的熱影響區及焊縫金屬的常溫沖擊試樣斷口進行電鏡掃描，分析其斷口形貌及斷裂形式。典型沖擊斷口電鏡掃描照片如圖1所示。

圖1 沖擊試樣斷口照片

斷口起裂源均為細小等軸韌窩，說明所有的沖擊試樣在斷裂前均發生了塑性變形，擴展區以解理形貌為主，部分試樣的擴展區為解理+少量細小韌窩狀形貌，初步分析斷裂區變形拉長韌窩，還需進一步深入研究。

3.4 硬度試驗結果

對焊接工藝評定試件的焊接接頭焊縫及兩側母材、熱影響區硬度分布進行檢驗，檢驗用設備為美國標樂BUEHLER生產的5112型維氏硬度計。各檢測點維氏硬度值如表9所示，各層硬度分布曲線如圖2、圖3所示。

表9 硬度檢驗結果HV10

圖2 試樣1焊接接頭硬度分布

圖3 試樣2焊接接頭硬度分布

由圖2、圖3可知，試件焊縫硬度均小于350HV10，試件焊接接頭的硬度值合格。由圖2可知，焊接接頭的熱影響區的細晶區和臨界較窄的區域產生軟化現象。由圖3可知，經過兩次熱處理后焊縫接頭的硬度區域均勻化。

3.5 高溫拉伸試驗結果

焊接接頭高溫瞬時拉伸試驗的試樣拉伸時均斷于焊縫，具體試驗結果見表10。

表10 高溫拉伸試驗結果

根據ASME標準，MTS 616焊材熔敷金屬抗拉強度與溫度的曲線如圖4所示[1]，由表10可知，選用MTS 616焊材得到的焊接接頭高溫瞬時拉伸的試驗數值均高于標準，因此焊接接頭高溫短時拉伸性能是合格的。

圖4 焊材熔敷金屬抗拉強度與溫度的關系曲線

3.6 金相組織分析

焊接接頭金相組織如圖5所示，未發現任何超標的宏觀缺陷，焊接接頭的微觀組織各區域組織均為回火馬氏體。結果表明，試驗的焊接及熱處理工藝合理，避免了焊接接頭各區域中淬硬馬氏體組織及過熱、過燒組織出現。

4 結論

（1）采用MTS616焊材及合理的焊接工藝，其12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼的焊接接頭能滿足標準要求。

（2）選用720℃～740℃保溫12 h+12 h熱處理后，焊接接頭金相組織沒有出現過熱、過燒不正常組織，焊接接頭硬度均勻，沖擊性能好。

（3）12Cr10Co3W2MoNiVNbNB鋼的焊接接頭高溫瞬時拉伸的數值均在標準范圍內。

圖5 焊接接頭組織

[1]DZ2.6.67-2009A.汽輪機用12Cr10Co3W2MoNiVNbNB耐熱鋼鍛件毛坯采購技術規范[S].

[2]增強，燕平，董建新，等.一種低成本、高性能新型超超臨界氣輪機材料用高溫合金的組織和性能[J].鋼鐵研究學報，2011，23（1）：377-380.

[3]Chaturvedi M C，Richards N L，Xu Q.Electron beam welding of Ni-Based alloys[J].Materials Science and Engineering，1998，s239-240（1）：605-612.

[4]Huang Xiao.Effect of grain boundary segregation of boron in cast alloy 718 on HAZ microfissuring analysis[J].Acta Materialia，1997，45（8）：3095-3107.

[5]李春曦，葉學民.燃氣輪機工業的發展前景[J].鍋爐制造，2002（4）：40-47.

[6]徐強，張幸紅，韓杰才，等.先進高溫材料的研究現狀和展望[J].固體火箭技術，2002，25（3）：51-55.

New martensitic heat-resistant steel 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB weldability and welding joint performance for 620℃USC

ZHANG Hongtao，XIONG Jiankun，HE Rui，YU Yong
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618200，China）

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB steel developed for 9％Cr～12％Cr martensite heat-resistant steel，high strength and compared to the traditional Cr-Mo-W heat resistant steel，with high temperature and high strength，good creep resistance and oxidation resistance，etc.In this paper，research the weldability of 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB，and the determination of the welded joint of room temperature tensile，bending，impact，high temperature tensile，etc.The results show that mechanical properties of welded joint at room temperature and high temperature tensile can satisfy 620℃ultra-supercritical steam turbine design and requirements of the high pressure separator.

martensitic heat-resistant steel；weldability；performance

TG406

A

1001－2303（2016）09－0007-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.02

2016-04-26

張紅濤（1977—），男，河南商丘人，工程師，學士，主要從事汽輪機焊接工藝的研究工作。