1、1T22+TP347H 镍基过渡异种钢焊接接头不同热处理状态下的组织与性能研究刘鸿国 1 李太江 2 刘福广 2 王彩侠 2 陈吉刚 2 陈建江 1（1 华能玉环电厂，浙江 玉环；2 西安热工研究院有限公司，陕西 西安）【摘要】：本文主要通过力学性能测试、高温持久试验、光学金相组织观察、扫描电子显微镜等方法研究了T22+TP347H 镍基过渡焊接接头不同热处理状态的组织与性能变化。探伤和力学性能测试结果表明，T22+TP347H焊接接头不论是否进行热处理，都可以达到 DL/T 868-2004 工艺评定要求；580持久试验结果表明，在高应力（80MPa）状态下，焊态接头断裂应力高于热处理状态，
2、但焊态接头高温持久强度下降速度较快，应力低于80MPa 后，焊态接头的断裂应力会低于热处理状态接头。显微硬度结果表明，时效前 T22 侧熔合线侧热影响区硬度先升高后降低，热处理后，峰值硬度下降；时效后两种状态接头的 T22 侧热影响区硬度变化趋于一致；时效及热处理都会使焊缝、不锈钢侧热影响区的硬度升高。高温时效试验结果表明，时效后两种状态焊接接头的金相显微组织没有明显差别，T22 侧熔合区的形貌可以分为线状带状两种，分别对应于在熔合线上形成的型和碳化物。【关键词】：SA213 T22；SA 213 TP347H；异种钢；焊后热处理；1. 前言目前为止，国内外对铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢焊接接头
3、早期失效都进行了大量的研究，一些方面已经达成了共识，如采用奥氏体焊材过渡的异种钢接头，由于热膨胀系数不匹配、碳迁移、蠕变性能差异及复杂的应力状态使其容易出现早期失效。所以，现在普遍采用热膨胀系数介于铁素体钢和奥氏体钢之间且与 C 的亲和力较差的 Ni 基焊材进行异种钢焊接。但在镍基过渡异种钢焊接研究领域，仍然有一些问题存在分歧，其中铁素体钢和奥氏体钢焊接接头焊后是否进行热处理就是异种钢研究领域中比较受关注的问题之一。为此，本文以大型火电机组锅炉常用的T22+TP347H 镍基过渡焊接接头为例，对其焊态、热处理状态下的组织与性能变化进行了试验研究。2. 试验材料及试验方法2.1 试验材料本试验用
4、锅炉管均取自华能玉环电厂备品管，规格为 50.88.4，两种材料的化学成分如表 1 所示。表 1 试验用锅炉管化学成分钢号 C Si Mn S P Cr Mo Ni Cu NbSA 213 T22 0.10 0.29 0.49 0.007 0.014 1.99 0.84 18.13 / /SA 213TP347H 0.07 0.28 0.69 0.006 0.015 18.16 / 10.00 / 0.642.2 焊接2焊接方法选择全手工钨极氩弧焊，焊接设备为美国进口 Miller Dynasty 3500 型焊机，坡口形式为 65、 “V”型坡口，焊材选用 Ni 基焊材 ERNiCr-3，规
5、格 2.4，焊丝化学成分如表 2所示。表 2 焊材化学成分钢号 C Si Mn S P Cr Mo Ni Cu NbNiCr-3 0.05 0.08 1.78 0.002 0.007 18.57 / 65.85 0.02 1.32.3 焊后热处理焊后热处理按照 DL/T819-2004 标准在实验室箱式电阻炉中进行，控温精度1，热处理规范为 735保温 40min。2.4 无损检测焊接（热处理）完成后，焊接接头分别按 DL/T 821-2002、DL/T 4730.5-2005 标准进行 X 射线和表面渗透探伤，探伤合格后才可以进行后续力学性能检测、加速热时效试验、高温持久试验及显微组织分析。
