P91和P92馬氏體耐熱鋼焊縫中的黑線

曾凡偉,謝逍原,昌 佳,楊華春,高淼淼

(東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司，自貢 643001)

P91和P92馬氏體耐熱鋼具有良好的高溫持久強度和較好的抗氧化性，廣泛應用于火力發電機組鍋爐集箱、蒸汽管道等[1-2]。P91和P92馬氏體鋼焊縫中經常會發現線狀物質，形似裂紋，在光學顯微鏡下呈黑色(以下稱黑線)。目前，對黑線化學成分和形成環節的研究較多[3]，但未見對黑線的分布特點、結構特征、形成原因等進行深入研究的報道。為此,筆者通過試驗對埋弧自動焊的P91鋼和P92鋼焊縫黑線進行微觀分析，研究了黑線的分布特點、結構特征、形成原因等，以期為解決工程質量爭議提供技術依據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

P91鋼管和P92鋼管的坡口均為U型坡口，焊前預熱溫度為200～250 ℃，手工鎢極氬弧焊裝點并打底，焊條采用手工電弧焊過渡，其余部分采用埋弧自動焊，焊接速率為20 cm/min～50 cm/min，焊后熱處理溫度為(760±10) ℃，保溫時間為5 h。母材和焊材的具體尺寸如表1所示。

表1 母材和焊材的具體尺寸

鋼管對接焊后，按圓周方向均分為4個試樣，依次編號為1#～4#(見圖1)，其中1#試樣焊態不進行熱處理，2#～4#試樣均進行760 ℃的焊后熱處理，然后取全厚度焊縫試樣(見圖2)、金相檢驗試樣(三氯化鐵+鹽酸溶液擦拭腐蝕或體積分數為10%硫酸溶液電解腐蝕)、透射電鏡(TEM)試樣(用聚焦離子束取樣)。

圖1 鋼管對接焊縫解剖示意

圖2 鋼管對接焊全厚度焊縫試樣取樣示意

1.2 試驗方法

對焊態和焊后熱處理態試樣的微觀形貌進行分析，確認黑線的產生環節是否與焊后熱處理有關；用NIKON MA300型光學顯微鏡觀察試樣的全厚度區域(打底部位、中部和蓋面部位)，確認黑線的分布特點；選擇焊縫中典型的黑線，用JSM-6610型掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、TEM及選區電子衍射(SAED)等方法進行分析，確定黑線的化學成分和結構特征。

2 試驗結果

2.1 焊態與熱處理態

P91-1試樣焊態未發現黑線[見圖3a)～3c)];760 ℃焊后熱處理后，P91-1試樣熱處理態的近打底部位、中部和近蓋面部位均可見黑線，且不同位置的黑線形貌特征無明顯差異[見圖3d)～3f)]。

圖3 P91-1試樣焊態和熱處理態的顯微組織形貌

2.2 黑線的分布及特征

將P91-1和P92-1試樣經三氯化鐵+鹽酸溶液腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：P91-1和P92-1試樣全焊縫范圍內均可見黑線，主要分布于柱狀晶之間，但非均勻分布，且黑線長度為0.05～2 mm。

圖4 三氯化鐵+鹽酸溶液腐蝕后P91-1和P92-1試樣的顯微組織形貌

將三氯化鐵+鹽酸溶液腐蝕后的P91-1和P92-1試樣進行SEM分析，發現在黑線位置可見線狀排列的顆粒狀析出物[見圖5a),5b)]；將P91-2和P92-2試樣經10%硫酸溶液電解腐蝕后進行SEM分析，可見試樣表面上有許多析出物顆粒，含有黑線的析出物均已脫落，脫落后形成的坑呈線狀排列,形似裂紋[見圖5c),5d)]。

圖5 不同腐蝕方式腐蝕后P91鋼和P92鋼試樣的SEM形貌

2.3 黑線的成分與結構

2.3.1 P91-1試樣

對P91-1試樣黑線處進行EDS分析，結果如圖6所示。由圖6可知：黑線富含Cr、Mo、Mn、V等元素；位置1～4處的Cr、Mo、Mn、V等元素含量遠高于基體(位置5～6)處，與晶界析出物(位置3)基本相同，析出物為M23C6[4]。為了分析黑線(析出物)的結構，選取了其中較大的析出物顆粒進行SAED分析，分析位置如圖6a)所示，結果顯示析出物為面心立方結構。

圖6 P91-1試樣黑線處的 EDS分析結果

對P91-1試樣馬氏體板條束形貌處進行EDS分析，結果如圖7所示，可見位置1和5處析出物含有大量Cr、Mo、Mn、V等元素，遠高于基體(位置2～4)處。

圖7 P91-1試樣馬氏體板條束形貌處的 EDS分析結果

2.3.2 P92-1試樣

對P92-1試樣黑線處進行EDS分析，結果如圖8所示，可見黑線處有大量顆粒狀析出物，析出物(位置1～2)的Cr、Mo、W等元素含量遠高于基體(位置5)處，與晶界析出物(位置3)基本相同，析出物為M23C6[5-6]。選取了其中的較大析出物顆粒進行SAED分析，結果如圖9所示，可見析出物為面心立方結構。

圖8 P92-1試樣黑線處的 EDS分析結果

圖9 P92-1試樣析出物顆粒的SAED分析結果

3 綜合分析

P91鋼和P92鋼焊縫組織為不同位向的馬氏體板條束和馬氏體板條。晶界上主要由塊狀、條狀和小的顆粒狀析出相組成，而馬氏體板條界上主要為細小條狀(或棒狀)和粒狀析出相，板條內有許多細小的析出相，呈一定位向排列。P91鋼和P92鋼的析出相主要是M23C6,M7C3,M6C和MX等，其中M23C6為主要的析出物，M23C6具有復雜的面心立方結構，金屬原子團M主要是Cr原子團，可溶解Fe、Co、Ni、W、Mo等元素[6]。

760 ℃焊后熱處理后，焊縫中發現了黑線，表明黑線與焊后熱處理時的析出相有關。黑線可通過正火熱處理消除，證實了黑線為析出相，可以回溶至基體。

由SEM和TEM分析結果可知，黑線位置存在線狀排列的顆粒物，說明黑線不是裂紋，而是馬氏體焊縫組織析出物。EDS分析發現黑線富含Cr、Mo、Mn、V等元素，與晶界或板條界的M23C6析出物化學成分基本相同。黑線位置析出物顆粒的SAED分析結果顯示，析出物為面心立方結構。從黑線的微觀形貌、化學成分和結構可以判定，黑線為線狀排列的M23C6(M為Cr、Fe、Mo等原子團)碳化物。

黑線的形成原因為：P91鋼和P92鋼焊接過程中，Cr和Mo等元素在柱狀晶之間偏聚，焊后熱處理時M23C6碳化物在柱狀晶晶界析出，呈線狀排列。M23C6碳化物與周圍基體的化學電位不同，腐蝕過程中會出現選擇性腐蝕，在光學顯微鏡下觀察呈黑色線狀，即黑線。

4 結論

(1) P91鋼和P92鋼的全焊縫范圍內均存在黑線，主要位于柱狀晶之間。黑線并非裂紋，為焊后熱處理時析出的線狀排列M23C6碳化物。

(2) P91鋼和P92鋼焊接冶金過程中，Cr和Mo等元素在柱狀晶之間偏聚，并在焊后熱處理時以M23C6碳化物的形式在柱狀晶晶界析出，呈線狀排列，腐蝕后在光學顯微鏡下呈現黑色。