6、2.5 焊接接头常温力学性能测试沿垂直于焊缝的方向切取拉伸、冲击、弯曲试样，按照相关标准进行力学性能检测，其中冲击试样为 51055 非标准试样。2.6 高温持久试验高温持久用试样采用截面尺寸为 8mm3mm 板状非标准持久试样，焊缝位于平行段中央位置，试验温度 580，炉温均匀性3，控温精度1，现阶段最长断裂时间已达到 5500h，预计试样最长断裂时间在 10000h 以上。2.7 高温加速热时效试验加速热时效试验在实验室用箱式电阻炉内进行，控温精度1，时效温度 600，时效时间 12003000h，每个焊接接头时效至预定时间后取出，按相应的标准进行力学性能检验及显微组织观察。2.8 金相组
7、织分析采用线切割方法切取金相试样，经机械打磨、抛光后，用 4%硝酸酒精/王水对接头不同部位进行腐蚀，在 OlympusGX71 光学显微镜观察金相显微组织并照相。2.9 显微硬度检测显微硬度检测在 FM-700 显微硬度试验机上进行，加载载荷 1000gf，加载时间 14s。3. 试验结果及分析3.1 两种状态接头的常温力学性能结果两种状态焊接接头的常温力学性能结果如表 3 所示。从表 3 可以看出，T22+TP347H 镍基过渡焊接接头无论是焊态或是焊后热处理状态，其力学性能都能达到 DL/T 868-2004 标准要求。表 3 T22+TP347H 异种钢焊接接头力学性能试验结果3焊缝及热
8、影响区 AKV/（J/cm 2） 焊缝及热影响区硬度 HBW2.5/187.5热处理状态Rm/MPaA/%断裂部位 T22 侧 焊缝 TP347H 侧 T22 侧 焊缝 TP347H 侧焊态 532.5 26.3 T22 侧 272.5 140.0 152.5 / / /经焊后热处理 532.5 26.3T22 侧 267.5 147.5 165.0 167 210 175两组焊接接头面弯、背弯均未发现裂纹。3.2 不同焊后热处理制度焊接接头的高温持久性能高温持久试验的部分试验结果如图 1 所示。从图 1 可以看出，两种状态焊接接头的试验数据在双对数坐标中都可以很好的符合线性关系；应力水平较高
9、（80MPa）时，焊态接头的断裂应力高于热处理状态；焊态接头持久性能曲线的斜率大于热处理状态，焊态的应力下降速度更快，随着试验时间的延长，两条持久性能直线约在 80MPa 处相交，采用等温线外推的方法可以推知 8000h 后，焊态接头持久强度将会低于热处理状态。101010101015020250 经 焊 后 热 处 理未 经 焊 后 热 处 理/MPa （ h）图 1 不同焊后热处理状态 T22+TP347H 焊接接头的高温持久性能3.3 不同焊后热处理制度焊接接头不同区域时效后的显微硬度变化图 2 为两种状态镍基焊接接头时效前后的显微硬度变化曲线。从图 2（a）可以看出，时效前，焊态接头的
10、焊缝硬度约为 180HV，焊后热处理对焊缝硬度基本没有影响；时效后，两种状态接头的焊缝硬度都有所升高，但热处理状态接头的焊缝硬度值分布比较焊态均匀。时效前，焊态接头 T22 侧热影响区随着与熔合线距离的增大，硬度迅速升高，在 1.5mm 处达到峰值 310HV，而后下降，到 3mm 处硬度恢复到母材硬度 160HV；热处理后，T22 侧热影响区硬度峰值下降低到了210HV。时效 3000h 后，两种状态接头的 T22 侧热影响区硬度变化趋于一致，01.2mm 存在一个硬度平台，焊态、热处理状态接头的硬度分别为 190、180HV，而后硬度逐渐降低，经过 1-2mm之间的细晶区硬度平台后，硬度逐
11、渐回落到母材硬度 140HV。时效后，T22 侧母材硬度略有降低（图 2（a） ） 。从图 2（b）可以看出，时效前 TP347H 侧热影响区与其母材的硬度一致，变化范围为 150160HV 左右；热处理后，TP347H 侧热影响区与母材硬度整体升高到 170180HV。时效3000h 后，两种状态接头的 TP347H 侧热影响区及母材硬度变化范围为 170190HV。4-6-4-202468140618020246028302 T2母 材Ni基 焊 缝显微硬度/HV与 熔 合 线 的 距 离 /m焊 态 、 未 时 效焊 态 、 时 效 30h热 处 理 、 未 时 效 热 处 理 、 时
12、效-6-4-20246810140618020246028302焊 缝 TP347H侧 母 材显微硬度/HV与 熔 合 线 的 距 离 /m焊 态 、 未 时 效焊 态 、 时 效 30h热 处 理 、 未 时 效 热 处 理 、 时 效（a）焊接接头的 T22 侧 （b）焊接接头的 TP347H 侧图 2 时效前后焊接接头的显微硬度变化曲线3.4 不同焊后热处理状态焊接接头时效后的金相组织图 3 为 T22+TP347H 焊接接头焊态、热处理状态时效前的金相组织。从 3 图（a）可以看出，T22 侧熔合线为一条清晰的边界， T22 侧热影响区依次经过粗晶区、细晶区和部分相变区，其中粗晶区和细
13、晶区都由淬火马氏体加贝氏体组成，部分相变区由铁素体加贝氏体组成；热处理后，T22 侧热影响区中的马氏体转变成回火索氏体，马氏体板条束界断开、弯曲和部分细化，说明马氏体基体已经开始发生再结晶（图 3（b） ） 。热处理前后的焊缝组织相近，均为柱状奥氏体+粒状碳化物，但热处理后的 Ni 基焊缝枝晶边界明显，如图 3（c、d） ；焊后热处理使 TP347H 侧热影响区中的晶界、孪晶界清晰，但组织均为奥氏体加球状碳化物（图 3（e、f） ） 。（a）焊态 T22 侧热影响区 （b）热处理状态 T22 侧热影响区（c）焊态 Ni 基焊缝 （d）热处理状态 Ni 基焊缝5（e）焊态 TP347H 侧熔合线
14、 （f）热处理状态 TP347H 侧熔合线图 3 时效前焊接接头各部位的金相组织图 4 为 T22+TP347H 焊接接头时效 3000h 后的金相组织。从图 4（a、b）可以看出，两种状态的 T22 侧熔合线形貌相近，可以分为两类：一类熔合线形貌为线状，另一类熔合线形貌为窄带状；热影响区中的组织为铁素体加球状碳化物，碳化物沿原马氏体板条束位向排列。时效 3000h后，焊缝的树枝晶边界变得更加清晰，热处理状态接头中的焊缝碳化物好像比焊态碳化物分布均匀，如图 4（c、d） ；TP347H 侧热影响区的组织基本一致，晶界与孪晶界都变得清晰，如图4（e，f） 。图 4 中的两种熔合线形貌采用扫描电子
15、显微镜放大后的照片如图 5 所示。从图 5 可以看出，黑线状熔合线所对应的碳化物为型碳化物，是一条沿熔合线方向分布的线状碳化物；窄带状熔合线所对应的是型碳化物，是由细小沉淀相、沿熔合线均匀分布所组成的碳化物带，该带的形成与焊接过程中的 T22 母材与 Ni 基焊缝成分的微区混合有关，在随后的时效过程中析出细小的碳化物（图 5（b） ） 。（a）焊态 T22 侧热影响区 （b）热处理状态 T22 侧热影响区型碳化物型碳化物型碳化物6（c）焊态 Ni 基焊缝 （d）热处理状态 Ni 基焊缝（e）焊态 TP347H 侧熔合线 （f）热处理状态 TP347H 侧熔合线图 4 两种状态焊接接头时效 30
16、00h 后各部位的金相组织（a） 型、型碳化物 （b）型碳化物图 5 熔合线处的两种碳化物形貌4. 讨论国内外关于焊后热处理对异种钢焊接接头的高温持久性能研究结果现在还不完全一致。Nicholson 认为与高温运行条件相比，焊后热处理对异种钢焊接接头产生的影响可以忽略；Jones 的研究结果也表明，焊态和热处理状态焊接接头的高温持久强度相似。但也有一些学者认为，焊接接头经过 700以上高温回火可以使接头中的碳化物尽早析出，且析出相弥散、细小，长大速度较缓慢，有利于接头寿命的提高。本试验结果表明，在较高应力状态（80MPa）下，热处理状态接头的断裂应力低于焊态接头，随着应力水平的降低，断裂时间超
17、过 8000h 后，热处理状态接头的持久强度会高于焊态接头。过去对 2.25Cr-Mo 与奥氏体不锈钢的 Ni 基过渡接头研究结果表明，在高应力状态（150MPa）下，持久试样的断裂发生在合金钢侧热影响区中的部分相变区，而在较低应力状态（150MPa）下，断裂则发生在熔合线附近的粗晶热影响区中，断后延伸率很低，基本呈脆性断口，而本试验截止到 5500h，断裂位置都发生距离合金钢侧熔合线10mm 的母材处，断裂是否会发生在合金钢熔合线附近还需更长时间的高温持久试验验证。焊态接头 T22 侧热影响区之所以出现硬度峰值（图 2（a） ）是因为焊接过程中，熔合线附近的温度超过了 Ac3 温度，局部发生
18、了奥氏体转变，由于高温停留时间较短，奥氏体中的成分不能7均匀，碳含量较高的区域在随后的冷却过程中发生了马氏体转变，形成板条马氏体（图 3（a） ） ，导致该区域的硬度上升。经过焊后热处理，马氏体逐步退化，形成回火索氏体，导致了热影响区峰值硬度的逐渐降低（图 3（b） ） 。在随后的时效过程中，两种状态接头热影响区中碳化物的球化、长大，使该区域的硬度继续降低（图 4（a、b） ） 。大量关于镍基过渡异种钢焊接接头的失效分析结果都表明，熔合线上的型碳化物对 Ni 基过渡接头的寿命影响很大，粗大的型碳化物可能会成为蠕变孔洞的形核中心，进而萌生微裂纹，裂纹沿壁厚方向的扩展会导致接头产生脆断断裂失效。而
19、型碳化物会随着时效时间的延长而逐步溶解，对接头的长期运行影响很小 1。本试验的研究结果表明，时效 3000h 后合金钢侧熔合线上的碳化物还非常细小，最大碳化物尺寸都在 1m 以下。到目前为止，国外已经建立了多种数学模型，可以比较准确的预测型碳化物的生长速度，并且已经证实，实验室高温时效后产生的型碳化物尺寸可以和在役异种钢接头相对较低温度下、长时运行后的碳化物尺寸相吻合，但可能产生蠕变孔洞的型碳化物临界尺寸还没有确定，杨厚君 3等人认为，蠕变孔洞形核的型碳化物尺寸约为 1.52.0m。所以今后尝试以型碳化物尺寸为基础，结合实验室蠕变持久试验、高温时效试验及现场工况运行后的碳化物尺寸，建立可以对异
20、种钢焊接接头安全性具有预测作用的碳化物尺寸模型，也许可以作为今后异种钢焊接接头研究领域的一个重要方向。5. 结论5.1. 焊态、热处理状态 T22+TP347H 镍基过渡焊接接头的探伤和力学性能都可以达到 DL868-2004 标准要求。5.2. 焊态接头持久性能曲线的斜率大于热处理状态，焊态的应力下降速度较快，两条持久性能直线约在 80MPa 处（约在 8000h）相交；当应力80MPa 时，焊态接头的断裂应力高于热处理状态； 8000h 后，焊态接头持久强度将会低于热处理状态。5.3. 两种状态焊接接头的显微硬度结果表明， 距离 T22 侧熔合线 1.5mm 处热影响区中存在硬度峰值，时效
21、前焊态硬度峰值达到 310HV，时效后硬度峰值下降到 190HV；热处理后，峰值硬度降低到 210HV，时效后峰值硬度下降到 180HV。5.4. 焊态、焊后热处理状态焊接接头高温时效 3000h 后的显微组织接近，T22 侧熔合线上的碳化物由条状分布的型碳化物和窄带状分布的型碳化物组成，但时效 3000h 后，型碳化物的尺寸都在 1m 以下。参考文献：1. J.D. Parker, G. C. Stratford. Review of factors affecting condition assessment of Nickel based transition jointsJ. Scie
22、nce and Technology of Welding and Joining,1999,4(1):29-39.2. L.Laha,et al. An assessment of creep deformation and fracture behaviour of 2.25Cr-1Mo similar and dissimilar weld jointsJ. Metallurgical and Materials Transactions A, 2001, 32:115-124.3 杨厚君，章应霖，吕文广. 电站用奥氏体钢管异种钢焊接研究现状J.电力建设，1998（3）：8-14.8作者简介：刘鸿国（1969-） ，男，汉族、福建莆田，华能玉环电厂，高级工程师/兼职硕导，大学，主要从事电厂焊接、锅检、金属监督的研究及实践，动力工程学会材料分会委员，发表论文 20 多篇，电话 0576-87177326，
